Pertama, mungkin penting untuk meninjau kembali apa yang dilakukan katup dan bagaimana mereka seharusnya bekerja pada mesin pembakaran internal empat langkah.
Apa yang dilakukan katup
Pada dasarnya ada katup intake dan katup buang dengan minimum masing-masing satu per piston, tetapi mobil F1 (dan banyak mobil jalan modern) menggunakan dua masing-masing. Deskripsi berikut akan menggunakan "katup" tunggal, tetapi harus dipahami bahwa dalam mesin multi-katup, katup beroperasi secara sinkron - yaitu, apakah mesin memiliki satu atau dua katup masuk, mereka berada di posisi yang sama di setiap instan dalam waktu.
Katup intake memungkinkan campuran bahan bakar / udara ke dalam silinder saat piston bergerak ke bawah (menjauh dari katup) dan kemudian menutup sehingga campuran tersebut dapat dikompresi oleh piston yang naik. Ini kemudian dinyalakan oleh percikan api dan ledakan mini yang dihasilkan mendorong piston kembali ke bawah. Itu adalah stroke daya. Akhirnya, piston kembali naik ketika katup buang terbuka dan gas buang didorong keluar dari silinder.
Bagaimana mereka bekerja
Sebagaimana harus jelas dari uraian di atas, katup harus secara tepat disinkronkan dengan operasi piston yang bergerak ke atas dan ke bawah. Jika mereka keluar dari sinkronisasi, mesin akan memiliki daya yang lebih kecil (jika mereka sedikit mematikan waktu), atau tidak berjalan sama sekali (jika mereka benar-benar mematikan waktu) atau menghancurkan mesin dengan menyebabkan piston menabrak katup, tekuk atau patahkan katup (dalam beberapa desain). Selama beberapa dekade, dan hingga saat ini, sebagian besar mesin menggunakan Cams untuk mendorong katup ke bawah (membukanya) dan pegas untuk menutup katup lagi. Desainnya murah, andal, efisien, dan sudah terbukti bagus, tetapi ada beberapa keterbatasan.
Ayo berlomba!
Ketika kecepatan engine naik, katup harus melaju lebih cepat. Mobil F1 dirancang untuk memutar hingga 15.000 RPM sesuai dengan peraturan saat ini; mobil-mobil musim sebelumnya meningkat bahkan lebih tinggi. Mobil-mobil jalan biasa memiliki "garis merah" di sekitar setengahnya. ("Garis merah" mengacu pada garis merah aktual pada tachometer yang dimaksudkan untuk menunjukkan "jika Anda melampaui titik ini, kemungkinan kerusakan mesin parah!") Ketika mesin berputar secepat itu, pegas menjadi masalah.. Pertama, perlu bertindak sangat cepat. Kita dapat membuatnya menutup katup lebih cepat dengan menggunakan pegas yang lebih keras, tetapi kemudian kita perlu mengeluarkan lebih banyak energi untuk mengompresi pegas setiap kali cam berputar untuk menutup katup. Lebih lanjut, ditemukan bahwa pada kecepatan mesin tertentu dekat frekuensi resonansi pegas, katup tidak menutup secepat yang seharusnya, sehingga beberapa mesin balap menggunakan dua atau tiga pegas konsentris dengan frekuensi resonansi berbeda untuk mengatasi hal ini.
Musim semi di Paris
Salah satu pendekatan yang berhasil digunakan oleh Renault pada awalnya (ya, saya tahu mereka sebenarnya tidak berbasis di Paris, tapi saya tidak bisa menolak menggunakan heading) dan segera setelah itu oleh semua produsen mesin F1 adalah katup pneumatik. Pada dasarnya, itu hanya diafragma yang diisi dengan gas inert seperti nitrogen yang bertindak seperti pegas, tetapi lebih cepat. Mereka juga memiliki kelebihan dengan bobot lebih rendah, yang selalu menarik bagi para insinyur balap. Perlu diingat bahwa meskipun katup pneumatik dapat digunakan pada RPM yang lebih rendah, masalah yang ingin mereka selesaikan adalah pada RPM yang begitu tinggi jauh di atas yang dapat ditahan sedan keluarga, jadi itu sebabnya mereka tidak (belum) digunakan di jalan mobil. Ada juga sistem yang disebut " desmodromic"Yang pada dasarnya menggunakan dua lobus cam - satu untuk membuka katup dan yang lain untuk menutupnya. Setahu saya itu belum pernah digunakan di F1 ( Maafkan saya Fangio, karena saya telah berdosa! The 1954 Mercedes-Benz W196 menggunakan desmodromic katup.), dan pengguna utama adalah Ducati di sepeda motor mereka. Ini sudah cukup lama, jadi saya tidak akan menggambarkan yang itu di sini.
Bisakah kita melakukan yang lebih baik lagi?
Sistem cam yang saya gambarkan berfungsi dengan baik, tapi ini kompromi. Waktu dan durasi periode saat masing-masing katup terbuka ditentukan oleh bentuk lobus poros bubungan dan kecepatan engine. Pada beberapa titik dalam rentang RPM engine, poros cam tertentu memberikan durasi dan waktu optimal, tetapi hanya pada satu titik itu. Untuk setiap putaran mesin lainnya, ini akan menjadi kurang optimal dalam hal efisiensi atau tenaga atau keduanya. Idealnya, kami ingin kontrol katup yang lebih baik untuk memastikan pengaturan ideal pada lebih dari satu nilai RPM tertentu.
Bagaimana kita dapat meningkatkan kontrol katup?
Ada beberapa cara untuk mengatasinya. Salah satu cara sederhana untuk melakukannya adalah memiliki dua lobus cam per katup dan menggunakan aktuator yang mengubah mana yang benar-benar membuka katup. Pada dasarnya itulah yang dilakukan sistem VTEC Honda . Kita dapat melakukan yang lebih baik lagi dengan memvariasikan cam timing secara terus-menerus, seperti yang dilakukan oleh Toyota VVT-i, VANOS BMW dan sistem Variocam Porsche. Mereka semua memiliki kemampuan untuk sedikit memvariasikan waktu cam sehingga mesin beroperasi pada daya puncak dalam kisaran kecepatan mesin yang jauh lebih luas.
Itu bagus, tapi kita bisa membayangkan melangkah lebih jauh. Bahkan lebih baik menghilangkan cam sepenuhnya dan menggunakan, misalnya, solenoid di bawah kendali komputer. Jelas solenoid dan komputer yang mengendalikannya harus secara tepat menduplikasi waktu yang saat ini disediakan secara mekanis oleh kamera, tetapi ia memiliki potensi keuntungan yang signifikan dalam penghematan berat dan dalam kontrol yang sangat fleksibel yang memungkinkan penyesuaian dinamis momen-demi-momen waktu katup. Namun, ini terbukti sangat sulit untuk benar-benar dicapai secara andal, sehingga belum ada mesin produksi yang menggunakan teknologi semacam ini. Koenigsegg dikabarkan dekat, tetapi hanya sedikit dari kita yang mampu membeli salah satunya.
Sistem katup variabel mana yang digunakan dalam F1?
Jawabannya mungkin mengejutkan Anda: tidak satupun dari mereka . Jika Anda membaca Peraturan Teknis Formula 1 2016 (dan siapa yang tidak ?!) Anda akan melihat ini:
5.9.2 Waktu katup variabel dan sistem profil pengangkatan katup variabel tidak diizinkan.
Berkendara bangga!
Jadi begitulah. Walaupun ada banyak teknologi keren di mesin F1, termasuk "pegas" katup pneumatik, Anda dapat berkendara dengan sombong di Honda Primer 1999 abu-abu dengan kapak yang hilang dan kap penyok mengetahui bahwa mesin Anda benar-benar menggabungkan teknologi yang tidak ada. Mobil F1 saat ini memiliki timing katup variabel.