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.
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.