La Power Unit 2014: motore termico + MGU-K + MGU-H - FUNOANALISITECNICA F1ANALISITECNICA
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La Power Unit 2014: motore termico + MGU-K + MGU-H

Cerchiamo di analizzare dettagliatamente il regolamento tecnico 2014 cercando di spiegare il funzionamento della Power Unit che è composta in ben sei blocchi:

- motore termico;
- turbocompressore;
- motore elettrico applicato al turbo;
- l'elettronica di controllo;
- MGU-K (motore elettrico equivalente al Kers);
- batteria

All'inizio della stagione 2014 i team devo punzonare cinque unità per ciascun blocco. Se per necessità i team devono utilizzare la sesta unità di ciascun blocco, per regolamento,  perdono 10 posizioni in griglia. Se utilizzi la settima unità, o la sesta di un altro blocco, si perdono in griglia ben 15 posizioni. Nel caso estremo di cambio dell'unità motrice sei costretto a partire dalla pit-lane. 
Lo sviluppo della Power Unit è concesso anche se non è completamente libero in quanto la Federazione ha concesso ai vari team un bonus a "gettone" come viene usato nelle formule minori. All'inizio della stagione (il regolamento stabilisce entro il 28 febbraio) i motoristi devono consegnare alla Federazione il "manichino" della Power Unit. Una volta consegnato la Power Unit non si può sviluppare durante la stagione. Sono concessi esclusivamente, previa autorizzazione, i miglioramenti volti ad incrementare l'affidabilità ma non le prestazioni. A partire dal 2015 si possono effettuare sviluppi alla Power Unit ed ognuno di questi interventi costerà ai motoristi vari gettoni (in tutto sono 60) che devono utilizzare nell'arco di più stagioni. Una cosa molto impostante da tenere in considerazione è che il basamento del propulsore lo si può modificare esclusivamente prima della stagione 2016 in quando dopo questa data, il regolamento tecnico, impedisce ogni intervento su questo componente. 

Le potenza che la Power Unit riuscirà ad erogare sarà equivalente a quella dei motori aspirati usati in questa stagione: 600 Cv unità termica + 164 Cv dati dall' ERS.
La pressione di sovralimentazione non è limitata dal regolamento tecnico ma, a detta di Maromorini (responsabile motore turbo Ferrari), tutti i costruttori lavoreranno su pressioni comprese tra i 2 e i 4 bar (compresa la pressione atmosferica).I motori endotermici, come ben sappiamo, dovranno consumare un quantitativo di carburante fissato dal regolamento che è pari a 100 kg/ora. La portata di carburante verrà effettuata tramite degli appositi sensori ad ultrasuoni, omologati dalla FIA e realizzati da fornitori esterni. 

Come funziona un motore turbo?

video

I motori turbo, chiamati anche propulsori sovralimentati, sono caratterizzati dall' immissione nei cilindri di una massa di aria e combustibile superiore a quella che il motore sarebbe in grado di aspirare naturalmente.
Il turbocompressore non è altro che un compressore centrifugo, trascinato per mezzo di un alberino da una turbina centripeta che è mossa a sua volta dal flusso dei gas di scarico che la investono; le due giranti sono simili, soltanto che hanno i flussi di entrata ed uscita invertiti. 
Più veloce gira la turbina e meno fatica essa fa a pompare ulteriormente l'aria in quanto la portata d'aria lavorata cresce con il quadrato della velocità di rotazione. Questo particolare va a determinare:
- una lentezza di risposta iniziale che è chiamata in gergo tecnico "turbolag". A regimi di rotazione bassi  la spinta dei gas di scarico non è sufficiente a far girare velocemente le pale della turbina, la pressione di alimentazione del motore non supera quella atmosferica;
- escalation di potenza, in quanto, insistendo con la richiesta di potenza, il flusso e la temperatura dei gas prodotti dalla combustione aumentano ed appena questi sono sufficienti a fornire una sovrapressione s'innesca una reazione a catena che porta ad una vera e propria esplosione di potenza che viene limitata dall'apertura della valvola wastegate.

Com'è fatto un turbo-compressore
Analizzato nelle sue varie parti è composto da:
 1- una prima ventola mossa dai gas di scarico racchiusa in un corpo, detto chiocciola, normalmente in ghisa ed avente la forma di una spirale (la turbina);
2- un corpo centrale destinato a supportare i cuscinetti e la lubrificazione dell'asse che unisce le due ventole;
3- una seconda ventola destinata a succhiare ed a comprimere l'aria racchiusa in un corpo di alluminio con la forma sempre a spirale detta girante del compressore; è questa la più importante delle due perché il diametro, l'inclinazione e l'altezza delle pale, il regime di rotazione messi in rapporto fra loro danno il campo operativo entro il quale dovrà svolgere la propria funzione l'intera turbina, nonché il suo rendimento.

La valvola Wastegate
Si tratta di un dispositivo che, comandato dalla pressione esistente nel lato aspirazione, produce l'apertura di una valvola prima della turbina e lascia fuoriuscire nello scarico parte dei gas combusti che altrimenti porterebbero la turbina a girare ad una velocità eccessiva pompando quindi troppa aria ed aumentando così esageratamente la pressione; ciò evita l'autodistruzione del motore....
L'azionamento di questa valvola può essere meccanico, pneumatico o elettronico (gestito da una centralina) e normalmente e prevista una certa regolazione della Wastegate in modo da ottimizzarne il funzionamento.
Può essere collocata a ridosso della chiocciola o piazzata sul collettore di scarico per indirizzare una porzione dei gas combusti direttamente a valle del turbocompressore senza attraversarlo. 

L'intercooler
Svolge la funzione di raffreddare l'aria di alimentazione del motore, infatti più aumenta la temperatura dell'aria più essa si espande e diventa meno densa e quindi a parità di pressione pompiamo meno aria nel motore; il rendimento dello stesso cala ed aumenta immediatamente quello che è il maggior pericolo di un motore turbo: l'autoaccensione.
Per svolgere bene il suo compito l'intercooler ha bisogno di un grande flusso d'aria che lo attraversi e pertanto sia davanti che dietro nulla deve impedire il libero fluire dell'aria ed è anche chiaro che maggiori saranno le dimensioni della superficie dissipante maggiore sarà la potenza a parità di pressione.

I motori elettrici che compongono la Power Unit
Il regolamento tecnico, oltre alla MGU -K (vecchio Kers)prevede l'utilizzo di un secondo motore elettrico (MGU-H) collegato direttamente al turbo. Nell'acronimo la H sta per heat (calore) in quanto recupera i gas di scarico. 
L'attivazione di questo secondo motore è bidirezionale in quanto può essere il turbo che fa girare il motore ma vale anche il viceversa.  In poche parole, questo secondo motore elettrico, verrà utilizzato per eliminare o ridurre l'effetto che abbiamo analizzato sopra chiamato turbo lag.  A regimi di rotazione bassi (es. uscita da una curva lenta)  la spinta dei gas di scarico non sarebbe  sufficiente a far girare velocemente le pale della turbina e quindi viene sfruttato il secondo motore elettrico per far girare l'alberino incrementando la pressione  di alimentazione del motore.
E' molto importante capire che la potenza recuperata dalla MGU-H non va a sommarsi a quella dell'ERS in quanto questo secondo motore elettrico non è collegato alla trasmissione. La potenza in surplus, sotto forma di energia elettrica, la puoi inviare direttamente alle batterie o all'albero motore elettrico, che però, non può erogare, per regolamento, più di 164 Cv. Per capire questo concetto, riportiamo un esempio fatto da Marmorini: "Se stiamo ottenendo 80 KW dal motore collegato al turbo, possiamo mandarli direttamente all'altro motore elettrico collegato alla trasmissione. In questo modo ridurremo il consumo della batteria ma non avremo una potenza superiore ai 120 KW (164Cv)".
Ricordiamo, ancora una volta, che il sistema ERS potrà essere utilizzato per 33,3 s (quest'anno il KERS può essere usato per 8,3 s) e svilupperà, come ricordato sopra, una potenza di 164 Cv (KERS 82 Cv). I motori termici erogheranno, da soli, una potenza di circa 600 Cv. Quando non sarà in funzione il sistema ERS la potenza complessiva della Power Unit non sarà data esclusivamente dal motore termico (600 Cv) in quanto, come ho cercato di spiegare in alto, l'energia elettrica prodotta dal turbo può essere mandata direttamente al motore del Kers senza passare dalla batteria. Sicuramente le potenze che si raggiungeranno non saranno paragonabili ai 164 Cv dell'ERS ma non saranno per niente trascurabili. 
Nella prossima stagione, sparirà dai volanti il pulsante del Kers, in quanto il surplus di potenza sarà gestito elettronicamente da una centralina che utilizzerà, per il tempo massimo consentito di 33,3 secondi la potenza recuperata ad ogni giro.

Cristiano Sponton

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10 commenti

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14 novembre 2013 12:33 delete

Ciao Cristiano!!!
Come sempre un'ottimo lavoro, complimenti!!!
Volevo farti una domanda a proposito degli scarichi!!! Come saprai, nel 2014, lo scarico dovrà essere posizionato sul retro della vettura in posizione centrale dove, complice anche il fatto dell'eliminazione del supporto posteriore, sarà difficile, se non impossibile, sfruttare i gas di scarico... Quello che volevo chiederti è questo:
supponiamo che qualche squadra ponga lo scarico sul retro della vettura, dietro il roll up, ma in posizione rialzata, per poi adattare, al di sotto dello scarico, un canale ad andatura convessa per favorire l'effetto coanda e portare i gas di scarico sul fondo della vettura... In parole povere un sistema molto simile agli scarichi della Red Bull, però riportato alla parte posteriore della vettura (spero di essermi spiegato bene). Un sistema del genere, rientrerebbe nel regolamento?

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Anonimo
AUTHOR
14 novembre 2013 14:36 delete

No perchè lo scarico deve sporgere dall'asse posteriore per regolamento proprio per evitare altre furbate stile effetto Coanda.

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14 novembre 2013 20:09 delete

Il regolamento prevede un lungo tubo di scarico che deve sfogare oltre l'asse posteriore senza che ci siano parti di carrozzeria che possano favorire il riattacco dei flussi roventi.

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14 novembre 2013 20:34 delete

Cristiano, secondo te la Ferrari ha qualche seria possibilità di giocarsi il titolo l'anno prossimo data la grande esperienza nel campo dei motori (la Renault sa soltanto farsi concedere deroghe per "motivi di affidabilità")? Leggevo che la Mercedes si sta impegnando al 200% sul motore del 2014, e sembra essere qualche passo avanti rispetto agli altri......

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14 novembre 2013 20:40 delete

Nessuno può dirlo in quanto non abbiamo nessun riferimento. Quello che per la Ferrari è un dato di fatto è che non è mai stata molto abile nell'adattarsi immediatamente ad un nuovo regolamento (es. 2009).

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Giovanni
AUTHOR
14 novembre 2013 21:45 delete

Chissà se attraverso il motogeneratore elettrico del MGU-H si può fare a meno della valvola Wastegate.

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Anonimo
AUTHOR
20 maggio 2014 17:45 delete

Salve, l'mgu-k in quali situazioni in pista viene utilizzato per produrre energia elettrica?

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20 maggio 2014 19:45 delete

certo, in frenata MGU-K viene usato come una sorta di dinamo e va caricare le batterie. Poi MGU-K lavora anche come un motore quando trasmette energia dalla batteria alla trasmissione

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11 giugno 2014 23:03 delete

Che tipo di motore elettrico c'è nel mgu-k e mgu-h?

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11 giugno 2014 23:06 delete Questo commento è stato eliminato dall'autore.
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