Perché V6 ibrido anziché V12 aspirato?

Perché V6 ibrido anziché V12 aspirato?

Nella progettazione di un’auto da corsa è fondamentale il motore, vale a dire un insieme di componenti, collegati tra loro, dotati di azionatori, circuiti di comando e connessi, capace di trasformare una sorgente di energia, che può essere in forma chimica (in presenza di un combustibile), elettrica o termica, in un’energia meccanica. In particolare, il rendimento dei motori termici dipende strettamente dalla temperatura iniziale e finale del loro ciclo, e per un dato salto di temperatura. La gran parte dei motori di uso comune sono alternativi e/o rotativi, e producono lavoro sotto forma di una coppia o una forza su un asse, mentre altri producono soltanto una forza lineare.

Nel caso specifico dei motori di F1, nella stragrande maggioranza della sua storia si è adottato il motore a combustione interna, vale a dire un sistema motrice che permette di convertire l’energia chimica, posseduta da una miscela di aria e combustibile, in lavoro meccanico reso disponibile al sistema di trasmissione dell’energia alle ruote. La conversione di energia chimica in lavoro meccanico, e quindi produzione di movimento, avviene nella camera di combustione, dove i gas combusti generano alta pressione e aumento di volume tale che spingono il pistone verso il basso, e il pistone a sua volta fa ruotare l’albero motore.

La miscela consiste in un combustibile, che generalmente è un derivato del petrolio, mentre l’ossigeno dell’aria funziona come comburente. Chiaramente, il tipo di combustibile determina le caratteristiche del motore e quindi la sua applicazione nei vari ambiti (carburanti chimici derivati dal petrolio, piuttosto che, ad esempio, a ioni, fotoni, plasma, nucleare, eccetera). È importante sapere che tutti i motori, di qualunque genere, sono soggetti alle leggi della conservazione dell’energia e al fatto che l’energia meccanica lungo il percorso si disperde per attrito e cessione di calore e dunque forniranno un lavoro totale minore dell’energia contenuta nel combustibile speso per il loro funzionamento.

Per esempio in termodinamica il rapporto fra il lavoro fornito e l’energia spesa da un particolare motore nel suo ciclo termodinamico è il suo rendimento lordo, comprendente la frazione di energia spesa per il funzionamento interno del motore stesso. Esso è sempre inferiore al rendimento termodinamico, il rendimento per un motore identico considerato ideale, cioè privo di dissipazione energetica interna. In parole povere, quando un ingegnere progetta il motore endotermico a combustione interna, deve calcolare quanti e quali componenti verranno utilizzati, sia per le funzioni primarie, sia per quelle ausiliari, per comprendere quanta energia verrà dispersa nel movimento e nella dissipazione termica dei componenti utilizzati, quindi cercare di aumentare quanto più possibile l’energia rimanente che verrà poi trasmessa alle ruote.

Ma allora perché V6 ibrido anziché V12 aspirato?

Sono questi i motivi che hanno portato all’utilizzo dell’attuale motore V6 ibrido, che hanno soppiantato potenti motori V8, V10 e V12 aspirato, proprio per i motivi appena elencati, disperdevano una quantità di energia maggiore rispetto all’attuale V6 in dotazione ai team di F.1. E, più in generale, sono questi i motivi per cui il panorama mondiale dell’automobile sta abbandonando la progettazione e la produzione dei motori a due tempi, o più comunemente Diesel, in favore della progettazione dei motori ibridi, cioè utilizzanti il motore endotermico con ciclo Otto (a quattro tempi) legando ad esso il motore elettrico.

Un motore elettrico è, di fatto, una macchina elettrica rotante che trasforma l’energia elettrica in ingresso in energia meccanica in uscita resa disponibile sull’asse del motore, e da qui (nel caso dei motori per le auto) trasferita alle ruote. Questa tipologia di macchina elettrica è fondata, analogamente a quanto accade nel generatore elettrico, sulle forze elettromagnetiche che interagiscono tra un sistema di correnti ed un campo magnetico.

Il vantaggio dell’utilizzo del motore elettrico deriva proprio dalla minore dispersione dell’energia prodotta. L’energia, non dovendo essere prodotta attraverso un connubio di sorgente e di dispersione chimica e termica, conta meno componenti necessari, sia primari che ausiliari, alla produzione del movimento. Rimangono ovviamente dei benefici di utilizzo dell’energia, relativi al motore elettrico piuttosto che al motore endotermico.

Il maggior vantaggio dei motori ibridi è l’eliminazione dei difetti insiti nella necessità di partenza da fermo (che nei veicoli convenzionali a motore solo endotermico viene attuata mediante frizione e prima marcia) sottoposta alle leggi fisiche dell’inerzia che richiede una coppia anche a velocità quasi nulle, mentre il motore termico ciclico ha bisogno di un regime di velocità minimo per fornire una coppia non nulla. Il motore a vapore e quello elettrico non presentano particolari problemi nella partenza da fermo, a differenza dei motori endotermici, che presentano tale criticità (questo, agli albori dell’automobile, rappresentò il maggior freno al suo sviluppo).

Mentre nell’auto con motore endotermico accoppiato a partenza in elettrico i due propulsori sono adatti a coesistere in quanto hanno proprio in ciò caratteristiche complementari. Il motore a combustione interna trasforma l’energia chimica del combustibile con una efficienza accettabile, in particolare in alcuni punti di funzionamento (alle basse velocità è più efficiente l’elettrico, alle alte l’endotermico), mentre il motore elettrico invece converte con una maggiore efficienza e versatilità un’energia disponibile a bordo in minori quantità. Ogni sistema meccanico elettrico in sé è in grado di lavorare in trazione e generazione (nonché nei due sensi di marcia) e quindi ogni veicolo ibrido cerca di sfruttare nei rallentamenti la capacità di frenare con il motore elettrico (forza contro- elettromotrice tramite sistema KERS), generando energia altrimenti dissipata sotto forma di calore nei freni. Un altro pregio è la possibilità, anche ad alte velocità per brevi tratti, di far supportare nelle esigenze di accelerazione il motore endotermico da quello elettrico

Dunque l’utilizzo dei componenti meccanici del motore endotermico, legato all’utilizzo dei componenti elettrici che producono a loro volta energia trasferibile alle ruote, permette di diminuire i consumi di prodotti chimici, con un minore impatto per l’ambiente mediante trasformazione della miscela di aria e combustibile in vapore acqueo, anidride carbonica e azoto, che sono prodotti innocui, e la più pericolosa trasformazione in sostanze nocive per l’uomo e/o per l’ambiente, come il monossido di carbonio (CO), gli idrocarburi incombusti (HC) e gli ossidi di azoto (Nox).

Sulla disfunzione delle batterie utilizzate per l’accumulamento dell’energia elettrica e del loro dislocamento al termine del loro ciclo di utilizzo, la scienza sta progredendo nella conoscenza che può portare all’allungamento del ciclo stesso di utilizzo, e per un momentaneo smaltimento sicuro per l’uomo e per l’ambiente. Sfugge dunque alle leggi della progettazione e della produzione stessa lo stoccaggio finale di questi componenti, di cui generalmente dovrebbero occuparsi enti specializzati, e non il produttore stesso o comunque non unicamente.

Ci tengo inoltre a informare il lettore che qualsiasi produttore di auto è sottoposto alla progettazione dei componenti del motore, come di tutti i componenti presenti nell’insieme dell’auto, tenendo conto ed essendo obbligato a dichiarare a livello internazionale la classe di pericolosità e di casistica di infortunio derivato da ogni singolo componente prodotto.

Cosa vuole dire questo?

Vuole dire che, ad esempio, se su un motore si rompe una candela questa non sarà nociva per la salute dell’uomo o dell’ambiente circostante; ma, viceversa, se si rompe un perno del volano, entrambi i componenti possono essere nocivi per la salute dell’uomo o dell’ambiente circostante, perché i due componenti sono connessi tra loro e, data la conformazione del volano e la forza centrifuga a cui è sottoposto il componente meccanico, questo può influire sulla salute del conducente dell’auto o di chi lo circonda. Per questo motivo, attraverso la legislatura internazionale, si è adottato un codice di classificazione della casistica di infortunio e di pericolosità in tre classi, A, B, C, dove la A rappresenta i componenti potenzialmente pericolosi per la salute del conducente dell’auto e/o l’ambiente circostante, mentre la C rappresenta i componenti non pericolosi.

È dunque errato dire che le case automobilistiche non sanno o non vogliono che si sappia che un componente meccanico è potenzialmente pericoloso, ma altresì ne sono perfettamente consapevoli, e lì dove ci sono le conoscenze scientifiche o tecniche ogni casa produttrice è tenuta a declassare i propri componenti ad una casistica di pericolosità di classe C, cioè vale a dire non nociva per il conducente dell’auto e/o dell’ambiente circostante, perché l rischio è quello poi di dover risarcire economicamente il conducente dell’auto o dell’ambiente inquinato, e/o in casi estremi richiamare tutte le autovetture prodotte per effettuare modifiche strutturali, o addirittura bloccare la produzione.

È invece un discorso completamente differente ciò che è relativo al mondo del Motorsport. Prendiamo esempio dalla F.1. Prima della scomparsa di Ayrton Senna a Imola, le omologazioni dei componenti che compongono l’auto da corsa erano minimi, e si limitavano principalmente alla cellula di sicurezza che avvolge il pilota, e alla valvola del circuito di alimentazione, che doveva scattare nel caso di incidente per evitare la fuoriuscita del carburante e la conseguente accensione.

Oggi, proprio a seguito della scomparsa di Ayrton Senna, la Federazione Internazionale dell’Automobile controlla e omologa quasi tutti i componenti dell’auto da corsa, attenendosi a degli standard di sicurezza elevati e congrui con quelle che sono le conoscenze scientifiche del momento, stilando di conseguenza una percentuale di casistica del pericolo connesso, di modo tale da evitare che un team concorrente non valuti l’idea di risparmiare peso in un determinato componente dell’auto a favore della ridistribuzione del peso utile al bilanciamento dell’assetto dell’auto stessa.

Tuttavia è da tenere presente che i piloti di F.1 sono consapevoli di guidare veri e propri prototipi, e che è sufficiente un componente prodotto attraverso uno studio estremizzato di peso, forze di lavoro e materiali, per incorrere in un incidente che possa creare una nuova casistica, che per logica sfugge al controllo iniziale della Federazione Internazionale dell’Automobile e del progettista stesso.

Il futuro, dunque, è nei motori ibridi, che possono piacer poco ai piloti di F.1 e ai fan, ma che in realtà sono estremamente affascinanti, sia dal punto di vista della ricerca e dello studio connesso alla realizzazione di batterie che possano avere un ciclo di vita il più possibile esteso, sia per i problemi connessi alle alte temperature di utilizzo delle batterie stesse, per la pericolosità del rilascio di corrente, fattore questo su cui gli ingegneri lavorano assiduamente da anni per evitarne il fenomeno (che abbiamo visto ricomparire recentemente, segno che ci si è spinti oltre con l’utilizzo delle batterie, e che quindi necessita uno studio correlato di rilascio dell’energia elettrica), e tanto altro.

Ma lo stesso vale per il motore endotermico, che necessita di cilindrate minori per abbattere la dissipazione di energia utile al movimento dei componenti primari e ausiliari mediante attriti e dissipazione termica, fattori che sono minori rispetto a un motore V8, V10 o V12, date le dimensioni, e una continua ricerca nel campo della metallurgia, per avere componenti metallici sempre più leggeri ma sufficientemente resistenti a garantire l’utilizzo prolungato delle componentistiche del motore utilizzato per le competizioni sportive. Ecco spiegato perché V6 ibrido anziché V12 aspirato.

Autore: Fulvio Conti – Foto: Alessandro Arcari – @BerrageizF1