Le attuali monoposto di Formula 1 sono alimentate da un motore alternativo V6 a 4T da 1.6L turbo-compresso. Vediamo nel dettaglio come sono fatti e come funzionano i motori a combustione interna delle attuali vetture di Formula 1.
Dal 2014 le monoposto di Formula 1 sono equipaggiate con motori endotermici da 6 cilindri, a 4 tempi, con una cilindrata da 1.6L, una configurazione a “V” di 90° e un turbocompressore. A questa unità propulsiva sono poi affiancate due macchine elettriche, l’MGU-K e l’MGU-H, che recuperano e forniscono ulteriore energia. Ma come sono fatti nel dettaglio i motori a combustione interna di Formula 1? E come funzionano? Vediamolo insieme.
I componenti principali di un motore di Formula 1
Il blocco motore. Realizzato in fusione di alluminio, racchiude al suo interno le parti più importanti del motore. Vi troviamo infatti i cilindri, dove avviene la combustione, il circuito di raffreddamento e quello di lubrificazione. Oltre a questi, il blocco contiene anche l’albero motore, i pistoni e le bielle. Il motore delle attuali Formula 1 ha sei cilindri disposti a V con un angolo di 90°.
La testata. Anch’essa realizzata in fusione di alluminio, è posta sopra il blocco motore, separata da esso con una guarnizione che sigilla la camera di combustione per evitare la fuoriuscita dei gas. Al suo interno troviamo parti importanti per la combustione come l’albero a camme, le valvole e la precamera. Nella testata sono inoltre ricavati i condotti di aspirazione e scarico.
Il pistone. Costituito in lega di acciaio, è l’elemento che permette di trasformare l’energia termica prodotta nella camera di combustione, in energia meccanica. Il pistone riesce infatti con il suo moto alternativo, su e giù all’interno dei cilindri, a trasmettere il moto all’albero motore che infine, tramite la trasmissione, trasmette il moto alle ruote. La sua superficie superiore è sagomata in modo da ottenere una combustione più efficiente possibile. Attorno al pistone sono poi presenti due o più anelli con funzioni diverse. Sigillare lo spazio tra pistone e cilindro per generare e mantenere il rapporto di compressione e raschiare l’olio che solitamente lubrifica e raffredda la parte inferiore del pistone, per evitare che entri in camera di combustione.
I condotti di aspirazione e scarico. Il condotto di aspirazione ha la funzione di guidare l’aria all’interno dei vari cilindri e di regolarne la quantità tramite la valvola a farfalla. Il condotto di scarico trasporta invece i gas di scarico fuori dalla camera di combustione e verso la turbina. Entrambi i condotti sono ovviamente connessi alla testata e quello di scarico in particolare, deve resistere a temperature molto elevate.
Il turbocompressore. È composto da due elementi distinti, il compressore e la turbina. Il primo comprime l’aria che viene aspirata nel motore. Il compressore però non aumenta solo la pressione ma anche la temperatura dell’aria. Questa deve quindi passare attraverso l’intercooler che la raffredda, aumentandone ancora di più la densità prima di entrare in camera di combustione. L’aria più densa fa sì che entri più aria nel cilindro di quella che ne entrerebbe se fosse a pressione atmosferica (motori aspirati). La turbina è collegata meccanicamente al compressore e, grazie ai gas di scarico da cui è attraversata, permette la rotazione di quest’ultimo.
Come si genera la potenza nei motori endotermici di formula 1?
L’aria entra dall’airbox, passa attraverso il compressore che la comprime, poi attraverso l’intercooler che la raffredda ed entra quindi in camera di combustione passando attraverso le valvole di aspirazione. A questo punto l’aria viene compressa nuovamente dal pistone e poco prima che questo si trovi al punto morto superiore (PMS), la combustione della benzina, iniettata da un iniettore con una pressione massima di 500 bar, viene innescata grazie ad una candela.
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La forza prodotta dalla combustione spinge verso il basso il pistone azionando l’albero motore grazie alla biella a cui entrambi sono collegati. Quando il pistone risale lungo il cilindro, si aprono le valvole di scarico, in modo da far fuoriuscire i gas di scarico dalla camera di combustione. Questi gas, prima di essere espulsi attraverso i terminali di scarico, vengono utilizzati per azionare la girante della turbina che a sua volta aziona il compressore. E il processo inizia daccapo ancora una volta. Il tutto avviene circa 12.000 volte al minuto, cioè 200 volte al secondo!
Come si può aumentare la potenza del motore a combustione interna?
I moderni motori di Formula 1 sprigionano circa 750 CV di potenza che, aggiunti a quelli prodotti dalla parte ibrida, permettono alla power unit di sfiorare i 1000 CV! Ci sono diversi modi per arrivare a potenze così alte con motori così piccoli. Infatti la cilindrata di questi motori non è tanto diversa da quella delle vetture che usiamo tutti i giorni. Ma le squadre di F1 usano delle tecnologie e degli accorgimenti ad hoc per sfruttare al meglio questi motori.
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Si parte infatti da una corsa del pistone molto corta, per produrre più potenza a parità di cilindrata. In questo modo, la velocità media del pistone è più bassa e questo può andare su e giù molto velocemente raggiungendo quindi più alti rpm. Inoltre, avere dei cilindri con diametro maggiore, significa poter avere condotti di aspirazione e scarico più grandi. Di conseguenza, più aria può entrare nel cilindro e più benzina potrà essere iniettata (mantenendo il limite di regolamento di 100 kg/h), ottenendo così una potenza più alta.
Un altro modo per aumentare la potenza è quello di sfruttare il turbocompressore. Come già spiegato infatti, il compressore permette di poter immettere nel cilindro più aria (perché più densa) e quindi raggiungere così potenze più alte.
Un ulteriore accorgimento che permette di avere potenze più elevate è quello di utilizzare dei condotti di aspirazione a lunghezza variabile. Questi infatti si allungano e si accorciano a seconda del regime di rotazione del motore. Questo perché quando la valvola di aspirazione è aperta e l’aria viene aspirata, questa si muove rapidamente attraverso il condotto di aspirazione. Quando poi la valvola di aspirazione si chiude improvvisamente l’aria rimasta nel condotto si ferma e si accumula, formando una zona di alta pressione. Si forma quindi un’onda di alta pressione che torna indietro lungo il canale di aspirazione allontanandosi dal cilindro. Quando raggiunge la fine del condotto di aspirazione, dove il canale si collega al collettore di aspirazione, l’onda di pressione si riflette e torna indietro di nuovo lungo il canale di aspirazione sottoforma di onda di depressione. Questo fenomeno avviene due volte per ogni ciclo.
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Se il canale di aspirazione è della giusta lunghezza, l’onda di pressione tornerà alla valvola di aspirazione proprio mentre si apre per il ciclo successivo. Questa pressione extra aiuta a far entrare più aria nel cilindro. I condotti dovranno essere più lunghi a bassi giri e più corti per i regimi più alti per permettere all’onda che ritorna verso il cilindro di arrivare al momento esatto della riapertura della valvola di aspirazione. Questo perché l’onda viaggia ad una velocità costante e il tempo tra un’apertura e l’altra della valvola di aspirazione varia col regime del motore. Questo sistema sarebbe utile anche allo scarico, per permettere un miglior svuotamento del cilindro, ma è vietato per regolamento.
Infine, un componente che aiuta ad aumentare la potenza dei motori di Formula 1 è la precamera. Questa è ricavata nella testata, in aggiunta alla camera principale di combustione. Le due camere sono in comunicazione tra di loro attraverso dei piccoli passaggi calibrati. Questo componente permette di avere una combustione più efficiente e di diminuire la quantità di benzina iniettata, diminuendo anche la probabilità di knock. Il knock (o battito in testa) del motore succede quando l’accensione della carica avviene in maniera incontrollata, in un istante diverso da quello prestabilito e in uno o più punti random della camera di combustione.
Lo scopo dei progettisti dei motori delle attuali monoposto di Formula 1 è aumentare il più possibile l’efficienza termica dei loro motopropulsori. Questa è indice di quanta benzina è stata usata e convertita in energia per muovere la vettura. Più alta quindi è l’efficienza, meno benzina viene usata andando a vantaggio del peso della monoposto, visto che il flusso di benzina iniettata è limitata per regolamento a 100 kg/h. Qualche anno fa, Mercedes aveva dichiarato di aver raggiunto il 50% di efficienza.
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