La sovralimentazione nei motori di Formula 1
Come cambia il lavoro dei motoristi in Formula 1 con l’avvento dei motori turbo. In questo articolo ci addentriamo nel mondo della sovralimentazione con particolare attenzione al turbocompressore.
Lo spettacolo tecnologico che la Formula 1 riesce ad offrire resta di livello elevatissimo, nonostante un regolamento che di certo non lascia ampie possibilità di “variazioni sul tema” e quindi non permette di sfornare novità clamorose. Diciamo che dal punto di vista ingegneristico il focus principale, più che sull’esaltazione di un singolo componente (magari innovativo), si pone sull’integrazione dei vari sistemi presenti sulla monoposto: il powertrain (a sua volta composto da vari sottosistemi come motore termico, MGU-H e MGU-K), il sistema di sospensioni, gli pneumatici, l’aerodinamica ed il sistema frenante. In effetti trovare un corretto bilanciamento tra queste singole unità è molto più redditizio che avere ad esempio un motore potentissimo ed essere carenti in altri aspetti, come nel mettere giù la sua grossa dose di coppia (trazione, carico aerodinamico).
E’ evidente, quindi, che anche il lavoro dei tecnici stia cambiando rispetto al passato, come del resto accade in tutta l’industria automobilistica: bisogna essere franchi nell’affermare che di autentiche “rivoluzioni” nel settore automotive non ce ne possano essere, si tratta di perfezionamenti progressivi su tecnologie già conosciute ed abbastanza mature. La Formula 1, sostenuta soprattutto da costruttori di automobili (dai numeri enormi come Mercedes e Renault e anche dai numeri più contenuti ma dal grosso peso specifico come Ferrari), sta quindi seguendo la traccia del mercato automobilistico mondiale, rispetto al quale prova a portarsi in vantaggio col livello tecnologico.
In questo articolo proviamo ad addentrarci nel mondo della sovralimentazione, con un occhio soprattutto alla turbocompressione che è la tecnologia attualmente in auge. In generale la sovralimentazione è una tecnica che permette di elevare la potenza ottenuta dal motore, permettendo ad un quantitativo superiore di aria (e quindi di ossigeno) di entrare in camera di combustione, in modo da poter iniettare un quantità maggiore di combustibile ed ottenere maggiore potenza (il tutto rispetto al caso di aspirazione naturale, ça va sans dire). Infatti il motore viene “sovralimentato” in quanto l’aria che entra nel cilindro risulta ad una pressione superiore a quella ambiente, ovvero presenta una densità più elevata e quindi contiene una quantità superiore di ossigeno, comburente fondamentale per la combustione. Si tratta di una sorta di elevazione “virtuale” della cilindrata, in quanto il motore riesce ad aspirare una maggior quantità d’aria proprio come se fosse più grande. In realtà a migliorare è il coefficiente di riempimento λv, un parametro del motore che correla la quantità d’aria realmente immessa nel cilindro a quella teoricamente ammettibile e che quindi indica qualitativamente e quantitativamente come avviene il ricambio di carica nel cilindro.
Ciò permette in sostanza di ottenere una potenza più elevata dallo stesso motore, oppure di ottenere la stessa potenza da un motore più piccolo: quest’ultima è l’esatta definizione del concetto di “downsizing”, attualmente gettonatissimo sia in ambito automotive che in Formula 1 e che rappresenta un altro punto di contatto tra questi due mondi. Detto che la sovralimentazione può essere sia a comando meccanico (compressore mosso dall’albero motore) e sia a gas di scarico, vediamo quest’ultimo caso in quanto è quello di interesse per la Formula 1. Cosa è un turbocompressore? L’immagine seguente ce lo mostra molto chiaramente:
Il turbocompressore è un gruppo costituito da due turbomacchine, una turbina ed un compressore: la turbina (nell’immagine, sulla destra nella zona in rosso) ha il compito di elaborare i gas di scarico in uscita dal motore, ricavandone potenza meccanica utile a muovere il compressore (sulla sinistra nella zona blu), il quale è calettato sul suo stesso albero ed ha il compito di elevare la pressione dell’aria fresca in ingresso al motore. Ciò permette di modificare il ciclo di funzionamento del motore, facendolo cominciare ad un livello di pressione più elevato ed in generale “gonfiandolo”, come da gergo motoristico, in modo da ricavarne maggiore coppia e potenza.
Per aumentare la potenza, si può agire su tre fronti:
– Aumentando la cilindrata V, ma ciò comporterebbe un aumento del peso e dell’ingombro del motore stesso, oltre ovviamente delle emissioni e dei consumi, andando nella direzione contraria a quella tracciata dal “downsizing”.
– Aumentando il numero di giri raggiungibile dal motore, il che però comporterebbe un aumento delle sollecitazioni (esponenzialmente con indice quadrato) gravanti sulle componenti del motore che renderebbe necessario un irrobustimento poco conciliabile con l’aumentata velocità media con cui il pistone dovrebbe muoversi, a meno di utilizzare materiali esotici molto costosi. Non solo, ciò andrebbe in controtendenza rispetto ad un’altra filosofia corrente del mondo automotive, quella del “downspeeding”, intuitivamente traducibile nella tendenza a diminuire il numero di giri massimo del motore per fenomeni sostanzialmente legati a consumi ed emissioni inquinanti. Anche qui, non è un caso che col nuovo regolamento il limitatore dei propulsori di Formula 1 sia passato da 18000 a 15000 giri/min… (anche se è chiaro che ciò è anche legato al funzionamento specifico di un motore turbocompresso).
– Aumentando la pme, il che è esattamente quello che si fa con la sovralimentazione: ciò migliora l’output del motore in termini di coppia e potenza, incrementando comunque le sollecitazioni ma linearmente (quindi meno che nel caso di aumento di n).
La configurazione di turbocompressore più diffusa nel settore automotive è quella che prevede una turbina radiale centripeta accoppiata ad un compressore radiale centrifugo; è così da decenni, fin dagli albori della sovralimentazione, in quanto la turbina radiale ha un vantaggio in termini di rendimento rispetto ad una pari turbina assiale quando si riducono le dimensioni della macchina (nei grossi turbocompressori per altre destinazioni d’uso si utilizzano turbine assiali in quanto la situazione si ribalta), mentre per il compressore il discorso è legato al rapporto di compressione che esso riesce a fornire: un compressore assiale richiederebbe più stadi (ovvero più compressori in serie) per ottenere la stessa sovrappressione che un compressore radiale riesce a garantire in un singolo stadio, con enorme risparmio di costi e di ingombro.
Nel video si può osservare che dopo il compressore, prima dell’immissione nel motore, l’aria passi in uno scambiatore di calore che tutti conoscono come “intercooler”: esso ha il compito di raffreddare l’aria, in quanto ogni compressione causa, oltre che un aumento di pressione, anche un aumento di temperatura. Questa naturale conseguenza fisica è indesiderata in quanto eleva ancora di più il carico termico del motore (già mediamente aumentato per le maggiori pressioni del ciclo) e soprattutto, nei motori ad accensione comandata, aumenta il rischio di detonazione, un fenomeno di accensione spontanea della carica che destabilizza la combustione e la rende pericolosa per la durata del motore. L’intercooler non è sempre presente in un motore turbo commerciale, ma lo è nella maggior parte dei casi e lo sarà sempre di più. Ovviamente è assolutamente presente in Formula 1, dove per quanto detto risulta fondamentale per garantire al motore la durata prevista dal regolamento.
Sono allo studio nuove configurazioni: proprio la Honeywell (fornitrice dei turbocompressori F1 alla Ferrari) ha di recente messo in commercio un turbocompressore di classe automotive che prevede una turbina assiale, capace di contenere le dimensioni radiali e quindi di ridurre l’inerzia rotazionale del gruppo, cosa che migliora – e di molto – la risposta al transitorio nelle fasi di aumento del carico del motore (è chiaro che si privilegia questo effetto perdendo qualche punto percentuale di rendimento rispetto ad una pari turbina radiale, per quanto scritto poche righe fa). In un momento in cui la turbosovralimentazione è in grande spolvero ed il dito resta puntato sul ritardo di risposta, potrebbero esserci novità basate su questa corrente di pensiero, anche in Formula 1.
Questo ci porta anche a dover parlare del Turbo-Lag, che approfondiremo nel prossimo appuntamento con la tecnica di BlogF1.it.