Renault pronta a scendere in pista con il motore Energy F1-2014

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Il regolamento tecnico del Campionato del Mondo FIA di Formula 1 è stato profondamente modificato per la stagione 2014. Le monoposto saranno, infatti, alimentate da una tecnologia di propulsione all’avanguardia, con un potente motore endotermico turbocompresso abbinato a sofisticati sistemi di recupero dell’energia. I rendimenti energetici raggiungeranno livelli mai visti in F1 e le monoposto saranno alimentate da due tipi di energia. Il motore a combustione interna consumerà carburante tradizionale, mentre i due motori elettrici recupereranno l’energia elettrica dagli scarichi e dai freni. I due sistemi lavoreranno in modo complementare e saranno i team e i piloti a dover trovare il giusto equilibrio tra le due fonti di energia per gestire al meglio la gara. Con l’avvento di questa nuova tecnologia, il termine “motore” diventa riduttivo, per questo nella Formula 1 si utilizzeranno altri termini come “Power Unit”, “Unità di Potenza” o “Propulsore”.

Con il propulsore Energy F1-2014 progettato e sviluppato presso lo stabilimento motori di Viry-Châtillon, in Francia, e pronto adesso per i test su pista, Renault dimostra di essere pronta per questa rivoluzione tecnica.

«La Formula 1 è uno sport d’innovazione e di progresso che esprime l’apice dell’impresa umana e dell’avanguardia tecnologica. Dai motori montati posteriormente degli anni ’30 all’effetto suolo degli anni ’80, la tecnologia della F1 è sempre stata ampiamente in anticipo sul suo tempo. Con sistemi di recupero dell’energia all’avanguardia e avanzati motori turbo, nel 2014 la Formula 1 resta fedele al proprio DNA. Quest’anno siamo assolutamente all’avanguardia nella tecnologia di propulsione». Jean-Michel Jalinier, Presidente di Renault Sport F1

La sigla V6 identifica un motore a combustione interna con due banchi di 3 cilindri disposti a “V” collegati ad uno stesso albero motore. Il V6 Renault Energy F1 ha una cilindrata di 1,6 litri e sviluppa circa 600 CV di potenza, più del triplo di una Clio RS. Contrariamente a quanto si può immaginare, il V6 non è la parte del motore più facile da progettare. La sua architettura è molto diversa da quella del V8 che sostituisce. Con il turbocompressore, la pressione esercitata all’interno della camera di combustione è enorme, circa il doppio rispetto all’unità V8. L’albero motore e i pistoni sono soggetti a forti sollecitazioni e la pressione all’interno della camera di combustione può salire a 200 bar, cioè 200 volte la pressione ambientale. La pressione generata dal turbocompressore può produrre un fenomeno distruttivo chiamato “battito” all’interno della camera di combustione che è molto difficile controllare o prevedere. Qualora dovesse verificarsi questo fenomeno, il motore si romperebbe rapidamente.

I propulsori devono essere alimentati da iniezione diretta: il carburante è direttamente polverizzato nella camera di combustione senza passare per il condotto d’aspirazione situato a monte delle valvole di aspirazione. La miscela aria/carburante si forma all’interno dei cilindri e questo richiede una maggiore precisione nel comando e nella direzionalità dei getti di carburante quando escono dagli ugelli degli iniettori. Si tratta di un sottosistema cruciale per garantire il rendimento energetico e la potenza del propulsore. Nella progettazione del V6 turbo, uno dei principali dilemmi riguardava la posizione dell’iniettore. Doveva essere montato in posizione centrale nella camera di combustione (il carburante in questo caso arriva dall’alto vicino alla candela) o in posizione laterale (più in basso nella camera). Resta comunque la possibilità di interrompere l’iniezione su uno o più cilindri per migliorare l’efficienza e la reattività del motore in curva.

Un turbocompressore utilizza l’energia proveniente dai gas di scarico per aumentare la densità dell’aria che entra nel motore e produrre quindi maggiore potenza. Simile al principio utilizzato sulle auto di serie, il turbocompressore consente a un motore più piccolo di erogare maggiore potenza rispetto a quello che la sua cilindrata normalmente consentirebbe. Una turbina converte l’energia termica recuperata nei gas di scarico in energia meccanica. La potenza ottenuta permette così di azionare il compressore e l’MGU-H. A pieno regime, il turbocompressore ruota a 100.000 giri al minuto, ovvero più di 1500 giri al secondo, generando pressioni e temperature enormi a livello della turbina. Parte dell’energia recuperata dallo scarico viene trasferita all’MGU-H e convertita in energia elettrica, che viene poi stoccata e riutilizzata in un momento successivo per evitare che il turbocompressore rallenti eccessivamente in frenata. La velocità del turbocompressore deve imperativamente variare in funzione delle esigenze del motore. Di conseguenza, può esserci un ritardo nella risposta di coppia, spesso denominato “turbo lag”, quando il pilota preme sull’acceleratore dopo un periodo di frenata sostenuta. Una delle principali sfide della nuova unità di potenza è eliminare del tutto questo ritardo per avere un’erogazione di coppia istantanea come negli attuali motori V8.

Nei motori turbo tradizionali, una wastegate è utilizzata con il turbocompressore per controllare le elevate velocità di rotazione del sistema. Questo dispositivo permette ai gas di scarico in eccesso di bypassare la turbina per commisurare la potenza prodotta dalla turbina a quella richiesta dal compressore per fornire la necessaria quantità di aria al motore. Nell’unità Renault Energy F1, la velocità di rotazione del turbocompressore è principalmente controllata dall’MGU-H, ma la wastegate è comunque necessaria a garanzia di un totale controllo in qualsiasi situazione (rapido passaggio o disattivazione dell’MGU-H, ad esempio). La wastegate è collegata al turbocompressore, ma in uno spazio molto limitato, cosa che rende complicata l’integrazione di questo elemento. La sfida è quindi rendere la wastegate abbastanza robusta da resistere a pressioni importanti, e sufficientemente compatta da stare in uno spazio ridotto. Negli aerei, il funzionamento di alcuni componenti è classificato come critico. Per la wastegate vale lo stesso: se non funziona correttamente le conseguenze possono essere gravi.

L’MGU-K è collegato all’albero del motore a combustione interna. In fase di frenata, l’MGU-K funziona come generatore, recuperando parte dell’energia cinetica della vettura e trasformandola in energia elettrica che viene stoccata nella batteria in attesa di essere restituita (per un massimo di 120 kW o 160 CV). In accelerazione, l’MGU-K passa in modalità motore, alimentato dalla batteria e/o dall’MGU-H, per fornire un surplus di accelerazione alla monoposto. Mentre nel 2013 l’inefficacia del KERS sarebbe costata circa 3/10 di secondo per giro su circa la metà dei circuiti in calendario, le conseguenze di un mancato funzionamento dell’MGU-K nel 2014 sarebbero molto più gravi in quanto la monoposto sarebbe alimentata solo dal motore a combustione interna, cosa che la metterebbe di fatto fuori gara. Il comportamento termico dell’MGU-K sarà una questione determinante in quanto l’MGU-K genera tre volte il calore del KERS di un V8.

L’MGU-H è collegato al turbocompressore. Funziona come un generatore, convertendo in corrente elettrica una parte della potenza di origine termica fornita dalla turbina. L’energia elettrica può essere così convogliata verso l’MGU-K, oppure stoccata nella batteria ed essere utilizzata in seguito. L’MGU-H serve anche a controllare la velocità del turbocompressore proporzionalmente al fabbisogno d’aria del motore (o frenando il turbo per assorbire l’energia in eccesso che sarebbe, in un sistema tradizionale, perduto nella wastegate, o accelerandolo per compensare il turbo lag).
L’MGU-H produce corrente alternata, mentre la batteria va a corrente continua, quindi è necessario un convertitore estremamente complesso. Velocità di rotazione molto elevate rappresentano una sfida, dato che l’MGU-H è associato a un turbocompressore che raggiunge i 100.000 giri/min.

L’energia termica e cinetica recuperata può essere utilizzata immediatamente, se necessario, o essere stoccata nella batteria. L’energia stoccata viene successivamente utilizzata dall’MGU-K per alimentare la monoposto o dall’MGU-H per accelerare il turbocompressore. Rispetto al sistema KERS del 2013, il sistema di recupero d’energia (ERS – Energy Ricovery System) del propulsore 2014 dispone del doppio della potenza (120 kW contro 60 kW) e l’energia che contribuisce alla performance è moltiplicata per dieci. Una batteria con un peso minimo di 20 kg deve alimentare un motore che produce 120 kW. Ciascun chilo alimenta quindi 6 kW (ovvero una potenza specifica molto forte) producendo grandi forze elettromagnetiche. Le forze elettromagnetiche possono influire sulla precisione dei sensori, che sono particolarmente sensibili. Bilanciare le forze è un’impresa delicata a rischiosa.

L’intercooler è utilizzato per raffreddare l’aria che entra nel motore dopo essere stata compressa dal turbo. La presenza di questo scambiatore (assente sul V8 atmosferico della generazione precedente), abbinato all’aumento della potenza dei sistemi di recupero d’energia, complica l’integrazione nella vettura del sistema di raffreddamento la cui superficie totale dei radiatori aumenta significativamente rispetto al 2013. L’integrazione dell’intercooler e di altri radiatori è fondamentale, ma la sfida principale, nonché un elemento chiave a livello di prestazioni, è assicurare un raffreddamento ottimale permettendo di preservare l’affidabilità del propulsore limitando al massimo le dimensioni dei radiatori.

Nel 2014, la quantità di carburante a bordo è limitata a 100 kg mentre la portata del carburante è limitata a 100 kg/h. Se la natura del circuito e le condizioni di gara permettono al pilota di utilizzare la piena potenza del motore per più di un’ora, il carburante non è sufficiente per arrivare alla fine della gara. È qui che entra in gioco l’energia elettrica. Le monoposto di F1 del 2014 sono alimentate infatti sia da carburante classico che da elettricità. Il buon equilibrio tra le due fonti di energia diventa così un fattore di successo fondamentale per ottimizzare la velocità e ridurre al minimo i tempi sul giro.

In fase accelerazione (ad esempio sul rettilineo dei box) il motore a combustione interna utilizzerà la sua riserva di carburante. Il turbocompressore ruoterà a velocità massima (100.000 giri/min.). L’MGU-H fungerà da generatore e recupererà l’energia fornita dai gas di scarico alla turbina, trasferendola all’MGU-K (o alla batteria nel caso in cui questa abbia bisogno di essere ricaricata). L’MGU-K convertirà a sua volta questa potenza elettrica in potenza meccanica che, combinata a quella del motore al quale è accoppiato, permetterà di aumentare la velocità o di risparmiare carburante secondo la strategia scelta dal pilota. Al termine del rettilineo, il pilota leverà il piede dall’acceleratore per frenare in curva. A questo punto, l’MGU-K si trasformerà in generatore e recupererà l’energia dispersa durante la frenata che sarà stoccata nella batteria.

In frenata, l’MGU-H funzionerà da motore per mantenere la velocità di rotazione del turbocompressore sufficientemente elevata da evitare il problema del ritardo del turbo, un fenomeno che si verifica in frenata quando la velocità del turbocompressore scende a causa dell’assenza d’energia allo scarico. Quando il pilota accelererà, la combustione del carburante rilancerà la produzione di gas caldi allo scarico fornendo l’energia per rilanciare il turbo. Tuttavia, quest’ultimo avrà bisogno di un certo tempo prima di ritrovare la sua velocità di rotazione massima permettendo al motore di liberare tutta la sua potenza. Per evitare questo ritardo, l’MGU-H agirà quindi come un motore e alimenterà il turbo, mantenendo una velocità di rotazione ottimale, e permettendo così una risposta istantanea all’accelerazione.
Quando il pilota uscirà dalla curva e pigerà di nuovo l’acceleratore, l’MGU-H tornerà alla funzione di generatore e recupererà l’energia dal turbocompressore che, come visto in precedenza, potrà alimentare l’MGU-K, oppure ricaricare la batteria. Durante il giro, l’equilibro tra il consumo di carburante, il recupero dell’energia e, il suo riutilizzo sarà attentamente monitorato.

Nel 2014, le sessioni di qualificazione del sabato si disputeranno a pieno carico, il che significa che la vettura più rapida sarà effettivamente in pole position l’indomani. Sulle monoposto si applicherà la restrizione sul flusso di carburante di 100 kg/h, ma il limite di 100 kg sarà irrilevante dato che nel corso di un giro sarà utilizzato poco carburante.

Su un giro lanciato, il pilota potrà utilizzare la totalità della portata di carburante consentita e dell’energia elettrica della batteria. Nel caso in cui scegliesse di usare tutta l’energia in un solo giro, non sarebbe in grado di completare il secondo giro a piena velocità. Ciò dovrebbe dar vita a sessioni di qualificazione ancora più intense, con strategie diverse tra le varie scuderie.

«In questa stagione, bisognerà gestire intelligentemente l’utilizzo delle due fonti di energia disponibili per sfruttarne il pieno potenziale” – spiega Naoki Tokunaga, Direttore Tecnico responsabile dei nuovi propulsori. – “La gestione dell’energia elettrica sarà importante quanto quella del carburante. In teoria, il sistema di gestione energetica decide quando e quanto carburante prelevare dal serbatoio, e quando e quanta energia elettrica utilizzare o stoccare nella batteria. Registrare il miglior tempo sul giro possibile in funzione del livello d’energia disponibile resta l’obiettivo principale. Ovviamente, utilizzando meno energia, si avrà un tempo sul giro più lento. Questo va bene. Ma non va bene essere penalizzati più di quanto la fisica non imponga. Nel rapporto tra energia consumata / tempo sul giro, vi è una linea di demarcazione tra ciò che è fisicamente possibile e ciò che invece è impossibile. La chiamiamo ‘frontiera del tempo sul giro ideale‘».

«Il nostro obiettivo è operare sempre su quella frontiera ed avvicinarci più che possiamo all’impossibile. Questa strategia è soggetta a limiti, ovvero la capacità dei componenti dell’unità di potenza e le regolamentazioni tecniche. Anche la potenza erogata dal motore ha dei limiti e la potenza dell’MGU-K e l’energia che la batteria è in grado di fornire sono limitati dai regolamenti. È un problema complesso. La soluzione è quindi determinata dall’ottimizzazione e dalla modellazione matematica, che chiamiamo ‘pianificazione della potenza’».

«Come risultato ci sarà un complesso scambio di energia tra i componenti del sistema di gestione e a vari livelli. Il processo resta completamente invisibile al pilota in quanto è controllato elettronicamente dai sistemi di controllo. Il pilota potrà sentirne gli effetti, ma a priori non è richiesto alcun intervento da parte sua, e può quindi concentrarsi sulla gara. Ovviamente sono disponibili alcune modalità attivabili dal pilota che può in questo modo gestire manualmente il sistema e prendere in tal modo il controllo, ad esempio per disporre della potenza massima per effettuare un sorpasso. L’uso di questa modalità dipende ovviamente dalla strategia di gara. In teoria vi
si può ricorrere tutte le volte che si vuole, ma se si utilizza più carburante o più energia elettrica bisogna recuperare in seguito. Si può usufruire della potenza massima per uno o due giri, ma questa strategia non può essere mantenuta a lungo»
.

Il fatto che il pilota non controlli l’equilibrio tra il carburante e l’energia elettrica non riduce in alcun modo il suo coinvolgimento, anzi, il suo lavoro risulterà più complicato rispetto alle stagioni precedenti. Dovrà come sempre gestire la monoposto per tenerla sotto controllo durante le frenate più forti, gestire la frenata per evitare il fenomeno di sottosterzo in curva, gestire il pedale dell’acceleratore con delicatezza a metà curva, affrontare i tratti complessi e le curve ad alta velocità. In termini di stile di guida, può essere necessario applicare alcuni accorgimenti.

«La risposta dell’acceleratore sarà diversa, quindi il pilota dovrà effettuare degli aggiustamenti» spiega Tokunaga. «Quando il pilota applica la massima accelerazione, i sistemi di comando gestiscono la potenza del propulsore con l’obiettivo di ridurre il tempo sul giro con una data energia. La massima accelerazione tuttavia non richiede più la massima potenza del motore. Premendo a fondo sul pedale dell’acceleratore, il pilota invia un segnale al propulsore, che conseguentemente libera la massima potenza in funzione dei diversi livelli di energia disponibili in quel momento. Dovrà in ogni caso adattare la sua guida al comportamento della vettura e dei suoi nuovi sistemi di recupero d’energia».

La strategia di gara e la strategia impiegata saranno più flessibili rispetto al passato e la soluzione ottimale varierà nettamente da circuito a circuito, in base a fattori come la percentuale di tempo a massima accelerazione, la velocità in curva e la configurazione aerodinamica dell’auto. «In sostanza, in passato i costruttori rivaleggiavano per raggiungere il livello di potenza più elevato, mentre ora si batteranno per trovare le soluzioni più intelligenti per gestire il consumo di energia» spiega Tokunaga.

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