Formula 1

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La Formula 1 è sempre stata e continua ad essere non soltanto l’espressione di una parte fondamentale del DNA della Ferrari ma anche una vera e propria palestra per la ricerca tecnologica, tenendo sempre a mente la possibilità di trasferire idee e soluzioni dalle monoposto - progettate nelle gabbie sempre più stringenti definite dai regolamenti e realizzate su misura dei piloti - alla produzione delle vetture di serie più belle del mondo. Formula Ferrari è l’occasione per illustrare tre argomenti: l’introduzione della tecnologia ibrida, l’evoluzione dei consumi di carburante nel corso dell’ultimo decennio, l’impatto della simulazione nello sviluppo aerodinamico.

Simulazione

L’aerodinamica è diventata nell’ultimo ventennio l’area della vettura che più influenza la prestazione delle monoposto, portando progressivamente ad un allontanamento dalle automobili stradali ma, soprattutto, ad un’inarrestabile ed inaccettabile escalation dei costi. Proprio con l’imperativo di ridurre i costi sono state progressivamente introdotte numerose restrizioni, dalla dimensione del modello in uso nella galleria del vento al numero di ore di funzionamento della stessa. Parallelamente però il progresso della tecnologia, soprattutto nel settore IT, ha consentito di sviluppare una nuova tecnica di studio dell’aerodinamica - la fluidodinamica computazionale – che ha permesso di moltiplicare le possibilità di migliorare la conoscenza del comportamento aerodinamico di una monoposto e, conseguentemente, le possibilità di renderlo più efficiente: nei fatti, di rendere una vettura più veloce e vincente.
Per comprendere l’impatto di questa tecnica basta dare un’occhiata alla Tabella 1, che riassume la crescita della potenza di calcolo in questo settore nel corso dell’ultimo quindicennio.

Tabella 1
Anno CPU RAM Run in GdV**
1997 3 1 Gb 0,3
2002 > 100 > 30 Gb > 1
2007 > 1000 > 180 Gb > 100
2012 > 5000 > 1 Tb > 700

** Run in GdV: numero di singole prove effettuate in Galleria del Vento
in una settimana

La tabella fa capire quanto sia aumentata la potenza di fuoco a disposizione e come sia logico che l’aerodinamica sia diventata decisiva, anche alla luce delle limitazioni regolamentari introdotte in altre aree, a partire dal congelamento nello sviluppo dei propulsori

Per un’immediata comprensione di quanto cresca velocemente lo sviluppo aerodinamico abbiamo preso in esame un elemento della vettura – il complesso ala anteriore-muso – nel corso di un quadriennio in cui il regolamento è rimasto praticamente immutato (2009-2012). Il carico aerodinamico ad una velocità costante (300 km/h) esercitato su questo elemento è aumentato di circa il 40%, come si vede nella Tabella 2.

 
Tabella 2
Anno Vettura Carico
2009 F60 6.000 N
2010 F10 7.500 N
2011 F2011 8.000 N
2012 F2012 8.500 N

Per un’immediata comprensione di quanto cresca velocemente lo sviluppo aerodinamico abbiamo preso in esame un elemento della vettura – il complesso ala anteriore-muso – nel corso di un quadriennio in cui il regolamento è rimasto praticamente immutato (2009-2012). Il carico aerodinamico ad una velocità costante (300 km/h) esercitato su questo elemento è aumentato di circa il 40%, come si vede nella Tabella 2.

 

 
 

Evoluzione dei consumi di carburante 2003-2013: efficienza e regolamenti

Il decennio contrassegnato dal passaggio dalla motorizzazione V10 a quella V8 è stato molto intenso per gli ingegneri che progettano propulsori di Formula 1. Le modifiche ai regolamenti tecnico e sportivo si sono indirizzate su tre linee principali: standardizzazione di alcuni parametri fondamentali, limitazione e poi congelamento dello sviluppo degli elementi strutturali, allungamento della vita di ciascuna unità, passata da circa 350 chilometri nel 2002 agli attuali 2.500.

Tutto ciò ha avuto un impatto anche sul consumo benzina specifico, ridotto di circa il 10%. Un consumo più efficiente ha significato anche una miglior prestazione, soprattutto da quando, nel 2010, è stato vietato il rifornimento durante la gara. In quest’area è stato peraltro fondamentale l’apporto fornito dal fornitore storico della Scuderia Ferrari, la Shell, che ha anche dato un contributo importante alla crescita della potenza espressa dal motore una volta entrato in vigore il congelamento degli sviluppi prestazionali.

Nel grafico che riportiamo qui di seguito si può seguire l’evoluzione del consumo specifico, influenzata negli ultimi anni anche da altri fattori, come l’introduzione del KERS e l’uso dei gas di scarico in funzione dell’aumento del carico aerodinamico, e una previsione di come cambieranno le cose a partire dal 2014 con l’arrivo del nuovo powertrain. L’anno prossimo si assisterà infatti ad un calo molto significativo del consumo specifico di carburante in virtù del fatto che il progetto del propulsore sarà basato sull’efficienza: l’introduzione di una portata massima del flusso benzina, l’e-turbo, l’iniezione diretta ed una maggiore potenza generata dal KERS saranno i fattori decisivi per il guadagno di efficienza complessiva del powertrain.

FERRARI F1 POWERUNIT SPECIFIC FUEL CONSUMPTION HISTORY
 
 

Dal KERS all’ERS

Nel 2009 la tecnologia ibrida ha fatto il suo esordio in Formula 1 con l’introduzione del KERS, il sistema di recupero dell’energia cinetica prodotta in frenata sull’asse posteriore, all’inizio facoltativa. La Ferrari raccolse sin da subito la sfida e l’esperienza accumulata in cinque anni di sviluppo (uno in meno, il 2010, come impiego in pista) si è rivelata molto preziosa, sia per il trasferimento tecnologico sulle vetture stradali sia in vista della nuova motorizzazione 2014.

In base al regolamento tecnico, la potenza massima disponibile per giro è 60 kW per un totale di energia di 400 kJ. L’architettura del sistema è stata quella di un motore elettrico collegato al motore termico e dotato di un’unità di controllo elettronico e di un pacco batterie. Peso, ripetitività della prestazione, compattezza delle dimensioni, installazione all’interno della vettura – oltre, ovviamente, all’affidabilità e alla sicurezza del pilota e degli operatori – sono stati i parametri decisivi per misurare la bontà del progetto, dato che la prestazione era fissata dalle regole. Nel corso di questo quinquennio, sono stati raggiunti importanti risultati in termini di efficienza complessiva, così riassumibili:

  • -10% volume
  • -20% peso
  • -40% costo per unità
  • -90% costo per gara
  • 100% di possibilità di utilizzo in qualifica e gara

L’introduzione del KERS ha portato anche altri effetti collaterali, quali un’avanzata miniaturizzazione delle componenti elettriche ed elettroniche, lo sviluppo di sistemi avanzati per l’immagazzinamento dell’energia, la formazione delle persone sotto il profilo tecnico e della gestione (sicurezza), aumentando complessivamente il know-how aziendale.

Il 2014 segnerà una rivoluzione nella Formula 1 con l’introduzione di una nuova motorizzazione – V6 di 1600 CC @15000 giri massimi – dotato di iniezione diretta, e-turbo e KERS. L’elemento “ibrido” risulterà quindi una combinazione di energia termica (proveniente dalla turbina) e cinetica (derivante dall’ormai “classico” KERS). Inoltre, il regolamento prevede anche una quantità massima di portata del flusso della benzina (100 kg/h) e una quantità massima di carburante per gara (100 kg), oltre ad un’ulteriore estensione della vita di ciascuna unità (da otto a cinque motori per pilota per anno nel 2014, che diventeranno quattro a partire dagli anni successivi).

Il sistema “ibrido” sarà costituito da un motore per il recupero dell’energia cinetica (MGUK) e uno per quella termica (MGUH), entrambi collegati ad un pacco batterie da un lato e al motore dall’altro.

La potenza massima utilizzabile in un giro generata dalla MGUK sarà limitata a 120 kW per un totale di energia di 4 MJ - il doppio in termini potenza rispetto a quella attuale, il decuplo come energia complessiva - mentre quella immagazzinabile sarà la metà; invece, la quantità di energia sfruttabile prodotta dalla MGUH sarà libera. Ciò significa che se fino ad oggi il KERS è un elemento che fa la differenza in base alla sua efficienza, domani il sistema non dovrà essere soltanto efficiente ma potrà fare la differenza anche in termini di prestazione assoluta. In termini di tempo sul giro, il guadagno generato dalla nuova tecnologia è stimato in circa tre secondi mentre la potenza massima prevista sarà simile a quella attuale (ca. 750 HP).


Nel seguente schema è riassunta l’architettura del powertrain 2014

POWER UNIT ENERGY FLOW
 

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