Non è solito riuscire a trovare video o fotografie dettagliate dei macro pezzi che compongono le vetture di Formula 1 della nuova era turbo (dal 2014 in avanti…) ma questa volta, grazie alla bancarotta e quindi alla successiva vendita pubblica di alcuni beni dell’ex Marussia F1 Team, possiamo dare un’occhiata molto attenta all’intercooler Ferrari aria acqua montato proprio sulla Marussia MR03 2014.
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| L’intercooler utilizzato dalla Scuderia Ferrari nella stagione 2014 |
Prima di addentrarci in una analisi più dettagliata dell’intercooler utilizzato anche dal Team ufficiale Ferrari nel 2014 e 2015 è bene fare un piccolo passo indietro per capire a cosa serve questo interessante macro componente.
In tutti i motori turbo compressi, non solo quelli utilizzati dalle moderne Formula 1, una componente fondamentale per le prestazioni e il rendimento è sicuramente lo scambiatore di calore chiamato intercooler.
Questo particolare scambiatore di calore svolge la funzione di raffreddare l’aria di alimentazione del motore appena compressa dal componente “compressore”.
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| Power Unit Ferrari 2014 e 2015 | Immagine Alberto Rodriguez |
Come si può ben vedere infatti dall’immagine poco più in alto, l’aria in ingresso dall’airscope della vettura (componente in grigio nell’illustrazione) viene portata all’interno del compressore centrifugo (componente in blu) dove viene compressa con lo scopo di aumentare il riempimento della camera di combustione grazie ad un aumento della densità dell’aria. E fin qui tutti effetti positivi per quanto riguarda l’incremento di potenza del nostro motore endotermico. Ma il vero problema è che, fisicamente, quando si comprime dell’aria, quest’ultima si riscalda perdendo quindi in parte quell’effetto positivo per il nostro ICE (Internal Combustion Engine) che è l’aumento della densità. Infatti più la temperatura dell’aria aumenta e più essa si espande ossia la densità diminuisce; ciò vuol dire che a parità di pressione si va immettere in aspirazione meno aria (aria meno densa: in metro cubo di volume è presente meno aria). Per farla breve, diminuendo la quantità di aria in aspirazione si riduce il rendimento del motore endotermico aumentando il maggior pericolo di un motore turbo ossia l’autoaccensione. E’ proprio per questo che si è pensato di interporre tra l’uscita del compressore e l’ingresso del motore endotermico uno scambiatore di calore che abbassa la temperatura dell’aria. Stiamo proprio parlando dell’intercooler.
Per chiudere il discorso che riguarda il compressore, c’è da sottolineare come in un motore turbo “classico” questo componente venga messo in moto grazie ad un altro componente fondamentale che si chiama turbina. Il compressore e la turbina sono solitamente collegati mediante un albero di trasmissione coassiale. Per quanto riguarda la turbina, a sua volta, è azionata dall’energia cinetica dei gas di scarico. Nelle moderne Power Unit c’è però da sottolineare che, soprattutto nelle fasi di qualifica, quando il pacco batterie è a piena carica ad inizio giro, la gestione della rotazione del gruppo di sovralimentazione turbina-compressore viene reso indipendente (parzialmente) dalla portata di gas di scarico, venendo gestita invece dal componente elettrico MGU-H. In fase di assorbimento elettrico, quindi con l’MGU-H funzionante da motore, la rotazione del gruppo turbocompressore 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.
Tornando a soffermarci sul componente intercooler, esistono principalmente due macro tipologie:
Quello all’interno della Power Unit Ferrari 2014 e 2015, e in parte anche nelle unità motrici degli anni successivi (2016 e 2017), è della seconda famiglia. L’intercooler aria – acqua è uno scambiatore termico che utilizza un fluido, l’acqua, per raffreddare l’aria “riscaldata” dal compressore prima di essere immessa nella camera di combustione tramite l’aspirazione. 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 viene quindi raffreddata con l’aria esterna. I vantaggi sono: 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; può essere montato in qualsiasi posizione; l’influenza delle condizioni esterne sull’efficienza dell’intercooler è nettamente minore rispetto alla versione aria-aria.
Facendo riferimento all’intercooler della Power Unit Ferrari 2014, una unità motrice che era costato il ruolo alla sua “mente” ossia l’ingegnere italiano Luca Marmorini, il lato aria è molto semplice. L’aria calda (freccia rossa) in uscita del compressore viene raffreddata all’interno dello scambiatore e se ne va verso l’aspirazione del motore endotermico tramite due condotti (frecce azzurre) in materiali compositi.
Ecco altre immagini che ci mostrano i condotti di uscita del molto miniaturizzato intercooler Ferrari:
Ma la parte più interessante dello scambiatore posizionato tra la V del motore endotermico Ferrari 2014 e 2015 è sicuramente il lato acqua. Per poter garantire un migliore coefficiente di scambio termico, una maggiore leggerezza (lo carcassa dello scambiatore è in alluminio), e una sensibile riduzione dei volumi interni con conseguente riduzione di acqua da utilizzare (e quindi un minor peso posto in una posizione che potrebbe avere degli effetti deleteri sul baricentro della vettura) gli ingegneri del Team italiano avevano pensato di utilizzare le tecnologia dei “micro tubi”.
Nelle due prossime due fotografie sono ben evidenti questi microtubi, oltre 16000, che garantiscono elevati coefficienti di scambio termico, fino a 60 volte superiore rispetto agli scambiatori di calore convenzionali.
Nelle successive due immagini sono ben evidenti le sezioni di imbocco dei microcanali veramente miniaturizzate .
Per concludere una immagine che ci mostra anche l’ingresso dell’acqua refrigerante (freccia azzurra) e l’uscita (freccia rossa) con il percorso obbligato che il fluido è obbligato a percorrere all’interno dello scambiatore. Come si può ben vedere dalla freccia gialla, l’intercooler Ferrari 2014 e 2015 aveva per l’acqua ben quattro giri interni controcorrenti all’aria per massimizzare il coefficiente di scambio termico.
Concludendo, ecco il link per chi volesse vedersi il video da cui sono state prese le immagini dell’articolo. Interessante poiché nella parte finale viene anche mostrato un altro componente importante di un motore turbo compresso che è la valvola wastegate.
di @smilextech
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Vedi commenti
Spettacolare,bravi come sempre
Ottimo articolo, complimenti. E' un piacere leggere approfondimenti di questo tipo!