Formula 1

Hondaのハイブリッドテクノロジー(MGU-H,MGU-K)の進化
2015年~2022年

Hondaのハイブリッドテクノロジー(MGU-H,MGU-K)の進化 2015年~2022年

F1パワーユニットは、V6ターボエンジン+2種類のエネルギー回生システムで構成されている

MGU-Hのエネルギーフロー:タービンとコンプレッサーで構成されるターボチャージャーと熱エネルギーを電気エネルギーに変換するMGU-Hの駆動源は、ICE の排気エネルギーだ。タービンで回転運動に置き換えられたエネルギーはMGU-Hとコンプレッサーの仕事に使われる。まず、タービンで効率を改善し、損失を減らすと、MGU-H/コンプレッサーで使えるエネルギーが増えることになる。さらに、MGU-H、コンプレッサーでの効率を改善することで、それぞれの仕事量が増える

MGU-Hのエネルギーフロー:タービンとコンプレッサーで構成されるターボチャージャーと熱エネルギーを電気エネルギーに変換するMGU-Hの駆動源は、ICE の排気エネルギーだ。タービンで回転運動に置き換えられたエネルギーはMGU-Hとコンプレッサーの仕事に使われる。まず、タービンで効率を改善し、損失を減らすと、MGU-H/コンプレッサーで使えるエネルギーが増えることになる。さらに、MGU-H、コンプレッサーでの効率を改善することで、それぞれの仕事量が増える

2014年以降のF1のパワーユニットは1.6LV6直噴シングルターボエンジンと2種類のエネルギー回生システムで構成されている。エネルギー回生システムのひとつは運動エネルギー回生システムで、クランク軸と接続されたMGU-K(Motor Generator Unit – Kinetic)によって、主に運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。MGU-Kの出力は最大120kW、最高回転数は50,000rpmに規定されている。

もうひとつは熱エネルギー回生システムで、ターボチャージャーと同軸に配置されたMGU-H(Motor Generator Unit – Heat)によって、排気に含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。MGU-Hの出力は規定されておらず、自由に設定できる。最高回転数は125,000rpmに規定されている。

MGU-KからES(Energy Store:実質的にリチウムイオンバッテリー)に送ることができる電気エネルギーは1周あたり最大2MJに規定されている。一方、ESからMGU-Kに送ることができる最大エネルギーは1周あたり4MJに定められている。MGU-Hの出力とESとのエネルギーのやりとりに上限は設定されていない。

エンジンの燃料流量には100kg/hの上限が定められている。燃焼室に投入された燃料エネルギーのうち、排気損失や冷却損失、摩擦損失に補機駆動による動力を引いた分が正味出力になる。各種損失を減らして正味出力を増やすのが、パワーユニット開発の大きなテーマのひとつである。

一方で、排気に残るエネルギーは、MGU-Hとターボチャージャーを一体化したユニットであるMGU-Hアッシーを仕事させる原資になる。タービンに流入する熱エネルギーのうち、タービンの効率に左右される損失が生じる。また、ある割合が排気損失となる。これらの損失を除いたエネルギーがタービンの吸収仕事として回転エネルギーに変換される。

その中から、空気を圧縮するためのコンプレッサーの駆動仕事とMGU-Hの回生仕事に使われ、コンプレッサーの効率とモーターの効率それぞれで損失が発生。残ったエネルギーがコンプレッサーの圧縮仕事とMGU-Hの発電に使われる。

このような一連のエネルギーフローの中で、タービンの効率、MGU-Hの効率、コンプレッサーの効率を改善していくと、MGU-Hの回生量が増える。Hondaは2015年からパワーユニットサプライヤーとしてF1への参戦を始めたが、初期は信頼性能向上に軸足を置きながらも、さまざまな効率改善によって回生量を増やす開発に継続的に取り組んだ。

エンジンに関しては、圧縮比と比熱比を高めることで正味出力を向上させる開発を継続的に進めた(究極の燃焼効率を誇るテクノロジー進化に詳細)。幾何学的圧縮比の上限はレギュレーションで18に規定されているので、圧縮比は18に近づけるべく開発を行った。

一方、比熱比に上限は設けられていない。理論空燃比よりもリーンにしていくほど熱効率は高くなり、正味出力は向上する。よりリーンにしていくためにはシリンダーにより多くの空気を入れ込まなければならず、コンプレッサーの大型化に取り組んだ。

ホンダジェットの技術も投入した開発

2021年のMGU-H MGU-Hアッシーはターボチャージャーと熱エネルギーを回生するためのモーターを一体化したユニットだ。写真左側が車両前方で、コンプレッサー~モーター~タービンの順に並んでいる

2021年のMGU-H MGU-Hアッシーはターボチャージャーと熱エネルギーを回生するためのモーターを一体化したユニットだ。写真左側が車両前方で、コンプレッサー~モーター~タービンの順に並んでいる。

MGU-HアッシーをVバンクの間に収める設計コンセプトだったこともあり、2015年のRA615Hが搭載したコンプレッサーは量産ターボの延長線上にある圧力比と修正空気流量(実測値を基準値に修正した値)に留まっていた。Vバンクの間に収める空間的な制約の影響もあったが、エンジンが大きな圧力比と空気流量を求めていなかった側面もある。

しかし、この状態では対他競争力を確保できないと判断し、コンプレッサーの大型化を図ることにした。2017年のRA617Hでは、コンプレッサーをVバンクの外に出すことで大型化した。RA615Hでは空気密度が低くなる高地(例:オーストリア=海抜750m、メキシコ=海抜2300m)のサーキットで要求過給圧や流量を満足させることはできなかったが、RA617Hではコンプレッサーの大型化などによってワイドレンジ化することができ、高地での要求過給圧や流量変化に応えられるようになった。

一方で課題が生じた。シャフトの長軸化にともなって常用回転域に軸の振幅が大きくなる危険速度域が現れるようになったのである。MGU-Hアッシーが危険速度域にあるときに縁石を通過した際のような大きな外乱が重なると、振幅が増幅され、破壊につながる恐れがあった。この問題に関してはホンダジェットのガスタービンエンジン開発チームの協力を得、軸受の剛性向上や潤滑、冷却の改善、軸受の振動減衰構造の強化と軸構造の見直し、アンバランスの低減などを行って解決した。問題を解決したMGU-Hアッシーは、2018年第2戦バーレーンGPで投入している。

ICEの進化に伴うコンプレッサー作動域とMGU-H&ターボレイアウト変化

ICEの進化に伴うコンプレッサー作動域とMGU-H&ターボレイアウト変化:MGU-HアッシーをVバンクに搭載していた2015年のRA615Hと、MGU-Hアッシーを長軸化し、コンプレッサーをVバンクの外に出すことで大型化が可能になった2017 年のRA617Hが搭載するコンプレッサーの性能(イメージ)比較。RA615Hは圧力比も修正空気流量も量産ターボの延長線上だったため、海抜が高く空気密度が薄くなる高地のサーキット(とくにメキシコ)では当時の要求過給圧や流量を満足させることができなかった。RA617Hではコンプレッサーの大型化などにより、幅広い要求に応えられるようになった

MGU-HアッシーをVバンクに搭載していた2015年のRA615Hと、MGU-Hアッシーを長軸化し、コンプレッサーをVバンクの外に出すことで大型化が可能になった2017 年のRA617Hが搭載するコンプレッサーの性能(イメージ)比較。RA615Hは圧力比も修正空気流量も量産ターボの延長線上だったため、海抜が高く空気密度が薄くなる高地のサーキット(とくにメキシコ)では当時の要求過給圧や流量を満足させることができなかった。RA617Hではコンプレッサーの大型化などにより、幅広い要求に応えられるようになった。

2019年第8戦フランスGP以降は、ホンダジェット・ガスタービンエンジン開発のメンバーと協力し、コンプレッサーの圧力比をさらに高めていった。年次推移を見ると、2020年、2021年と効率は落ちているが、効率とトレードオフの関係にある圧力比を上げたほうがパフォーマンスに寄与するため、効率よりも圧力比を重視したからだ。

最新の設計ツールを使うと、コンプレッサーの羽根を複雑な三次元形状に設計することが可能。効率を追求するほどに、三次元形状は複雑化していく。複雑な形状になっていくと、運転モードの中で羽根自体が持っている固有振動数で共振し、大きく振れて破壊に至る場合がある。そうならないよう、エンジンの排気脈動の影響を再現できるパワーユニットテストベンチなどで耐久信頼性を充分に確認し、実機に投入していった。

2019年第8戦フランスGPで投入したコンプレッサーは、量産ターボ(1.5L)よりはるかに大きな圧力比、修正空気流量をカバーする仕様となっていた。また、ワイドレンジなだけではなく、幅広い運転領域で高い効率を実現していた。

タービンの効率も2017年の長軸化を機に大きく向上した。これにともない、MGU-Hの回生量は増加している。タービンに関しては、2020年のRA620Hからホンダジェット・ガスタービンエンジン開発の知見を活用。コンプレッサーと同様に、羽根は複雑な三次元形状になっていった。

MGU-H開発の推移

MGU-H開発の推移:開発者の目線で振り返ると、2018 年までは信頼性向上、2019 年以降はモーター性能向上がメインの開発テーマだった。V バンク内配置だった2016 年までは寸法的な制約もあったが、モーター出力への要求もあまり高くなかった。全体がコンパクトなのはそのため。2018年のHGNは和光研究所にあるホンダジェットのガスタービンエンジン開発部隊を指す。2019年のEXD、2020年のEXHはそれぞれ、エクストラデプロイ、エクストラハーベストで、エネルギーマネジメント技術。2015年のF1参戦当初はエンジンが大きな圧力比と空気流量を求めていなかったのと同様、MGU-Hのモーター出力に対する要求も高くなかった。転機は長尺化した2017年で、以来、回生量の向上を強く意識するようになった。

開発者の目線で振り返ると、2018 年までは信頼性向上、2019 年以降はモーター性能向上がメインの開発テーマだった。V バンク内配置だった2016 年までは寸法的な制約もあったが、モーター出力への要求もあまり高くなかった。全体がコンパクトなのはそのため。2018年のHGNは和光研究所にあるホンダジェットのガスタービンエンジン開発部隊を指す。2019年のEXD、2020年のEXHはそれぞれ、エクストラデプロイ、エクストラハーベストで、エネルギーマネジメント技術。
2015年のF1参戦当初はエンジンが大きな圧力比と空気流量を求めていなかったのと同様、MGU-Hのモーター出力に対する要求も高くなかった。転機は長尺化した2017年で、以来、回生量の向上を強く意識するようになった。

2018年のRA618Hでは、ホンダジェット・ガスタービンエンジン開発チームの協力を得ながらシャフトの支持構造を大きく変更。グリースベアリングからオイル潤滑に変えた。モーターは100,000rpm以上の高速で回るため、空気抵抗により風損と呼ばれる損失が発生する。本来なら風損を減らすためにシャフト支持部を真空にしたいところだが、信頼性確保を重視し、オイルをシールするために加圧する構造とした。加圧するための空気はコンプレッサーから供給する。

2019年のRA619HではMGU-Hの定格出力を向上。モーターを長時間高出力で使えるようにした。エネルギーマネージメント技術の進歩(ESSバッテリーユニットと制御技術の進化に詳細)によりMGU-Hの使用頻度が高まったことへの対応である。

2020年のRA620Hではターボチャージャーの開発をメインに行い、MGU-Hはハードウェアを大きく変えず、使い方の面で進化させた。2021年のRA621Hでは磁束密度の高い磁石の採用や熱伝導率の高い絶縁子を採用することで、冷却効率を上げ、MGU-Hの出力とトルクを向上させた。出力だけでなくトルクを向上させたのは、エネルギーマネージメントの進化に合わせ、低回転側まで効率良く回生できる領域を広げるためである。

MGU-K

MGU-K

主に減速時に運動エネルギーを回生し、加速時にエンジンの出力をアシストするのがMGU-K の役割。技術規則により最高出力は120kW、最高回転数は5万rpmに規定されている。

MGU-K開発の推移

MGU-K開発の推移

MGU-H同様、2019年までは信頼性向上、2020年以降はモーター性能向上がメインの開発テーマだった。2018年はベアリングの支持構造を変更。モーター単体ベンチで試験する際はまったく問題が生じないが実機に搭載してパワーユニットベンチで回すと壊れる。ラジアル荷重に対してベアリングの許容荷重が足りていなかった。2021年は新骨格ICE の投入にともなって燃焼圧が上がり、振動が厳しくなった。耐振性を強化するためにハウジングの剛性アップを図った。

前述したように、MGU-Kは最高出力が120kWに規定されている。最大トルクにも上限が定められており200Nmだ。2020年のRA620Hに適用したMGU-Kは規則の範囲内でトルクを向上させ、エンジン低回転域から最高出力で回生できるようにした。2021年のRA621Hではギヤレシオの変更により、さらに低回転から最高出力で回生できるようにした。

初期のMGU-Kは信頼性の確保が大きな課題だった。大きなイナーシャを持つクランクと、それよりは小さいが相応のイナーシャを持つMGU-Kをギヤでつなぐと、ねじり共振が発生してシャフトが破損する問題が発生した。この問題を解決するため、シャフトを弱ばね化するなどの対策を実施。熱の問題にも直面したため、2016年のRA616Hでは耐熱性を向上させるため磁石を変更した。

2017年のRA617Hでは、エンジン後端からギヤを介してつないでいたそれまでのリヤ駆動から、エンジン前端でつなぐフロント駆動に変更している。リヤ駆動の場合はエンジンのロワケース左下部にMGU-Kの駆動部が位置することになるため、車体形状と干渉し空力に影響する。フロント駆動に切り換えたのは、その影響を排除するためだ。

2018年のRA618Hではベアリングの支持構造を変更し、信頼性の向上を図った。その結果として全長は長くなったが、信頼性を重視した。以来、ベアリング関連のトラブルとは無縁になった。2021年のMGU-Kは、耐振性を強化するためハウジングの剛性向上を図った。新骨格のエンジン投入にともなって燃焼圧が上昇し、それにともなって振動が大きくなったのに対処するためである。

エンジンの熱効率を追求する開発の過程で、MGU-Hアッシーを構成するコンプレッサーは効率を向上させつつ圧力比と空気流量の向上を図り、MGU-Hは高出力・高トルク化に取り組んだ。MGU-Kは、MGU-Hアッシーと同様に参戦初期は信頼性確保に取り組みつつ、低回転域から最高出力で回生できるよう開発に取り組んだ。どちらも、7シーズンで大きな進化を果たしている。

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