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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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26 commenti

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IVIX
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18 aprile 2015 20:26 delete

Probabilmente sto per fare una domanda stupida, ma non riesco a darmi una risposta. Alzare la pressione di sovralimentazione comporta un aumento di potenza nel senso che, a parità di rapporto stechiometrico, consente di introdurre più combustibile in camera. Sopra i 10.500 rpm però la portata è costante. Potete spiegarmi in che modo il solo aumento di pressione consente di guadagnare quei 30 cv? grazie

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18 aprile 2015 21:01 delete

Non sono molto convinto. Se fosse necessario alzare il regime del motore per aumentare la pressione allora la valvola wastwgate non verrebbe mai azionata... Io credo che il numero di giri dipenda piuttosto da una scelta nella mappatura. Ho visto la stessa Ferrari raggiungere i 12900 giri nelle FP2 in Cina con Kimi quando ha ritardato la cambiata (ho lappatura. Ho visto la stessa Ferrari raggiungere i 12900 giri nelle FP2 in Cina con Kimi quando ha ritardato la cambiata (ho le foto, se volete). Magari le cambiate avvengono più velocemente ma agli stessi regimi con o senza bottone

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18 aprile 2015 21:26 delete

IVIX: si alza tutta la curva di erogazione,non solo ad alti regimi. è ai regimi medio bassi che il sistema sfoggia i suoi migliori vantaggi (dato che in quella situazione i soli gas di scarico non consentirebbero di avere quei valori di pressione)
TheNikione97 : la pressione di sovralimentazione è funzione del numero di giri del TC che è a sua volta dipendente dalla portata dei gas di scarico,definita in modo univoco dal regime di rotazione del MCI. non ci si può scappare. Le Mercedes sono tra le vetture con i rapporti più corti se per quello. Tutti i motorizzati Mercedes già dai test a Barcellona sfruttavano l'elasticità della PU per tenere rapporti corti in uscita dalle curve

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18 aprile 2015 22:21 delete

Ciao, grazie per la risposta ;)
Sono d'accordo con te sull'uso a bassi regimi, ma non ci trovo nulla di strano in quello, serve ad eliminare il turbo lag quando l'ICE da solo non riesce a rilasciare una quantità sufficiente di gas, ma ad alti regimi trovo difficile credere che gli scarichi non riescano a fornire sufficiente aria alla turbina, sennò la valvola di wastegate sarebbe inutile o sbaglio?
Inoltre concordo che i maggiori vantaggi siano in trazione a basse velocità ma anche le top speed sono notevolmente più alte in quali rispetto alle FP (333.7 contro 327.5 in FP3 con stesso assetto aero)

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19 aprile 2015 09:34 delete

Prego :)
Attenzione a questa cosa, è un concetto sottile ma ben diverso: il sistema non consente di recuperare il turbo lag (non solo) ma interviene fornendo pressioni di sovralimentazione superiori a quelle che si otterrebbero dal passaggio dei soli gas di scarico anche a medi regimi. Ne beneficia tutta l’erogazione della PU. La wastegate non è assolutamente inutile! Pensa addirittura che la simulazione numerica suggerisce che in molti punti del circuito sarebbe più conveniente by-passare totalmente i gas di scarico con la valvola e utilizzare la MGU-H per fornire il valore di sovrappressione dedicato a quel punto del tracciato.
Il tutto deve essere accordato con i limiti meccanici della PU e regolamentari per quel che riguarda gli assorbimenti elettrici. Cosa per nulla banale!
Le velocità di punta possono essere forvianti riguardo alla modalità di lavoro della PU, dato che ci sono molti altri fattori che ne influiscono il valore. Certamente erogazioni di potenza più fluide e potenza più alte (pur sfruttando rapporti corti) consentono di ottenere velocità di punta maggiori.

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19 aprile 2015 11:18 delete

Non mi è chiara una cosa: incrementare la pressione di sovralimentazione a portata di carburante massima imposta come porta ad un incremento di potenza? Se si è già al limite della federazione e si butta più aria si avrà solo più aria no? Mi date una mano a capire?

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19 aprile 2015 13:12 delete

La portata di carburante è regolata fino a 10500 giri/min. Mentre e regimi minori (medi e bassi regimi) le portate di carburante sono ben sotto il limite regolamentare. Da qui alzare la pressione di sovralimentazione corrisponde chiaramente a immettere più combustibile per avere più potenza erogabile.

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19 aprile 2015 13:52 delete Questo commento è stato eliminato dall'autore.
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19 aprile 2015 14:23 delete

Perché dici che sono sicuramente sotto? Posso capire il primo anno ma già al secondo tutte le PU dovrebbero essere in grado di viaggiare a limite fia sempre (a meno di problemi/limiti di trazione). Inoltre l articolo parla di incremento di Potenza massima quindi di picco non a regimi inferiori ai 10500.

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19 aprile 2015 14:43 delete

l'articolo parla di incremento di potenza su tutto il range del regime di rotazione: "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." il limite FIA è sulla portata di combustibile che viene raggiunta ai regimi più alti, è ovvio che a regimi inferiori si abbia una portata di combustibile minore

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19 aprile 2015 14:56 delete

Il limite fia va da 0 a 15000 rpm dove da 10500 è di 100kg/h mentre al di sotto diminuisce linearmente secondo una legge imposta dalla federazione (che non ricordo ma googolando son sicuro si trovi).

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20 aprile 2015 11:14 delete

Sì esatto Q=(0.009*N)+5,5 ma nessuno sfrutta al limite del consumo a regimi minori per problemi di stress sulle unità termiche.

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Ros
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20 aprile 2015 13:31 delete

E' un'altro modo di "usare" il carburante al di sotto dei canonici 10500 giri motore.
Mi sembra completamente corretto e splendidamente illustrato.
Mi permetterei solo di aggiungere che il limite degli 7 - 9 giri in gara non è dovuto tanto a problemi di affidabilità quanto al consumo massimo. Ricordiamoci che esiste sempre il limite di 100kg max di carburante imbarcato

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Ros
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20 aprile 2015 13:41 delete

Anche la Ferrari, lo scorso anno, aveva optato per una soluzione simile utilizzando una speciale wastegate a controllo elettronico.
La previsione era di aprire la wastegate per pilotare il compressore direttamente con il motore elettrico della MGU-H per ottenere più potenza. Ma questo si scontrava inevitabilmente con i consumi !!
L'implementazione Mercedes, invece, sembra molto più accorta !

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20 aprile 2015 13:49 delete

Grazie Ros, gli apprezzamenti fanno sempre piacere :)

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21 aprile 2015 00:30 delete

Che tipo di stress? Essendo a portate inferiori alla massima consentita gli stress meccanici dovrebbero essere minori no? Il massimo stress si dovrebbe avere alla massima portata di benzina giusto?

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21 aprile 2015 07:38 delete

In che modo? Non voglio sembrare stancante, sono solo estremamente curioso ed interessato :)

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gianca
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21 aprile 2015 17:42 delete

bell'articolo...
Però l'anno scorso non si diceva che la mercedes fosse senza wastgate per sfruttare al massimo i gas di scarico??? Cosa che sembrava una pecca della ferrari che invece ce l'aveva??
Poi non capisco perché darebbe dei vantaggi baypassare la turbina con la wastgate a medi regimi, i gas non aiuterebbero l'mgu-h? oppure baypassando la turbina il motore termico avrebbe uno scarico più efficente e perciò darebbe più cavalli???(eppure l'anno scorso non sembrava che la mercedes desse molta importanza alla resa degli scarichi, tant'è che erano corti e dritti, il trucco forse era altrove) Sicuramente usare l'mgu-h per spingere il compressore a medi regimi permette di sfruttare al massimo il motore termico anche a medi regimi, ma mi sembra strano che solo mercedes ci sia arrivata, era una delle opportunità rese possibili fin da subito con il nuovo regolamento. E strano sembra che fin da subito i pezzi non siano stati dimensionati per resistere a questo 'stress' in modo continuativo. Ora si è visto chiaramente che in qualifica hamilton arriva oltre i 12900, probabile che arrivi a 13000 e poi il limitatore abbassa a 12500 circa, almeno da alcune immagini in sequenza delle qualifiche del gp della cina è così, perciò mi chiedo come sia possibbile che arrivino tanto oltre ai fatidici 10500 giri, senza aumentare il flusso di benzina. Le cose son due o immettono qualcosa assieme alla benzina, o riescono a far girare il motore senza danneggiarlo con miscele magrissime.
Poi ho un'altra curiosità, visto che i rapporti del cambio non si possono più variare, può essere questa una limitazione che rischia di limitare i vantaggi dati dai prossimi sviluppi sui motori? La ferrari ha sicuramente i rapporti più lunghi rispetto alla mercedes, in previsione dei prossimi sviluppi questo fatto sarà un vantaggio o uno svantaggio?

Grazie

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Ros
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21 aprile 2015 18:55 delete

Sono due argomenti diversi. D'altronde in Mercedes hanno sempre detto che non c'è un solo segreto della PU.
L'argomento trattato nell'articolo riguarda il potenziale utilizzo del MGU-H come compressore elettrico sotto i 10.500 giri (dove le limitazioni del flussometro permettono margini di manovra) in alcune fasi delle qualifiche ed in alcuni giri di gara.
Per quanto riguarda la potenza espressa dalla Mercedes sopra i 10.500 giri fino a 13000 giri si rimanda all'articolo: E' l'idrogeno il segreto della Mercedes? su questo stesso sito.
Per quanto riguarda i rapporti di trasmissione, in teoria, dovrebbero favorire la Ferrari in vista dei prossimi sviluppi. Dico in teoria perchè, in realtà, i singoli rapporti sono congelati, ma la riduzione finale mi sembra che sia libera.

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Ros
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21 aprile 2015 18:58 delete

scusa cosa "in che modo?"

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21 aprile 2015 21:48 delete

Scusami, in effetti non sono stato per niente chiaro... volevo capire (ripeto, non me ne vogliate se sembro pedante) come il far si che il compressore sia spinto dal solo motore elettrico MGUH porti ad un incremento di potenza e a un peggioramento nei consumi quando si ha la valovla waste gate aperta invece che chiusa.

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Ros
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22 aprile 2015 00:11 delete

Un'incremento di potenza ai bassi e medi regimi quando la turbina azionata dai gas di scarico non può esprimere il massimo numero di giri come può fare invece il motore elettrico (perfezionamento della funzione immaginata in origine per supplire al turbo lag).
Maggiori consumi nell'interpretazione Ferrari dello scorso anno perchè, invece di ricaricare le batterie ai medi/alti regimi di rotazione, l'ERS-H era usato per azionare il compressore per supplire alla turbina troppo piccola per raggiungere le pressioni di sovralimentazione richieste e non di progetto.
In altre parole si usava una funzione studiata per un eventuale overboost per effettuare un sorpasso anche per le normali condizioni operative.

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22 aprile 2015 00:16 delete

Mille Grazie! Gentilissimo
Mi sfugge una cosa: se apri la wastegate la turbina, seppur piccola, non contribuisce - neanche in minima parte - alla spinta del compressore e quindi fai fare il lavoro al motore elettrico MGUH quando potrebbero farlo in due, sbaglio qualcosa?

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Ros
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22 aprile 2015 00:23 delete

No non sbagli salvo il fatto che, in particolare nell'implementazione Ferrari dello scorso anno, la turbina troppo piccola creava in queste condizioni una contropressione di scarico per evitare la quale veniva aperta la wastegate.

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23 aprile 2015 21:19 delete

Domanda stupida, ma non si può mettere la valvola tipo westgate tra il compressore e il collettore di aspirazione invece che tra i collettori di scarico e la turbina? In questo modo l'MGU-H potrebbe produre molta più energia senza che l'ICE esploda.

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Ros
AUTHOR
25 aprile 2015 20:34 delete

si, si chiama valvola pop-off e sembra che la Merc. ne abbia una, poi cosa ne facciano dell'eventuale gas in pressione oltre i 3.5 bar lascio a voi la risposta

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