Fuel Flow Gate
27th marzo 2020‘Fuel Flow Gate’ – Did Ferrari attempt to trick the system and, if so, how could it be done?
Credits: Motorsport Technology
A myth surrounding Ferrari’s involvement in F1 is that the engine is all important, with Enzo Ferrari even once simplifying his thinking to “I build engines and attach wheels to them”. But for many years this hasn’t been the case, with the Maranello engines being outgunned by its rivals. Then, in an apparent reversal of fortunes, the 2019 Ferrari was demonstrably quicker in a straight line and held a power advantage in qualifying. Soon their rivals were crying foul, and the FIA investigated the fuel system after a Red Bull request for a technical clarification. Subsequently, the investigation failed to prove wrongdoing, but doubt remained, and a poorly managed FIA announcement only stirred the waters. So, what might Ferrari have been doing in 2019?
Fuel Flow Regulations
It’s certainly true that for many years Ferrari were the best in the business, its 12 cylinder engines being the most powerful on the grid. However, in latter years and especially since the current hybrid rules, the Ferrari power unit has not been the class of the field, rather Mercedes have had that accolade.
The current power units are hugely complicated, the intention of the 2014 rules were to increase engine efficiency, by using two hybrid systems and a fuel-limited V6 combustion engine. It’s this latter aspect that has created the biggest task for the engine development teams. While the Hybrid systems have proven hard to optimise and only now have matured into reliable systems, the issue is the Hybrid output is capped at 161hp (120kw), given enough energy recovery from both Hybrid systems, this output is available to the driver whenever the car is no longer traction limited, i.e. the driver is at wide open throttle.
Thus, the drive to gain more from the combustion engine has driven the manufacturers into ever more complex fuel/ignition systems. Part of the 2014 rules was to cap the fuel passing through the engine, this was done in two ways. Firstly, a race fuel limit, initially set at 100kg and subsequently increased. Then a fuel flow restriction, which set a graduated maximum flow rate passing from the fuel tank to the engine. Confusingly, this was also set at 100kg, but as this was a fuel flow rate, its defined as 100kg/hour. Equally confusing, the high values have flummoxed many a fan. It’s not that in an hour the engine can use 100kg of fuel, instead it’s an instantaneous rate. This equates to a more understandable 27.8 grammes per second.
These two caps prevented teams running high levels of boost and burning lots of fuel for huge amounts of power. The race fuel cap thus limited power, while the flow rate prevented qualifying boost being used for short periods. This meant that the cars were using a third less fuel than in the V8 era!
To monitor the fuel flow rate, the FIA tendered for a Fuel Flow Meter (FFM). This was initially won by Gill Sensors whose ultrasonic sensor used no moving parts, provided no obstruction to the fuel flow and gave a high accuracy. This was fitted in between the low pressure pump inside the fuel tank and the high pressure pump mounted on the engine itself. The output from the FFM went into the cars main loom and the data from this sensor was shared between the teams ECU and the FIA Safety Data Recorder. Output from the sensor is checked by a third party calibration company, so that all the FFMs read fuel flow at the same rate.
Aside from initial problems with the Red Bull fuel in 2014, the FFM has been a standard part of the current car set up and hasn’t been an issue, even with the supply being re-tendered by the FIA in 2017 and Sentronics thereafter being the sole homologated supplier since 2018.
Machiavellian
From a team perspective, one way to gain power would be run more fuel flow than the FIA intended. This could be done either from keeping within the fuel flow limit, but caching fuel upstream. Or, by beating the flow limit itself.
Through the first years of the engine formula there were technical directives and subsequent rule changes to prevent teams storing fuel upstream of the FFM. That way, the fuel flow would never exceed 100kg/h, but there would be excess fuel ready to flow at a higher rate to the high pressure fuel pump, before being injected into the engine.
There was initially no limit on the volume of fuel retained in the: pipework, accumulators and pumps outside of the fuel tank. The trick was all to easy to exploit and the limit has been set back to initially 2l and for this year 250cc. All too aware of this issue going forwards, the FIA have implemented a spec part to be adopted in 2021, where the pipework from tank to pump will be made by Magneti Marelli and the high-pressure pump supplied by Bosch Motorsport. Thus, there is no potential for any caching of fuel to help feed a higher flow rate.
Beating the Fuel Flow Meter is, of course harder, but gives a direct reward, as the maximum flow rate can consistently be overcome. There is no clear means to bypass or mechanically overcome the FFM, as this would be all too obvious for the FIA technical staff. Even playing with fuel formulation to find a petrol mix that somehow is detected at a lower rate is impossible, as the FIA require the FFMs to be recalibrated if a new fuel blend is produced.
So, it turns to the electrical signal as a possible means to beat the FFM. Sensors and the car’s data acquisition system gather sensor data at various sampling rates. For the FFM the rate is 2.2kHz, that’s 2200 readings every second. So, the sensor reads the fuel flow and produces signal with the measured flow over time. This can be visualised as a graph of blips, one blip every 5,000th of a second, with the height of the blip corresponding to the measure flow. If the peak is higher than 100kg/h then the fuel flow is illegally high. As mentioned above both the team and the FIA have access to and record this data.
If that data can be manipulated, by hiding the peaks in the fuel flow signal, then the FIA could read the fuel flow as less than is actually being pumped to the engine. Such capping of the spikes in the signal is known as aliasing. This could be done in one of two ways, alter the signal or alter the fuel flow itself.
Altering the signal has been rumoured, with stories of high voltage wires in the hybrid system being routed under the fuel flow meter to disturb signal with electrical interference. Or something similar but having the effect of phasing the creation and recording of the FFMs signal. That way, the peaks of the signal aren’t read, instead the recording taking place either just before or after the peak, thus lower down the blip on the graph.
Another means might be the fuel flow, as the electric pump doesn’t deliver a constant steady stream of fuel flow. In reality the fuel flow is pulsed, in a similar way to the blips on the FFM signal, the fuel flow graph has waves, were the fuel flow varies by a small amount at peak flow. It could be that those peaks are the maximum fuel flow above the 100Kg/h rate, but the lower points below the peaks are at 100kg/h. If that can be phased with the FFM sampling rate, then the signal would only read the lower figures, tricking the FIA into believing that the maximum flow is no higher than 100kg/h. To do this the team would need to synchronise the sampling rate with the pumps natural frequency. As the output from the FFM is open to the team they have the means to have a feedback loop, constantly adjusting the pumps output to the FFM.
Its not known what if anything Ferrari have been doing with the output from the FFM, the FIA have come to an off the record agreement with Ferrari and already for 2020 there is a new second FIA-only FFM to try to prevent these sorts of practices.
Resolution
The introduction of the FIA FFM for 2020 is designed to prevent any controlled manipulation of the Fuel Flow Meter. Fully described in the preceding Motorsport.tech article, now a second FFM is fitted upstream of the team’s FFM. However, the signal from the FIA FFM uses encryption and anti-aliasing technology to prevent teams being able to use a feedback process to ensure the peaks of the fuel flow aren’t recorded. Hence, the sampling rate is randomised, and the signal encrypted from the FIA FFM, which is then sent direct to the FIA SDR on a separate wiring loom. Team will have no access to this signal, therefore will have no idea how much flow the FIA are measuring.
Which appears to end the potential trickery, although the legal question remains unanswered and for others to decide; did Ferrari do something and was it illegal?
«Un mito en torno a la participación de Ferrari en la F1 es que el motor es muy importante, con Enzo Ferrari, incluso una vez que simplifica su pensamiento a “voy a construir motores y adjuntar las ruedas a ellos”. Pero durante muchos años esto no ha sido el caso, con los motores de Maranello siendo superados por sus rivales. Entonces, en un aparente cambio de suerte, el 2019 Ferrari fue demostrablemente más rápido en línea recta y mantuvo una ventaja de poder en la calificación. Pronto sus rivales estaban llorando falta, y la FIA investigó el sistema de combustible después de una petición de Red Bull para una aclaración técnica. Posteriormente, la investigación no ha podido demostrar la maldad, pero la duda se mantuvo, y un anuncio de la FIA mal administrado solamente agitó las aguas. Por lo tanto, lo que podría haber estado haciendo Ferrari en 2019?
Reglamento de flujo de combustible
Es cierto que durante muchos años Ferrari fueron los mejores en el negocio, sus 12 cilindros, siendo el más potente en la parrilla. Sin embargo, en estos últimos años y especialmente desde las reglas híbridos actuales, la unidad de potencia Ferrari no ha sido la clase del campo, en lugar de Mercedes han tenido que elogio.
Las unidades de potencia actuales son enormemente complicados, la intención de las reglas 2014 fuera a aumentar la eficiencia del motor, mediante el uso de dos sistemas híbridos y un motor de combustión V6 de combustible limitado. Es este último aspecto que ha creado la tarea más importante para los equipos de desarrollo de motores. Mientras que los sistemas híbridos han resultado difíciles de optimizar y sólo ahora han madurado hasta convertirse en sistemas fiables, el problema es la salida híbrido tiene un tope de 161hp (120kW), dado suficiente la valorización energética de los sistemas híbridos, esta salida está a disposición del conductor siempre que el coche ya no es tracción limitado, es decir, el conductor se encuentra en la mariposa totalmente abierta.
Por lo tanto, la unidad para obtener más del motor de combustión ha impulsado los fabricantes en los sistemas de combustible / de encendido cada vez más complejos. Parte de las reglas 2014 era para coronar el combustible que pasa a través del motor, esto se hizo de dos maneras. En primer lugar, un límite de combustible de carrera, fijado inicialmente en 100 kg y posteriormente se incrementó. A continuación, una restricción del flujo de combustible, que establece una graduó caudal máximo que pasa desde el depósito de combustible al motor. Confusamente, esto también se fijó en 100 kg, pero como este fue un caudal de combustible, su definido como 100 kg / hora. Igualmente confuso, los altos valores han desconcertado a muchos un ventilador. No es que dentro de una hora, el motor puede utilizar 100 kg de combustible, sino que es una tasa instantánea. Esto equivale a una más comprensibles 27,8 gramos por segundo.
Estas dos tapas impidieron equipos corriendo altos niveles de impulso y la quema de una gran cantidad de combustible para enormes cantidades de energía. La tapa de combustible de carrera así el poder limitado, mientras que el caudal impidió impulso de calificación que se utiliza por períodos cortos. Esto significó que los coches estaban usando un tercer combustible menos que en la era V8!
Para controlar el caudal de flujo de combustible, la FIA ofrecido por un medidor de flujo de combustible (FFM). Este fue ganado inicialmente por Gill Sensores cuya ultrasónico sensor utilizado sin partes móviles, siempre que no obstrucción en el flujo de combustible y dio una gran precisión. Este fue equipado en entre la bomba de baja presión en el interior del depósito de combustible y la bomba de alta presión montado en el propio motor. La salida de la FFM entró en el telar de coches principal y los datos de este sensor fue compartido entre los equipos ECU y el grabador de datos de seguridad de la FIA. Salida del sensor está marcada por una tercera parte de calibración, por lo que todas las misiones exploratorias leen el flujo de combustible a la misma velocidad.
Aparte de los problemas iniciales con el combustible de Red Bull en 2014, la misión ha sido una parte estándar del coche actual de configurar y no ha sido un problema, incluso con el suministro de ser re-presentada por la FIA en 2017 y Sentronics siendo a partir de entonces el único homologado proveedor desde 2018.
Maquiavélico
Desde la perspectiva del equipo, una forma de obtener poder se ejecutaría un mayor flujo de combustible que la FIA pretende. Esto podría hacerse, ya sea de mantener dentro del límite de flujo de combustible, pero el almacenamiento en caché de aguas arriba de combustible. O, al vencer al flujo limitarse.
A través de los primeros años de la fórmula motor había directivas técnicas y cambios en las reglas siguientes para prevenir los equipos de almacenamiento de combustible aguas arriba de la FFM. De esta manera, el flujo de combustible nunca exceda de 100 kg / h, pero no habría exceso de combustible listo para fluir a una tasa superior a la bomba de combustible de alta presión, antes de ser inyectado en el motor.
Hubo inicialmente hay límite en el volumen de combustible retenido en el: tuberías, acumuladores y bombea fuera del depósito de combustible. El truco era todo fácil de explotar y el límite ha sido de nuevo conjunto de 2l inicialmente y para este año de 250 cc. Muy consciente de este problema va hacia delante, la FIA ha implementado una parte de especificaciones para ser adoptado en 2021, donde la tubería desde el depósito a la bomba se hará por Magneti Marelli y la bomba de alta presión suministrada por Bosch Motorsport. Por lo tanto, no hay posibilidad de que cualquier almacenamiento en caché de combustible para ayudar a alimentar un caudal mayor.
Beating el medidor de flujo de combustible es, por supuesto más difícil, pero da una recompensa directa, ya que el caudal máximo consistentemente puede ser superado. No hay medios claros de eludir o superar mecánicamente la FFM, ya que esto sería demasiado obvio para el personal técnico de la FIA. Incluso jugando con la formulación de combustible para encontrar una mezcla de gasolina que se detecta alguna manera a un ritmo menor es imposible, ya que la FIA requieren las misiones exploratorias a ser recalibrada si se produce una nueva mezcla de combustible.
Por lo tanto, se convierte en la señal eléctrica como un posible medio para vencer la FFM. Sensores y sistema de adquisición de datos del vehículo se reúnen datos de los sensores en distintas frecuencias de muestreo. Para el FFM la tasa es 2.2kHz, que es 2200 lecturas cada segundo. Así, el sensor lee el flujo de combustible y produce señal con el flujo medido a través del tiempo. Esto puede ser visualizado como un gráfico de blips, uno blip cada 5000a de un segundo, con la altura de la blip correspondiente al flujo medida. Si el pico es mayor que 100 kg / h, entonces el flujo de combustible es ilegalmente alta. Como se mencionó anteriormente tanto el equipo como la FIA tener acceso y registrar estos datos.
Si que los datos pueden ser manipulados, ocultando los picos en la señal de flujo de combustible, entonces la FIA podría leer el flujo de combustible como menos de que realmente está siendo bombeado al motor. Tal nivelación de los picos en la señal es conocida como aliasing. Esto podría hacerse en una de dos maneras, alterar la señal o alterar el flujo de combustible en sí.
La alteración de la señal se ha rumoreado, con historias de cables de alta tensión en el sistema híbrido se enruta bajo el medidor de flujo de combustible para perturbar la señal con la interferencia eléctrica. O algo similar, pero teniendo el efecto de la eliminación de la creación y grabación de la señal de misiones exploratorias. De esta manera, los picos de la señal no se leen, en lugar de la grabación que tiene lugar justo antes o después del pico, por tanto, más abajo del punto en el gráfico.
Otro medio podría ser el flujo de combustible, ya que la bomba eléctrica no suministra un flujo constante constante de flujo de combustible. En realidad, el flujo de combustible se pulsadas, de una manera similar a los baches en la señal de FFM, el gráfico de flujo de combustible tiene olas, eran el flujo de combustible varía por una pequeña cantidad en el flujo máximo. Podría ser que esos picos son el flujo máximo de combustible por encima de la tasa de 100 kg / h, pero los puntos más bajos por debajo de los picos están a 100 kg / h. Si eso se puede en fase con la frecuencia de muestreo FFM, entonces la señal de sólo leer las cifras más bajas, engañando a la FIA en la creencia de que el flujo máximo no superior a 100 kg / h es. Para ello el equipo necesitaría para sincronizar la frecuencia de muestreo con la frecuencia natural bombas. Como la salida del FFM está abierto al equipo que tienen los medios para tener un bucle de retroalimentación, ajustando constantemente las bombas de salida a la FFM.
Su no sabe lo que en todo caso Ferrari ha estado haciendo con la salida de la FFM, la FIA ha llegado a un fuera del acuerdo de registro con Ferrari y ya para el año 2020 hay un nuevo segundo FFM FIA, sólo para tratar de prevenir este tipo de prácticas .
Resolución
La introducción de la FIA FFM para 2020 está diseñado para evitar cualquier manipulación controlada del medidor de flujo de combustible. Totalmente describe en el artículo Motorsport.tech anterior, ahora un segundo FFM está aguas arriba equipada de FFM del equipo. Sin embargo, la señal de la FIA FFM utiliza tecnología de encriptación y anti-aliasing para evitar que los equipos de ser capaz de utilizar un proceso de retroalimentación para asegurar que los picos de la flujo de combustible no se registran. Por lo tanto, la velocidad de muestreo es aleatorio, y la señal cifrada de la FIA FFM, que luego se envía directamente a la FIA SDR en un telar de cableado separado. Equipo no tendrá acceso a esta señal, por lo tanto, no tienen idea de la cantidad de flujo de la FIA están midiendo.
Que parece acabar con el engaño potencial, aunque la cuestión jurídica sigue sin respuesta y para que otros deciden; Ferrari no hacer algo y era ilegal?
