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lunedì 14 aprile 2014

I segreti della Power Unit Mercedes secondo Mark Hughes (SkyF1UK)

Ci siamo concentrati qualche giorno fa sull'efficienza aerodinamica della Mercedes W05. Ora parliamo in specifico della loro Power Unit che ha delle cose particolarmente interessanti che abbiamo già trattato, anche se molto superficialmente, in qualche post.
Bisogna ringraziare per questa anticipazione lo specialista di SkyF1Uk, Mark Hughes che è riuscito a scoprire il vero segreto della Power Unit tedesca. 

Come funziona un motore turbo?
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.




Tipicamente, la turbina e compressore sono posizionati uno accanto all'altro e il calore che viene a generarsi è il vero problema di questa soluzione in quanto i gas di scaricano arrivano ad avere una temperatura di circa 800°C. Poiché il compressore, nella soluzione tipica, è posizionato accanto alla turbina c'è una trasmissione di calore e l'aria aspirata è molto calda ed è quindi meno densa e perde di efficacia durante la combustione. Per contrastare questo problema, come ho già descritto sopra, viene utilizzato l'intercooler per raffreddare l'aria prima che venga immessa nella camera di combustione.

Gli ingegneri tedeschi hanno pensato di eliminare/ridurre questo problema ed hanno quindi separato il compressore e la turbina collegandolo attraverso un albero che attraversa la "V" del propulsore. Quindi, hanno piazzato il compressore nella parte vicina al pilota e la turbina nella parte opposta del motore endotermico collocando nel mezzo la MGU-H.
Questa soluzione ha dei vantaggi:

  • intercooler più piccolo in quanto l'aria, essendo più fredda perché non riscaldata dalle alte temperature della turbina, necessita di un minor raffreddamento. Avere un intercooler più piccolo comporta dei grossi vantaggi aerodinamici perché permette di avere delle fiancate più compatte e dei flussi interni migliori;
  • riduce il turbo lag usando per un tempo minore la MGU-H come motore per muovere la turbina;
  • consente di avanzare il cambio migliorando la distribuzione dei pesi attorno al centro di gravità della vettura
In Mercedes l'utilizzo dell'MGU-H è stato estremizzato in modo da fornire al suo "gemello" MGU-K energia in maniera continuativa stimata in 90 Kw (120 cv circa) aggiuntivi ai 120 Kw (164 cv) per 33 secondi al giro che l'MGU-K fornisce da regolamento

Siccome il rendimento dei motori elettrici è molto maggiore di quelli termici, in Mercedes sembra che tengano il V6 sotto al suo limite (con indubbi vantaggi sul consumo) aiutandosi costantemente con quello elettrico cinetico a sua volta alimentato da quello elettrico termico.
Come ogni scelta progettuale ci sono anche degli aspetti negativi che in questa scelta sono l'aumento di peso dovuto all'uso dell'albero che collega il compressore con la turbina. 
Il grande vantaggio della Mercedes rispetto a tutti gli altri motorizzati con la stessa Power Unit è dovuto al fatto che la casa madre sta lavorando alla disposizione in auto di tutte le componenti da ben tre anni ed hanno collaudato il tutto su un telaio vero e utilizzando dei simulatori molto avanzati.
Sarà dura pr tutti gli altri recuperare in poco tempo questi anni di lavoro che la Mercedes ha di vantaggio rispetto a tutti i rivali. 
Ecco un video tratto da Sky Sport Uk in cui viene mostrata una stupenda animazione di quello che vi ho appena descritto.
video


Cristiano Sponton

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