Nei motori turbo-compressi una componente fondamentale per le prestazioni e il rendimento è sicuramente lo scambiatore di calore chiamata Intercooler. Questo particolare scambiatore di calore svolge la funzione di raffreddare l’aria di alimentazione del motore appena compressa dal componente “compressore”.
Il TURBOCOMPRESSORE è formato da:
1 – una prima girante, mossa dai gas di scarico, avente la forma di una spirale e chiamata TURBINA;
2 – un corpo centrale destinato a contenere i cuscinetti nonché la lubrificazione dell’asse che unisce le due giranti;
3- una seconda girante direttamente collegata alla turbina e quindi da essa trascinata, che ha il compito di comprimere l’aria in arrivo da una apposita presa d’aria. Questo componente è detto COMPRESSORE.
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Alcune caratteristiche come il diametro, l’inclinazione e l’altezza delle pale, nonché il regime di rotazione, messi in rapporto fra loro danno il campo operativo entro il quale dovrà svolgere la propria funzione l’intero turbocompressore, nonché il rendimento globale.
Più la temperatura dell’aria aumenta e più essa si espande (la densità diminuisce); ciò vuol dire che a parità di pressione si va immettere in aspirazione meno aria (aria meno densa, significa che in metro cubo di volume è presente meno aria). Diminuendo la quantità di aria in aspirazione per farla breve si riduce il rendimento del motore endotermico aumentando il maggior pericolo di un motore turbo: l’autoaccensione (si dovrebbe fare un articolo solo per arrivare alla dimostrazione mediante formule matematiche della frase appena detta).
Prima di arrivare al succo dell’articolo è bene dare qualche nozione teorica utile a comprendere meglio la seconda parte dell’articolo e che magari la maggior parte dei lettori conosce già.
Esistono due tecnologie ben distinte per la progettazione e la realizzazione degli Intercooler:
1) aria – aria
2) aria – acqua
INTERCOOLER ARIA – ARIA
L’intercooler aria-aria della McLaren
L’intercooler aria-aria è uno scambiatore termico che utilizza l’aria esterna per raffreddare l’aria “riscaldata” dal compressore prima di essere immessa nella camera di combustione tramite l’aspirazione. Una caratteristica fondamentale per questa tipologia di scambiatori è il posizionamento poiché si va ad alterare piuttosto facilmente l’efficienza dello scambiatore.
I vantaggi di questa soluzione sono facilmente spiegabili:
1. La configurazione è molto semplice, non essendoci ulteriori accessori oltre allo scambiatore che funge da IC;
2. Non essendo presente nessun tipo di liquido di raffreddamento, non c’è nessuna possibilità di perdite idrauliche;
3. Se l’intercooler è posizionato in modo corretto, vedendo quindi un buon flusso d’aria, con questa configurazione non esistono problemi di “heat-soak”.
Foto: Leone Rampante
Invece, gli svantaggi sono:
1. L’efficienza dell’intercooler varia al variare della temperatura dell’aria esterna e della portata dell’aria stessa;
2. Non può essere installato ovunque, in quanto deve essere montato in una posizione in cui possa essere investito da un buon flusso d’aria.
3. Le dimensioni: rispetto alla versione con acqua come fluido di raffreddamento, le dimensioni dell’intercooler aria-aria sono notevolmente “maggiorate” dato che la capacità di scambio termico del refrigerante è molto inferiore a quello dell’acqua.
INTERCOOLER ARIA – ACQUA
Foto: Stillen, modificata da F1ANALISITECNICA
Nella versione di intercooler sopra mostrata lo scambio termico avviene sempre tra l’aria, compressa dal compressore, mentre come fluido di raffreddamento viene utilizzata l’acqua. Essa viene pompata nell’intercooler mediante una pompa a circolazione continua. Ma c’è un problema in più rispetto alla semplice versione di IC aria-aria, nel senso che il liquido di raffreddamento a sua volta viene riscaldato dall’aria e quindi necessità di un ulteriore scambiatore posizionato solitamente nella pance delle monoposto di Formula 1. Il liquido di raffreddamento, ossia l’acqua viene quindi raffreddata con l’aria esterna.
In sintesi per far funzionare un intercooler aria/acqua abbiamo bisogno in più del classico scambiatore di calore chiamato Intercooler, anche di una pompa che fa circolare l’acqua nell’IC e di un secondo scambiatore per il raffreddamento dell’acqua. Solitamente acqua e aria percorrono lo scambiatore in versione “controcorrente”
I vantaggi di questa soluzione sono:
1. Dimensioni ridotte rispetto alla versione aria-aria per via del fatto che l’acqua ha una capacità di scambio termico molto maggiore rispetto all’aria.
2. Può essere montato in qualsiasi posizione, come sarà mostrato successivamente nelle soluzioni di Ferrari e Mercedes.
3. L’influenza delle condizioni esterne sull’efficienza dell’intercooler è nettamente minore rispetto alla versione aria-aria.
I svantaggi sono:
1. Sistema più complesso e più costoso;
2. Richiede qualche elemento in più per poter funzionare;
3. Essendo un sistema più complesso ha più problemi nella “messa a punto”;
4. Ci sono possibilità di perdite idrauliche, che sono sicuramente più problematiche rispetto a perdite di un gas come l’aria;
Parlando dei Team di Formula 1, gli unici due Team (con certezza) che utilizzano degli intercooler aria – acqua – aria sono Mercedes, Ferrari.
Se la squadra italiana ha pensato di inserire l’IC all’interno della V del motore endotermico (soluzione confermata rispetto alla scorsa stagione!), la squadra tedesca l’ha posizionato, avendo un compressore nella parte anteriore della Power Unit, nella parte alta della parte anteriore della sua parte termica.
La Ferrari anche nel progetto 2015, chiamato 666 e che ha dato alla luce la ottima SF15-T, ha mantenuto una della caratteristiche POSITIVE della Power Unit progettata dal tecnico italiano Marmorini, poi cacciato ingiustamente (forse la colpa non era sua!) per le scarse prestazioni dell’unità di potenza 059/3 2014.
L’intercooler 2014 della Ferrari
Lo scambiatore di calore nella V tra le bancate era considerato da molti esperti nel settore tra i difetti più gravi del progetto 2014 della Power Unit italiana. Alla luce dei test e delle prime due gare della stagione 2015 sappiamo invece che, lo scambiatore aria/acqua (con raffreddamento dell’acqua ad aria) posizionato tra le bancate e solo leggermente ritoccato nelle dimensioni rappresenta uno dei punti di forza del propulsore Ferrari poiché minimizza il percorso dell’aria compressa proveniente dal compressore e in arrivo successivamente al raffreddamento nelle camere di scoppio. Cosa comporta questa “breve strada”? Comporta una riduzione importante dell’effetto chiamato turbo-lag, regalando all’unità di potenza 059/4 doti di reattività e guidabilità. Oltre a ciò c’è anche da considerare un vantaggio aerodinamico che comporta la versione aria-acqua dell’IC, poiché si riescono sicuramente a disegnare pance più snelle aventi minor resistenza all’avanzamento.
Per quanto riguarda la Power Unit Mercedes possiamo affermare fin da subito che il Team di Stoccarda cosi come nel 2014 è l’unico tra i motorizzati Mercedes ad utilizzare un intercooler con scherma praticamente uguale a quello utilizzato dalla Ferrari. L’unica differenza è la posizione, ma come abbiamo visto nella parte iniziale, più teorica, che questo è proprio uno dei vantaggi dell’IC aria-acqua.
Cosi come la scuderia italiana anche la Mercedes ha voluto minimizzare il percorso dell’aria compressa proveniente dal compressore (posizionato nella parte anteriore della unità di potenza tedesca) e in arrivo successivamente al raffreddamento, nelle camere di scoppio. Necessario tutto ciò per diminuire l’effetto negativo del turbo-lag.
Nell’immagine sopra mostrata si può anche vedere, in primo piano, situato quindi nella pancia sinistra, il radiatore che va a raffreddare l’acqua dell’intercooler.
Ecco invece la diversa soluzione utilizzata dalla Williams. Gli uomini di Groove hanno mantenuto la stessa soluzione della stagione 2014, ossia l’intercooler è situato nella pancia sinistra ed è della tipologia aria-aria. La novità è l’ottimizzazione del percorso dell’aria in uscita dallo scambiatore. Si possono notare anche ad occhio nudo le differenze di ingombri tra il radiatore aria-acqua della Mercedes con l’Intercooler aria-aria della Williams.
Per quanto riguarda Lotus e Force India, le soluzioni scelte dagli ingegneri dei due Team motorizzati Mercedes sono molto simili alla soluzione Williams sopra mostrata. Quindi Intercooler aria-aria situati nelle pance, insieme (sul lato opposto) al classico radiatore aria-acqua necessario per raffreddare il motore endotermico. Nessuno tra i motorizzati Mercedes, ma neppure Ferrari ha optato per la soluzione utilizzata dalla RedBull che ha suddiviso sulle due fiancate le due parti componenti l’Intercooler, della tipologia aria-aria.
