Formula1, il dizionario: power unit ed elettronica

Formula 1

Cristiano Sponton

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I componenti principali della power unit e l'elettronica di controllo applicata alle monoposto, ma non solo. Ecco quanto c'è da sapere

Power unit - Propulsori utilizzati in Formula 1 a partire dalla stagione 2014. Sono composte da sei blocchi: 1) motore termico; 2) turbocompressore; 3) MGU-H; 4) l'elettronica di controllo; 5) MGU-K; 6) batteria

MGU-H: Motor Generator Unit – Heat. Questo è il nome che è stato data al componente rigenerativo presente sul sistema turbocompressore. Nome improprio a dirla tutta, dato che Heat (calore) sembrerebbe indicare che il sistema sia in grado di lavorare recuperando calore dai gas di scarico. Di fatto cosi non è, dato che, ingegneristicamente, quando si parla di recupero termico si intende tutt’altro principio fisico. Ciò che viene recuperata è l’energia cinetica presente nei gas di scarico.

Come noto, il turbocompressore è un accoppiamento di due macchine termiche il cui compito è quello di riuscire ad aumentare la pressione dell’aria comburente immessa nel motore sfruttando il potenziale cinetico dei gas combusti. Quest’ultimi dopo aver azionato la turbina, che a sua volta permette la movimentazione del compressore, escono dal condotto di scarico portando con sè una quota di energia cinetica e di pressione ancora presente nei gas esausti.

L’MGU-H, montata sull’albero delle giranti di turbina e compressore, agisce da carico sull’albero del gruppo di sovralimentazione recuperando quell’energia cinetica altrimenti dispersa. Di per se il principio di funzionamento è molto semplice, seppur i componenti siano estremamente complessi: mettendo in movimentazione relativa rotore e statore di un generatore elettrico si è in grado di erogare corrente.

I sistemi MGU (sia H che K) sono in grado di lavorare sia in assorbimento che in cessione di energia elettrica. Ciò vuol dire che si comportano da generatori di corrente (cessione), comportandosi da carico nelle fasi di rilascio e decelerazione della vettura e da motori elettrici (assorbimento) nelle fasi di accelerazione e spinta.

L'MGU-H, in particolare, si comporta da generatore nella fase di rilascio e viene utilizzato da motore nella fase di accelerazione per compensare l’effetto turbolag del gruppo turbina-compressore ai regimi di rotazione inferiori.

MGU-K: Motor Generator Unit – Kynetic - E' il secondo componente elettrico della parte ibrida ERS (energy recovery system) derivato dalla tecnologia già utilizzata dal 2009 con il KERS.

Il principio di funzionamento resta il medesimo: il componente si comporta da generatore elettrico nelle fasi di decelerazione/frenata e da motore elettrico nelle fasi di accelerazione e spinta.

Nella fase di frenata la potenza meccanica disponibile all’albero motore viene utilizzata per mettere e mantenere in rotazione i rotori dell’MGU-K, che si comporta quindi da carico per il motore termico. Il “quanto” sia “frenante” questo carico del componente Kynetic viene stabilito dal sistema BrakeByWire, con il quale si regola l’intensità di carico resistente che la MGU-K applica sul motore termico.

Nella fase di spinta e accelerazione si può utilizzare il sistema Kynetic come motore e fornire dunque potenza aggiuntiva a quella già fornita dalla componente termica.

Batterie - Consentono l’accumulo e il prelievo dell’energia elettrica e sono sistemi a ioni di litio da circa 20-25 kg di massa. Vengono raffreddate con liquido a circa 100°C, temperature superiori causerebbero cali di efficienza di scambio e accumulo elettrico.
È importante sottolineare come queste batterie, come del resto quelle tradizionali, lavorino con corrente continua.

Elettronica di controllo - Oltre alla tradizionale elettronica per il controllo del motore termico, con l’avvento dell’ibrido si è reso necessario sviluppare anche hardware e software in grado di gestire i due componenti elettrici MGU sia nelle fasi di rigenerazione (fase in cui recuperano energia cinetica generando energia elettrica) che in fase di generazione (fase in cui si comportano da motori).

Da dove nasce il problema? Sia la MGU-H che la MGU-K nella fase di rigenerazione producono corrente alternata trifase mentre le batterie, come detto poco fa, lavorano in corrente continua monofase.

Identico problema si pone nella fase di generazione, dove la batteria può fornire energia elettrica con corrente monofase continua e i motori devono lavorare assorbendo corrente trifase alternata.

Per permettere tutto questo viene utilizzato un Inverter che non è che un componente elettronico in grado di convertire corrente continua in alternata o viceversa. Nel caso particolare delle P.U. si può parlare di “Co-Inverter” o inverter bidirezionale.

Intercooler - Ha il compito di raffreddare l'aria di alimentazione del motore, infatti più aumenta la temperatura dell'aria più essa si espande e diventa meno densa e quindi a parità di pressione pompiamo meno aria nel motore; il rendimento dello stesso cala ed aumenta immediatamente quello che è il maggior pericolo di un motore turbo: l'autoaccensione.

Per svolgere bene il suo compito l'intercooler ha bisogno di un grande flusso d'aria che lo attraversi e pertanto sia davanti che dietro nulla deve impedire il libero fluire dell'aria ed è anche chiaro che maggiori saranno le dimensioni della superficie dissipante maggiore sarà la potenza a parità di pressione.

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