Motori Turbo Ibridi in F1: come funzionano e cosa sono MGU-K ed MGU-H

Con l’avvento dell’era turbo ibrida in F1 nel 2014, si è cominciato a parlare di Power Unit. Le descrizioni tecniche sono spesso abbastanza limitate e uno dei problemi legati alla complessità di questi nuovi motori turbo ibridi è la mancanza di informazioni disponibili per gli appassionati.

Non tutti infatti hanno ben chiara tutte le componenti della Power Unit e molto spesso ci sono componenti che vengono confusi tra loro come Mgu-K e Mgu-H.

Per questo motivo noi di CircusF1 abbiamo deciso di fare una guida completa in cui vi parleremo dei motori turbo in generale e poi approfondiremo le differenze tra Mgu-K e Mgu-H.

Motori Turbo Ibridi: le Power Unit

Per descrivere completamente un motore di Formula 1 non basterebbe un libro, ma noi non abbiamo tutto questo “spazio” a disposizione e quindi lo faremo in modo sintetico e con un linguaggio accessibile a tutti.

Per prima cosa la Power Unit è divisibile in 6 elementi, ciascuno dei quali con caratteristiche diverse e molto complesse dal punto di vista ingegneristico. Ogni pilota ha un certo numero di questi elementi disponibili per tutta la stagione e la loro sostituzione, con conseguente superamento del numero di componenti stabilito, porta alle penalità sulla griglia di partenza.

Motori Turbo Ibridi: gli elementi della Power Unit

Motore a combustione interna (ICE): è la componente principale in cui viene pompato il carburante e che produce la maggior parte della potenza. Si tratta di un motore di 1,6 litri con 6 cilindri a V. Il movimento dei pistoni genera la rotazione dell’albero motore che di conseguenza trasmette il moto alle ruote. Una giusta miscela di aria e carburante viene inserita nel cilindro dove la compressione della camera di combustione fa esplodere la miscela che da la spinta necessaria al pistone per proseguire il proprio moto. Nella fase di “scarico”, i gas caldi vengono espulsi dal cilindro e si dirigono verso il secondo elemento.

Turbo Compressore (TC): è il secondo elemento fondamentale ed è composto da una turbina e da un compressore collegati sul medesimo asse passante per il centro dei due componenti.
I gas caldi raggiungono la turbina e quest’ultima inizia a ruotare. Il funzionamento è simile a quello di una pala eolica, ma molto più piccola e con regimi di rotazione molto più elevati. La rotazione della turbina attiva il compressore che ha esattamente il compito opposto, ovvero preleva aria dall’esterno, la comprime e la invia al Motore a combustione interna al fine di migliorare l’efficienza della miscela che esploderà in camera di combustione.

Motor Generator Unit-Kinetic (Mgu-K): è il diretto discendente del KERS (Kinetic Energy Recovery Sistem) quindi recupera energia cinetica in fase di frenata e l’accumula nella batteria.

Motor Generator Unit-Heat (Mgu-H): è l’elemento che recupera energia termica dal turbo.

Batterie (ES): dove tutta l’energia recuperata viene raccolta per poi essere riutilizzata.

Elettronica di controllo (CE): è la centralina con il difficile compito di connettere la corrente alternata dei due Mgu e quella continua della batteria.

Rimane quindi da capire quali sono le differenze tra Mgu-K e Mgu-H con le rispettive posizioni all’interno della Power Unit e stabilire in che modo sono tra loro collegati.

F1 Engine parts in 2018

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Motori Turbo Ibridi: Motor Generator Unit-Heat (Mgu-H)

In precedenza, abbiamo detto che la turbina e il compressore erano collegati da un albero passante per il centro dei due componenti. L’Mgu-H si trova collegato sullo stesso asse.

L’Mgu-H ha due compiti fondamentali completamente diversi tra loro che entrano in funzione a seconda della situazione in cui si trova il gruppo Turbo Compressore. Supponiamo che la nostra vettura si trovi nel lungo rettilineo di Monza, quindi il motore è a pieno regime, la turbina ruota al massimo e il compressore comprime aria da inviare al Motore a combustione interna. La rotazione della turbina però non viene sfruttata tutta dal compressore che ha regimi di rotazione leggermente inferiori ed è qui che entra in gioco l’Mgu-H. L’energia cinetica in eccesso della turbina viene quindi presa dall’Mgu-H che la trasforma in energia elettrica e la deposita all’interno della batteria per poi sfruttarla in un secondo momento.

Terminato il lungo rettilineo di Monza, ci troviamo davanti alla prima variante, molto stretta e molto lenta. Il nostro pilota frena, percorre la chicane e poi accelera ed è qui che entra il gioco la seconda funzione dell’Mgu-H. Prima di spiegare qual è la seconda funzione del motogeneratore, dobbiamo fare un salto nel passato, quando negli anni ’80 i motori turbo facevano il loro ingresso in Formula 1.

In passato questi motori avevano un problema molto difficile da risolvere che influenzava in modo negativo le prestazioni, ovvero il turbo-lag. Tradotto letteralmente significa “ritardo del turbo” e per comprenderlo dobbiamo riguardarci la spiegazione del gruppo turbocompressore fatta sopra. Quando il pilota viaggia con l’acceleratore non azionato, il flusso di miscela in camera di combustione è minimo e questo genera una catena di eventi che portano al turbo-lag. Se il flusso di miscela è minimo, allora saranno minimi anche i gas caldi che alimentano la turbina, che di conseguenza avrà una rotazione più bassa. Una turbina con regimi di rotazione bassi implica che il compressore lavora a regimi molto inferiori rispetto a quelli ottimali e non comprime a dovere l’aria da inviare al motore. Quando il pilota aziona completamente il pedale dell’acceleratore, avrà una risposta meno pronta da parte del motore che dovrà prima raggiungere le condizioni ottimali per garantire il massimo delle prestazioni.
Per risolvere questo problema è stato aggiunto l’Mgu-H, che ha il compito di prelevare energia elettrica dalle batterie e sfruttarla per aumentare il numero di giri della turbina che di conseguenza porterà subito a regime ottimale il compressore garantendo una risposta pronta al comando dell’acceleratore.
A livello di recupero di energia, il regolamento di Formula 1 non impone limiti.

How does the MGU-H work?

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Motori Turbo Ibridi: Motor Generator Unit-Kinetic (Mgu-K):

Come abbiamo detto in precedenza, questo componente è una diretta evoluzione del sistema KERS introdotto nel 2009 ed è montato sull’albero motore.

Proprio come il KERS, questo sistema sfrutta la fase di frenata per raccogliere l’energia cinetica, trasformarla in energia elettrica e accumularla nella batteria. Il suo compito però, durante la decelerazione, non è così semplice. Per consentirgli di recuperare energia è stato necessario introdurre il sistema “brake-by-wire”, un sistema di controllo elettronico che consente di gestire la giusta forza da applicare alle pinze del freno.

Proprio come l’Mgu-H, anche l’Mgu-K ha un altro compito, cioè quello di “motore”. In fase di accelerazione, l’Mgu-K è in grado di aggiungere una potenza di circa 164 cavalli a quella erogata dal motore a combustione interna prelevando energia dalle batterie e agendo direttamente sull’albero motore. Tuttavia, per gestire meglio la quantità di energia all’interno delle batterie, Mgu-K è direttamente collegato all’Mgu-H e da quest’ultimo può ricevere energia elettrica. A differenza dell’Mgu-H, l’Mgu-K ha dei limiti imposti per regolamento: non può inviare alle batterie un’energia maggiore di 2MJ/giro e non può erogare un’energia maggiore di 4MJ/giro.

Per la Formula 1 che verrà si sta pensando ad un’abolizione dell’Mgu-H, mentre l’Mgu-K avrà il difficile compito di svolgere entrambi i ruoli; tuttavia non è ancora ufficiale e potrebbero restare entrambi.

How does the MGU-K work?

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