[F1 룰 및 상식] F1: MGU-H의 이해

LINK : https://formula1-data.com/glossary/car/body/mgu-h

2026 시즌 부터 규정에서 사라진다는

MGU-H에 대해 좋은 글이 있어서 

다시 한 번 번역기의 도움을 받아 올려 봅니다.

사실, 저는 명칭으로 부터 마음대로 상상해서

이러이러한 장치겠지 했는데 좀 많이 달랐습니다.🤣

글은 2021년 9월에 업데이트 되었다고 나옵니다.

내용으로 보아 원글은 2018년 후반기 이후에 작성 되었을 것으로 보입니다.

기사의 업데이트 내용은 MGU-H의 향후 규정 변화에 대한 내용으로 생각 되네요.

* 글 마지막 부분에 맥라렌이 혼다와 함께 부진했던 이유

  레드불에서 혼다가 부활한 이유가 나와 있습니다.

MGU-H

시판차로 인해 우리에게 친숙한 하이브리드는 운동 에너지만을 회생하지만, 현대의 F1 머신은

엔진으로부터 대기중에 방출되어 온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 포함한

배기 가스마저도 재이용해, 이것을 동력으로 바꾸어 버린다.

운동 에너지를 회생하는 MGU-K와 그리고, MGU-H의 2개를 합하여 ERS=에너지 회생 시스템이라고 부른다.

회생된 에너지는 내연기관(엔진)이 생성하는 파워와 합산되어 머신을 구동시킨다.

MGU-H란, 엔진의 배기 가스를 전기 에너지로 변환해 엔진 출력을 올리는 하이브리드 시스템의 하나.

2014년에 F1에 도입된 1.6리터 V6 하이브리드 ・터보 엔진 - 이름하여 'F1 파워 유닛'을

구성하는 6대 컴퍼넌트의 하나이며, MGU-H는 「Motor Generator Unit Heat」의 약칭이다.

메커니즘과 원리 ----------------------

하이브리드의 기본은 이용되지 않고 헛되이 흘러가 버리는 몇몇의 힘을 이용하여

발전기를 돌려 전력을 얻는 점에 있다. F1에서 사용되고 있는 MGU-H는 공기 중에

배출되는 배기 가스를 사용하여 발전기를 돌려 파워를 얻게된다.

열에너지를 회생하는 방법은 원리적으로는 복수의 방법을 생각할 수 있지만,

규정상에「MUG-H는 터보차저와 기계적으로 연결하고 있는 것」이라고 정해져 있기 때문에

사실상, 배기 가스를 이용 하는 방법에 한정된다.

F1 파워 유닛에는 MGU-H와 마찬가지로 배기 가스를 이용하는 터보차저의 탑재가 의무화되어 있다.

양자는 같은 샤프트 위에 설치되어 있기 때문에 이른바 공생관계에 있다.

터보차저는, 배기 가스에 의해 터빈(선풍기의 날개와 같은 형상)을 돌려

컴프레서(공기를 압축시키는 기계)를 가동시켜 압축된 공기를 엔진 내부에 강제적으로 보내는 것으로,

연소 효율을 향상시켜 출력 업을 노린다.

한편, MGU-H는 풀 스로틀 가속시 등 터빈이 잉여 회전하여 배기가스를

전부 다 사용할 수 없는 경우를 이용하여 발전을 행한다.

MGU-H의 역할 ----------------------

MGU-H는 '열에너지 회생'과 '터보 랙 해소'라는 두 가지 역할을 담당하고 있다.

또한, 규정으로 최저 중량이 4kg, 최고 회전수가 125,000회전으로 정해져 있다.

각각에 대해 자세히 살펴 보자.

- 열에너지 회생

MGU-H는 대기 중에 방출된 배기 가스를 재사용하여 전기 에너지로 변환한다.

생성된 에너지는 즉시 사용 하던가, ES라고 불리는 배터리에 저장해 두고 나중에 사용할지를 선택할 수 있다.

에너지를 실제로 사용하는 경우, MGU-K로 이를 전송할 필요가 있다.

MGU-K는 운동에너지의 회생을 담당할 뿐만 아니라, 축적한 에너지를 사용해 엔진을 보조하는 역할을 겸하고 있다.

규정상, MGU-H의 회생 에너지량에 제한은 없지만, 배터리로부터 MGU-K로의 전송에는

1랩당 최대 2MJ라는 상한이 정해져 있다. 그 때문에 MGU-H로 회생한 에너지를

일단 배터리에 보존해 버리면, 사실상 제한에 걸리게 된다.

배터리를 경유시키지 않고 사용하면 그러한 제한에서 벗어날수 있다.

- 터보 랙 해소

배기 가스는 가속기를 밟고 있을 때에는 대량으로 배출되지만

감속시나 가속 오프 상태에서 온으로 한 직후에는 별로 배출되지 않는다.

따라서, 코너 출구로부터의 탈출시 등에는, 가속 조작으로부터 조금 지연된 타이밍에

터보가 기동되기 시작한다. 이것을 터보 랙이라고 부른다.

이 터보 랙의 해소를 위해 MGU-H가 사용된다. 랙이 발생하는 타이밍에 MGU-H를 사용하여

터보 대신 컴프레서를 가동시켜 엔진 내부에 압축 공기를 공급한다.

MGU-H를 시판차에 적용 ---------------

V6 하이브리드 시대의 왕자 메르세데스 AMG는 승용차에서 선박까지 폭넓은 종류의 과급기를 다루는

개렛트 모션과 공동으로 '일렉트릭 배기 가스 터보차저'라고 부르는 혁신적 기술을 개발.

MGU-H의 기술을 차세대 로드카에 탑재할 계획을 2020년 6월 17일에 밝혔다.

익숙하지 않은 이름을 가진 이 터보차저의 주목할 포인트는, 배기측의 터빈 휠과

흡기측의 컴프레서 휠의 사이에 있는 샤프트에 직접 조립 되어진 불과 4cm라고 하는

소형의 전동 모터에 있다. 소위 ‘전동 터보차저’다.

이 소형 모터는 배기가스를 사용하여 터빈을 돌릴 수 없고

터보차저가 작동하지 않는 상황(가속을 밟은 순간 등)에서 전기적으로 컴프레서를 구동시켜

압축공기를 실린더에 보내는 역할을 한다 .

이것에 의해 아이들링시로부터의 응답성의 향상뿐만 아니라

전체 회전 영역에서의 응답 개선을 기대할 수 있다.

소위 터보 랙을 전기 모터로 해소한 형태로, 이것은 F1의 MGU-H도 같은 역할을 겸임하고 있지만

퍼포먼스 추구를 위한 MGU-H와 달리 일렉트릭 배기 가스 터보차저는

운전성(드라이버빌리티)의 개선을 목적으로 한 장치라고 할 수 있다.

신뢰성이 부족한 혼다의 MGU-H ---------------------

맥라렌과 태그를 짜고 2015년 F1 복귀를 완수한 혼다이지만 MGU-H가 큰 족쇄가 되어 고전을 했다.

영국 워킹 팀은 가능한 한 리어 엔드의 바디 워크를 짜내는 「사이즈 제로」를 컨셉으로 내걸고

혼다에 대해서 컴팩트한 엔진을 만들 것을 요구하고 있었다.

엔진보다 차체의 에어로 다이내믹 성능을 우선한 것이다.

혼다는 맥라렌의 요청에 부응하기 위해 터보차저나 MGU-H 등을 가능한 한 소형화하여

이들을 엔진의 V뱅크 내부에 배치했다.

이 때문에 MGU-H의 출력이 한계를 가졌고, 하이브리드 파워에서의 추가 마력에 한계가 생겼다.

그래서 혼다는 2017년에 파워 유닛의 컨셉을 일신. MGU-H나 터보차저를 대형화해

터보를 구성하고 있던 컴프레서를 V뱅크 전방으로 재배치한다.

하지만 여기서 다시 크리티컬한 신뢰성 부족이 드러난다.

HRD Sakura에서 MGU-H 개발의 주임 연구원을 맡고 있는 다카시씨에 의하면

그 주된 원인은 「로터 다이나믹스」에 있었다고 한다.

이것은 회전 기계물의 진동·거동에 관한 응용 역학의 전문 분야로,

컴프레서를 V 뱅크 전방으로 재배치한 것 때문에 터빈과 컴프레서를

연결하는 샤프트(축)가 길어져, 축의 공진에 관한 문제가 발생했다.

구체적으로는, 어느 일정한 엔진 회전수·속도역에서 범프나 연석에 올라 탔을 때에

축 진동이 단번에 증대하고, 비틀어지고, 구부러지려는 샤프트의 움직임에 대하여

회전축에 설치된 베어링이 견디지 못하고 파손.

지지체를 잃은 샤프트가 난폭하게 회전하면서 파워 유닛 전체가 파괴되었다.

올해는 바레인과 모나코, 아제르바이잔 등 시즌 전반기의 대부분에 고장이 잇따랐다.

이 문제를 해결하기 위해 혼다는 가스 터빈 엔진의 지식을 가진 항공기 부서에 도움을 요청했다.

항공기용 엔진은 대형 프로펠러와 터빈이 긴 축으로 연결되어 있으며, MGU-H는 컴프레서와 터빈이

축으로 연결되어 있기 때문에 구조가 비슷하다.

혼다 제트의 엔진 개발 담당 주임 연구원을 맡고 있는 나오미씨에 의하면

베어링의 배치나 위치, 축의 강성을 변경하는 것으로

샤프트의 위험 회전역(특히 날뛰려고 하는 회전역)을 레이스 중에 사용 하는 상용 회전역 밖으로

몰아내는 것으로 내구성을 높였다고 한다.

이 결과 혼다의 F1 파워 유닛은 비약적으로 성능과 신뢰성을 향상시켰다.

2019년 2차전 이후 레드불과 토로로소는 MGU-H의 고장을 일으키는 리타이어를 경험하지 않았다.

폐지의 흐름으로부터 일변, 2025년까지의 계속이 결정 -------------

당초 F1과 국제자동차연맹(FIA), 그리고 리버티 미디어는 2021년부터 일신되는

F1 테크니컬 레귤레이션에 있어서 고가이고 복잡한 MGU-H를 폐지해

신규 매뉴팩처러의 진입을 촉구하고 싶은 생각이다.

하지만 기존 참전 메이커로부터의 반대도 있어 적어도 2025년까지 계속되는 것이 정해졌다.

하이브리드 터보 시대의 왕자 메르세데스와 혼다는 MGU-H의 폐지에 반대의 뜻을 주었고

페라리도 이 청사진에 강하게 반발했다