Simulazione di una Power Unit di Formula 1 - FUNOANALISITECNICA F1ANALISITECNICA
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Simulazione di una Power Unit di Formula 1

Molto interessante il progetto realizzato dall'Università di Cranfield dove è stato progettato e collaudato al banco prova un propulsore turbo conforme alle nuove regole imposte dalla Fia per questa stagione.
Grazie a questo studio riusciamo a scoprire qualche dato in più sulle potenze raggiunte e sui livelli di coppia che si possono ottenere con queste Power Unit.
Come ben sappiamo le Power Unit sono composte da: motore V6 1.6 di cilindrata con iniezione diretta di benzina, turbocompressore e due sistemi di recupero energia (MGU-K + MGU-H).
Infine, sono stati considerati, nella progettazione della P.U due importanti parametri limitanti: consumo carburante in gara di 100 Kg e portata massima di 100 kg/h sopra i 10.500 giri/min.
Sotto i 10.550 giri/min, la portata di carburante è regolata dalla seguente equazione:

Q [kg/h] = 0.009 * N[RPM] + 5.5

Ecco il grafico sull'andamento della potata di carburante in base ai giri del motore


Figura 8 mostra i valori prestazionali ottenuti dal solo motore endotermico senza l'utilizzo dell'energia recuperata dalla MGU-H. MGU-H è stata utilizzata a regime medio bassi per eliminare il fenomeno del turbo lag. La potenza massima ottenuta è stata di 454,82 kW a circa 10.550 giri/min, mentre la coppia massima si è ottenuta a 7000 giri/min con un risultato di 415,48 Nm. Se volete conoscere la potenza massima in Cv basta che moltiplichiate la potenza in Kw per il coefficiente 1,35:

Pmax (Cv)= 454,82 * 1,35 = 614 Cv

Si può notare dal grafico in basso  che la coppia rimane pressoché costante dai 5000 giri/min  fino ai 10.500 giri/min grazie all'assistenza della MGU-H.


La curva di potenza MGU-H è illustrato nella Figura 9.


Prima dei 9200 giri/min, l'MGU-H agisce come motore sulla turbina per limitare il turbo lag in modo da offrire al motore endotermico la giusta potenza anche a regimi medio/bassi.
Sopra i 9200 giri/min, l'MGU-H inizia ad agire come generatore e permette di recuperare energia che vine immagazzinata nel pacco batterie collocato sotto il serbatoio.
Il grafico di Figura 10 ci permette di capire le prestazioni globali sommando la potenza del motore endotermico e quella della MGU-K che per regolamento può offrire una potenza di per 120 Kw per 33,3 s. In questo grafico non è inclusa la potenza recuperata dalla MGU-H che non viene immagazzinata nelle batterie ma viene mandata diretta al "ex kers". Questa energia recuperata non è regolamentata e più se ne riesce a sfruttare e meglio è per le prestazioni globali della P.U.
La potenza massima ottenuta è di 574,82 Kw a 10500 giri/min con un valore massimo di  coppia  di 611,83 Nm raggiunto a 5000 giri/min.

Pmax (Cv)= 574,82 * 1,35 = 776 Cv


Se osservata il grafico di figura 8 e quello di figura 10 potete facilmente notare che la coppia data dal MGU-K a 500 giri/min è di 200 Nm come imposto dal regolamento tecnico. Questa coppia è stata limitata perché il solo MGU-K riesce a sviluppare ben 229,35 Nm.
La curva di potenza con MGU-K è una linea parallela che si pone sopra alla curva senza MGU-K. La differenza tra le due curve è semplicemente la potenza data dalla MGU-K che è una costante di 120 Kw.  Tuttavia, siccome la potenza aggiuntiva è costante, la coppia aggiuntiva si va a ridurre in funzione della velocità del motore come dimostrato dalla seguente equazione:

Torque [N/m]= (Power [kW] • 9550)/Engine speed (RPM)

Pertanto sarà molto vantaggioso sfruttare la MGU-K a bassi regime, in uscita dalle curve medio/lente per avere una migliore accelerazione.






Cristiano Sponton

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7 commenti

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maxleon
AUTHOR
12 aprile 2014 23:43 delete

Bellissimo, ma come sovente accade, più ci si addentra in un argomento, più sorgono altri dubbi: il dubbio principale è relativo alla MGU-H; quando si dice che fino ai 9200 giri questo vada solo a compensare il turbo lag, credo che tale valore sia riferibile al progetto di motore realizzato dall'Università di Cranfield, mentre sia variabile in funzione delle altre P.U. effettivamente realizzate da Renaul Ferrari e Mercedes, ma in linea di massima il valore può variare di poco, sappiamo anche però che le attuali P.U. non sfruttano al massimo i 15000 rpm a disposizione ma si attestano su valori che vanno dai 10500 ai 12000 giri, dove la Mercedes è il team che riesce ad essere quello che spinge più di tutti, mentre il Renault e forse anche di più il Ferrari, rimangono su valori molto più prudenziali, quindi, praticamente si "autocastrano" anche su due altri particolari (Enrico Benzing docet):

- Il primo che è relativo alla capacità di ricarica delle batterie, perchè diminuendo il tempo in cui fornisce energia per la ricarica, (che naturalmente varia in rapporto al numero di giri inferiore), aumenta anche il tempo necessario affinchè le batterie raggiungano la loro massima capacità;

- la possibilità di mandare energia direttamente alla MGU-K, che naturalmente è inferiore rispetto a chi, invece, viaggia a regimi di giri superiore.

Detto questo, mi sembra che la Ferrari abbia la necessità di comprendere meglio le mappature motore, affinchè si possano diminuire il consumo carburante ed allo stesso tempo aumentare il numero di giri motore per compensare questa deficienza ed interagire meglio con le unità elettriche.

Chiedo conferma a Cristiano se quello che ho scritto corrisponde al vero.

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13 aprile 2014 18:13 delete

Maxleon confermo tutto quanto hai scritto. Riesci a contattarmi via email che devo chiederti una consulenza? sponton.cristiano@gmail.com

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Anonimo
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14 aprile 2014 08:03 delete

Rispondo qui al tweet di Sponton di ieri:
il motore della MGU-H non può essere in quella posizione perché da regolamento tecnico FIA deve essere calettato sullo stesso albero della turbina dei gas di scarico.

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Anonimo
AUTHOR
14 aprile 2014 10:57 delete

Effettivamente "l'incrocio" di utilizzo dell'MGU-H é abbastanza determinante per il funzionamento della P.U. e per il suo rendimento.Pero' ci sono delle incongruenze che non mi convincono a prescindere dalla carica dell'MGU-K disponibile.Se la MGU-H fosse utilizzata fino a 9200 giri come motore per ridurre il turbo lag,significherebbe che fino a quel numero di giri la P.U. non sarebbe particolarmente efficiente nei consumi.Inoltre l'intervento fino a 9200 giri mi pare veramente eccessivo:significherebbe che si é puntato a scegliere turbocompressori particolarmente grossi,non indicati per avere un ampio arco di utilizzo,necessario per la ricarica.Saremmo di fronte a turbocompressori con lag uguale o superiore a quello degli anni 80.Oppure a motori inspiegabimente scorbutici con una curva di coppia sbilanciata in alto (che pero' potrebbe essere scelta per compensare la coppia elettrica in basso).
Come gia' detto,la funzione generatore relegata al range 9200-1000 mi pare veramente limitatoria tanto che dovrebbe obbligare a girare sempre con marce basse per rimanere nel target.Di sicuro Mercedes non fa cosi'.

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Anonimo
AUTHOR
14 aprile 2014 11:01 delete

Anonimo delle 8.03.In questo caso l'MGU-H Ferrari potrebbe stare li se il turbocompressore fosse posizionato con l'asse verticale.Non credo che un motore sovralimentato veda la sua efficienza particolarmente diminuita da una curva nello scarico post turbina.O il regolamento vieta pure tale curva?

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Anonimo
AUTHOR
14 aprile 2014 14:33 delete

Si, potrebbe essere, il motore elettrico e le turbine avrebbero pertanto l'asse di rotazione verticale invece che orizzontale come sul mercedes.

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