POWER UNIT: il bottone magico Ferrari da meno potenza rispetto a Renault e Mercedes - FUNOANALISITECNICA F1ANALISITECNICA
Questo sito contribuisce alla audience di

POWER UNIT: il bottone magico Ferrari da meno potenza rispetto a Renault e Mercedes

Siamo giunti ormai alla fine di questa nuova stagione 2016 ma il Team di FUnoAnalisiTecnica non si è ancora stancato di andare alla ricerca di notizie tecniche interessanti.

Oggi torniamo a parlarvi di Power Unit e più precisamente dell'ormai noto bottone magico, introdotto nel 2014 da Mercedes sulla propria Power Unit.

POWER UNIT MERCEDES: il rendimento termico è ora molto vicino al 50%!
Sappiamo che in quel di Stoccarda hanno svolto un lavoro straordinario su tutta la vettura (QUI il "trucco" sul telaio per l'utilizzo di una sospensione anteriore innovativa) e che in particolar modo il reparto AMG ha messo a punto una Power Unit a dir poco eccezionale, capace di generare rendimenti termici vicini al 50% (si parla del 48-49% per la nuova Power Unit introdotta a SPA dal Team tedesco) nonché potenze veramente elevate, soprattutto quando viene azionato quello che è stato battezzato come “bottone magico”.

E' ormai chiaro che in Mercedes abbiano impostato una configurazione “iper racing” a bordo delle proprio monoposto che consente ai piloti di avere un surplus di potenza da usare sia in qualifica che in gara. Una modalità che i due piloti Mercedes attivano girando l'opportuna levetta (quella in giallo a sinistra) sulla mappatura STRAT 2. Una modalità che Ferrari ha cercato di "copiare" nella scorsa stagione e su cui Renault ha lavorato molto attivamente nell'inverno scorso riuscendo a portare dal Gran Premio di Monaco una versione di BOOST veramente soddisfacente. Se la mappatura STRAT 2 è relativa alla qualifica, Mercedes ha dedicato anche una mappatura BOOST anche per la gara, STRAT 4 (un qualcosa che lo scorso anno non si conosceva), leggermente depotenziata rispetto a quella della qualifica ma che garantisce comunque 25 CV al duo del Team teutonico.

Riepilogando, la mappatura in viola, la 2, è relativa alla qualifica mentre le tre in azzurro (3, 4 e 5) sono utilizzabili in gara. STRAT 3 è la mappatura da gara (utilizzata in alcuni casi anche per la partenza), mentre la mappatura STRAT 5 è la mappatura utilizzata solitamente per la partenza

Un surplus di potenza che, almeno per quanto riguarda la mappatura di qualifica, dallo scorso anno a quanto ci dicono non è aumentato in valore (STRAT 2 fornisce secondo le ultime informazioni raccolte circa 35 CV in più della normale mappatura, approssimativamente circa 6-7 decimi al giro), mentre il lavoro più importante si è concentrato sulla mappatura iper racing per la gara da 25 CV. Quest'ultima, Mercedes ha cercato di estenderla per gran parte dei giri di gara, uno degli obiettivi che si erano prefissati nella nuova specifica di Power Unit introdotta in Belgio. Unità motrice che è stata spinta troppo oltre il limite da Lewis Hamilton in Malesia e che ha denotato quei problemi di affidabilità che i tecnici del team tedesco avevano già riscontrato ai banchi e che ne avevano, come scritto più volte su queste pagine, posticipato l'introduzione dal Canada al Gran Premio di SPA. 

BOTTONE MAGICO: gira tutto attorno al gruppo turbocompressore e al motore elettrico MGU-H
Facendo un piccolo passo indietro, secondo noi però importante soprattutto per chi lo scorso anno non ci seguiva, resta da valutare il COME gli ingegneri con logo della stella a tre punte siano riusciti a creare queste configurazione iper racing.

Il tutto si riconduce ad un aumento di potenza del motore TERMICO della Power Unit grazie ad una diversa strategia di utilizzo del gruppo di sovralimentazione turbina-compressore o meglio ancora da un diverso livello di pressione dell’aria comburente. 


Per chi mastica un po di tecnica dei motori endotermici sa 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 prestabilita 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 Wastegate 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 non possiamo attribuire l’overboost del bottone magico alla semplice regolazione della valvola wastegate.

Ricordiamo allora che sul gruppo di sovralimentazione è presente il sistema elettrico MGU-H ossia un componente che può lavorare sia da generatore, recuperando energia elettrica dai sistemi meccanici (fase di rigenerazione), che da motore, assorbendo energia elettrica e fornendo potenza ai sistemi meccanici (fase di assorbimento).

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 25-35 CV in base alla mappatura utilizzata, 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 ed è molto difficile da utilizzare per molti giri consecutivi o per lunghi periodi nell'arco del weekend. 

BOTTONE MAGICO: Ferrari a 20 CV, Renault a 25 CV e Mercedes a 35 CV
Circa un mese fa vi anticipavamo qualche notizia sulle vetture 2017 di Ferrari e Mercedes, inserendo nell'articolo anche i valori di potenza che i vari motoristi sfruttano durante le qualifiche soffermandoci sul fatto che dalle nostre informazioni Mercedes non ha ancora raggiunto i 1000 CV di potenza, nemmeno grazie al suo potente bottone magico.

Valori di potenza in regime di qualifica che si assestano su questi valori (dopo gli ultimi aggiornamenti di tutti e quattro i motoristi):
  • Mercedes: 975 CV
  • Ferrari: 960 CV
  • Renault: 940 CV
Intanto che in molti di voi leggevano quell'articolo del 22 settembre, il Team di FUnoAnalisiTecnica cercava conferme riguardanti i CV che i tre principali motoristi riescono a sfruttare a serbatoi molto scarichi solamente in Q3. Dalle informazioni raccolte questi sono i valori di surplus di potenza che le tre Power Unit in versione iper racing forniscono:
  • Mercedes: 35 CV
  • Renault: 25 CV
  • Ferrari: 20 CV
Si può notare come la Scuderia italiana riesca a salire di potenza di un valore inferiore al motorista francese sempre per via di quei problemi di affidabilità di cui parlavamo prima del Gran Premio di Monza che stanno limitando la Power Unit italiana (si stanno utilizzando 5-10 CV in più della specifica pre Monza, dei 15 CV che l'aggiornamento doveva garantire). Con i numeri sopra riportati si può facilmente arrivare alla potenza che i vari Team riescono a sfruttare per gran parte della gara:
  • Mercedes: 940 CV
  • Ferrari: 940 CV
  • Renault: 915 CV
Potenze tra la Power Unit Mercedes e Ferrari che si equivalgono durante la gara, da qui ovviamente anche i distacchi più contenuti che il Team italiano si becca dal team tedesco. Ma quando Mercedes sale di potenza utilizzando la mappatura STRAT 4 (mappatura iper racing per la gara) il gap si amplia nuovamente con Ferrari e Renault. 

Concludendo si può sicuramente notare come in regime di gara ormai la Scuderia di Maranello è riuscita ad arrivare ad un soddisfacente livello di potenza massimo, pagando ancora qualcosina rispetto a Mercedes su quei circuiti "lunghi" dove si riescono a recuperati molti MJ di energia dai due motori elettrici. La differenza importante è ancora da ritrovare però in qualifica quando il Team tedesco può garantirsi circa 3 decimi di sola Power Unit dal Team italiano e circa 2 decimi da RedBull. E dalle ultime informazioni raccolte, anche grazie ai freschi motori endotermici introdotti nel Gran Premio di Austin, la Mercedes è tornata ad alzare il livello di potenza in qualifica, leggermente calato (da qui si spiegano anche i distacchi più contenuti) nelle qualifiche del Gran Premio del Giappone.

The PJ

About The PJ

Subscribe to this Blog via Email :

21 commenti

Write commenti
Plasma
AUTHOR
24 ottobre 2016 17:04 delete

Grazie! Articolo fantastico!
Siete Grandi!

Reply
avatar
Ros
AUTHOR
24 ottobre 2016 19:44 delete

ok per quanto riguarda il comburente, ma il carburante dave sempre rimanere nel limite dei 100kg/h come consumo istantaneo.
Come fa mercedes ad aumentare la pressione di sovralimentazione senza un proporzionale aumento del flusso di carburante senza innescare detonazioni catastrofiche?

Reply
avatar
24 ottobre 2016 20:28 delete

Articolo spettacolare,me lo rileggerò 10 volte almeno...grandi

Reply
avatar
24 ottobre 2016 23:52 delete

Mi stavo chiedendo esattamente la stessa cosa. Evidentemente hanno raggiunto un livello di evoluzione dell'HCCI tale per cui anche con miscele super magre il motore regge. Non sono un chimico ma il combustibile prodotto da Petronas, ma anche Shell e Total, non penso sia solo una questione di numero di ottano maggiore ;). Quello che mi sorprende di piu' e' l'evoluzione di questi motori, non mi ricordo i valori iniziali di potenza del solo termico ma si sono recuperati almeno 100 CV in soli due anni penso, pazzesco. Non mi stupisco che Honda non riesca a recuperare visto il margine di miglioramento anno per anno.

Reply
avatar
25 ottobre 2016 00:20 delete

"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"

Ma L'MGu-H come trasmetterebbe la coppia? è calettata all'albero motore, alla trasmissione o alla turbina? un po' e un po !?!?

Reply
avatar
25 ottobre 2016 10:06 delete

LA MGU-H è collegata solamente alla turbina, la può accelerare indipendentemente dalla portata volumetrica dei gas di scarico, ed è ciò a cui si fa riferimento nell'articolo. MGU-K invece fornisce direttamente coppia, credo sia callettata all'albero motore ma non ne sicuro. Il legame importante fra le due è che da H è possibile generare dell'energia elettrica che può essere inviata direttamente a K senza limiti, oltre all'apporto di energia fornita dalle batterie al K che però è limitata per ogni giro. È fondamentale questo collegamento, perché avere un H che recupera molta energia, questa può essere trasformata da K in potenza disponibile "alle ruote".

Reply
avatar
25 ottobre 2016 10:33 delete

Esattamente. L'articolo è scritto chiaramente da un appassionato non molto preparato tecnicamente.
Non è vero infatti che sia necessario aumentare il regime di rotazione per aumentare la potenza, basterebbe aumentare la pressione di sovralimentazione. Ma qui viene appunto il commento di Ros.
Essendo limitata la portata istantanea del carburante non si potrebbe aumentare la pressione di sovralimentazione nè il regime del motore termico.
In linea generale il rendimento diminuisce se la miscela è troppo magra, ma aumenta la temperatura dei gas di scarico. Questa aumenta anche con un anticipo non ottimale dell'accensione, in particolare riducendolo.
Posso ipotizzare (sono un appassionato, non un motorista) che operando contemporaneamente sull'anticipo e sulla pressione di sovralimentazione, si possa recuperare l'energia termica dei gas di scarico tramite la MGU-H e dirigerla alla MGU-K.
Il vantaggio ci sarebbe se il rendimento della conversione di energia termica della coppia turbina-MGU-H fosse superiore al rendimento di conversione del solo motore termico, che in genere è piuttosto basso.
L'aumento delle temperature spiegherebbe perchè il "bottone magico" possa essere utilizzato solo per brevi periodi.

Reply
avatar
Ros
AUTHOR
25 ottobre 2016 13:05 delete

Non solo il combustibile prodotto da Petronas, Shell e Total (limitato nell'evoluzione da precise norma regolamentari), ma soprattutto i lubrificanti (che non hanno le stesse limitazioni) possono contenere elementi che raggiungono la camera di scoppio attraverso il circuito di recupero del Blow-by.

Reply
avatar
Ros
AUTHOR
25 ottobre 2016 13:13 delete

avete notato che Mercedes (con motore già caldo perchè opportunamente preparato ai box), specialmente in qualifica, alla partenza dai box emette un quantitativo elevato di fumo azzurrognolo (olio motore recuperato dal circuito del blow-by)? Ciò avviene soprattutto nell'ultima evoluzione di motore Mercedes (quella distrutta da Hamilton), all'accensione del motore e per diversi secondi si vede un'insolito fumo bianco/azzurrognolo fuoriuscire dal terminale di scarico Ovviamente è olio, ma sarebbe veramente strano se derivasse da trafilaggio dei segmenti (se ancora sono utilizzati). Io propendo per la provenienza dal circuito del Blow-by. Che sia la prova di qualche sostanza (idrogeno) conservata nell'olio ed utilizzata per avere l'extra potenza (si parla di 200Cv) a parità di consumo istantaneo del carburante (100Kg/h)?

Reply
avatar
25 ottobre 2016 13:15 delete

Grazie Ros, sono un appassionato, che legge e cerca di capire(sic!), comunque ecco la mia domanda,: quanto è vero quello che scrive Benzin? Perché non si mostrano più i consumi di ogni macchina?
Insomma non sono proprio un "complottista", ma mi piace vedere il mondo ( in generale) da più punti di vista per avere un panorama migliore.
Spero che qualcuno mi risponda, grazie dell' articolo e delle risposte.
Até logo irmãos!

Reply
avatar
Ros
AUTHOR
25 ottobre 2016 13:33 delete

Io non posso credere per principio alle teorie di Benzing. Se fosse vero ciò che sostiene sarebbe solo un circo o meglio la F1 sarebbe credibile come il wrestling a cui non credo si sottoporrebero costruttori come Mercedes, Ferrari, Renault o Honda. Tra l'altro, in questo caso, Honda avrebbe potuto recuperare rapidamente e non soffrire come sta soffrendo l'arretratezza tecnoogica della sua unità propulsiva. Per me c'è dell'altro!

Reply
avatar
25 ottobre 2016 14:17 delete

Grazie del chiarimento in merito al collegamento dei componenti.
Ho finalmente capito capito come funziona l'ibrido (certo, potevo andare a rileggermi le fonti, ma la mia pigrizia ha avuto la meglio).

Reply
avatar
Emanuele
AUTHOR
25 ottobre 2016 14:31 delete

Tante belle parole... ma si dimostra ancora una volta un ignoranza a livello motoristico. Come ingeniere motorista sostengo appieno la tesi di Benzing... la potenza si ricava al 99% da un aumento della portata in massa. Al 1% da miglioramenti del rendimento... purtroppo questo concetto semplice e basilare non è chiaro ai più, anche miei colleghi.

Reply
avatar
25 ottobre 2016 15:21 delete Questo commento è stato eliminato dall'autore.
avatar
25 ottobre 2016 15:22 delete

Infatti la questione si gioca sul dove stia l'arrosto e dove solo il sugo.
C'è da capire se l'aumento del rendimento dovuto all'hcci + sovralimentazione "assistita" sia sufficiente a motivare il considerevole aumento di potenza massima di anno in anno (o di circuito all'interno della stessa stagione).
Sfiga vuole che, sia nel caso della teoria sopracitata, sia per quella del flussometro, non si possa sforare per troppo tempo il surplus di potenza pena, da un lato un eccessivo surriscaldamento, dall'altro un eccessivo consumo.
Se il considerevole aumento di cavalleria tramite ottimizzazione dell'ibrido fosse disponibile per gran parte della gara (nelle piste ad alto consumo), avremmo una risposta quasi certa, perché con la manomissione del flussometro non sarebbe possibile senza sforare l'arcinoto limite di carburante a disposizione.
Su questo HCCI aleggia ancora una nube di misticismo.

Reply
avatar
Emanuele
AUTHOR
25 ottobre 2016 17:19 delete

L HCCI non permette un aumento di potenza massima! L HCCI permette unicamente un miglioramento del rendimento ai carichi bassi e medi, quindi eventualmente potrebbe portare beneficio al consumo globale della gara. Ripeto: questi livelli di potenza si possono raggiungere unicamente aumentando il flusso di carburante, non esistono altre vie ( a meno di non utilizzare una tecnologia aliena!)

Reply
avatar
25 ottobre 2016 18:13 delete

Purtroppo dati ufficiali sulla potenza massima non ne abbiamo, tranne i passaparola di cui sopra e le stime di Benzing (anche queste da quello che ho capito tramite informatore). Di certo ci rimane solo il guadagno cronometrico facendo la tara con pneumatici e condizioni differenti.
PS: per dovere di cronaca credo personalmente che siano verifichino entrambe le teorie.

Reply
avatar
Ros
AUTHOR
25 ottobre 2016 18:37 delete

a meno di non utilizzare altri elementi (vedi idrogeno conservato nel lubrificante e reso disponibile attraverso il circuito del blow-by) per accellerare il fronte di fiamma scambiando meno calore con l'ambiente circostante (minor riscaldamento della camera di combustione) permettendo di utilizzare anticipi adeguati ottenendo un rendimento elevatissimo!

Reply
avatar
Unknown
AUTHOR
26 ottobre 2016 21:22 delete

ohhh ogni tanto è un piacere leggere qualcosa di sensato dopo tante put... ehm cavolate.
Per me hai centrato il nodo della questione.
Resta da capire cosa stanno facendo in Ferrari (che sicuramente avranno capito anche loro) e se riusciranno a emulare la cosa.

Reply
avatar
Unknown
AUTHOR
27 ottobre 2016 17:31 delete

L'articolo è senza dubbio ben scritto, ma ho trovato 2 cose su cui sinceramente non sono d'accordo.
Quando si parla di innalzamento della soglia d'intervento della wastegate si parla di necessità di aumentare il regime di rotazione della PU per ottenere più potenza. Beh questo non è necessariamente vero: innalzando la pressione d'intervento della wastegate la turbina riceve più gas di scarico (o meglio...se la wastegate è chiusa ne riceve il 100% rispetto al (esempio) 80% di quando apre per garantire il target di pressione) e di conseguenza accelera. Accelerando, il compressore aumenta la portata d'aria (o leggesi pressione anche se non sono assolutamente la stessa cosa....è per semplificare) che entra nel motore. A REGIME DEL MOTORE COSTANTE più aria in ingresso significa più comburente e quindi la massa di gas in uscita sarà superiore (se vado a bruciare più combustibile). Questo inizierebbe un effetto a catena che porterebbe alla distruzione del motore per "sovrappressione" (ecco perchè c'è la wastegate).
Quindi in realtà alzare la soglia di intervento della wastegate porterebbe in effetti ad un aumento di potenza senza
Detto ciò andrebbe fatto notare come in linea teorica queste PU non necessitino di una wastegate... raggiunto il target di pressione desiderato sarebbe sufficiente che l'MGU-H andasse ad "assorbire" quell'eccesso di coppia che causa l'accelerazione del gruppo turbocompressore per stabilizzarne la velocità (e quindi la portata d'aria in ingresso al motore). Per motivi di sicurezza, e perchè l'MGU-H non è detto sia in grado di "frenare" tale coppia (ed è proprio tramite la "frenatura" che l'MGU-H "genera" potenza), la wastegate viene mantenuta.
Quindi quello che il "manettino" fa è proprio alzare la pressione di sovralimentazione innalzando la soglia di intervento della valvola/della frenatura MGU-H E utilizzando quest'ultimo come motore per tenere sempre accelerato il gruppo turbocompressore (no turbo-lag e tempi di "arrivo a regime" ridotti).

Ma il punto in cui secondo me ci si perde è che NON è sufficiente aumentare la portata d'aria per aumentare la potenza! Bisogna conseguentemente aumentare la portata di combustibile per trarre vantaggio dall'avere più comburente! Quindi, alla fine della fiera, per avere più potenza bisogna aumentare la portata di benzina....che è quello che tutti fanno in qualifica. (Eccedendo il massimo regolamentare quasi sicuramente). Il problema della Ferrari potrebbe ricercarsi nella detonazione a cui il motore va incontro innalzando la pressione (o per motivi più puramente "strutturali").
Io non sono un complottista ma in questo caso quello che dice l'ing. Benzing è sacrosanto: "No Benzina No Power".

Reply
avatar
27 ottobre 2016 19:04 delete

Mi sono dimenticato di nominare l'HCCI. A tal proposito ci tengo a sottolineare che tale tecnologia (ancor "misteriosa" in quanto molto preziosa da un punto di vista economico anche per le sue possibili applicazioni in serie) è votata all'aumento del rendimento termico della parte endotermica a bassi e medi carichi.
In tali condizione infatti si riesce a far detonare la miscela combustibile raggiungendo valori di pressione ancora gestibili ma molto più alti di quelli ottenuti nella "normale combustione"; più pressione significa più spinta sui pistoni e quindi maggior coppia (e potenza) a parità di consumo.
Il suo utilizzo a carichi alti porterebbe a pressioni tali da disintegrare il motore.
Rimane un mistero come i motoristi siano riusciti a "comandare" l'ingresso in funzione della modalità HCCI. (Alcuni parlano di pressioni di sovralimentazione aumentate improvvisamente, altri di strane camere di combustione ricavate all'interno del pistone e "innescate" da un diverso "getto" dell'iniettore)

Reply
avatar

FUnoAnalisiTecnica. Powered by Blogger.