Tecnica F1: i segreti del motore V8 di Formula 1 - FUNOANALISITECNICA F1ANALISITECNICA
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Tecnica F1: i segreti del motore V8 di Formula 1

Una breccia si è aperta, finalmente! Grazie alla rivista inglese Race Engine Technology, gli attuali V8 di F1 mostrano per la prima volta il loro lato più nascosto. Il protagonista di questo dossier esclusivo è il Toyota RVX-09. Mettetevi comodi, signore e signori.

Una collaborazione per un’anteprima. Race Engine Technology è una prestigiosa rivista inglese edita dallaHigh Power Media. Nato nel 2003, il magazine si occupa di tecnica da competizione, spaziando dalla F1 al Motomondiale, dalle vetture Sport-Prototipo e GT al motorsport statunitense ed australiano. Il numero di settembre\ottobre 2010 presenta quale articolo portante 16 pagine dedicate al motore Toyota RVX-09. Il pezzo, a firma di Ian Bamsey (Editor della rivista stessa), è titolato “F1 from the inside”; una inchiesta ben argomentata, completata da ottimo supporto fotografico, grafici, esaustivi riferimenti al regolamento tecnico FIA, alle esperienze Toyota in F1, alla nascita, sviluppo e collaudo del V8 in questione, alle attività presenti e future della Toyota Motorsport GmbH (TMG). Grazie alla collaborazione di tutto lo staff di Race Engine Technology, circusf1 è in grado di proporre, personalizzare ed arricchire mediante ulteriori valutazioni e commenti l’inchiesta condotta da Ian Bamsey.

Toyota RVX-09: caratteristiche imposte o congelate. La Toyota Motorsport GmbH (precedentemente nota col nome di Toyota Team Europe) ha sede a Colonia (Germania) e costituisce il più importante braccio armato della Casa giapponese. Nel corso della stagione Formula 1 2009, la Toyota TF-109, spinta dallo RVX-09, ha alternato risultati soddisfacenti a prestazioni deboli. Grazie ai 32,5 punti ottenuti da Trulli (8° posto finale), ai 24 di Glock (10° classificato) e ai 3 di Kobayashi, la Toyota ha colto il 5° posto nel Campionato Costruttori (59,5 punti), davanti a BMW Sauber, Williams, Renault, Force India e Toro Rosso. Una magra consolazione rispetto agli ingenti investimenti profusi dalla Casa del Sol Levante. Non solo: il motore RVX-09 ha equipaggiato anche le Williams FW31 di Rosberg e Nakajima.

Il Toyota RVX-09 rappresenta un classico esempio di V8 aspirato di 90° di 2400cc, motorizzazione imposta dalla FIA dalla stagione 2006. Di fatto, il V8 nipponico deriva dall’ultima serie di V10 di 3000cc, ossia lo RVX-05 (anno 2005). Usando quale base di partenza il V10, la Toyota ha estrapolato il V8: possiamo affermare che lo RVX-09 (ed i suoi predecessori, ossia gli RVX-06, 07 e 08) è un 10 cilindri a cui sono stati “tranciati” due cilindri. Non solo, rispetto ai V10 di 3000cc, è rimasta invariata la cilindrata unitaria (poco meno di 300cc), ma anche la misura dell’alesaggio (96,8mm). Ricordiamo, a tale proposito, che la FIA (Articolo 5) impone motori V8 di 90°, 2400cc, 4 valvole per cilindro (2 di aspirazione e 2 di scarico), regime massimo di rotazione fissato a 18.000 giri\minuto (nel 2007 e 2008 il regime massimo era fissato a 19.000 giri), un alesaggio massimo di 98mm. Non solo: il regolamento impone anche l’altezza dell’albero motore rispetto al piano di riferimento (minimo 58mm), l’interasse tra i cilindri (106,5mm, +\- 0,2mm di tolleranza), il peso minimo del motore (95Kg), il baricentro del motore stesso (165mm sopra il piano di riferimento) ed una miriade di parametri, materiali di costruzione compresi.

Caratteristiche tecniche fondamentali e materiali di costruzione. Il Toyota RVX-09 è un tipico V8 aspirato di 90°. La sua cilindrata totale è pari a 2399cc. Il carburante impiegato, seguendo le indicazioni ed i parametri regolamentari, è un 102 RON (valore massimo) con un 5,75% (percentuale minima regolamentare) di quello che il regolamento definisce “bio-components” (etanolo). Basamento e teste sono in alluminio (il magnesio è vietato dal 2006), le canne dei cilindri, invece, subiscono un particolare trattamento da parte della svizzera Sulzer-Metco. L’albero motore (“piatto”, con manovelle disposte a 180°) è in acciaio, provvisto di 5 perni di banco e sottoposto a nitrurazione, procedimento che conferisce all’acciaio una durezza superficiale assai elevata. Le bielle (la cui sezione del fusto è ad H normale) sono in titanio e realizzate dalla Pankl; le relative bronzine, invece, sono prodotte dalla Mahle (V-Series). I pistoni (prodotti dalla Mahle) sono realizzati in lega di alluminio 2618, presentano ciascuno 2 fasce elastiche, quindi subiscono il particolare rivestimento in DLC (un sottilissimo riporto superficiale microcristallino in carbonio, atto a ridurre i coefficienti di attrito e di usura) ad opera della Sulzer Sorevi. I pistoni stessi, inoltre, vengono refrigerati mediante 4 getti di olio diretti nella loro parte inferiore. Gli spinotti sono realizzati in acciaio altoresistenziale e rivestiti in DLC. La distribuzione si avvale della classica cascata di ingranaggi, due alberi a camme cavi in testa (rivestiti in DLC), bilancieri a dito (anch’essi rivestiti in DLC) e punterie pneumatiche (Pneumatic Valve Return System). Le valvole (4 per cilindro, 2 di aspirazione e 2 di scacrico, come da regolamento), sono realizzate dalla giapponese Aisan Industry. Esse sono in titanio, ma presentano gambi rivestiti al nitruro di cromo. Le guide valvole sono in CuNi3Si (una particolare lega al rame-nichel-silicio), le sedi (coniche), al contrario, sono in rame-berillio. E, come da regolamento, fasatura ed alzata valvole debbono essere fisse, parimenti alle trombette di aspirazione, anch’esse ad altezza fissa.

Assai interessante è il cosiddetto “pendulum”. Si tratta di piccole masse (8, per la precisione), realizzate in tungsteno (metallo ufficialmente noto col nome di wolframio), disposte radialmente alla estremità di ciascun albero a camme. Lo scopo del “pendulum” è smorzare le deformazioni torsionali alle quali sono sottoposti gli alberi a camme, tanto di aspirazione che di scarico, agli alti regimi di rotazione.

A proposito dei materiali di costruzione, ricordiamo che il regolamento FIA vieta leghe con percentuali superiori al 5% di berillio, iridio e renio. I rivestimenti, inoltre, non debbono superare uno spessore di 0,8mm. Il regolamento, in più, determina i materiali da impiegare nella realizzazione di tutto il motore. Ad esempio, come già esaminato, albero motore e alberi a camme (albero ed eccentrici in un sol pezzo) debbono essere realizzati in lega di ferro (acciaio), i pistoni in lega di alluminio (Al-Si; Al-Cu; Al-Mg o Al-Zn), gli spinotti in lega di ferro (pezzo unico), le bielle in lega di ferro o titanio (in un sol pezzo, ad eccezione del “cappello” della testa e degli ovvi cuscinetti di testa e piede), le valvole in lega di ferro, nichel, cobalto o titanio. Per queste ultime, sono consentiti sistemi di refrigerazione al sodio e simili.

Le misure di alesaggio e corsa sono pari a 96,8mm x 40,77mm. Le valvole presentano un angolo assai stretto rispetto alla verticale: 21,2°. Nello specifico, le valvole di aspirazione sono inclinate di 10,2°, quelle di scarico di 11°. Il diametro delle valvole di aspirazione è di 41mm, 33,5mm quello delle valvole di scarico. Secondo dettami ormai consolidati, si opta per valvole di scarico di dimensioni sensibilmente più ridotte rispetto a quelle di aspirazione. La alzata delle valvole di aspirazione è di 15,4mm, quella delle valvole di scarico di 13,6mm. La camera di scoppio è del tipo a tetto. Le bielle, invece, hanno una lunghezza di 111mm (dalla testa al piede). Come da regolamento, ogni cilindro è provvisto di una singola candela (prodotte dalla nipponica Denso) ed un singolo iniettore (iniezione indiretta elettronica della Magneti Marelli: pressione massima regolamentare 100 bar). E, come da regolamento, anche la Toyota monta la centralina elettronica unica SECU (Standard Electronic Control Unit) fornita dalla McLaren Electronic System, approvata ed omologata dalla FIA. Altri importanti fornitori riguardano le guarnizioni della Garlock, il filtro aria BMC, filtro olio UFI, carburante ed olio Exxon Mobil.

RVX-09: prestazioni. Il capitolo “prestazioni” è, probabilmente, quello più complicato da sviscerare. La TMG, infatti, non si è sbottonata molto. Tuttavia, l’analisi dei dati (stimati e dichiarati) rivelano quanto questi V8 siano assai spinti, palesando prestazioni davvero incredibili, anzi, persino “strozzate” dai vincoli regolamentari (regime di rotazione, durata motore, etc.) Iniziamo dai dati forniti. Il rapporto di compressione è di 13,6:1. L’accelerazione massima dei pistoni si aggira attorno ai 8739.6 g al regime massimo di 18.000 giri\minuto. Un valore, quindi, pari a 85,735 m/s2. La pressione media effettiva (PME) è molto elevata, pari a 15,4 bar. Valore che ci offre la misura dell’eccellente riempimento del motre. Fin qui, i dati forniti in via ufficiosa. Vi sono, poi, una miriade di altri parametri non dichiarati. Ad iniziare dalla potenza massima e dalla coppia. Race Engine Technology parla di potenze massime stimate che oscillano tra i 725 ed i 745 CV. Una forbice abbastanza realistica e verosimile, anche se la differenza tra i vari motori potrebbe assere addirittura inferiore (non più di 5-10 CV). Nel febbraio 2008, Autosprint aveva intervistato Bernard Dudot, motorista Renault ai tempi delle vittorie a raffica della Williams negli Anni 90. Ebbene, egli aveva indicato differenze massime di potenza dell’ordine del 2-3%. Vale a dire, la forbice indicata da Race Engine Technology. Se consideriamo che, in passato, si potevano toccare percentuali del 30-40%, si capisce bene quanto oggi, al livello motoristico, tutti i contendenti partano praticamente alla pari.

Per quanto concerne la potenza specifica, occorre anche in questo caso avanzare dati indicativi e provvisori, tuttavia realistici. Prendendo in esame anche gli altri V8 di F1, le Case parlano di potenze specifiche superiori ai 300 CV\litro. Un dato più che attendibile.

Il rapporto corsa\alesaggio è di 0,42. Un valore assai contenuto, quindi. La ragione per cui si cerca di abbassare il più possibile tale rapporto è poter adottare valvole di maggiore diametro e alzate ragguardevoli. Ciò, tuttavia, comporta una riduzione quasi obbligata del rapporto di compressione. Tuttavia, il rapporto di compressione deve essere mantenuto alto in funzione dell’elevato regime di rotazione (18.000 giri, ma limitato!). Come si intuisce, il motorista è sempre in bilico: aggiungi da una parte, levi e peggiori da un’altra. Alla fine, è sempre una questione di compromessi.

Non solo. Ai fini della ricerca della potenza, fissata la cilindrata totale, si rivela determinante il frazionamento (ossia, il numero dei cilindri) e, appunto, il rapporto corsa\alesaggio. Ebbene, questi V8 hanno tutti questi ingrendienti: alto frazionamento (8) rispetto alla piccola cilindrata totale (2400cc), bassissimo rapporto corsa\alesaggio.

V8, sviluppo travagliato. Quando la FIA, per la stagione 2006, decise di introdurre gli ormai noti V8, il pubblico certamen

te non avrebbe mai immaginato una nascita ed uno sviluppo così travagliati. Nel 2006, infatti, si resistrò una moria incredibili di questi V8. Componenti meccaniche rotte a seguito delle insopportabili vibrazioni che dal motore si propagavano a tutta la vettura, un regime di rotazione troppo elevato (oltre 19.000 giri\minuto) rispetto alla affidabilità generale dei motori, “scarsi” controlli di qualità sugli organi motore, lubrificanti e carburante ancora non adeguati alle diverse specifiche tecniche dei V8 rispetto ai V10.

Ebbene, già a fine 2005 si venne a sapere che i team, durante i rifornimenti, aggiungevano additivi non consentiti. La FIA preferì nascondersi dietro un silenzio-assenzo davvero imbarazzante. I problemi sorti con l’introduzione dei V8 intensificò e espanse a macchia d’olio la additivazione clandestina. Tale procedura consentì, anzitutto, di migliorare i consumi, l’erogazione della potenza, di addolcire la curva di coppia (sui V8, tutta “in alto”), di refrigerare con componenti estremamente volatili la colonna gassosa all’interno dei cilindri.

Nel 2007, infatti, grazie a rimedi più o meno leciti, il tasso di rotture dei V8 si abbassò drasticamente, mantenendosi pressochè costante sino ad oggi. Inoltre, l’introduzione della percentuale minima di 5,75% etanolo nella benzina ha recato ulteriori benefici ai V8, grazie alla refrigerazione offerta dalla siffatta componente alcolica.

RVX-09, un esempio per tutti. Il Toyota RVX-09 trova in Luca Marmorini (non più in Toyota dal 2009), Norbert Kreyer, Kazuo Takeuchi e Norio Aoki gli uomini di primo piano che hanno contributo alla sua progettazione e al suo sviluppo. Siffatti V8 sono ormai in vigore dal 2006. Essi, in questi anni e specie a partire dalle stagioni 2007-2008, hanno subito ben pochi sviluppi, eccezion fatta per quei piccoli lavori di dettaglio consentiti dal regolamento, in alcuni casi frutto di particolari deroghe (più o meno trasparenti…) in nome del “balance of performance”. Le norme sul congelamento sono statre, pertanto, sempre più inasprite. In sostanza, il motore preso in esame potrebbe essere impiegato senza problemi anche quest’anno o nel corso del 2011.

Il motore RVX-09, alla luce dei regolamenti, può essere assimilato ed accostato ad un V8 Ferrari, Mercedes, Renault, Cosworth, fatta eccezione per quelle logiche (invero poche) differenze di dettaglio. L’uniformità, come abbiamo più volte scritto in questa sede, non è dettata da scelte ponderate del costruttore, bensì imposte dall’alto, in modo diretto o indiretto, dai legislatori della FIA. Nel bene o nel male, tutti i regolamenti tecnici attuali (F1 e non solo) sono orientati verso un controllo e vincolo dei più disparati paremetri del motore (e non solo). Un appiattimento contagioso, sulla scia di quanto messo in atto dalla F1 sin dagli inizi degli Anni 2000. Regole chiare sì, imposizioni illogiche in nome della presunta riduzione dei costi e della eco-compatibilità di facciata e di comodo no.

I motoristi di F1, oggi, possono fare ed inventare ben poco. I veri progettisti rimangono, a nostro avviso, i legislatori della FIA. Il regolamento, ahinoi, non mente.

Certamente, dimenticando per un istante la desolazione dell’attuale regolamento tecnico della F1, questi V8 rappresentano una delle massime espressioni motoristiche in fatto di 8 cilindri ad alte prestazioni.

Cristiano Sponton

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