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IL “CAMBIAMENTO” SILENZIOSO NELLE POWER UNIT 2021

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La stagione travagliata della F1 2020 volge al termine e le vetture per la stagione 2021 sono in fase molto avanzata per quel che riguarda progetti e sperimentazioni possibili. Buona parte dell’attenzione mediatica, in attesa dello stravolgimento 2022 si è concentrata (come capita spesso) sull’aspetto aerodinamico, cioè sulla riduzione di circa il 10% del carico con le direttive sul nuovo fondo.

Tutto identico per quel che riguarda la Power Unit ?

Non del tutto, come abbiamo visto nel corso degli ultimi anni l’evoluzione delle vetture di Formula 1 con il Turbocompressore va di pari passo con quella che è la ricerca della massima efficienza da affiancare alle prestazioni. Il motore endotermico V6 da 1,6 L che raggiunge oltre 700HP genera delle pressioni nei condotti di aspirazione oltre il doppio di quelli che avevamo nei V8 aspirati di ultima generazione; così come le sollecitazioni termomeccaniche in atto nell’albero motore e nei pistoni sono decisamente più elevate. Ai non addetti ai lavori può sembrare banale il cambio che è stato introdotto nel passare dalla motorizzazione aspirata a quella turbo, ma di fatto le architetture turbo hanno un’elevata sensibilità rispetto ai parametri progettuali.

Persino piccolissimi cambiamenti costringono di fatto a rivoluzionare intere aree per accordare nuovamente le prestazioni.

Il concetto di sovralimentazione è molto semplice ma dai risvolti pratici molto complessi che non si limita appunto al solo inserimento del gruppo turbocompressore in un motore aspirato bensì la sovralimentazione necessita della riprogettazione dell’intero motore al fine di adattare le esigenze tecnologiche diverse; (diversi condotti di aspirazione, scarico, materiali e tanto altro).

Ricordiamo brevemente al lettore che:

La sovralimentazione si basa sull’incremento esterno della densità di carica aspirata con l’ausilio di un compressore che collegato allo stesso albero della turbina ruota alla stessa velocità e quest’ultima è alimentata dai gas di scarico in uscita dai cilindri.

Perché devo sovralimentare?

Tutto nasce dalla formula:

Spesso conosciuta anche come  con bmep che sta per Brake mean effective pressure .

Dove si è indicato con:

  • V cilindrata;
  • pme pressione media effettiva;
  • n numero di giri nell’unità di tempo;
  • τ il numero rappresentativo del motore (τ = 4 per motore a quattro tempi; τ = 2 per motore a due tempi).

Scrivendo la pressione media effettiva come il potere calorifico inferiore del combustibile per la densità dell’aria e moltiplicando per i vari rendimenti (termodinamici, di combustione e meccanico)

Troviamo:

Analizzando la formula, vediamo tutti gli ingredienti utili per aumentare la potenza a parità di cilindrata V fissa. Notiamo come un effettivo aumento di potenza può essere attuato aumentato il regime di rotazione n del motore, ma ciò porterebbe ad un aumento delle forze d’inerzia a cui sono sottoposti gli organi meccanici, quest’ultime infatti sono proporzionali al quadrato della velocità media del pistone.

Un aumento della pme invece, avrebbe come conseguenza un aumento lineare delle spinte dei gas in espansione sui cilindri, quindi più facilmente contenibili. Dall’equazione suddetta quindi, si può intuire che l’unico parametro che è permesso cambiare è la densità del comburente aria .

Notiamo anche come al contrario di come è solito pensare, in realtà il rapporto di sovralimentazione non è un rapporto di pressioni, ma un rapporto di densità.

Termodinamicamente parlando, il ciclo non subisce una grandissima variazione rispetto al ciclo Otto, soprattutto se analizzato rispetto al piano Temperatura Entropia. Il vantaggio della sovralimentazione di fatto non è tanto aumentare il rendimento di quest’ultimo quanto aumentare la quantità di massa elaborata dal motore e quindi aumentare la coppia e la potenza.

Schema generico motore con turbocompressore.

Tuttavia, l’albero della turbina nelle F1 è collegato all’MGU-H, un generatore di energia elettrica che assorbe l’eccesso di energia cinetica derivante dalla rotazione della turbina, e trasformandola in elettricità, riduce inoltre la velocità di rotazione della stessa, infatti la rotazione di quest’ultimo elemento è per regolamento fissata ad un tetto massimo di 100.000 rpm. L’energia recuperata dai gas all’MGU-H carica le batterie che alimentano il Motore Elettrico MGU-K.

Dettaglio sezione generico Turbocompressore

È evidente che le discussioni dell’ultimo periodo sul congelamento dello sviluppo delle power unit ha causato parecchi malumori tra gli appassionati; non ultimo anche l’ultimo micro-cambiamento approvato sul peso delle Power Unit 2021 da aumentare di 5kg.

Questo potrebbe esser visto come ulteriore parametro limitante al fine di evitare l’uso di materiali estremi e consentire un livellamento prestazionale. Tuttavia, se bene il 2021 sarà quasi identico al 2020 a parte il cambiamento del fondo vettura, secondo ultime indiscrezioni di questi giorni il motore Ferrari pare dare ottimi riscontri nelle prove al banco in quel di Maranello così come da Brixton arriva notizia di un miglioramento in termini di potenza del già estremo propulsore Mercedes, rispetto ai 1026CV rilevati dalle analisi fonometriche.

Flussi nel compressore e nella turbina

È quindi chiaro come non sia del tutto semplice correlare il peso generale della complessa power unit con la prestazione, di fatto un aumento di peso “controllato” in alcune aree del motore endotermico potrebbe paradossalmente portare beneficio in termini di affidabilità e prestazione.

Le indiscrezioni degli ultimi giorni ci indicano come i motoristi hanno ancora del margine nell’ingarbugliato bosco regolamentare che pare non mutare gli effetti prestazionali ma che in fondo genera la differenza prestazionale tra i team.

Nei prossimi articoli faremo una panoramica sullo stato dell’arte di due delle aree che sembrano esser fulcro delle motorizzazioni ibride, ovvero architettura della Camera di scoppio e Materiali.

Ing. Daniele Musco

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