F1 | Benzina e cammina

Formula 1 Sport

Le power unit impiegate in Formula 1 non hanno mai scaldato davvero i cuori degli appassionati. A questi propulsori, costosi, complessi, troppo silenziosi e prodotti solo da quattro case (almeno per ora), sono state attribuite alcune delle cause della crisi tecnico economica che serpeggia tra le squadre, e che minaccia di continuamente di farne chiudere più di una. Eppure in sei anni di servizio, questi motori si sono dimostrati in grado di superare limiti elevatissimi in termini di affidabilità, potenza e, sopratutto efficienza.

L’efficienza, o rendimento che dir si voglia, è misurata in termini percentuali, e di fatto è il rapporto tra l’energia scaricata a terra e l’energia chimica potenzialmente disponibile dalla combustione del carburante, che come noto oggi è limitato a 105 kg. La limitazione di carburante era un problema serio nella Formula 1 dei motori turbo anni ’80, dove il limite di 220 litri (circa 154 kg) era così severo che non era infrequente vedere le macchina singhiozzare negli ultimi giri di gara (e piloti spingere la macchina) per via della benzina esaurita nel serbatoio.
Oggi scene simili non si vedono più, eppure le potenze massime raggiunte (1000 cv) sono ormai paragonabili a quelle dei turbo anni ’80.Certamente sono molti i fattori che hanno contribuito alla riduzione dei consumi. Come lo sviluppo di carburanti e lubrificanti, la riduzione della sezione dei radiatori di raffreddamento motore, e lo sviluppo di deportanza aerodinamica dal corpo vettura che ha consentito di utilizzare ali anteriori e posteriori meno cariche.Tuttavia il grande salto di qualità in termini di efficienza nei consumi è stato ottenuto proprio con l’introduzione delle power unit. Se nel 2013, ultimo anno dei motori aspirati in Formula 1, il rendimento dei propulsori poteva essere stimato in un tradizionale 30%, al primo anno di power unit questi propulsori offrivano rendimenti del 40%. Ed oggi sono accreditati di un rendimento del 55%! Un valore eccezionale anche per un motore ibrido. In altre parole se l’energia contenuta in un kg di benzina è di circa 14 kWh, 7,7 kWh sono convertiti in energia utile (e dunque in potenza se bruciato un un determinato lasso di tempo). Il resto viene disperso in attriti e sopratutto calore dei gas di scarico.
Certo l’aver accoppiato ad un propulsore endotermico tradizionale, che ha rendimenti massimi appunto del 30%, ad un motogeneratore elettrico (MGU K), di rendimento attorno al 90%, ha dato luogo ad un ‘cocktail’ con un’efficienza finale inevitabilmente più elevata di quella del solo motore endotermico. Tuttavia la potenza generata dall’unita MGU K è limitata per regolamento a soli 120 kW (163 cv). Dunque fornisce un contributo tutto sommato contenuto alla potenza complessiva della power unit (valutata tra i 900 ed i 1000 cv a seconda della mappatura di impiego) e dunque in proporzione contenuto anche all’aumento di rendimento complessivo.  Non dimentichiamo che già nel 2013, dove avevamo rendimenti del 30%, al motore termico era già accoppiato l’antenato del MGU-K, ovvero il KERS, che aveva però una potenza di soli 60kW.

I macro elementi introdotti dalle power unit, che hanno consentito un aumento del rendimento sono stati due: l’introduzione del motogeneratore MGU H ed il passaggio da un motore a ciclo Otto ad un motore a ciclo Atkinson.
Vediamo il primo punto. Come noto l’unità MGU H è un motogeneratore elettrico accoppiato al turbocompressore della power unit. Il suo scopo primario è quello di generare energia quando i gas di scarico pongono in rotazione il motore elettrico,  e agire da motore per accelerare il movimento della turbina in fase di accelerazione vettura, azzerando il ritardo di risposta dei turbo tradizionali. In realtà MGU H è in grado di fornire molti più vantaggi per un funzionamento efficiente del propulsore. Innanzitutto può essere controllato elettronicamente per regolare la quantità di aria e la sovrappressione immessa nel condotto di aspirazione. In questo modo non solo si riesce a controllare la coppia erogata dal motore (ma non chiamatelo traction control, perchè è vietato dal regolamento…) evitando inutili e inefficienti pattinamenti delle ruote, ma si riesce anche a regolare la giusta quantità e pressione dell’aria da miscelare alla benzina erogata dagli iniettori in camera di combustione.

Se i libri di meccanica ci insegnano che il rapporto aria / benzina per ottenere la combustione perfetta (rapporto stechiometrico) è di 14,7 kg di aria per 1 kg di benzina, in Formula 1 questo rapporto è oggi arrivato a 20 kg di aria per 1 kg di benzina. Un valore molto parco, al quale si è arrivati sia lavorando sulla nebulizzazione finissima della benzina iniettata direttamente nella camera di combustione, sia, appunto, potendo agire sulla portata e pressione dell’aria immessa nella stessa tramite il controllo attivo dell’unità MGU H e dunque del turbocompressore.

Analizziamo ora il ciclo termodinamico adottato. Nelle power unit di Formula 1, non viene più impiegato il tradizionale ciclo Otto, ma, come nei motori ibridi delle vetture stradali, si utilizza il ciclo Atkinson. Nel ciclo Otto la corsa di compressione del cilindro è esattamente uguale a quella di espansione, mentre nel ciclo Atkinson la corsa di compressione è minore di quella di espansione. In questo modo si riesce ad ottenere più energia sfruttando la maggior durata della fase di espansione, e si riducono le perdite di pompaggio grazie ad una corsa di compressione più bassa. Inoltre si può utilizzare una quantità di benzina inferiore a quella utilizzata in un ciclo Otto, dal momento la spinta da imprimere al pistone per fargli completare la più breve corsa di compressione è inevitabilmente minore. Tutto ciò garantisce chiari vantaggi di consumi e rendimento. Inoltre un ciclo Atkinson genera rapporti di compressione inferiori rispetto al ciclo Otto, allontanando i rischi di detonazione e dunque di danneggiamenti o rotture.Un motore a ciclo Atkinson ha anche però degli svantaggi. Utilizzare rapporti di compressione inferiori rispetto ad un motore a ciclo Otto significa infatti  ottenere potenze più basse e coppie ridotte, specie ai bassi regimi. Può sorprendere che in un motore di Formula 1 adotti oggi soluzioni non votate alla massima potenza termodinamica specifica. Eppure dobbiamo ancora ricordarci del fatto che avere rendimenti elevati significa poter estrarre maggior energia, e dunque potenza, dal carburante a disposizione che è limitato a 105 kg. Questo si traduce nel poter avere più carburante risparmiato, da sfruttare poi su un rettilineo o in una fase di gara in cui il pilota deve dare il tutto per tutto.La coppia inferiore ottenuta dal motore a ciclo Atkinson viene compensata dall’intervento dell’unità MGU K che, grazie alle sue caratteristiche di motore elettrico, è in grado si dare coppie elevate a regimi bassi. Inoltre non dimentichiamo che abbiamo pur sempre l’unità MGU H che può essere comandata per aumentare la pressione di sovralimentazione in queste fasi.

Ma come si realizzano corse di compressione ed espansione diverse in un motore che ha un sistema di bielle e manovelle (imbiellaggio) identico a quello di un motore a ciclo Otto? Per far ciò è necessario agire sulla fasatura delle valvole, facendo in modo che la valvola di aspirazione resti aperta per alcuni istanti durante la corsa di risalita del pistone (per circa il 20-30% della corsa). In questo modo è pur vero che una parte di miscela aria benzina rifluirà nei condotti di aspirazione, ma la corsa di compressione che si otterrà sarà inevitabilmente più breve (proprio di quel 20-30%) rispetto allo stesso motore funzionante secondo il ciclo Otto.I puristi obietteranno che agire sulla fasatura delle valvole è una caratteristica in realtà del ciclo Miller, dal momento che il ciclo Atkinson fu realizzato alla fine del 1800 mediante un imbiellaggio dedicato, ma tant’è. Convenzionalmente si parla comunque di ciclo Atkinson.
Anche alla vigilia di questa settima stagione dell’era power unit, la missione dei motoristi sarà sempre la stessa: cercare ogni più piccolo contributo per aumentare l’efficienza del sistema ibrido. Sia nello sviluppo delle componenti elettriche (tramite riduzione delle dispersioni, miglioramento delle performance delle batterie, capacità di funzionamento a temperature più elevate), sia nello sviluppo del sistema di raffreddamento e nel miglioramento dell’efficienza della combustione.
Superare la barriera del 60% di rendimento sarà molto difficile con le restrizioni tecniche imposte dal regolamento attuale. Se si consentisse la fasatura variabile delle valvole (purtroppo vietata per regolamento) si potrebbe avere un motore che funziona a ciclo Otto in condizioni di massima potenza e a ciclo Atkinson in condizioni di risparmio energia. Una soluzione peraltro già impiegata nelle vetture ibride di serie. Sarebbe interessante vedere che tipo di soluzioni potrebbero trovare i motoristi potendo giocare questa carta. Oppure si dovrebbe aumentare la potenza fornita dall’unità MGU-K ma questo dovrebbe andare di pari passo con un’aumento della capacità della batteria. Che in base alle tecnologie disponibili sarebbe possibile solo con un aumento di peso della batteria stessa.Sono questi gli spunti tecnici che dovrebbero essere discussi durante le definizioni del regolamento tecnico che definirà la seconda generazione di power unit, che dovrebbe scendere in pista orientativamente dal 2025 in poi.



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