Renault Energy F1, il nuovo power unit per il Campionato del Mondo FIA di Formula 1 2014

MotoriRenault

Nel 2014 inizierà una nuova era per la Formula 1. Dopo tre anni di studi e di sviluppo, arriva la novità tecnica più rivoluzionaria del panorama automobilistico sportivo da oltre vent’anni a questa parte. La regolamentazione legata al motore rappresenta il cambiamento più significativo di questa rivoluzione, con l’introduzione di un’inedita generazione di Power Units. Questi abbinano a propulsori turbo V6 1.6 sistemi di recupero d’energia che ottimizzano l’efficienza energetica sfruttando l’energia altrimenti dissipata dagli scarichi e dai freni.

La potenza massima del nuovo Power Unit supererà i valori degli attuali motori V8 di Formula 1, riducendo al tempo stesso nettamente i consumi di carburante. Con il limite dei 100 kg di benzina consentiti per la gara, i nuovi gruppi motopropulsori utilizzeranno il 35% di carburante in meno rispetto ai predecessori.

“Dal 2014 i motori torneranno protagonisti, ristabilendo gli equilibri in F1. Il motore è il cuore dell’auto, e l’anno prossimo diventerà il cuore del nostro sport.” Alain Prost, ambasciatore Renault e quattro volte campione del mondo di Formula 1

Da diversi anni Renault applica il know-how maturato nella competizione sportiva automobilistica allo sviluppo di motori di serie performanti e dai consumi di carburante molto bassi: la gamma Energy. Gli obiettivi sono ambiziosi: mantenere o persino aumentare il piacere di guida, la coppia e l’accelerazione attraverso motori più piccoli (downsizing), che consumano meno carburante ed emettono meno CO2. Renault ha impiegato questi stessi principi per sviluppare il suo Power Unit F1, creando un vero ciclo virtuoso tra il lavoro effettuato su pista e quello su strada. Renault ha chiamato “Energy F1” il suo Power Unit F1, proprio per evidenziare che il DNA è comune con i motori utilizzati sui veicoli di serie.

“Dall’anno prossimo, una delle maggiori sfide della Formula 1 sarà potenziare l’efficienza energetica e ridurre i consumi senza compromettere i livelli di potenza e le elevate prestazioni attese in Formula 1. Renault è stata pioniera di queste tecnologie sulle vetture di serie con la gamma di motori Energy. Denominando il nostro Power Unit ‘Energy F1’, creiamo una gamma completa che va da Clio fino alla competizione
” Jean-Michel Jalinier, Presidente Direttore Generale di Renault Sport F1.

2014: LE REGOLE
Motori a combustione interna concepiti secondo le seguenti prescrizioni:

– Motore V6 1,6 l turbo a iniezione diretta.
– Architettura a semplice sovralimentazione: un solo turbocompressore (consentito anche un motore elettrico).
– 5 Power Unit per pilota e per stagione consentiti nel 2014; ridotti a 4 negli anni successivi.

Ottimizzazione dell’efficienza energetica e riduzione dei consumi:
– Quantità di carburante in gara limitata a 100 kg (-35% rispetto ad oggi).
– Portata massima del carburante limitata a 100 kg/h (attualmente è illimitata).
– Consentito l’impiego di potenti sistemi di recupero dell’energia (ERS, Energy Recovery System).

RENAULT ENERGY F1-2014: UNA NUOVA TERMINOLOGIA PER UNA NUOVA ERA
La prossima generazione di Formula 1 sarà alimentata da motori V6 1.6 l turbo da circa 600 cv di potenza, coadiuvati dalla propulsione elettrica che fornirà altri 160 cv e dai sistemi di recupero dell’energia. Questo significa che il termine ‘motore’, da solo, sarà insufficiente a designare la propulsione della vettura. Il termine più appropriato per indicare l’intero sistema sarà ‘Power Unit’.” Rob White, Vicedirettore Generale, responsabile tecnico

V6
V6 è l’abbreviazione utilizzata per identificare un motore a combustione interna la cui architettura è basata su due file di 3 cilindri disposti a “V”, uniti da uno stesso albero motore. Il V6 Renault ha una cilindrata di 1,6 litri e sviluppa circa 600 cv di potenza, più del triplo di una Clio RS.

TURBOCOMPRESSORE
Il turbocompressore si compone di una turbina alimentata dai gas di scarico, da un compressore per aumentare la densità dell’aria ammessa nel motore e infine da un albero che unisce i due. Il vantaggio di un turbocompressore è di poter liberare una maggiore potenza per uno stesso cilindro. L’energia termica residua convogliata dai gas di scarico dalla combustione è convertita in energia meccanica attraverso la turbina di scarico. La potenza meccanica della turbina serve ad azionare il compressore e l’MGU-H. Poiché la velocità del turbocompressore deve variare per adattarsi alle domande di flusso d’aria del motore, può esserci un ritardo nella risposta della coppia del motore, spesso denominato “turbo lag”. Una delle principali sfide nello sviluppo del Power Unit consiste nel ridurre il più possibile questo fenomeno per avere un’erogazione di coppia istantanea come negli attuali motori V8.

WASTEGATE
La wastegate è una valvola di scarico associata al turbo. Si tratta di un sistema di regolazione, che permette ai gas di scarico in eccesso di bypassare la turbina, per regolare al giusto necessario la potenza prodotta dalla turbina al compressore.

INIEZIONE DIRETTA
Con l’iniezione diretta, il carburante è iniettato direttamente nella camera di combustione invece che nel condotto di ingresso a monte delle valvole di aspirazione. La miscela aria/carburante si forma all’interno dei cilindri e questo richiede una maggiore precisione in termini di quantità iniettata, direzione e forma del getto che proviene dall’iniettore. Questa tecnologia è cruciale per l’efficienza dei consumi e l’erogazione di potenza del Power Unit.

MGU
L’MGU (Motor Generator Unit) è un dispositivo elettrico. Quando funziona come motore, l’MGU trasforma l’energia elettrica che gli viene fornita in energia meccanica. Quando funziona come generatore, l’MGU trasforma l’energia meccanica che gli viene fornita in energia elettrica. Il Power Unit 2014 impiega due MGU: l’MGU-H (dove “H” sta per Heat, cioè il calore recuperato tramite i gas di scarico) e l’MGU-K (dove “K” sta per Kinetic, cioè l’energia cinetica recuperata in frenata).

MGU-K
L’MGU-K è collegato all’albero del motore a combustione interna ed è in grado di recuperare o fornire potenza (limitata dal regolamento a 120 kW o 160 cv). In fase di frenata, l’MGU-K funziona come generatore per “rallentare” l’auto (da qui una riduzione del calore dissipato dai freni) e trasforma una parte dell’energia cinetica in elettricità. In accelerazione, l’MGU-K è alimentato (dalla batteria e/o dall’MGU-H) e funziona come motore per “spingere” la vettura.

MGU-H
L’MGU-H è collegato al turbocompressore. Funziona come un generatore, cioè assorbe potenza dall’albero
della turbina per recuperare l’energia termica dei gas di scarico. La potenza recuperata può essere convogliata
all’MGU-K o alla batteria, dove viene stoccata e utilizzata in seguito. L’MGU-H serve anche a controllare la velocità
del turbo proporzionalmente al fabbisogno d’aria del motore (ad esempio per accelerarla in modo da ridurre il
tempo di risposta).

SISTEMA DI RECUPERO DELL’ENERGIA (ERS)
Il sistema di recupero di energia (ERS, Energy Recovery System) del Power Unit riunisce l’MGU-H, l’MGU-K, un
Energy Store, e le diverse scatole elettroniche di potenza e di controllo. L’energia termica o cinetica recuperate
possono essere scambiate direttamente tra l’MGU, o utilizzate per ricaricare la batteria. L’energia così stoccata
viene utilizzata dall’MGU-K per alimentare l’auto o dall’MGU-H per accelerare il turbocompressore. Rispetto
al sistema KERS utilizzato nel 2013, l’ERS del Power Unit 2014 raddoppia la potenza (120 kW contro 60 kW) e
migliora di dieci volte le prestazioni.

ASCOLTIAMO IL RUMORE…
Oggi Renault fa ascoltare la prima registrazione audio ufficiale del rombo del Power Unit Energy F1-2014. Con la simulazione di un giro sul circuito di Singapore, dimostra che il suono emesso dal motore rimarrà una componente essenziale dello spettacolo proposto dalla F1 e dai suoi Power Units di nuova generazione. “Il suono del motore è la risultante di tre componenti principali: i rumori dello scarico, dell’aspirazione e della meccanica. Nei motori a scoppio domina il rumore dello scarico, ma le altre due fonti non sono marginali e contribuiscono alla percezione del suono. Nel V6 restano presenti tutte e tre le fonti sonore. C’è più energia liberata in ciascuna fase della combustione, ma ci sono meno cilindri, i regimi motori sono meno elevati e infine i rumori dell’aspirazione e dello scarico sono attenuati dal turbo. Complessivamente, il livello sonoro (cioè il volume percepito) è inferiore e la natura del suono riflette la nuova architettura.

La vettura accelererà e frenerà sempre rapidamente, con cambi di marcia istantanei. Il motore continuerà a girare a regimi elevati, come si confà a meccaniche da competizione altamente performanti. Fondamentalmente, la sonorità del motore resterà molto elevata, e capace di svegliare chi abita vicino al circuito. Il suono è quello di un motore turbo piuttosto che quello di un motore aspirato: si sente solo il turbo quando il pilota solleva il piede dall’acceleratore e il motore perde velocità. Di certo qualcuno sentirà nostalgia del suono dei motori del passato, incluso il precedente V8, ma il suono prodotto da questi Power Unit di nuova generazione si apprezzerà. È come chiedere a qualcuno se preferisce i Motorhead o gli AC/DC. È questione di gusti personali, ma diciamo che entrambi, in concerto, si fanno sentire…” Rob White, Vicedirettore Generale responsabile tecnico.

IL PROCESSO DI INTEGRAZIONE E LA COLLABORAZIONE CON LE SCUDERIE PARTNER
Gli scambi tra i team dei telai e dei motori sono cominciati subito, prima che il regolamento fosse completamente definito” spiega Axel Plasse, Direttore dei programmi e del supporto ai clienti. “Abbiamo discusso molto sulle nuove regole e su come raggiungere i nostri obiettivi comuni, chiedendoci anche se questi obiettivi fossero realistici. Dal punto di vista di Renault, era essenziale che il nuovo regolamento stabilisse limiti molto severi per i consumi. Desideravamo dare eco alle crescenti questioni ambientali ed avere un banco di prova ideale per sviluppare soluzioni innovative, potenzialmente applicabili sui modelli di serie.

I team pensavamo anche al lato spettacolare della competizione: le monoposto di Formula 1 dovevano rimanere le più veloci del mondo. E anche la guida non doveva risultare troppo semplificata, ovvero il motore non doveva restare a pieno sforzo tutto il tempo, in modo da dare spazio al talento dei piloti. Tutti comunque hanno concordato sull’importanza di avere uno sport più ‘verde’ e sull’esigenza di conservare lo ‘spettacolo’. Abbiamo elaborato un certo numero di idee che permettevano di rispondere agli obiettivi fissati… Per esempio, abbiamo presentato il modo di utilizzo del turbocompressore e della valvola di scarico, il tipo di controllo del processo di combustione e della miscela aria-carburante, il comportamento di un motore a iniezione diretta paragonato all’iniezione indiretta.

Una volta chiariti i principi basilari, siamo passati alla fase dello sviluppo. Era la metà del 2011 ed è durata fino
all’inizio del 2012. A settimane alterne ci incontravamo per la revisione dei progetti con i nostri team. All’inizio
eravamo in pochi, ma gradualmente si sono unite sempre più persone di diverse divisioni aziendali, su entrambi i
lati della Manica, a testimoniare il fatto che il nuovo Power Unit e il nuovo regolamento hanno creato un modo completamente nuovo di lavorare ed estremamente complesso. Sono state infatti coinvolte numerose divisioni aziendali per motore e telaio, dai sistemi di controllo all’aerodinamica e al raffreddamento. A volte nelle riunioni ci siamo ritrovati con un numero di persone doppio per il Power Unit 2014 rispetto agli incontri di revisione del V8!

A questo punto ci siamo concentrati sull’integrazione del Power Unit nei telai dei nostri team. L’attuale V8 pesa 95 kg, che diventano 100 sommando il peso dell’MGU. Si sale a 120 kg includendo tutti i componenti ausiliari, come radiatori e altri dispositivi di raffreddamento. Con il Power Unit 2014, il motore V6 turbo pesa minimo 145 kg, più altri 35 della batteria, più altri 20 kg per i dispositivi ausiliari come intercooler e radiatori. Si raggiungono 200 kg in totale, che corrispondono ad un aumento dell’80% rispetto ai motori attuali.

Il Power Unit è molto più integrato dell’attuale V8. È un anello centrale dello sviluppo; il turbo, ad esempio, passa sopra la scatola del cambio inserendosi nello spazio che era occupato dalla frizione e dagli elementi della sospensione. Il sistema di stoccaggio dell’energia è molto più grande e questo influisce sul serbatoio del carburante, oltre che sulla lunghezza del telaio, la posizione dei radiatori, delle scatole elettroniche ed altro.

Dalle prime unità turbo degli anni ’70, la filosofia di Renault è sempre stata quella di facilitare l’integrazione del motore nel telaio, quindi sin dall’inizio abbiamo organizzato regolarmente conferenze video o telefoniche ed incontri diretti con i nostri team, in particolare con Red Bull Racing, nostro partner privilegiato nello sviluppo di questo Power Unit, per decidere la strategia e le tappe principali, in maniera tale da sincronizzare la progettazione di telaio e motore.

Le domande erano davvero tante e Red Bull e Renault hanno lavorato insieme. La trasparenza con cui abbiamo collaborato ci ha ripagati. È il vantaggio di essere un fornitore di motori invece che il titolare di un nostro team: abbiamo accesso a un ampio ventaglio di soluzioni e possiamo trovare la migliore strada da adottare.

Abbiamo collaborato strettamente anche con gli altri nostri team – il che è un rischio ma anche un’opportunità. Tutti traggono un vantaggio: migliorando il Power Unit, miglioreranno anche le performance. Noi preferiamo consolidare le migliori idee piuttosto che differenziare le specifiche ed entrare in nuovi processi di sviluppo e validazione.
Sappiamo che i team sono in competizione e che dobbiamo soddisfare i loro requisiti specifici. Il nostro ruolo è arbitrare e fare in modo che ogni team riceva il miglior servizio possibile da Renault Sport F1. Dal nostro esordio in Formula 1, il nostro obiettivo è di garantire che una monoposto con motore Renault sia la più veloce, e non che il nostro Power Unit, preso isolatamente, sia il migliore. Questo atteggiamento ha sempre fatto parte del nostro DNA e risulterà estremamente fruttuoso anche nel 2014.”

GESTIONE DELL’ENERGIA
“Due sono le fonti di energia che alimentano il veicolo: il carburante nel serbatoio e l’energia elettrica stoccata nell’Energy Store, la batteria. L’utilizzo di due tipi di energia richiede una gestione intelligente, dato che il carburante a bordo durante le gare è limitato a 100 kg e la batteria deve essere ricaricata per non esaurirsi” spiega Naoki Tokunaga, Direttore Tecnico di Power Units di nuova generazione. Nel 2014, la portata del carburante non potrà superare 100 kg/h e la quantità massima per ogni corsa è di 100 kg. Quindi se la vettura viaggia al massimo livello di consumo consentito di 100 kg/h, può farlo per un’ora soltanto. Le prestazioni della vettura dovrebbero essere analoghe al 2013: le gare dovrebbero quindi durare circa un’ora e mezza. Naturalmente le caratteristiche del circuito e della vettura non permettono di correre alla massima potenza durante tutto il giro. Si calcola che, su tutte le piste, il consumo di carburante per la durata di gara si avvicinerà ai 100 kg consentiti: a volte un po’ di più, a volte un po’ di meno. Se è di più, sarà necessario decidere come e quando utilizzare l’energia disponibile.

La monoposto di Formula 1 del 2014 potrebbe essere classificata come veicolo ibrido elettrico (HEV – (Hybrid Electric Vehicle), perché affianca un motore termico tradizionale a un propulsore elettrico, piuttosto che come veicolo elettrico puro (EV – Electric Vehicle). Come negli ibridi stradali, la batteria del Power Unit è relativamente piccola. Stando ai criteri del regolamento tecnico, se la batteria fornisse il massimo quantitativo di energia consentito per giro, sarebbe completamente esaurita dopo un paio di giri. Quindi, per mantenere lo stato di carica della batteria, un’attenta gestione dell’energia elettrica è altrettanto importante quanto la gestione del carburante.
Il sistema di gestione energetica decide quando e quanto carburante prelevare dal serbatoio, e quando e quanta energia prelevare o stoccare nella batteria.

L’obiettivo è ridurre al minimo il tempo al giro per una data quantità di carburante. A prima vista forse non sembra, ma è la stessa cosa che si verifica sulle vetture di serie: come ridurre i consumi di carburante per percorrere un determinato tragitto in un determinato tempo (ciclo di omologazione europea). I termini sono invertiti, ma il concetto non cambia.

Il punto è poi quello di sapere a quale momento del giro bisognerà restituire questa energia. Nella stagione in corso il KERS viene utilizzato solo in alcuni punti del giro, ma dal 2014 tutta l’energia – del carburante e della batteria – diventerà così preziosa che dovremo identificare con esattezza i punti in cui l’impiego di energia è opportuno. Parliamo di una vera e propria ‘pianificazione energetica’, che dovrà essere fatta in collaborazione tra gli specialisti della dinamica e del telaio e quelli di Renault Sport F1 a Viry-Châtillon.

La migliore ripartizione d’uso fra motore endotermico e motore elettrico dipenderà da dove ciascuna può essere più efficace. E inoltre entra in gioco la gestione dello stato di carica della batteria, che pone dei limiti all’impiego della propulsione elettrica. La soluzione ottimale varierà considerevolmente da circuito a circuito, in base a fattori come la percentuale di accelerazione massima del circuito, la velocità in curva, l’usura dei pneumatici e la configurazione aerodinamica della monoposto.

Diversi componenti del Power Unit saranno direttamente o indirettamente controllati dal sistema di recupero d’energia: il motore endotermico, il turbo, l’ERS-K, l’ERS-H, la batteria e l’impianto frenante, ognuno con le proprie esigenze – ad esempio una temperatura di utilizzo specifica. Ci potranno essere degli scambi di energia tra questi componenti. L’algoritmo di controllo, quindi, potrà essere piuttosto complesso da definire e da gestire.

È chiaro, tuttavia, che in ogni momento si dovrà recuperare e restituire alla vettura il massimo quantitativo di energia possibile. Non è un’esagerazione affermare che le monoposto di Formula 1 del prossimo anno saranno probabilmente i veicoli in circolazione più efficienti in termini di gestione dell’energia e del carburante.”

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