Tecnica 2014, gestione dell’energia nelle nuove Power Unit
Ecco come funziona una power unit di Formula 1. A spiegare pregi, difetti e aspettative sulla nuova era del Circus ci pensa Naoki Tokunaga – Direttore Tecnico dello sviluppo per Renault Sport F1.
Nel corso di questi mesi di avvicinamento all’attesissimo Mondiale 2014 di Formula1 abbiamo già presentato le peculiarità tecniche che promettono di rendere vivace ed interessante la nuova stagione targata FIA. Oramai manca davvero poco alla presentazione delle nuove vetture ed al loro shake down sulla pista di Jerez per i primi test e cominciano anche ad essere snocciolate maggiori informazioni tecniche sulle nuove vetture.
Alcuni aspetti, come per esempio l’aerodinamica sono ancora top secret per due motivi: gli sviluppi aerodinamici sono in continuo divenire e pertanto a tuttora c’è poco di totalmente definito; inoltre l’aero è probabilmente la parte della vettura più facile da “scopiazzare” e quindi si prova a rivelare il meno possibile (tutti si ricordano gli stratagemmi ed il dispiegamento di uomini che in queste stagioni ha attuato la Red Bull per celare alla vista dei concorrenti i suoi segreti aerodinamici).
Per fortuna una gran fetta della rivoluzione tecnica del 2014 sarà rappresentata dalla Power Unit profondamente modificata: motore termico che passa da un 2.4L V8 aspirato ad un 1.6L V6 turbo, coadiuvato non più dal KERS ma dall’ERS, un complesso sistema costituito da un recuperatore di energia “termica” (in eccesso dai gas di scarico) detto MGU-H e da un recuperatore di energia cinetica detto MGU-K dal funzionamento simile al KERS, ma di potenza doppia. Queste tre fonti di “spinta” per la monoposto dovranno provare a massimizzare la resa energetica in modo da sfruttare al meglio i 100 kg di combustibile che la vettura potrà imbarcare per singola gara e ritrovarsi avanti al termine dei giri previsti.
Un aspetto molto interessante è proprio l’interazione tra il motore termico, le due unità di recupero e spinta e la batteria di accumulazione nelle diverse fasi di gara. Sul rettilineo, quando si è in condizioni di full throttle, il motore termico userà la sua riserva di carburante, il turbocompressore ruoterà alla sua massima velocità di 100.000 giri/min ed il MGU-H fungerà da generatore recuperando energia dallo scarico dei gas, i quali essendo il motore a piena potenza saranno in gran quantità e con la massima carica energetica (entalpica, direbbe il vostro ingegnere motorista). Questa energia recuperata potrà esser fornita alla MGU-K per esser spedita alle ruote e convertita quindi in ulteriore spinta oppure potrà essere immagazzinata nelle batterie, a seconda della fase di gara e della strategia energetica scelta dal team. L’MGU-K in questa fase, fornendo energia, può sia portare alla massimizzazione della prestazione e sia al risparmio di carburante, anche qui a seconda dell’energy management mode prescelto.
Giunti al termine del rettilineo c’è la frenata, una fase dinamica chiave per il nuovo pacchetto Power Unit: l’MGU-K funge ora da generatore e recupera energia cinetica in eccesso dalle ruote (potenziando l’effetto frenante allo stesso tempo) e va a caricare il pacco batterie, mentre l’MGU-H entra poco dopo in gioco per una nuovissima funzione. Il difetto più celebre ed odiato dei motori turbo a geometria fissa (almeno per il primo anno sarà vietata la geometria variabile in Formula 1) è il turbo lag: letteralmente “ritardo del turbo”, è un fenomeno causato dalla caduta dei giri del turbo quando si è in fase di decelerazione a gas chiuso e dall’inerzia che il turbo ha nel riprendere il suo regime di massima potenza appena si preme nuovamente l’acceleratore. Ciò inficia la dinamica di marcia ed il controllo della vettura, ma a facilitare le cose c’è appunto l’MGU-H che funge da motore per innalzare quasi istantaneamente i giri della girante del turbo in modo da farla essere subito pronta ad esprimere la massima potenza.
Sembrano operazioni particolari (e lo sono), compartimenti stagni di cui è difficile immaginare l’integrazione. In realtà così non è e non deve essere, per il bene della prestazione delle vetture del Mondiale 2014. Dietro ciò, per coordinare e gestire il tutto, c’è una sofisticata elettronica programmata con un solo obiettivo “massima resa col minimo spreco energetico” ed è stata la sua messa a punto, assolutamente ancora non ultimata, che ha richiesto le maggiori energie e la più alta quantità di tempo alle case motoriste.
A tal proposito abbiamo parlato con il Direttore Tecnico dello sviluppo Power unit 2014 di Renault F1, Naoki Tokunaga, che ci ha rivelato interessanti aspetti della gestione energetica sulle prossime monoposto: “L’utilizzo delle varie fonti di energia delle PU 2014 necessita di una gestione intelligente, perché l’energia elettrica disponibile è importante quanto il carburante che carichiamo in vettura. Il sistema di gestione, una volta dato noi l’input su quale strategia utilizzare (massima potenza, massimo risparmio energetico, fase di salvaguardia pneumatici, eccetera, ndr), deciderà quanto carburante prendere dal serbatoio, quanta energia recuperare e reimmettere in batteria e quanta utilizzarne subito. L’obiettivo è minimizzare il tempo sul giro con una determinata strategia energetica. Ovviamente se si utilizza meno della massima energia disponibile è chiaro che si girerà più lenti, ed a noi sta bene perché nemmeno negli scorsi anni si andava al 100% per tutti i giri e comunque tutti dovranno gestire il ritmo.”
L’uomo Renault continua offrendo un approccio molto scientifico: “Quel che vogliamo evitare è di allontanarci dal “limite fisico” di ogni strategia: abbiamo calcolato e calcoleremo il miglior tempo possibile per ogni strategia energetica su ogni circuito e quello sarà il nostro target, si tratta di un caso ideale che è raramente pienamente raggiungibile ma faremo il massimo per farlo ogni volta. Per arrivare a questo risultato è necessario condurre un grosso lavoro di modellazione ed ottimizzazione matematica, da implementare poi nell’elettronica di bordo che dovrà eseguire le azioni migliori per ogni singola situazione. Ciò comporterà una corposa collaborazione tra le varie parti della Power Unit e sarebbe stato impossibile lasciare tutto nelle mani del pilota: la “power scheduling”, come chiamiamo in Renault la pianificazione della potenza, sarà appannaggio dell’elettronica come detto ed il pilota non avvertirà nulla di tutti i movimenti energetici che si avranno dietro le sue spalle.”
Tokunaga chiarisce subito però che: “Ciò non vuol dire che il pilota sarà solo addetto a girare il volante come troppi hanno pensato, anzi vi dirò che sarà molto più importante delle scorse stagioni: conterà moltissimo la sensibilità del piede ed ancora di più conterà quanto l’uomo-pilota voglia addentrarsi a capire tutti i sistemi di cui la monoposto è dotata per conoscerla al meglio, in quanto solo così potrà trarne il massimo. Naturalmente anche dal volante ogni pilota potrà gestire alcune mappature di potenza, compresa la fase di massima potenza, ma è chiaro che più la si utilizza e più si dovrà poi “risparmiare”, perché il totale di Joule di energia imbarcati in vettura sono sempre gli stessi (derivati dai 100 Kg di combustibile) e da lì non si scappa, bisogna solo gestirli al meglio.”
“Non vi so dire quanti piloti accetteranno di buon grado quanto sto per dire ma credo che per il successo del team intero, prima ancora della vittoria personale, sarà fondamentale che il pilota si disposto a modificare il suo stile di guida. Ricordo che la gran potenza dell’MGU-K influirà non poco sulla frenata e sulla sua gestione, il che sarà tutto nuovo per i piloti, anche se l’elettronica anche qui li supporterà a dovere. Dal punto di vista filosofico cambia anche l’approccio del full throttle: non è una massima richiesta di potenza con quindi massimo utilizzo di carburante ma sarà una comunicazione che dice “voglio la massima velocità compatibile con la nostra strategia energetica”, l’elettronica saprà quali canali energetici attivare per raggiungere l’obiettivo nel modo migliore”,
ha concluso.