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sabato 18 aprile 2015

TECNICA: chiamalo se vuoi, BOTTONE MAGICO

Siamo giunti già al quarto gran premio stagionale di questo campionato del mondo F1 2015 e per la gioia dei tifosi della rossa nonché per gli amanti delle competizioni sportive in generale, abbiamo visto una Ferrari avvicinarsi alle Mercedes riuscendo addirittura a spuntare una vittoria nel GP di Malesia.
Il passo gara Ferrari è molto buono e considerando quanto risulta delicata la vettura nella gestione degli pneumatici nulla vieta di pensare di poter vedere un pilota con tuta rossa sul gradino più alto del podio anche in futuro.
Ciò che resta rilevante è il distacco che le frecce d’argento rifilano a tutti gli avversari sul giro singolo in qualifica e a sprazzi in gara. A cosa sono dovuti questi atti di forza ed “exploit” di potenza?
Sappiamo che in quel di Stoccarda hanno svolto un lavoro straordinario su tutta la vettura e che in particolar modo il reparto AMG ha messo a punto una Power Unit a dir poco eccezionale (tralasciando tutte le polemiche sulla politica delle agevolazioni e conoscenze anticipate dei regolamenti FIA, va beh i tedeschi è giusto che ringrazino il caro marpione Ross) capace di spingere davvero molto, soprattutto quando viene azionato quello che è stato battezzato come “bottone magico”.

Sembra che in Mercedes abbiano impostato una configurazione “iper racing” a bordo delle proprio monoposto che consenta ai piloti di avere un surplus di potenza da usare sporadicamente per compiere giri in modalità missile.

Questo surplus di potenza è disponibile per un totale di circa 15 minuti nell'arco di tutto il week end di gara, il che si traduce in una cinquantina di km percorribili con media oraria di 200 km/h e di circa 10-11 giri su tracciati con lunghezza di percorrenza intorno ai 5km.

Mercedes sfrutta un giro in Q2 per avere accesso sicuro alla terza fase di qualifica senza utilizzare nuove mescole e mantenere un treno nuovo della mescola più performante. Mentre in Q3 il sistema consente ai piloti del team tedesco di avere a disposizione due giri in modalità overboost assicurandosi spesso (non è successo fortunatamente oggi) la prima fila con un vantaggio enorme sul primo diretto inseguitore.
Per quanto detto prima resterebbero quindi 7/8 giri veloci della modalità overboost utilizzabili in gara

È facile pensare come questa configurazione super prestazionale sia disponibile per poco tempo rispetto al totale a disposizione nel week end di gara per chiari problemi di affidabilità. Affidabile che sia, costringere il motore a lavorare a livelli superiori agli standard porterebbe sicuramente al ribasso l’affidabilità e la durabilità dell’intera Power Unit. 

Resta ora da valutare il COME gli ingegneri con logo della stella a tre punte siano riusciti a creare questa configurazione iper racing.

Sembra che il tutto si riconduca a un aumento di potenza del motore TERMICO della Power Unit e andiamo quindi a vedere quali sono i componenti che consentirebbero di incrementare i cavalli erogati dal MCI.

Sicuramente l’incremento di potenza, oltre ad una mappatura dedicata, deriva dal gruppo di sovralimentazione turbina-compressore o meglio ancora dal livello di pressione dell’aria comburente. Prima di valutare il come può esser realizzato questo overboost Mercedes ripassiamo il funzionamento del sistema di sovralimentazione tramite turbocompressore. 

Il turbocompressore è una sistema di sovralimentazione composto da due macchine termiche distinte, compressore e turbina, calettate sul medesimo albero e dunque solidali l’un l’altra durante il funzionamento.


I gas esausti provenienti dai collettori di scarico del motore termico investono radialmente la girante della turbina, mettendola in rotazione, cedendo quindi parte dell’energia cinetica dei gas stessi e proseguendo poi il percorso disegnato dal condotto di scarico fino all'emissione in atmosfera.
La messa in rotazione della turbina causa la messa in rotazione del compressore che si vede trascinato dalla prima macchina termica.
L’aria in ingresso al compressore viene aspirata assialmente e compressa per poi essere inviata all’intercooler di raffreddamento (si ricorda che ogni compressione provoca il riscaldamento del fluido compresso) da cui poi si otterrà aria comburente in pressione e “fresca” a disposizione del motore a combustione interna.
È evidente che più è alto il regime di rotazione della turbina, dunque anche quello del compressore, e più alto sarà il valore della pressione a cui viene compressa l’aria. È importante sottolineare che il regime di rotazione della turbina è strettamente dipendente dalla portata di gas esausti che investono la stessa; dunque anche il livello di pressione generato dipende dalla portata dei gas di scarico.
Per evitare problemi meccanici strutturali, che congiuntamente a stress termici, (i gas che investono la turbina si trovano a circa 850°C) possono portare alla rottura del sistema di sovralimentazione, si limita il regime di rotazione (e quindi la pressione di compressione dell’aria comburente) semplicemente creando un by-pass ai gas di scarico; i quali, superata una soglia di pressione prestabilità e regolata attraverso la valvola wastegate (valvola responsabile di questo processo di by-pass) non investono più la girante della macchina termica ma vengono convogliati direttamente allo scarico.


È evidente che la regolazione della valvola Wastegate è fondamentale per stabilire a quale valore di pressione far operare il motore termico (stabilendone la potenza erogata) e il regime di rotazione del gruppo turbocompressore a cui ovviamente è associato il regime di rotazione (e quindi il flusso di energia elettrica) del sistema elettrico MGU-H.

Sembrerebbe facile concludere che il famoso “bottone magico” della Mercedes possa agire sulla regolazione della valvola Westgate spostando il limite di apertura della valvola a valori di pressioni superiori. Ciò consentirebbe di aumentare il numero di giri del gruppo TC e di conseguenza aumentare la pressione di sovralimentazione dell’aria comburente in ingresso al MCI. In tal caso il motore termico svilupperebbe sicuramente potenze superiori ma avrebbe un regime di rotazione maggiore di quello a cui stanno operando le PU attualmente. Per ottenere un incremento significativo di potenza (almeno una ventina di cavalli) nascerebbe infatti la necessità di operare con regimi di rotazione del motore termico sicuramente superiori a 13000 giri/min, per poter garantire portate dei gas esausti sufficienti ad alzare il regime di rotazione della turbina. Dato che ciò non avviene (il regime massimo di rotazione registrato sembrerebbe essere 12900 giri/min sulla vettura di Hamilton) non possiamo attribuire l’overboost del bottone magico alla semplice regolazione della valvola westgate.

Ricordiamo allora che sul gruppo di sovralimentazione è presente il sistema elettrico MGU-H. Come già spiegato nell’articolo Power Unit: un’elettronica da urlo (che trovate qui: LINK) i componenti MGU possono lavorare sia da generatori, recuperando energia elettrica dai sistemi meccanici (fase di rigenerazione), che da motori, assorbendo energia elettrica e fornendo potenza ai sistemi meccanici (fase di assorbimento).

Procediamo per step.

Assumiamo che il regime di rotazione massimo del motore termico resti invariato tra la configurazione overboost e la configurazione standard, e supponiamo che la gestione del numero di giri del gruppo di sovralimentazione turbina-compressore venga reso indipendente (parzialmente) dalla portata di gas di scarico e che venga invece gestito dal componente elettrico MGU-H.
In fase di assorbimento elettrico, quindi con l’MGU-H funzionante da motore, la rotazione del gruppo TC può essere gestita per generare pressioni dell’aria comburente superiori al funzionamento standard a pari regime di rotazione del motore termico (dunque con portate di gas di scarico che da sole non consentirebbero di raggiungere il regime di rotazione del TC ottenibile in questa configurazione) . 

Il tutto si traduce in un incremento di potenza erogata dal motore a combustione interna a pari numero di giri, ottenendo una curva di erogazione spostata su un livello di potenza superiore a quella standard.

Utilizzando modelli matematici di ottimizzazione, come per esempio il metodo delle collocazioni ortogonali, è possibile stabilire quale sia la miglior strategia di funzionamento delle Power Unit sul giro di ogni circuito.
Il risultato di queste simulazioni numeriche evidenzia come sia più conveniente, in termini di tempo sul giro, sfruttare l’unità MGU-H come motore, assorbendo energia elettrica, ed utilizzarla per mantenere in rotazione il gruppo di sovralimentazione per gestire nel modo migliore le pressioni di sovralimentazione nei diversi punti del circuito by-passando a volte la turbina con aperture anticipate delle Wastegate.

È chiaro come questo surplus di potenza, quantificabile in 25-30 CV, garantisca ovviamente migliori prestazioni in termini di tempo sul giro ma sottopone al tempo stesso a grande stress il motore termico, che si trova ad operare, per il periodo di attivazione dell’overboost, con condizioni più spinte rispetto a quelle di progetto e non può dunque essere utilizzato per più giri consecutivi ne tantomeno per lunghi periodi nell’arco del weekend di gran premio. 

Un secondo importante aspetto da considerare è l’energia elettrica a disposizione per attuare questo tipo di strategia. È ben importante considerare che l’energia elettrica recuperabile dal sistema MGU-H è illimitata (a differenza di quella recuperata dal sistema MGU-K limitata a 2 MJ/giro) ma al tempo stesso l’energia immagazzinata nelle batterie non può superare i 4 MJ/giro di differenza tra carica minima e massima della sistema di stoccaggio. Ne risulta che oltre ai problemi di affidabilità, esiste un problema legato al limite di accumulo di energia elettrica, che deve quindi esser gestita con la miglior strategia possibile. Scaricare le batterie, durante la gara, a favore dell’ MGU-H vorrebbe dire togliere potenza utile al motore MGU-K. Ciò risulterebbe sicuramente sconveniente dato che l’energia elettrica assorbita dal MGU-H serve per mettere in rotazione un componente del motore termico con beneficio di spinta di 20-25 CV, mentre l’energia assorbita dall’MGU-K viene convertita direttamente in potenza utile di spinta.

Diverso è il discorso qualifica, dove è possibile partire dai box con batterie cariche e rientrare con batterie scariche. In questo caso l’utilizzo della strategia sopra esposta diventa più semplice e più efficace.

Sembra dunque che i tedeschi, forti anche di componenti elettrici molto prestazionali, abbiano unito l’efficienza del recupero di energia elettrica all'utilizzo della stessa in modo intelligente.

Per coloro che si stessero chiedendo perché altri team, per esempio Ferrari, non adottino un sistema a “bottone magico” come in casa Mercedes; si può rispondere che il tutto doveva nascere dal progetto originale della Power Unit e che le modifiche necessarie a non compromettere i motori durante il funzionamento in overboost sarebbero troppo rilevanti per essere affrontati ora, considerando anche che tutto sommato il sistema viene attivato per tempo limitato rispetto al tempo totale a disposizione. E rispetto agli altri Team motorizzati Mercedes c'è sicuramente da mettere in conto che la casa madre tiene sulla sua vettura un intercooler aria-acqua che ne migliora le efficienze soprattutto in quei Gran Premi ove le temperature ambientali sono piuttosto severe. 

Per quel che riguarda invece la sola strategia di ottimizzazione dell’utilizzo dei componenti MGU, siamo sicuri che venga utilizzati da quasi tutti i team; il cui limite diventa quello dell’efficienza di recupero elettrico e l’affidabilità dei motori termici.

Piergiuseppe Donadoni

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