Tecnica F1 2014, le caratteristiche del nuovo ERS

Il regolamento tecnico 2014 prevede l’introduzione dell’ERS, il nuovo sistema di Energy Recovery System. Vediamo quale ventata di novità porterà in pista sulle nuove monoposto.

Si fa un gran parlare, a ragione, dei nuovissimi motori V6 1.6 litri turbo che vedremo esordire nella stagione 2014 della Formula 1, ma una parte determinante del rinnovato regolamento tecnico sarà quella dedicata ai sistemi elettrici di ausilio al propulsore termico convenzionale, ovvero tutto quello che oggi è il KERS e che nel prossimo futuro sarà l’ERS.

Sotto questo acronimo (che sta per Energy Recovery System) si cela un complesso sistema che provvederà a recuperare sia l’energia cinetica in eccesso dalle ruote motrici, ovvero esattamente quel che fa il KERS oggi, e sia l’energia “termica” in eccesso portata dai gas di scarico alla girante della turbina, ovvero una sorta di HERS (dove H sta per “heat”, calore). Questa è la descrizione che si desume dall’articolo 1.24 del regolamento tecnico FIA 2014. Mentre il KERS resterà esattamente uguale a quello attualmente utilizzato nei principi di funzionamento (varierà soltanto la potenza che è in grado di erogare, passando dagli attuali 60 KW ai futuri 120 KW), l’HERS è totalmente nuovo e da scoprire.

In realtà, volendo essere precisi, da regolamento non esisteranno né il KERS e né l’HERS, bensì esisterà solamente l’ERS composto da due sottoparti, il MGU-K (Motor Generator Unit – Kinetics) che recupera energia cinetica, ed il MGU-H (Motor Generator Unit – Heat) che recupera invece energia “termica”. Entrambe le volte che abbiamo citato questo nuovo sistema, la parola “termica” è stata messa tra virgolette, proprio ad indicare che è un uso improprio del termine riferito al calore. Infatti un recupero di energia termica vorrebbe dire, dal punto di vista ingegneristico, un recupero di calore in eccesso, mentre l’unità MGU-H 2014 recupera l’energia cinetica in eccesso della turbina; è palese che questo surplus energetico della girante del turbo è generato dal calore dei gas di scarico del motore, ma la denominazione forzata è stata adottata solo per distinguere le due sottounità del nuovo ERS perché resta chiaro che si tratta comunque di un recupero di energia cinetica.

Un turbocompressore è costituito da una turbina che viene alimentata dai gas di scarico del motore e che sottrae ad essi parte della loro grande “entalpia” (grandezza fisica ingegneristica che indica il contenuto energetico totale di una sostanza), grazie alla particolare conformazione delle sue pale. Questo recupero energetico fa girare la turbina ad una velocità elevatissima (più di 100000 giri al minuto) e sul suo stesso albero è calettato un compressore, il quale provvede quindi a trasferire questo contenuto energetico all’aria fresca aspirata dal motore e diretta ai cilindri; il tutto si concretizza in un aumento di pressione di quest’aria, cosa ottima per aumentare la quantità d’aria lavorata dal motore e quindi innalzarne la potenza.

Anche sulle vetture stradali un guidatore attento può notare che il gruppo turbocompressore ha un’inerzia evidente nell’entrare in regime ottimale di funzionamento ed un’altra, meno evidente, quando deve rallentare. L’MGU-H delle monoposto di Formula 1 2014 si va ad inserire proprio in questo secondo caso, ovvero: quando il pilota alza il piede dall’acceleratore, la sottoparte “termica” dell’ERS recupera tutta quell’energia cinetica che i gas di scarico comunque cedono alla turbina ma che al compressore non occorre, perché, essendo in fase di frenata, la monoposto non necessita di ulteriore spinta e potenza. Ciò influirà anche sul freno motore, tanto da richiedere una gestione elettronica della frenata come abbiamo già discusso in un altro articolo.

L’energia cinetica “termica” recuperata dall’MGU-H sarà stipata in un pacco batterie comune all’MGU-K e che avrà una capacità di 4 MJ, il doppio rispetto agli attuali accumulatori di Formula 1, equamente divisi tra le due sottounità. Le batterie non saranno l’unico punto comune tra MGU-K e MGU-H, perché anche la centralina incaricata della gestione di tutto ciò sarà comune ed avrà il compito di governare il funzionamento di entrambi i sistemi; probabilmente essa sarà collegata direttamente alla centralina che controllerà la frenata posteriore, per una migliore gestione del recupero energetico come richiesto dai team. Non solo, questa centralina unica dell’ERS avrà anche il compito di restituire la potenza recuperata secondo mappature pre-impostate per un totale di 33.3 secondi al giro, al contrario di quanto accade ora dove il tutto è a discrezione del pilota per un massimo di 6.6 secondi per tornata di gara.

In realtà per quanto riguarda la restituzione dell’energia recuperata dall’MGU-H (che avrà una potenza di 90 KW) il regolamento 2014 lascia una sorta di “carta bianca”, ovvero i progettisti potranno gestire questo canale libero di potenza e mandarla ovunque occorra sulla monoposto. Si tratta di un “buco” regolamentare (probabilmente voluto) che siamo certi potrà riservarci qualche sorpresa, aggiungendo una variabile in più a tutto il discorso; tuttavia, ci sentiamo di affermare che quasi sicuramente l’energia dell’MGU-H verrà restituita alla girante stessa della turbina in modo da annullare il classico turbo lag dei motori sovralimentati. Infatti, almeno per il 2014, è prevista la presenza di una singola turbina a geometria fissa, quindi i motoristi non potranno utilizzare né le turbine in serie (stile BMW) e né le turbine a geometria variabile per superare il difetto di erogazione di questa classe di motori, come invece è già ampiamente fatto sulle vetture stradali. L’MGU-H quindi fornirà energia alla turbina in quella fase in cui, accelerando da un numero di giri non elevato, i gas di scarico hanno energia insufficiente a mandare in sovrappressione il compressore ed il motore risulta “pigro”, aiutando a superarla più in fretta e senza far presentare una “botta di coppia” possibilmente dannosa per la trazione.

Dal punto di vista costruttivo l’MGU-H potrebbe essere posizionato sia tra la turbina ed il compressore e sia a lato di uno di essi. Quasi certamente, esso sarà disposto esternamente al corpo turbocompressore (quindi a lato) sia per una migliore dispersione del calore (ricordiamo che esso avrà un regime massimo di 120mila giri al minuto, contro i 32mila dell’MGU-K ed i 15mila del motore termico) e sia per una maggiore accessibilità e velocità di sostituzione in caso di guasto.