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Per poter capire il ruolo importantissimo che hanno
avuto e tuttora hanno le monoposto da competizione nell'ambito delle
migliorie tecniche applicate poi alle vetture di serie, devono essere
analizzati alcuni dati realtivi all'incremento di potenza dei motori, e
alla storia delle competizioni pre e post belliche.
Le monoposto pre belliche
Le monoposto pre belliche altro non erano che delle versioni modificate
delle vetture di produzione, e tali modifiche consistevano
più che altro nella sovralimentazione (quella sviluppata dal
1923 al 1951 era basata su compressori azionati meccanicamente dal
motore) del motore e nel rafforzamento di sospensioni e freni,
più eventualmente un alleggerimento della massa. Nessun
passo avanti nella storia dell'automobile fu fatto a causa della
Seconda Guerra Mondiale, in quanto le industrie automobilistiche
vennero impiegate nella produzione di armi e artiglierie leggere e
pesanti....
Auto Union Type D
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La Type D nacque in un periodo molto difficile per le Auto Union da
Gran Premio: il 28 gennaio 1938 la squadra corse aveva perso il suo
asso Bernd Rosemeyer, tragicamente scomparso in un incidente durante un
tentativo di record sull'autostrada Darmstadt-Francoforte. Inoltre,
c'era in quel periodo parecchio lavoro da fare: la Formula 750 kg era
scaduta il 31 dicembre del 1937 e per l'anno seguente era stata imposta
una nuova formula denominata 3 litri, che prevedeva una cilindrata
massima di 3 litri per le auto sovralimentate e di 4,5 litri per quelle
aspirate. Ma già da mesi era in fase di sviluppo una nuova
vettura che avrebbe preso il posto della plurivittoriosa Type C, ormai
non più idonea a soddisfare i nuovi regolamenti.
La
nuova vettura non fu più progettata da Ferdinand Porsche, come
invece era avvenuto per i precedenti tre modelli da Gran Premio
marchiati con i "quattro anelli". Il geniale progettista boemo fu
infatti totalmente preso dalla progettazione di quello che in futuro
sarebbe divenuto noto al mondo intero come Maggiolino. La
responsabilità del progetto della futura Type D fu invece
affidata a Robert Eberan von Eberhorst,
responsabile tecnico del reparto corse Auto Union. Il progetto
ripercorse solo in parte le linee guida tracciate a suo tempo
dall'ingegner Porsche, mentre per un'altra parte fu invece del tutto
inedito. In particolare, furono apportate modifiche consistenti alle
sospensioni: all'avantreno vennero montati ammortizzatori idraulici,
mentre al retrotreno venne montato un ponte a doppio snodo simile ad un
De Dion, soluzione già messa in pratica dalla rivale
Mercedes-Benz e che anche la Horch, tanto per rimanere in casa Auto
Union, aveva già montato già dalla fine del 1935 in una
variante ideata da Oskar Siebler.
Ma
la vera novità fu ovviamente il propulsore, progettato e
realizzato in modo da soddisfare i nuovi regolamenti imposti per la
stagione 1938: il tetto massimo di cilindrata fissato a 3 litri per le
vetture sovralimentate suggerì a von Eberhorst di ridurre anche
il numero di cilindri da 16 a 12, mantenendo sempre l'architettura a V,
ma con un differente angolo fra le due bancate, 60 gradi anziché
45. La cilindrata fu di 2985 cm³, la metà di quella della
Type C, ma in questo caso il rapporto di compressione fu aumentato da
9.2 a 10:1, ottenendo così un motore più spinto del
precedente, il che permise di ottenere, grazie anche alla
sovralimentazione mediante due compressori volumetrici
configurati a doppio stadio, una potenza massima di 485 CV. Questo
nuovo V12 era inoltre caratterizzato dalla distribuzione a due valvole
per cilindro azionate da tre assi a camme, uno centrale per l'aspirazione e i due laterali per lo scarico. Tagliando via quattro cilindri si ottenne un motore dal minor ingombro longitudinale, il che permise di ridurre l'interasse,
in maniera tale da ottenere un triplice vantaggio: riduzione di peso,
maggior maneggevolezza ed agilità della vettura e telaio più
"comunicativo" con il pilota.
Essendo questo nuovo motore molto più spinto del precedente, i
consumi salirono del 20% rispetto alla vettura da Gran Premio dell'anno
prima: la Type D riusciva a percorrere appena un chilometro con un litro
di carburante,
carburante che consisteva in una miscela di alcool, acetone,
nitrobenzolo ed etere solforico, ed era stipato in tre serbatoi della
capacità totale di 280 litri.
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Tazio Nuvolari su Auto Union D-type, nel 1938, a Donington Park
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Il
debutto sportivo della Type D fu enormemente ritardato dalle
difficoltà di messa a punto della vettura, che continuava a
manifestare qua e là dei problemi. Le prime gare della stagione
1938 videro la Type D assente dai tracciati. Il debutto avvenne solo il
3 luglio sul circuito di Reims per il Gran Premio di Francia. Purtroppo
l'esito fu a dir poco catastrofico, poiché i tre piloti
disponibili in quello scorcio di stagione (Hasse, Kautz e Müller)
abbandonarono tutti la gara in seguito ad incidenti. Il guaio fu che
questi tre piloti non erano all'altezza dei grandi Stuck e Rosemeyer,
ma quest'ultimo, come si è detto all'inizio era scomparso
tragicamente all'inizio di quell'anno, mentre più o meno nello
stesso periodo Stuck e l'Auto Union giunsero al divorzio per motivi in
realtà mai chiariti completamente. L'unica speranza visibile
all'orizzonte per l'Auto Union pareva giungere dall'Italia: all'inizio
della stagione, infatti, Tazio Nuvolari entrò in una fase di
contrasto con l'Alfa Romeo, da cui sarebbe nata un'altra separazione
eccellente. Presa la palla al balzo, i dirigenti dell'Auto Union e il
"mantovano volante" presero contatti e giunsero ad un accordo,
formalizzato il 15 luglio grazie al nullaosta della Federazione
Automobilistica Sportiva Italiana: Nuvolari divenne il nuovo pilota
della squadra corse dell'Auto Union. Il debutto dell'asso mantovano
avvenne il 24 luglio al Nürburgring per il Gran Premio di
Germania, dove giunse quarto a causa di alcune noie al motore, che tra
l'altro ebbe una perdita d'olio che schizzò sul parabrezza
rendendo difficoltosa la visuale al pilota italiano. Alla Coppa Acerbo
sul Circuito di Pescara, Nuvolari giunge in pole position, ma durante
la gara è costretto al ritiro assieme a Müller ed Hasse. Il
migliore piazzamento per una Type D fu il quarto posto conquistato da
Hans Stuck, che nel frattempo fu riammesso nella squadra corse dopo le
enormi pressioni cui fu sottoposta in tal senso la Auto Union dal
regime tedesco. La riscossa avvenne l'11 settembre al Gran Premio
d'Italia disputatosi a Monza:
Nuvolari conquistò la vittoria davanti a Hermann Lang e la stampa
dedicò fiumi di inchiostro a tale evento. Il 22 ottobre a Donington,
Nuvolari investe un cervo durante le prove, ma all'avvio della gara
parte in quarta e si trova a condurre già dopo la prima curva, e dopo
alcune peripezie termina al primo posto regalando un'altra vittoria
all'Auto Union con una Type D ormai messa completamente a punto. Alle
vittorie di Nuvolari nella stagione 1938 vanno inoltre aggiunte le
cinque cronoscalate vinte da Stuck sempre su Type D.
tenutosi il 25 giugno, Lang trionfa ancora, ma la gara fu funestata da
un incidente mortale in cui Seaman perse la vita. Questa volta è Hasse a
guadagnare il secondo posto, mentre Nuvolari e Müller furono costretti
al ritiro. Il 9 luglio a Reims arrivò la prima vittoria della stagione
per la Type D e per l'Auto Union. A portare la monoposto al trionfo fu
questa volta Müller, seguito da un'altra Type D, quella di Meier. Ed
ancora Müller giunse secondo al Gran Premio di Germania, mentre la
vittoria andò di nuovo alla Casa di Per la stagione 1939 Nuvolari e Stuck furono riconfermati, così
come anche Müller e Hasse. Inoltre, vennero ingaggiate due giovani
promesse, Georg Meier e Ulli Bigalke. Anche nel 1939, la stagione
sportiva cominciò in ritardo per la Type D, che non partecipò alle gare
di Pau e di Tripoli.
Ma il debutto al Nürburgring vide comunque la vittoria della
Mercedes-Benz di Lang davanti a Nuvolari, giunto secondo. AlGran Premio del BelgioStoccarda.
Quell'anno, la stagione sportiva fu particolarmente breve a causa della
situazione politica che stava rapidamente degenerando proprio in
Germania. Al Gran Premio di Belgrado fu Nuvolari a concludere
vittoriosamente l'ultima gara disputata da una monoposto Auto Union e
l'ultima valida per un Gran Premio. Ma il titolo andò comunque alle
Mercedes-Benz. Era il 3 settem bre 1939: il giorno prima Adolf Hitler aveva invaso la Polonia, dando il via alla catastrofica Seconda Guerra Mondiale.
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Le monoposto post belliche
.....Finita la guerra, con l'istituzione del Campionato del Mondo e
l'introduzione di regolamenti circa la costruzione delle vetture da
competizione, si ricominciò dai vecchi progetti, invece di
agire verso nuove direzioni. Sul finire degli anni Sessanta la
sovralimentazione dei motori (la concezione di aerodinamica e quindi di
lavoro su scocche arriverà più tardi, negli anni
Settanta) è ottenuta dall'azione di turbo-compressori
comandati dai gas di scarico. Il ciclo di grandi evoluzioni per il
motore aspirato ha preso l'avvio necessariamente da cilindrate
ragguardevoli, data l'esiguità delle potenze specifiche
realizzabili: appena 60-80 cavalli/litro, contro i 200-230 cavalli per
litro di cilindrata dei sovralimentati. Appena avviato il processo,
tuttavia, la corsa alle più alte potenze specifiche
è stata notevole, con il traguardo dei 100 cavalli per 1000
cc raggiunto per la prima volta dai motori della formula di due litri e
mezzo e con incrementi spettacolari per la F.1 1500, fino alla soglia
dei 150 CV/litro, e per la F.1 3000, ormai prossima ai 180 CV/litro.
L'aumento delle potenze è legato a molti fattori, quali il
numero dei cilindri, il rapporto corsa-alesaggio, il regime di
rotazione, il sistema di alimentazione, eccetera, il criterio stesso
della cilindrata non è che parzialmente vincolante, ai fini
dell'equità della competizione, tanto da essere sostenuto
attualmente da altre limitazioni; ma la sua validità permane
pressochè indiscussa per l'unità di tempo entro i
cui limiti avvengono i progressi. Il punto di partenza per la grande
avventura del motore aspirato in questo dopoguerra è stato
di potenze specifiche comprese fra i 60 e i 70 cavalli/litro; un
livello relativamente basso, che aveva, nondimeno, prospettive di
rapido incremento con gli insegnamenti dell'esperienza parallela in
campo motociclistico, dove la sovralimentazione era stata abolita con
grande anticipo e la quota dei 100 cavalli/litro poteva già
considerarsi una norma, pur con il vantaggio delle cilindrate unitarie
esigue. Quindi, al momento del confronto cruciale fra il sovralimentato
e l'aspirato, la bilancia proponeva su un piatto l'otto cilindri in
linea delle celebri Alfa Romeo 158/159 con punte massime di 425
cavalli, ma con 400 cavalli effettivi nella media delle applicazioni, e
sull'altro piatto i 12 cilindri Ferrari a V di 60°, di quattro
litri e mezzo, con disponibilità di 360-380 cavalli e con
vantaggi già sensibili nelle utilizzazioni e nei consumi.
Dal 1953 iniziò una preziosa concentrazione dei tecnici su
motori a quattro e a sei cilindri in linea, con molti studi rivolti
alle camere di combustione, all'evacuazione dei gas di scarico, con
particolare riferimento alle lunghezze critiche dei condotti, e con
grandi sforzi concentrati sull'alimentazione, monocarburatore e perfino
a iniezione. E' il momento dello studio intenso anche sulle
proprietà dei carburanti e dell'affacciarsi delle prime
camere di scoppio adatte a far risaltare i fenomeni di "swirl" e di
"squish". Il quattro cilindri in linea rappresenta veramente l'ideale
per gettare solide basi, utili ad un serio sviluppo del moderno motore
aspirato. Il sei cilindri in linea viene introdotto da Gordini, mentre
da parte inglese (Era-Bristol e HWM-Alta) un gradino più
sotto, si fa leva su valori specifici già confortanti.
Così, con l'avvento del sei cilindri in linea della Maserati
del 1953, con il conseguimento dei 190 cavalli a 7500 giri, si
arrotonda a 95 CV/litro la potenza specifica, con la bellezza di 12,7
CV/litro a mille giri. Le basi per la successiva Formula 1 di due litri
e mezzo (1954-1960) sono gettate e l'avvento delle tecnologie della
Mercedes, con distribuzione desmodromica e iniezione diretta, danno
nuovi stimoli alla ricerca. Con i 280 cavalli effettivi dell'otto
cilindri in linea della marca tedesca, con 112 CV/litro e ben 13,2
CV/litro a mille giri, saliti nel 1955 a 118 CV/litro e a 13,9 CV/litro
a mille giri, il tetto è stato raggiunto per quell'epoca di
sviluppo e i primati tecnici di questo motore sono tali da restare
insuperati per tutto il corso della formula. y-Climax, dimostra
l'importanza di accelerare l'evoluzione di propulsori con grosse
cilindrate unitarie, superiori ai 620 cc, con valori addirittura di 15
CV/litro per mille giri e pressioni medie effettive fino a 13,5
Kg/cm#2. Come soluzione intermedia, il motore V 6 della Ferrari si
trascina le stesse ragioni di validità, con applicazioni
preziose. Il finire degli anni Cinquanta non è favorevole a
troppi investimenti nell'evoluzione dei motori: i progressi favoriti
dalle rivoluzioni d'autotelaio appaiono ben più ingenti di
quel che la tecnica motoristica potrebbe offrire, determinando una
certa stasi. Il passaggio dall'architettura convenzionale del motore
anteriore e trazione posteriore al motore posteriore-centrale con
trazione sulle ruote posteriori, ha prodotto effetti preponderanti,
tanto da garantire le maggiori affermazioni alle Cooper e alle Lotus
con un quattro cilindri Climax di appena 240-243 cavalli, pari a
96,5-97,5 CV/litro, con buone concentrazioni di potenza in un regime di
6800 giri, che fa calcolare 14,2-14,3 CV/litro a mille giri. Negli anni
Sessanta, parallelamente, fanno la loro comparsa le prime appendici
alari, la cui efficenza è limitata, ma che garantivano un
buon carico aerodinamico per i telai (alluminio) e i pesi delle
vetture, che comunque mantenevano freni a dischi in acciaio e
pneumatici convenzionali. Gli anni Settanta portano nuove evoluzioni.
Oltre al perfezionamento del telaio autoportante, all'evoluzione dei
motori boxer, comincia la nuova concezione di aerodinamica. I telai
cominciano ad assumere una forma a freccia, per poter fendere meglio
l'aria. per quanto concerne i motori, si esplorano i 10000 giri, 450
cavalli nella media della produzione. Scarichi di diametro maggiore e
altri perfezionamenti al circuito di lubrificazione.470 cavalli nel
1975 e con punte di 480-490 nelle ultime espressioni. Gli stimoli sono
venuti dalla crescente avanzata dei motori a 12 cilindri - Ferrari in
particolare - pur con altre componenti della Matra e dell'Alfa Romeo.
La Matra, con un 12 cilindri a V di 60° raggiunse un'apice di
520 cavalli. Per l'Alfa Romeo, il passo dalla Sport alla Formula 1, con
il 12 cilindri "boxer" (l'ultimo ridisegno a V di 60° risponde
ad esigenze extra-motoristiche, ovvero di installazione in vettura e di
flussi aerodinamici interni), è stato breve, seppure
scontata la stagione iniziale del '76, per raggiungere i migliori
compromessi fra tenuta, distribuzione della potenza lungo la curva e
prontezza d'accelerazione. Ufficialmente, questo motore ha dato le
potenze specifiche più alte, con 177 CV/litro e qualcosa
come 14,75 CV/litro a mille giri. Le valutazioni, nondimeno, si fanno
difficili per il più vittorioso dei 12 cilindri, il "boxer"
Ferrari, che ha puntato tutto sulla buona stabilità di
funzionamento, indipendentemente dai valori massimi. Anche l'ascesa di
questo motore, esemplare per la concezione del manovellismo e del
comando della distribuzione, è stata spettacolare, partendo
dai 430 cavalli a 11600 giri del 1970, per salire subito dopo a 465
cavalli a 12000 giri, pari a 13 CV/litro a mille giri, e per toccare i
490 cavalli effettivi nel 1974. l'evoluzione conobbe poi una stasi fino
al 1979.
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BREVE STORIA DELL'EVOLUZIONE TECNICA DELLA FORMULA 1

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Il concetto di deportanza rivoluzionò la concezione delle corse. Fino a quel
momento le vetture da corsa dovevano essere fondamentalmente veloci, il più
veloci possibile, per raggiungere la massima velocità nei rettilinei, che erano
la parte predominante di ogni circuito. Velocità dell’ordine di 340 km/h erano
state raggiunte sui circuiti più veloci già negli anni ’30, e si dovrà aspettare
il 1982 perché vengano raggiunte di nuovo.
Le monoposto però, fino all’avvento
dell’aerodinamica, dovevano rallentare in maniera radicale per affrontare le
curve. In questo modo la differenza fra velocità massima e velocità di
percorrenza delle curve era enorme. Si pensi che le Auto Union del 1936
disponevano di 520 HP e di velocità di punta dell’ordine dei 345 km/h. Su di un
circuito velocissimo come Monza, un giro era percorso alla media di circa 180
km/h. Trent’anni dopo le monoposto, con circa 330-350 cavalli, e velocità
massime non superiori ai 280 km/h, giravano su quel circuito ad una media di
circa 200 km/h.
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Con l’avvento dei dispositivi aerodinamici, nel 1969 le
monoposto migliori, con circa 420 HP ed una velocità massima non superiore ai 270 km/h, girarono a
Monza a 236 km/h di media. Questi dati devono essere valutati in termini di
efficienza globale. Un motore potentissimo poteva essere usato per andare forte
in rettilineo, ma la velocità in curva restava subordinata all’aderenza al
suolo. Questa, a sua volta, era legata alla sezione dei pneumatici, al loro
coefficiente di attrito, alla capacità delle sospensioni di tenere il pneumatico
aderente al suolo. Questi fattori erano, fino all’avvento delle appendici
aerodinamiche, evidentemente bassi, perché la velocità di percorrenza della
curva rimaneva molto distante dalla velocità massima che la vettura poteva
sviluppare in rettilineo. Il
ricorso ai dispositivi aerodinamici ha quindi permesso di ridurre in modo
drastico la differenza fra velocità massima e velocità di percorrenza delle
curve. Si era quindi verificato un paradosso: il tempo guadagnato in rettilineo
da una vettura velocissima, ma lenta nelle curve, era inferiore al tempo
guadagnato da una vettura lenta in rettilineo ma veloce nelle curve.
A
questa nuova concezione delle corse automobilistiche verrà subordinata tutta
l’evoluzione dello sport motoristico, fino ai nostri giorni. |
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È del 1977 l’ultima vittoria di Niki Lauda in Formula 1 con la Ferrari
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La McLaren MP4/4
fu la vettura del team McLaren che prese parte al campionato di Formula
1 1988. Fu progettata da Gordon Murray e Steve Nichols, e rappresenta
tuttora una delle auto di Formula 1 più efficaci della storia,
avendo vinto 15 dei 16 Gran Premi cui prese parte. I piloti Ayrton
Senna e Alain Prost lottarono tra di loro per il titolo mondiale, senza
che alcun avversario potesse inserirsi nel duello.
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| Nel 1987 la Williams
aveva nettamente sconfitto la McLaren sia nella classifica piloti che
in quella costruttori. I motori Honda erano però passati alla
scuderia di Woking e la capacità del fornitore giapponese di
creare un motore più basso dei precedenti permise a Murray e
Nichols di riprendere ed affinare i concetti introdotti nel 1986 con la
Brabham BT55, senza l'handicap delle scarse affidabilità e
potenza che avevano caratterizzato il motore BMW inclinato.
Nel 1988 il regolamento tecnico prevedeva la possibilità di
utilizzare motori aspirati di 3500 cc di cilindrata senza limiti di
consumo, oppure motori turbocompressi da 1500 cc di cilindrata, con
pressione di sovralimentazione limitata a 2,5 bar e 150 litri di
carburante per percorrere la distanza della gara. La Honda scelse questa
seconda possibilità, in quanto le evoluzioni previste per il proprio
motore le permisero di mantenere un vantaggio sulla concorrenza.
L'MP4/4 si ispira alla Brabham BT55 di Gordon Murray, che nell'87
aveva disegnato la MP4/3, approfondendone i concetti.
L'idea di Murray era quella di una macchina estrema sotto il profilo
fluidodinamico, ma nel caso della Brabham non si ottennero vantaggi: il
motore era un progetto molto complesso e soprattutto fine a sé stesso.
Secondo Gordon Murray disegnare una macchina con le linee della BT55
permetteva di ridurre di circa il 30% la sezione frontale rispetto ad
una monoposto convenzionale: la linea di cintura estremamente bassa
riduceva moltissimo la resistenza all'avanzamento con vantaggi notevoli
in velocità e consumi. Infatti la BT55 nel 1986 era stata l'auto con la
velocità di punta più alta.
Questa soluzione consentiva anche di investire con una maggior portata
d'aria la superficie alare posteriore, incrementando il carico
aerodinamico sulle ruote motrici, con conseguente incremento di trazione
e velocità di percorrenza in curva. Sotto questo aspetto la BT55 era stata un fallimento perché il suo
motore BMW era un 4 cilindri in linea, molto alto, e per poter
migliorare il progetto aerodinamico era stato inclinato di 72°,
soluzione che creava problemi di lubrificazione e combustione; inoltre
con un motore alto il centro di gravità dinamico risultava sempre molto
sbilanciato, anche a causa di un cambio a 7 marce ingombrante e
complicato.
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Come consulente, nell'87 Murray cercò di sviluppare questi
concetti sulla MP4/3 disegnata da Steve Nichols, il quale cercò di
riprendere in parte il progetto MP4/2 di John Barnard, che ormai era
superata. Perciò, a parte il muso, tutto il resto della vettura fu
ridisegnato cercando di abbassare la linea di cintura e il centro di
gravità.
Murray poté intervenire con questa filosofia progettuale grazie al fatto
che la MP4/3 utilizzava un motore V6 con angolo di bancata di 90°.
Inoltre riprogettò le pance laterali, spostando le prese d'aria di sfogo
dei radiatori ai lati della vettura anziché sulla parte superiore; con
questo intervento ridusse l'altezza e rese più slanciato il roll-bar,
sfruttando il fatto che la capacità massima dei serbatoi nell'87 era
stata ridotta da 220 a 195 litri. Tuttavia il motore non si dimostrò
abbastanza solido e potente contro l'Honda della Williams.
Nell'88 la McLaren per la MP4/4 ottenne la fornitura di questi
motori, che erano sempre dei V6 ma con un angolo di bancata di 80°,
quindi Murray poté estremizzare ulteriormente quanto visto sulla MP4/3,
abbassando ulteriormente l'altezza complessiva della scocca.
Sostanzialmente lavorò come sulla MP4/3 anche perché pure nell'88 fu
ridotta la capacità dei serbatoi (da 195 a 150 litri).
Una delle modifiche più evidenti fu il muso, molto più rastremato e
slanciato, con grande riduzione della sezione frontale e conseguente
maggiorazione della superficie alare anteriore. Queste varianti
all'avantreno si erano rese necessarie anche per rispettare la nuova
norma che obbligava a collocare la pedaliera delle scocche di nuova
costruzione dietro l'asse delle ruote anteriori, una soluzione che il
regolamento impone ancora oggi e che ha reso la posizione di guida quasi
sdraiata anziché seduta.
Per via di questi interventi l'MP4/4 risultò notevolmente competitiva:
oltre ad essere una macchina molto curata, fu l'unica progettata
espressamente per gareggiare col motore turbo, a differenza dagli
avversari che avevano puntato su ex vetture turbo adattate agli
aspirati, o su progetti di scocche con motore turbo dell'anno prima.
Questa scocca utilizzava sospensioni a ruote indipendenti con
trapezi sovrapposti e sistema a puntone di tipo pull-rod all'avantreno e
push-rod al retrotreno. Quest'ultima soluzione, insolita per l'epoca,
nasceva dall'esigenza di sollevare la posizione dei semialberi, in modo
da non alterare gli angoli di esercizio dei giunti, dato che la scocca
era molto bassa.
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Durante la fase pre stagione fu testato anche un sistema di
sospensioni attive, che per questioni di affidabilità non fu però mai
utilizzato nei Gran Premi.
La vettura fu talmente dominante che non venne evoluta in troppi
pacchetti aerodinamici, salvo profili alari specifici per circuiti da
basso o alto carico aerodinamico come Monaco, Monza o Hockenheim.
Una delle modifiche che più saltarono all'occhio fu l'eliminazione delle
prese d'aria delle turbine, perché si riteneva che creassero dei
vortici d'estremità che disturbavano i flussi d'aria sul profilo alare
posteriore.
Il motore adoperato era l'Honda RA168-E, un V6 biturbo da circa
650 cavalli, ultima evoluzione del 6 cilindri giapponese che aveva
debuttato nell'83. L'unità fu rivista per ridurre drasticamente il
consumo di carburante dato che il regolamento imponeva una minor
capacità dei serbatoi, e per sfruttare meglio la potenza ai medi regimi
per via dell'altra restrizione sulla pressione di sovralimentazione,
passata da 4.0 a 2.5 bar.
Il cambio, abbastanza convenzionale, era un Weissmann a sei marce
più retromarcia, prodotto in collaborazione con la stessa McLaren e
montato longitudinalmente.

Ayrton Senna
Gran Premio del Canada 1988
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Già nel corso della stagione 1987,
la McLaren aveva annunciato l'ingaggio di Ayrton Senna, proveniente
dalla Lotus, insieme alla fornitura dei motori Honda. In McLaren il
brasiliano avrebbe fatto coppia con il due volte campione del mondo
Alain Prost. Nella fase di sviluppo, grande attenzione venne posta
all'elettronica di gestione del motore, per l'ottimizzazione dei
consumi, e la vettura si presentò subito vincente, con un notevole
margine sulla concorrenza.
La stagione si sviluppò quindi sulla traccia di un dominio
incontrastato della McLaren. Dopo una prima fase favorevole a Prost,
Senna recuperò progressivamente, per poi passare in vantaggio alla fine
delle gare estive. L'unica corsa che la MP4/4 non vinse fu il Gran Premio d'Italia,
in cui Prost si ritirò a causa dell'unico problema meccanico incontrato
nella stagione, mentre Senna, al comando, si toccò con la Williams di Schlesser
alla prima variante, nel corso di un doppiaggio a pochi giri dal
termine. Dopo Monza Prost vinse due gare, riportandosi vicino, ma
vincendo in Giappone Senna guadagnò il titolo.
Al termine della stagione Prost aveva accumulato più punti totali, ma
Senna vinse grazie ai punti scartati dal pilota francese. Invece tutti i
punti erano validi per il mondiale costruttori, che la McLaren si
aggiudicò con un record di 199 punti.
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Il Flybrid Systems KERS introdotto in F1 dalla stagione 2009
Il KERS, acronimo di Kinetic Energy Recovery System (in italiano “sistema di recupero dell'energia cinetica”)
è un dispositivo elettromeccanico atto a recuperare parte
dell'energia cinetica di un veicolo durante la fase di frenata e a
trasformarla in energia meccanica o elettrica, nuovamente spendibile
per la trazione del veicolo o per l'alimentazione dei suoi dispositivi
elettrici.
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Durante
la frenata di un veicolo, l'energia cinetica che deriva da tale
decelerazione è dispersa in calore per attrito del sistema
frenante. Tale energia può essere intercettata da un meccanismo
ad alto momento di inerzia come un volano oppure immagazzinata in un
accumulatore o una batteria e venire impiegata in un secondo momento,
per esempio in fase di accelerazione del veicolo o comunque quando si
abbia bisogno di una riserva di energia per aumentare le prestazioni
del mezzo.
Il sistema KERS è costituito da:
- un motore/dinamo (in corrente continua);
- un accumulatore di carica elettrica, in genere composto o da pile al litio, oppure supercondensatori o ancora batterie a volano;
- un sistema di controllo che permette di gestire il funzionamento del
dispositivo come motore oppure come dinamo a seconda delle necessità.
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F1: come e perchè la Power Unit Mercedes è stata più performante
della concorrenza.
Italian Wheels poco tempo fa vi ha raccontato i motori turbo della F1:
i nuovi V6 ibridi hanno infatti rappresentato la più grande
novità regolamentare del 2014. Oggi vogliamo andare oltre, cercando di spiegare perchè alcuni motori (i Mercedes) hanno funzionato meglio di altri (i Ferrari ed i Renault).
Ricordiamo, in maniera rapida, cosa dice il regolamento: i motori di tutte le F1 a partire dal 2014 dovranno essere dei V6 turbo di 1600 cc, affiancati da due motori elettrici, l’MGU – K e l’MGU – H. Quello che però il regolamento non dice, lasciando quindi carta bianca ai progettisti, è come disporre i vari elementi del motore turbo e come mettere in relazione la componente termica con quella ibrida. Ed è qui che i motoristi della casa di Stoccarda hanno fatto il colpaccio. A Brixworth, un piccolissimo centro del Northamptonshire, in Inghilterra, i motoristi Mercedes, sotto la guida di Andy Cowell, hanno dato vita ad uno dei propulsori più efficienti e vincenti della storia della F1: il Mercedes PU106A. Questo motore (o meglio, questa Power Unit) ha fatto scuola per molti aspetti.
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Il più importante in assoluto è stato la disposizione degli organi interni del motore: la PU Mercedes, infatti, ha la turbina separata dal compressore. La
turbina è posizionata nella parte posteriore del motore, dove
confluiscono gli scarichi, mentre il compressore è posto all’interno di uno scasso nel serbatoio dell’olio,
sito nella parte anteriore del V6. Questa distanza tra le due
componenti fondamentali del motore turbocompresso, ha fatto sì che la
PU106A riuscisse a gestire in maniera migliore le temperature: secondo
le leggi termodinamiche, più
è fresca l’aria in entrata, più calda è
l’aria di uscita, maggiore è il rendimento. In più, tale “anomalo” posizionamento ha permesso ai tecnici Mercedes di montare una turbina più grande della concorrenza,
e proprio da tale turbina venivano fuori i circa 80 cv in più che le
W05 Hybrid (e le altre vetture motorizzate con la PU106A) avevano
rispetto alle vetture equipaggiate con propulsori differenti.

Qualcuno potrebbe a questo punto chiedersi: ma una
turbina più grande non ha anche più inerzia, diventando
più difficile da muovere ai bassi regimi? Giustissimo,
rispondiamo noi. Ed è qui che entra in gioco la perfetta
efficienza dell’ MGU – H montato sulla PU106A.
Ricordate? Questo
motore elettrico si alimenta grazie al calore prodotto dai gas di
scarico, per poi sfruttare la potenza prodotta (circa 90 cv) per muovere
l’alberino di trasmissione che collega turbina e compressore, ovviando
così al turbolag. Ebbene, tale propulsore elettrico sul motore Mercedes funziona meglio che sugli altri: il trucco risiede negli scarichi. Gli scarichi della PU106A hanno infatti i
collettori molto corti, raggruppati in un involucro termicamente
schermato che permette una minore dispersione del calore, a tutto
vantaggio dell’efficienza del suddetto MGU – H.

Il risultato, oltre ad una maggiore potenza massima, è stato l’avere una incredibile disponibilità della coppia motrice, a qualsiasi regime, che
permetteva alle W05 Hybrid di trarre vantaggio anche in uscita dalle
curve lente, quelle in cui teoricamente la turbina più grande avrebbe
dovuto essere un handicap; oltretutto, grazie a questa quantità di
coppia, parti meccaniche importanti (come il cambio) venivano utilizzate e sollecitate di meno. L’unico
problema che i tecnici Mercedes hanno dovuto affrontare – e che poi
hanno risolto in maniera più che brillante – è stato la maggiore fragilità dell’albero di trasmissione tra turbina e compressore:
essendo infatti le due componenti più distanti, le vibrazioni prodotte
dal V6 avrebbero potuto portare al danneggiamento o alla rottura
dell’albero, compromettendo il motore. Ecco quindi che a Brixworth hanno
deciso di inserire dei tiranti di irrigidimento all’interno del V6, rendendolo più stabile.
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Ferrari F14 T
La Ferrari F14 T è la sessantesima monoposto costruita dalla casa automobilistica Ferrari per partecipare
al campionato mondiale di Formula 1 2014.
Identificata, durante lo sviluppo, con il codice interno 665 sostituisce la F138, che aveva disputato la stagione 2013
del campionato mondiale di Formula 1.
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Fernando Alonso - Ferrari - 2014 Monaco Grand Prix
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La PU Ferrari (la 059/3),
a dispetto dei magrissimi risultati ottenuti, era anch’essa innovativa.
Sono state 3 le scelte inedite compiute dai motoristi Ferrari: l’avanzamento
del motore termico; la collocazione dello scambiatore di calore
all’interno della V dei cilindri; la disposizione del serbatoio
dell’olio. Tutte queste scelte sono state fatte per cercare di ottenere un’aerodinamica estrema al retrotreno, che
infatti risultava essere particolarmente allungato: ciò avrebbe dovuto
permettere al diffusore e alla zona della Coca – Cola di essere più
efficienti. |
Questa sistemazione ardita dei suddetti componenti ha però
irrimediabilmente compromesso l’efficienza della Power Unit: la politica
del “risparmiare spazio al retrotreno” ha infatti portato all’adozione
di una turbina di dimensioni minori rispetto a quella della PU Mercedes, a tutto discapito della potenza generata dal motore termico.

Kimi
Räikkönen alla guida della monoposto sul circuito di
Shanghai; si nota l'ampia sezione nera che contraddistingue la
livrea della F14 T.
Presentata
il 25 gennaio 2014 sul sito ufficiale della Scuderia Ferrari, il nome
F14 T è stato scelto dai tifosi, attraverso un sondaggio effettuato online sul sito web della casa.
Rispetto ai canoni stilistici delle monoposto di Maranello, la livrea
della F14 T mostra, abbinato allo storico rosso corsa, un più ampio uso
del nero, che in questa stagione, oltre a lambire la parte inferiore
della vettura come già accadeva sulla F138, copre adesso anche tutta la
zona del retrotreno;
l'uso di tale colore ha un duplice funzione, ovvero sia migliorare la
leggibilità dei marchi degli sponsor tecnici, sia celare alla vista le
soluzioni tecniche adottate dalla Ferrari in questo ambito della
macchina.
Le due sezioni rossonere della carrozzeria sono inoltre separate da una
sottile striscia tricolore. Inserti bianchi sono infine appannaggio
dell'alettone anteriore nonché dei deviatori di flusso posti davanti
alle pance laterali.
Per la prima volta nella storia della Formula 1, vengono utilizzati
numeri personalizzati per ciascun pilota. Fernando Alonso optò per il
14, numero con cui gareggiò nei kart, mentre Kimi Räikkönen scelse il 7. |
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Lotus 81

Elio De Angelis, Lotus 81, 1980 Gran Premio di Monaco
La Lotus 81 è una vettura di Formula 1 costruita dal team Lotus per la stagione 1980.
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Progettata da Colin Chapman e Martin Ogilvie,
questa vettura aveva un disegno abbastanza tradizionale (a differenza
di altre Lotus); spinta dal tradizionale Ford Cosworth DFV 3.0 V8, era
una tipica vettura ad effetto-suolo. Pur garantendo parecchia deportanza, subiva troppo le sconnessioni in pista. Per tale ragione Chapman decise di sviluppare l'innovativa Lotus 88 a doppio telaio.
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1980
- La Lotus 81 debuttò con alla guida il confermato Mario Andretti e il
neo-arrivato Elio De Angelis. Dal Gran Premio d'Austria venne schierata
la versione B, affidando una terza vettura all'esordiente Nigel Mansell.
Il miglior risultato in gara fu il secondo posto colto da Elio De
Angelis nel Gran Premio del Brasile,
seconda gara della stagione. I ritiri furono frequenti. In totale, il
team conquistò 14 punti iridati ed il quinto posto nel campionato
costruttori.
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1981 - La
Lotus 81 venne impiegata anche nella prima parte della stagione 1981
nella versione B, affidata alla coppia formata da Elio De Angelis e
Nigel Mansell. I risultati furono due quinti ed un sesto posto con De
Angelis più un terzo posto con Mansell nel Gran Premio del Belgio.
Nell'intento della scuderia avrebbe dovuto essere sostituita dalla
Lotus 88, che però non fu considerata conforme ai regolamenti e venne
infine rimpiazzata dalla Lotus 87.
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Tecnica :
I segreti del motore a scoppio
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Come è fatto e come
funziona
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Un motore a scoppio (ma più
correttamente andrebbe chiamato "motore a combustione interna"
o "motore alternativo endotermico") è essenzialmente
composto da 3 organi meccanici in movimento :
Il pistone
E' un oggetto di forma
generalmente cilindrica, che
scorre dentro un'altro (il Cilindro), ed il suo movimento è quello
di andare su e giù.
L'albero a gomiti
Ha la duplice funzione di trasformare il moto alternativo (in su e
giù) del pistone in quello rotatorio e di portare il moto verso il
cambio e poi alle ruote .
La biella
E' un'organo di collegamento che permette di unire il
pistone con l'albero a gomiti e di trasmettere le forze.
In pratica questi tre organi
meccanici hanno lo scopo di trasformare un moto rettilineo
alternato (quello del pistone) in un moto rotatorio (quello
dell'albero) per sfruttare l'energia dovuta allo scoppio della
benzina e per fare un'altra serie di funzioni che vedremo in
seguito.
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Esistono poi altri importanti
componenti :
Cilindro :
La parte in cui scorre il
pistone. Praticamente un grosso Foro.
Testa :
E' la parte superiore che chiude il cilindro.
Camera di scoppio
o di combustione :
E' la parte superiore del cilindro cioè lo spazio che rimane tra
la testa ed il pistone quando questo è nella posizione più
elevata. E' la zona in cui avviene
la combustione della benzina e dell'aria.
Carter o
Basamento :
E' generalmente la struttura che
circonda e sostiene tutti gli altri organi meccanici e che
comprende i cilindri.
Cielo del pistone :
E' la parte superiore del pistone, quella a arriva a sfiorare la
testa e sulla cui superficie avviene la combustione.
Fasce
: Sono delle guarnizioni che garantiscono la tenuta dei
gas, e limitano l'usura tra pistone e cilindro.
Bilanciere :
E' una massa che fa parte dell'albero che ha lo scopo di
equilibrare il motore, cioè di ridurre le vibrazioni.
E'
necessario dare qualche nome alle dimensioni caratteristiche di un
motore.
(D) Alesaggio:
Il diametro del pistone
(C) Corsa :
Lo spostamento verticale che compie il pistone nel suo movimento.
E' anche il doppio della distanza tra dove è collegata la biella
all'albero e l'asse di rotazione dell'albero stesso.
(S) Sezione del cilindro :
é l'area della sezione del cilindro, cioè l'area del cerchio che
ha per diametro l'alesaggio. Infatti si ha che S =
p
D2
(V) Cilindrata :
Il volume spazzato dal pistone nel suo movimento. E' semplicemente
la sezione del cilindro per la corsa
[
].
(Pms) Punto morto superiore :
E' la poszione più alto che raggiunge il pistone nel suo moto (la
biella è perfettamente verticale e il pistone è fermo e sfiora la
testa)
(Pmi) Punto morto
inferiore : E' il punto più
basso che raggiunge il pistone nel suo moto (la biella è
perfettamente verticale e il pistone è fermo)
(r) Rappoto di
compressione : E' il rapporto
tra il volume della camara di scoppio e quello della cilindrata ,
diviso per la cilindrata. r = ( Vc + V ) / V
(RPM) Numero di giri al
minuto : E' la velocità di
rotazione dell'albero motore.
(Z) Numero di cilindri
: Va da 1 (monocilindrico) a
più di 12 (pluricilindrici)
Un paio di definizioni :
Quadri [ C=D ] :
Si chiamano così quei motori che hanno la corsa e l'alesaggio
uguali.
Super quadri [ D>C ] :
Quei motori in cui l'alesaggio è più lungo della corsa .
A corsa lunga [ C>D ] :
Quei motori con la corsa maggiore dell'alesaggio .
Rapporto corsa alesaggio [
C/D ] : Se è minore di 1
significa che il motore è super quadro, se uguale a 1 che è quadro
e se maggiore di 1 che è a corsa lunga.
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I
motori di cui parleremo sono i
4Tempi, che oltre agli organi meccanici precedentemente
descritti, hanno un'ulteriore serie di organi meccanici che
svolgono compiti ausiliari, ma indispensabili al
funzionamento del
motore stesso.

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In
estrema sintesi, il motore a scoppio funziona perché la benzina,
si mischia con l'aria ambiente che fornisce l'ossigeno necessario alla
combustione, entra nel cilindro, scoppia, cioè brucia
violentemente e fornisce la pressione necessaria a
spingere il pistone, il quale porta in rotazione l'albero a
gomiti, e da questo, per mezzo di vari organi meccanici, come
cambio e trasmissione, la
potenza arriva alle gomme e il veicolo avanza. Ovviamente queste
fasi avvengono grazie a precisi
organi meccanici che svolgono precisi compiti. Nella camera di
scoppio, avvengono, le seguenti operazioni : aspirazione,
compressione scoppio e scarico.
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Condotto d'Aspirazione
E' il condotto da cui entra
la carica fresca, cioè la miscela di aria e benzina ancora
non bruciata. Infatti a monte della camera di scoppio esiste
un dispositivo che succhia la benzina dal serbatoio e l'aria
dall'ambiente esterno e li miscela in parti ben definite.
Questo dispositivo può essere un carburatore o un sistema di
iniezione.
Valvola d'Aspirazione :
La miscela d'aria e benzina
deve entrare nella camera di combustione solo nel momento
giusto e per un periodo di tempo prestabilito. Per questo
esiste una valvola, che apre e chiude, il condotto
d'aspirazione regolando, quindi, come un rubinetto il flusso
della miscela. Nei motori a 4Tempi, vengono usate usualmente
valvole a fungo, chiamate così per via della sua
caratteristica forma. Le valvole sono comandate dall'albero
a camme.
Albero a camme di aspirazione :
E' un' albero parallelo a quello a gomiti, normalmente posto
sopra la camera di scoppio (come in schema), che prende la
rotazione dall'albero motore stesso, e gira solidale con
esso. Su questo albero sono ricavate le camme, cioè dei
profili eccentrici che girando spingono il piattello della
valvola su e giù , secondo una precisa regola che dipende
dalla forma stessa della camma . Poiché le camme sono legate
all'albero motore è ovvio che se il motore sale di giri
anche l'albero a camme sale di giri e così anche la valvola
d'aspirazione apre e chiude il condotto più velocemente. In
questo modo tutto funziona a qualsiasi regime di rotazione ,
perché ogni operazione accelera o decelera con il motore
stesso.
Condotto di scarico :
E' equivalente a quello di
aspirazione , ma a differenza di questo serve ad espellere i fumi
di scarico , cioè quello che rimane dalla combustione della miscela bruciata, e conduce fino alla
marmitta.
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Valvola di scarico :
E' equivalente a quella di
aspirazione, solo che regola l'apertura e la chiusura del condotto
di scarico.
Albero a camme di
scarico :
E' equivalente a quello di aspirazione, solo che imprime alla
valvola di scarico, dei tempi di apertura diversi da quelli di
aspirazione.
Candela :
I motori a scoppio , che vanno a benzina si chiamano anche ad
accensione comandata perchè l'esplosione del carburante è
dovuto ad una scintilla, che si innesca perchè della corrente
passa nello spazio tra due elettrodi. L'organo che regola lo scoppio e che genera la
scintilla è la candela, che normalmente è unica e posta verticale
al centro della camera di scoppio. La quantità di corrente e il momento della
scintilla è regolato da organi meccanici o elettronici che
prendono il movimento dallo stesso motore , garantendo anche in
questo caso, il sincronismo tra la velocità di rotazione del
motore e l'accensione.
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La testa e la camera di
combustione :
La testa è uno delle parti
più importante
per un propulsore, sulla quale più si lavora in fase di
progetto. Infatti, la
maggior parte delle azioni che avvengono in un motore e
dalle
quali dipendono le prestazioni, si sviluppano proprio
nella
camera di combustione. Quindi la sua geometria può
migliorare
sensibilmente le prestazioni e dare
caratteristiche specifiche al propulsore. Infatti sulla
testa,
da una parte ci sono tutti gli organi atti alla
distribuzione, cioè tutti quegli organi che servono a far
entrare ed
uscire il carburante, i gas freschi e quelli combusti,
mentre dall'altra la zona che rimane libera quando il pistone è al pms,
cioè la camera
di combustione, la quale condiziona in modo molto
significativo la
combustione e quindi la capacità di generare la potenza
che serve
a spingere il veicolo. In particolare il disegno della
camera di
combustione deve porsi come obbiettivo quello di ottenere
un veloce
processo di combustione, un elevato riempimento di
carburante e
minimizzare le perdite di calore attraverso le pareti.
Ovviamente nella storia dei motori a scoppio, i progettisti si
sono sbizzarriti, producendo teste delle forme e delle geometrie
estremamente varie, anche se oggi per vari motivi, i tipi di testa
più diffusi, per i motori a benzina, sono sostanzialmente quattro.
E' riportato di seguito lo schema delle quattro teste più
diffuse e di un'altra serie di teste delle forme molto curiose.

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a) EMISFERICA
: Offre buoni riempimenti ed elevate
prestazioni;
b) A CUNEO o TRIANGOLARE
: Limita l'effetto della detonazione e produce molta
turbolenza, cosa che favorisce la velocità di combustione;
c) A TAZZA
: Camera molto compatta, bassi consumi
e basse emissioni inquinanti;
d) A TETTO
: Con quattro valvole, permette di ottenere alte
potenze specifiche e resistenza alla detonazione.
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I pluricilindri:
I motori reali sono nella
maggior parte dei casi composti da un numero di cilindri
superiori a uno. Le piccole utilitarie di solito hanno 4
cilindri in linea, mentre le vetture più raffinate hanno 8,
10 o 12 cilindri. Non esiste un limite teorico al numero
massimo di cilindri che si possono accoppiare per fare un
motore, ma la storia testimonia che è difficile e inutile
superare i 16.
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Le
configurazioni con cui accoppiare i vari cilindri sono le
più varie. La più semplice è quella dei motori "in
linea" (a), in cui l'albero a gomiti è comune a tutti i
cilindri, e i vari pistoni, bielle, teste sono disposti l'uno
accanto all'altro. Già più complessi ma ugualmente diffusi
sono i motori a "V" (c), in cui c'è sempre un solo albero ma i
pistoni oltre ad essere accanto all'altro sono su due file
distinte ed inclinate di un certo angolo (spesso 90 o
60). Esistono poi altri tipi di motori, molto meno diffusi,
i cui schemi si vedono in figura. Tra questi ricordo in
particolare il Boxter (f) e i motori stellari (m) impiegati
specialmente agli albori dell'aviazione (ad esempio il barone
rosso nella seconda guerra mondiale)
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Funzionamento del motore
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Aspirazione , compressione , scoppio ,
espansione e scarico ...
queste sono le parole della formula magica che fa funzionare un
motore! Infatti un 4Tempi, come quello di cui mi accingo a
spiegarvi, compie queste quattro fasi ogni due giri dell'albero a
gomiti e ripete queste quattro fasi di continuo molte decine di
volte al secondo. Cioè ogni volta che il motore compie queste
quattro fasi torna nelle condizioni di partenza e può
ricominciare. Tutto quello che succede tra l'inizio e il momento
in cui il motore torna nelle stesso condizioni di partenza si
chiama, nel complesso, CICLO. E' ovvio che le fasi principali del
ciclo siano proprio aspirazione, compressione, scoppio, espansine
e scarico.E' importante accennare al fatto che il motore a scoppio
è una macchina che serve a realizzare proprio questo ciclo. Per i
motori a benzina esiste un ciclo di riferimento teorico noto col
nome di OTTO, mentre nei motori a gasolio il ciclo di riferimento
è quello DIESEL. I cicli OTTO e DIESEL sono due tipi particolari
di cicli termodinamici , che prendono il nome dagli studiosi che
li idearono. Ovviamente un motore è tanto migliore quanto più
riesce ad avvicinarsi alla teoria, cioè quanto più riesce ad
avvicinarsi ad un ciclo OTTO o DIESEL. |
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Per cominciare si può pensare di
partire nel momento in cui il pistone è nel punto morto
superiore e le valvole sono chiuse. In pratica, siamo
nell'istante in cui il pistone è salito fino al suo massimo e
sta per scendere. Se le valvole rimanessero ferme, è ovvio che
il pistone scenderebbe facendo solo espandere quel poco gas
che rimane nella parte superiore del cilindro e continuando in
questo modo,
l'unico effetto sarebbe quello di frullare il gas senza
generare nemmeno un Cv, anzi si fermerebbe subito. Con
riferimento alle immagini, possiamo per semplicità immaginare che l'albero a
gomiti e quelli a camme, girino in senso antiorario. La loro
velocità è differente, in particolare ogni due giri dell'albero a
gomiti le camme ne compiono uno solo. |
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ASPIRAZIONE
La prima cosa che deve succedere
nel motore è quella di far entrare l'aria e la benzina, cioè
la fonte dell'energia del motore. Quindi è necessario che si
apra la valvola di aspirazione e che il pistone scendendo
richiami dal condotto di aspirazione la miscela. Così accade e
il pistone percorre tutto il tragitto dal Pms al Pmi, con la
valvola del condotto di aspirazione completamente aperto,
riempiendo completamente di miscela fresca.
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COMPRESSIONE
Appena il pistone raggiunge il
punto morto inferiore, il pistone si ferma di nuovo, e
ricomincia a salire e comprime i gas. Per evitare che la
miscela appena entrata riesca dal condotto di aspirazione, è
necessario che la valvola di aspirazione si chiuda. Il pistone
quindi comprime tutto il volume di gas che era presente nel
cilidro, schicciandolo in quella piccola parte di spazio
rimasta libera tra il cielo del pistone e la testa del
cilindro. In genere , il rapporto di compressione, cioè il
rapporto tra il volume iniziale e quello finale della
compressione, è intorno a 1:10 , con valori che arrivano
vicini a 1:20 per i motori più prestazionali. |
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SCOPPIO
Una volta raggiunto il punto
morto superiore, la benzina e l'aria sono al massimo della
compressione e sono tutte contenute in un piccolo spazio
intorno alla candela. E' facile immaginare che se si fa
passare corrente sulla candela, si genera una scintilla che fa
prendere fuoco al gas. Precisamente si dovrebbe dire che
esplode, cioè il volume dei gas incrementano di migliaia di
volte generando una pressione incredibile che va a spingere il
pistone verso il basso, ed è questa pressione che tramite la
biella e l'albero a gomiti si trasforma nella potenza utile
che fa avanzare il veicolo. |
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ESPANSIONE
Immediatamente dopo lo scoppio,
la pressione dei gas spingono il pistone verso il basso fino a
che il pistone è nel Pmi in cui tutta l'energia dei gas si è
convertita in potenza utile. E' importante far notare
come di tutto il motore l'unica fase utile sia questa. Tutto
il resto è al traino cioè tutte le altri fasi usano parte di
questa energia per funzionare e non la rendono disponibile per
spostare il veicolo.
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SCARICO
A questo punto il pistone ha
raggiunto il Pmi, l'energia rilasciata dall'esplosione ha
quasi esaurito la sua energia e il pistone è pronto a
risalire. Inizia così la fase di scarico. Lo scopo di questa
fase è quella di espellere i gas combusti per poter riportare
il motore nelle condizioni iniziali, cioè di chiudere il
ciclo, per poi ricominciare da capo. Per far questo si apre la
valvola di scarico, e il pistone nella sua risalita spinge
fuori il gas combusto, che così si dirigono verso la marmitta.
Quando il pistone arriva al Pms, tutti i gas sono stati
espulsi, si chiude la valvola di scarico, si apre quella di
aspirazione e siamo pronti a ricominciare a immettere nuova
miscela fresca.
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Ecco un'altro modo per
visualizzare tutte insieme le fasi che compie il motore
ogni due giri dell'albero motore.
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Approfondimento :
L'avviamento
Da come vi ho messo le cose, sembra
che sia l'albero, spinto da una forza immaginaria, a trascinare il
motore nel suo movimento, invece è il motore che fornisce
l'energia. In realtà, come noto, che il motore a scoppio ha
bisogno di essere messo in moto dall'esterno e che solo quando è
partito riesce ad auto sostentarsi. Le macchine di inizio secolo
avevano la manovella che usciva dal cofano e dovevano essere
azionate a mano, oggi tutte le vetture di serie hanno un motorino
elettrico, quelle da corsa per risparmiare sul peso sono messe in
moto dall'esterno con un altro motore o spinte (come le moto da Gp).
Quando poi i motori sono stati avviati è l'inerzia del motore
stesso che fa andare avanti le cose ... in pratica nella fase di
scoppio parte dell'energia sviluppata fa accelerare gli organi
meccanici, che poi rallentano nelle altre fasi e permettono che
tutto funzioni . In più per aumentare l'inerzia del motore e per
rendere le fasi più regolari (meno vibrazioni) si aggiunge un
volano cioè un pesante disco che ruota insieme all'albero a
gomiti.
Approfondimento : Gli
anticipi delle valvole
Vorrei introdurre un aspetto
importante sul reale funzionamento dell'aspirazione e scarico, che
è presente in ogni motore. Voglio parlare degli anticipi delle
valvole.

E'
facile immaginare come qualsiasi azione non avvenga perfettamente
istantaneamente, cioè richieda un certo tempo magari breve ma non
nullo. Anche aprire e chiudere le valvole richiede un tempo non
nullo. Dalla spiegazione che vi ho scritto sopra, sembra che le
valvole rimangano chiuse, poi improvvisamente nel momento in cui
il pistone passa dal Pms o Pmi le valvole istantaneamente
percorrono tutto il loro spostamento posizionandosi nella
posizione di apertura e rimangano in tale condizione fino alla
fine della fase nella quale tornano in posizione di chiusura.

Questo
nella realtà non può avvenire e quello che si riesce a fare è di
far muovere la valvola in un tempo che è paragonabile con il tempo
di una fase, cioè significa che in un quarto del ciclo. Quindi se
si fa cominciare l'alzata della valvola nel Pms e si impone la
chiusura nel Pmi si ha che la valvola non è perfettamente aperta
durante la fase ma all'inizio sarà socchiusa, sarà completamente
spalancata solo intorno alla metà della fase e sarà socchiusa alla
fine della fase. Questo complica molto il flusso dei gas nei
condotti di aspirazione e scarico perchè come detto durante la
fase la valvola sta più tempo nella posizione di quasi chiusa che
in quella di aperta.

Per
compensare questo problema è necessario anticipare il momento in
cui le valvole si aprono e ritardare il momento in cui si
chiudono, rispetto al momento ideale, in modo che al
raggiungimento di questo, la valvola sia sufficientemente aperta o
chiusa per far bene il suo compito. Questo però significa anche
che ad esempio nella prima parte della compressione, la valvola di
aspirazione sia ancora aperta, col rischio che parte della miscela
sia respinta fuori invece di essere compressa, oppure che
nell'ultima fase di espansione dopo lo scoppio parte della spinta
vada persa perchè i gas combusti escono dalla valvola di scarico
che si sta aprendo.
Curioso, e fondamentale è il momento
dell'incrocio, quello in cui finisce la fase di scarico ed inizia
la fase di aspirazione in cui entrambe le valvole sono
parzialmente aperte, con ovvie conseguenze.
Questo che sembra un problema, in
realtà non è così drammatico. Anzi nei motori moderni e ancor
più in quelli più prestazionali gli anticipi e l'incrocio sono
veramente notevoli, perché si riesce grazie agli effetti
dinamici, non solo a far funzionare tutto come se fossimo nel caso
ideale in cui le valvole si aprono e chiudono nei Punti morti, ma
addirittura si migliora, riuscendo ad esempio ad incamerare più
miscela di quella teorica. Questo fatto è ancora più spinto nei
motori 2t ad alte prestazioni, dove pur funzionando tutto in modo
diverso, l'incrocio dura quasi metà ciclo.
Ovviamente ci sono degli aspetti negativi come l'incremento di
emissioni inquinanti e il peggioramento nel consumo di carburante,
aspetti essenziali in un motore stradale, ed assolutamente inutili
in un motore da corsa.
Di seguito vi riporto il grafico
degli andamenti reali delle aree di passaggio delle valvole di
aspirazione e scarico di un generico motore a 4T. Su questo
grafico è riportata l'area geometrica o efficace (dipende da come
si calcola) rispetto a quella totale, che dipendono dalla
posizione della valvola a fungo. Quindi l'andamento dell'area è
analoga a quella dell'alzata, ed infatti è analogo a quelli che vi
ho disegnato sopra. Spero siano evidenti gli anticipi
dell'apertura e il ritardo di chiusura, e come intorno al Pms si
abbia un ampio incrocio di ben 120 gradi di manovella (180 è una
fase intera).
Diagramma di un motore reale
AAS = Anticipo Alsata Scarico |
AAA = Anticipo Alsata
Aspirazione |
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RCS = Ritardo Chiusura Scarico |
RCA = Ritardo Chiusura
Aspirazione |
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Un'altro modo per
visualizzare le fasi, e gli anticipi è
rappresentato dai diagrammi polari, o circolari. Nel
primo, un cerchio rappresenta lo scarico e un'altro
l'aspirazione. Nel secondo invece è tutto
rappresentato tramite una spirale. Cmq siano fatti sono
evidenti gli anticipi e l'incrocio che si estendono
molto al dilà dei punti morti
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Approfondimento :
L'anticipo della candela
Anche la scintilla della candela che
innesca la combustione ha un certo anticipo rispetto al Pms.
Perchè anche in questo caso il fronte di fiamma ci mette alcuni
istanti per propagarsi. Se si calcola l'anticipo con esattezza si
riesce a far arrivare l'onda di pressione sul cielo del pistone
esattamente quando questo ha raggiunto il pms. Se si facesse
innescare la miscela quando il pistone è al pms, avremo lo strano
effetto che il fronte di fiamma deve inseguire il pistone nella
sua discesa, con il non desiderato effetto di perdere la spinta
per tutto quel tempo che il fronte di fiamma non ha raggiunto il
pistone.
Approfondimento :
Regolazione degli anticipi
Questi anticipi dipendono dalla forma delle camme e sono calcolati
in fase di progetto ad un preciso regime di rotazione, che
normalmente è quello di potenza o coppia massima. E' ovvio che man
mano che ci si allontana da questo regime di rotazione preso di
riferimento le cose vanno via via peggiorando , fino ad essere
persino controproducenti. E' per questo che i motori più moderni
hanno sistemi di fasatura variabile in modo da variare gli
anticipi ad ogni regime di rotazione, ottimizzando le prestazioni
del motore su tutto l'arco di funzionamento.
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Forza, Coppia, potenza, e
curve caratteristiche
3D animation of a injected V8
La Forza
La forza è un concetto abbastanza
intuitivo e per questo è difficile darne una definizione
esatta. Facendo degli esempi si può pensare che se spingiamo
un oggetto lo facciamo applicando una forza, allo stesso modo
applichiamo una forza se solleviamo un peso, così come due
corpi in contatto si scambiano forze, ecc ecc. Il secondo principio
della dinamica concepito da newton alla fine del 1600, chiarisce in
modo semplice la reale natura della forza. Questo principio afferma che
se si applica una forza ad un corpo questo accelera, cioè
cambia la sua velocità. Ad esempio quando in un'automobile
si azionano i freni, le gomme trasmettono al veicolo una forza
contraria al moto, che fa rallentare il veicolo. Stessa cosa fa il
motore che permette di far incrementare la velocità del
veicolo. La formula che riassume il secondo principio della dinamica
è [ F = m * a ] dove "F" è la forza, "m"
è la massa e "a" è l'accelerazione.
La Coppia
E' importante introdurre almeno a livello intuitivo
è il concetto di coppia, che detto in modo molto
approssimativo, è la forza nelle rotazioni. Infatti se
applicando una forza ad un oggetto, questo si sposta nella direzione in
cui ho spinto, se applico una coppia ad un oggetto questo inizia a
ruotare nel senso in cui applico la coppia. Infatti per imprimere una
rotazione, come dice il nome (coppia), sono necessarie 2 forze uguali
ma contrapposte e che agiscono su assi distinti (rette d'azione).
Quello che conta nella coppia è sia l'entità
delle forze che la distanza tra i loro assi, chiamata braccio. E'
esattamente come per una leva, si può dare molta forza
vicino al fulcro (centro di rotazione della leva) o si può
dare poca forza a grande distanza dal fulcro. Quindi quello che viene
trasmesso dagli organi ruotanti come quelli presenti in un motore
è la coppia e non la potenza. La coppia nel motore si genera
(come vedremo) dalla esplosione della benzina che imprime una pressione
sul pistone che si trasforma in una coppia , attraverso la biella e
l'albero motore che agiscono da leva. Poi la coppia raggiunge le ruote
tramite la trasmissione, composta per lo più da organi
rotanti. La coppia mette in movimento le ruote le quali aderendo al
terreno trasformano la coppia in una forza che fa avanzare il veicolo.
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La Potenza
L'energia è la capacità di
fare un certo lavoro, come ad esempio la capacità di
spostare un oggetto, la potenza invece è l'energia nel
tempo, cioè tiene conto della capacità di fornire
energia, quindi di fare qualcosa, ma riferita alla velocità
con cui questa energia viene fornita, cioè alla
velocità con cui viene fatta quella certa operazione. Per
capirmi meglio faccio un esempio: poniamo che si abbia una catasta di
legna e questa vada spostata portandola da un posto all'altro. Una
persona può fare questo semplice operazione prendendo un
pezzo di legno alla volta e facendo molti viaggi avanti e indietro fino
a che tutta la catasta è stata spostata. Una ruspa invece
può prendere tutta la catasta in una volta e portarla a
destinazione. L'energia che l'uomo e la ruspa hanno fatto per spostare
la catasta è la stessa infatti l'energia è in
qualche modo legata all'operazione fatta e entrambi hanno portato a
termine con successo l'operazione. Quello che invece cambia
è il modo di farlo, infatti la ruspa ci ha messo molto meno
tempo ... è ovvio che una ruspa è molto
più potente di una persona. La potenza tiene quindi conto
della velocità con cui si fa un'azione. Tornando alle
automobili potrei fare un'altro paragone dicendo che sia una Panda che
una Ferrari sono in grado di raggiungere i 100 Km/h , però
una Ferrari che è più potente ci arriva molto
prima della Panda.
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La Catena di forza e coppie
Combustione:
Trasforma, tramite una reazione chimica, l'energia del combustibile in
calore e pressione.
Motore:
Trasforma la pressione generata nella combustione, prima in forza
tramite la superficie del cielo del pistone e in coppia tramite la
biella e l'albero a gomiti .
Cambio:
Modifica la coppia in arrivo dall'albero a gomiti del motore, in altra
coppia però ad un numero di giri sfruttabile da un veicolo.
Trasmissione:
Trasporta, per mezzo di organi rotanti , la coppia in uscita dal cambio
verso le ruote, e la ripartisce tra le varie gomme.
La ruota:
Trasforma la coppia che viene dalla trasmissione in forza che spinge il
veicolo, e lo fa avanzare.
Legame tra coppia e potenza
La relazione che lega queste grandezze
caratteristiche è molto semplice:
La Potenza è la Coppia moltiplicata per il numero di giri,
purché espresse nelle unità di misura corrette
(Kw,Nm,1/s), che in formula si esprime :
P = C * n
Ad esempio se un motore a 3000 giri/min eroga 50 Nm di coppia , eroga a
quel numero di giri circa 21 Cv. Infatti 3000 giri/min equivalgono a
314 1/s per cui P=C*n = 15700 kW = 15.7 Kw, che in Cavalli equivalgono
a 21.4. Se lo stesso motore a 5000 giri/min eroga 40 Nm di coppia,
eroga a quel numero di giri circa 28 Cv. Infatti 5000 giri/min
equivalgono a 524 1/s per cui P=C*n = 20900 kW = 20.9 Kw, che in
Cavalli equivalgono a 28.4.
Curve caratteristiche
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Come abbiamo visto la coppia e la potenza sono le
grandezze più significative delle prestazioni di un motore.
Per rappresentare queste due grandezze si usa un grafico come quello a
lato in cui si riporta con due curve l'andamento della coppia e della
potenza al variare del numero di giri. Queste curve si ottengono da
test fatti al motore su opportune apparecchiature dette "banchi prova",
in condizioni si gas completamente spalancato, e massimo carico. Ogni
motore ha delle curve diverse dagli altri, in ogni caso tutte le curve
hanno un andamento simile cioè crescono all'inizio poi
raggiungono un massimo e dopo discendono. Per la coppia questo avviene
perché quando il motore gira piano, è difficile
far entrare la miscela fresca nel cilindro mentre quando il motore ed
ad alto numero di giri è difficile far riempire in modo
ottimale il cilindro di miscela fresca, perché i gas trovano
molta resistenza a fluire velocemente nei condotti, e gli attriti del
motore si fanno dominanti. La curva di potenza invece sale quasi
sempre, tranne nell'ultimo tratto dove tutti gli organi meccanici del
motore vanno così veloci che gli attriti disperdono la
maggior parte dell'energia prodotta. E' poi da notare come la curva
della potenza cresce con maggior rapidità fino al massimo
della coppia in quando in questo tratto crescono sia la coppia che il
numero di giri. Successivamente il numero di giri continua ad aumentare
mentre la coppia diminuisce e curva di potenza (che è il
loro prodotto) tende a spianare fino al massimo. E' intuitivo capire,
che la curva di potenza sale praticamente sempre, se si pensa al fatto
che all'aumentare del regime di rotazione, aumenta il numero di volte
in cui scoppia la miscela fresca in un certo tempo. |
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| In questa figura oltre alle curve di coppia e
potenza di un motore reale è riportata anche quella del
consumo. E' interessante notare come di solito il consumo minimo si
abbia col la farfalla del gas completamente spalancata e ad un numero
di giri intorno al punto di coppia massima. Un'altra cosa che si nota
è che il punto di coppia massima si ha in corrispondenza del
numero di giri in cui la retta che passa per l'origine degli assi tange
la curva di potenza. |
Coppia, potenza e prestazioni del
veicolo
Pensiamo come prima ipotesi, alla condizione in cui
l'auto mantiene inalterato il rapporto di trasmissione tra il motore e
le ruote, cosa che avviene finché l'auto non cambia marcia.
In queste condizioni l'accelerazione del veicolo ha lo stesso andamento
della curva di coppia, e questo significa ad esempio che la massima
accelerazione si ha in corrispondenza della coppia massima. Allo stesso
modo se un'auto ha una curva di coppia migliore di un'altra, accelera
di più dell'altra. E' da osservare che una volta impostata
una marcia la potenza non conta nulla, e la velocità del
veicolo dipende solo dalla coppia erogata dal motore.
Allora a che serve la potenza ? la potenza rispetto alla coppia
aggiunge l'informazione del numero di giri a cui la coppia viene
erogata, infatti la definizione, come visto, è proprio
coppia per numero di giri. Questo implica che avere una potenza
maggiore a parità di coppia significa che il motore
è in grado di generare quella specifica coppia (e quindi
quella specifica forza per far avanzare il veicolo) ad un numero di
giri più alto. Questo è un grandissimo vantaggio
perché è possibile usare un rapporto di
trasmissione più corto (come andare in 3° marcia
invece che in 4°),
cioè avere molta più
forza che spinge il veicolo a parità di velocità
del veicolo. In sintesi avere più potenza permette di avere,
alla stessa velocità del veicolo, più coppia alle
ruote e quindi maggiore accelerazione.
Quindi quando si progetta un motore da corsa, si cerca di avere
più potenza possibile per poter avere più
accelerazione possibile, e si cerca di avere un' andamento della curva
coppia il più possibile progressivo in modo da non avere
strappi o cali.
In questa ottica è quindi poco importante sapere se la
potenza deriva da molta coppia a basso numero di giri o poca coppia ad
alto numero di giri. E' per questo che due vetture spinte da due motori
così diversi come un diesel o un benzina, se hanno la stessa
potenza si comportano in modo praticamente identico.
In
realtà la presenza del turbo (ormai sempre presente nei
moderni motori diesel) garantisce un'andamento di coppia più
ricco ai bassi regimi, rispetto ai benzina, che di solito sono
aspirati, con conseguente vantaggio per l'accelerazione del veicolo in
fase di ripresa.
La sovralimentazione
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La sovralimentazione è un metodo,
adoperato nei motori a combustione interna, per ottenere un
aumento, anche elevato, della potenza del motore. In pratica come
abbiamo visto uno dei limiti dei motori è nella quantità di
carburante ed aria che riempie il cilindro prima della
compressione e dello scoppio. Infatti nei motori aspirati, è il
pistone che con il suo movimento nel cilindro richiama la miscela
dall'esterno. Lo scopo della sovralimentazione
è quello di utilizzare un marchingegno esterno, ad esempio una
pompa, che spari dentro il cilindro una quantità di miscela
superiore o spesso molto superiore a quella normale, ottenendo di
fatto un notevole incremento del coefficiente di riempimento con
il conseguente innalzamento del valore della pme e quindi della
potenza utile.
Per realizzare, nella pratica, la
sovralimentazione,
i metodi sono molteplici, ed assumono vari nomi. Il più usato,
efficiente, ed energeticamente furbo è quello basato sul
turbo-compressione, così che spesso si parla di turbo per parlare
della sovralimentazione
in generale.
Il
turbo-compressore è un marchingegno che recupera l'energia dai gas
combusti espulsi dal motore per poi riutilizzarla per comprimere
la miscela in ingresso e poterla così sparare dentro il cilindro.
E' costituito da una turbina ed un compressore montati sullo stesso
albero che li fanno ruotare alla stessa velocità.
La turbina è un disco munito di palette ed è usata allo scopo di
trasformare l'energia dei gas di scarico in energia.
Il compressore è simile, come costruzione, ma funziona esattamente
all'opposto. Prende energia dalla turbina, tramite l'alberino ed energizza il fluido
dandogli pressione e velocità.
Questo è il funzionamento schematico e nella sua
formulazione più semplice; vediamo ora il tutto in
dettaglio, analizzando pregi e difetti.
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La turbina e i gas di scarico
I gas di scarico vengono raccolti e
convogliati alla turbina, però essa lavora al meglio con un flusso di gas costante,
ma i gas di combustione vengono espulsi da ogni cilindro in maniera non continua.
Infatti la fase di scarico occupa solo un quarto del ciclo quindi
si manifesta per ogni cilindro ogni due giri dell'albero a gomiti .
Per questo motivo per certi motori (ma non per quelli per auto) si inserisce un "serbatoio" di
raccolta dei gas di scarico che fa si che i gas entrati in maniera
impulsiva, rallentino ed escano da questo come una corrente
continua.
Questo metodo ha il vantaggio di massimizzare il rendimento della
turbina, che è un tipo di macchina adatta a lavorare in condizioni
costanti, ma ha due svantaggi
evidenti: il primo è che spesso sotto il cofano di una vettura non
c'è lo spazio per ospitare questo serbatoio che deve essere di
notevoli dimensioni; l'altro
svantaggio deriva dal fatto che il serbatoio fa si che la turbina
risenta con un grosso ritardo del cambiamento di velocità del
motore e quindi non reagisca in maniera pronta alla richiesta di
potenza dal motore,
per questo motivo tale metodo è usato per motori a regime
costante, quali quelli per produzione d'energia.
Nel
caso automobilistico gli scarichi vengono convogliati direttamente
verso la turbina. Questo purtroppo farà lavorare la turbina in
maniera irregolare e quindi meno efficiente ma la
risposta sarà sicuramente più immediata, e
seguirà, un pò meglio, le richieste del motore. Anche il
modo di collegare gli scarichi, tra loro, prima di entrare nella
turbina, richiede degli accorgimenti: un ciclo del motore avviene in
due giri e ogni cilindro fa una fase di scarico in mezzo giro (di
più se consideriamo anticipi di apertura e ritardi di chiusura)
quindi se avessimo un solo cilindro avremmo una mandata per solo un
quarto del periodo del ciclo e il resto del periodo non avremmo flusso.
Se accoppiamo due cilindri le cose già migliorano e ancora
meglio con tre cilindri perchè riusciamo a riempire quasi
tutto il ciclo con del flusso.
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Spaccato Turbina
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Invece se abbiamo più di tre cilindri collegati insieme
direttamente si rischia che i flussi interferiscano fra di loro.
Cioè può capitare che un cilindro che inizi a scaricare, trovi all'uscita
lo scarico di un'altro cilindro
che già aveva iniziato la fase di espulsione. Per questo è bene che i cilindri o
siano adeguatamente sfasati fra di loro (se sono minori meno di 3) o adottino particolari convogliatori
(se sono 4 o più).
Ovviamente se i cilindri sono multipli di tre si possono mettere
più turbine, ognuna alimentata dai tre cilindri. Ad esempio un 12
cilindri a V, da il massimo con 2 gruppi di turbo-compressori , uno
per bancata (BI-turbo), ognuno dei quali alimentati dai 6 cilindri
raggruppati in due blocchi di 3 cilindri divisi tra loro dai
convogliatori.
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L'aria ambiente e il
compressore
Per quanto riguarda il lato
dell'aspirazione si ha il compressore che aspira aria dall'ambiente
e la manda dentro il motore. Nei sistemi un pò più sofisticati, ma
oggi praticamente sempre, prima di entrare nella camera di scoppio
l'aria compressa passa prima da un "itercooler". Infatti i gas,
quando vengono compressi, per loro
natura aumentano la loro temperatura. Questa alta temperatura
annulla in parte l'effetto della compressione perchè i gas caldi
sono più rarefatti. Quindi per evitare questo, si ricorre, appunto, all'intercooler
che non altro che uno scambiatore di calore aria-aria: è in pratica come il
normale radiatore dell'auto, ma
invece di avere al suo interno acqua, ha l'aria appena compressa; l'aria viene così
raffreddata fino a circa la temperatura ambiente e può finalmente entrare nel motore.
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I Problemi del
Turbo-compressore
Come accennato, anche con la
soluzione di convogliare gli scarichi verso la turbina non
garantisce una perfetta risposta del turbo alle richieste del
motore. Infatti il motore e la turbina lavorano secondo un circolo
vizioso. Se il guidatore, schiaccia il pedale, perchè ha bisogno
di potenza per accelerare, il motore per far questo, deve
iniettare più aria e più carburante. L'arrivo dell'aria dipende in
buona parte dal compressore, il quale però usa l'energia della
turbina che si alimenta dai gas di scarico. Quindi la turbina per
fornire più energia al compressore ha bisogno di più gas di
scarico, ma questi non si producono se il compressore non alimenta
il motore con maggior aria e carburante. Per uscire da questo circolo il
motore ha bisogno i qualche istante, così che il guidatore, che
richiede potenza se la ritrova dopo un pò, magari quando non serve
più tutta quella potenza o
addirittura non serve proprio. Questo ritardo che è sempre
superiore a quello che può avvenire in un aspirato, in cui è
praticamente inavvertibile, può andare da alcuni millisecondi per
motori raffinati e che stanno girando ad alto numero di giri, a
svariati secondi per motori meno efficienti e che stanno girando a
basso numero di giri, generando notevoli inconvenienti, e
soprattutto rischi per la sicurezza.
Un'altro problerma è che l'effetto
benefico del turbo varia in funzione dei giri del motore, perchè
con i giri varia la portata dei gas di scarico prodotti. Se il
motore gira piano, produce pochi gas e la turbina non
riesce più a prenderene energia, sia perchè appunto
l'energia disponibile è poca sia perchè la turbina lavora in
condizioni estremamente lontane da quelle ottimali cioè con un
rendimento bassissimo. Quindi l'uso del turbo è estremamente utile
per i motori da competizione, o per quelli di serie molto
sportivi, in quanto da il meglio ad alti regimi di rotazione ed ad
alte potenze. Viceversa per i veicoli di serie normali, ha
poco senso utilizzarlo, in quanto, la maggior parte dell'uso del
motore viene fatta a bassi regimi.
Oltre a questo chi ha provato, un'auto
sovralimentata, specie se di vecchia generazione (ad esempio la
FIAT UNO), avrà avvertito un'altro dei suoi problemi. Il fatto è
che, l'effetto positivo del turbo inizia a funzionare solo ad un determinato numero di giri,
mentre al disotto di questo il turbo è addirittura un freno. Così
si ha che all'inizio , in fase di accelerazione il motore stenta a
salire di giri e quando il turbo "entra",
sembra che il motore raddoppi improvvisamente di potenza, dando
per un' istante una fortissima accelerazione, nota anche col
termine "tecnico" di "calcio in culo" ! E' ben comprensibile
che questa brusca accelerazione renda difficile e pericolosa la
guida, sia quella di tutti i giorni che quella al limite in
pista, e soprattutto se il fondo stradale è bagnato o scivoloso, o
se peggio si sta percorrendo una curva. Nelle moto poi questo
problema è ancor più sensibile, così che i modelli di moto turbocompresse,
da quando esistono le moto, praticamente si contanto sulle
punta delle dita.
Per migliorare queste problematiche, sono state inventate le
turbine a geometria variabile, nelle quali le alette all'ingresso
della turbina cambiano d 'incidenza, cioè ruotano su se stesse, in modo che a bassi
giri, i gas abbiano un angolo d'entrata che migliori il funzionamento
dalla turbina, cioè il suo rendimento e quindi di tutto il
turbo-compressore. Al contrario, per quando l'effetto del turbo è
superiore delle richieste del motore, (ad esempio quando dopo
un'accelerazione si frena), oltre a poter sfruttare la geometria
variabile per far peggiorare le prestazioni della turbina, esiste una valvola che permette di scaricare parte
dei gas combusto, abbassando di fatto la pressione nel condotto di
aspirazione.
Per sfruttare a pieno le geometrie
variabili e per compensare i problemi residui, oggi si ricorre ad
un massiccio uso dell'elettronica che fa in automatico quello che
farebbe un bravo pilota, permettendo a chiunque di guidare un
turbo anche di notevole potenza senza grossi problemi, però
peggiorandone, di fatto, l'efficacia, e spesso annullando il
fascino di questa soluzione tecnica.
Il
turbo nei motori a benzina : luci ed ombre
Nei motori a benzina l'uso del turbo
è estremamente limitato dalle caratteristiche chimico- fisiche del
carburante, così che il suo impiego per veicoli di serie è in
generale poco utile, se non per dare un carattere particolare al
propulsore.
Immaginiamo, quindi, di avere un motore
aspirato, di applicarci il turbocompressore e di vedere cosa succede. La pressione massima
che si raggiunge nel motore a seguito della combustione della
miscela, aumenterà sensibilmente, per effetto della sovralimentazine, in quanto
viene bruciata,
nella camera di combustione, una quantità di carburante e aria superiore.
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Questo comporta, per prima cosa, che il motore subirà
sollecitazioni
maggiori e probabilmente dannosi così che i motori turbocompressi
dovranno essere, in generale, più massicci e quindi più pensati dei
corrispondenti motori aspirati a pari cilindrata, ma spesso più
leggeri a parità di potenza erogata.
Inoltre avremo vari fenomeni di
combustione anomala tra i quali il più grave e preoccupante è
quello della
detonazione, dovuto soprattutto ad una temperatura e pressione
massime troppo elevate. In più la detonazione è totalmente imprevedibile e si
auto-alimenta per cui porta in breve tempo alla rottura degli
organi meccanici. (vedi pagina specifica)
V : Cilindrata
Vc : Volume camera di combustione
Pa : Pressione atmosferica
Pm : Pressione massima
P'm : Pressione massima per il ciclo sovralimentato
Pd : Pressione di inizio detonazione
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Questo limita moltissimo il livello
di sovrappressione che può sviluppare il turbo, dato che già i
motori aspirati di serie sono tarati al limite della detonazione.
La strada giusta da seguire è quella di diminuire il rapporto di compressione
del motore, cioè aumentare il volume della camera di combustione,
a parità di cilindrata. Agendo in questo modo, la pressione raggiunta
quando il pistone è al pms, tornerà ai
valori ammissibili. Con questo metodo, si perde un pò di
rendimento ideale (che dipende dal rapporto di compressione) ma
si incrementa il coefficiente di riempimento, con la conseguenza
che globalmente aumenta la pme e quindi la potenza.
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Si può vedere dai grafici le due
situazioni. Nel primo i due motori hanno lo stesso rapporto di
compressione, ma uno è sovralimentato e l'altro no.
Il ciclo aspirato rimane nella zona
sicura, mentre il secondo arriva nella zona della detonazione con
i problemi visti.
Nel secondo grafico la curva del
ciclo ha la stessa altezza massima, ma un rapporto di compressore
minore. Entrambi i cicli hanno una pressione massima che è in zona
"sicura" ma il ciclo sovralimentato ha un' area maggiore che
corrisponde, nella stessa maniera, ad un aumento del lavoro fatto
dal motore, e quindi della potenza.
V : Cilindrata
Vc : Volume camera di combustione
Pa : Pressione atmosferica
Pm : Pressione massima
P'm : Pressione massima per il ciclo sovralimentato
Pd : Pressione di inizio detonazione
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Il turbo nei motori diesel : tutte luci
Quello che limita l'uso del turbo
nel benzina, è invece il grande pregio che ha permesso al motore
diesel di fare il salto di qualità diventando, oggi giorno, il
motore più venduto in Italia. Infatti nel diesel, la miscela di
carburante ed aria, non brucia a seguito dell'innesco tramite
scintilla come nel motore a benzina, ma esplode a causa della
compressione e della temperatura. E' quindi evidente che più
"roba" c'è nel cilindro e più saranno alte le pressioni alla fine
della corsa di risalita del pistone. Questo, da una parte,
permette di usare il sovralimentatore senza particolari limiti,
dall'altro introduce notevolissimi altri vantaggi. In primis la
maggior compressione garantisce una maggior velocità di
combustione, che significa più potenza, meno inquinati, meno
rumore, meno vibrazioni. Poi l'uso del turbo permette dei lavaggi
eccellenti e un' ottimo raffreddamento, perchè la sovrappressione
generata dal compressore fa scorrere molta aria nel cilindro
durante l'incrocio. Infatti il turbo nei diesel lavora solo con
l'aria, mentre il carburante viene vaporizzato direttamente nella
camera di combustione tramite uno o più ugelli , quando le valvole
sono tutte chiuse. Questa tecnica si chiama iniezione diretta. Poi
il turbo permette anche di costruire condotti di aspirazione anche
tortuosi ma con il pregio di poter generare alte turbolenze, che
garantiscono un'eccellente miscelazione tra il gasolio e l'aria
con notevoli benefici per la combustione.
L'unico aspetto negativo dei turbo-diesel moderni è che l'estrema
complicazione tecnica di tutti gli organi che devono lavorare in
perfetto sincronismo e con possibilità di errori ridottissime,
specie per rimanere nei limiti di legge per quanto riguarda le
emissioni inquinanti, obbliga ad un uso spaventoso di elettronica
che rende questi propulsori, complicati, pesanti, costosi, meno
affidabili e nei quali per metterci le mani bisogna essere
laureati in elettronica e in informatica.
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Il Volumetrico : Poca sostanza,
molto marketing
Il compressore volumetrico, oggi usato
solo su pochissime vetture (ad esempio le Mercedes col nome
commerciale di Kompressor), è un tipo di sovralimentazione
inventato e utilizzato per la prima volta agli albori
dell'aviazione, per compensare la rarefazione dell'aria in alta
quota, ma fu subito abbandonato per i motivi che vedremo. In
pratica il compressore è montato sull'albero motore ed assorbe
energia da questo e comprime l'aria da inviare ai cilindri. Un
piccolo vantaggio come potenza finale si ottiene , ma dal punto di
vista energetico e dei consumi, non ha alcun senso utilizzarlo, in
quanto per generare la compressione si assorbe l'energia che
dovrebbe spingere il motore, invece di quella buttata con i gas di
scarico. In pratica il propulsore deve buttare via del carburante
per generare la potenza che serve ad ignettare altro carburante.
Per capirci meglio faccio un esempio: immaginiamo un motore che è
in grado di generare 10 di potenza con 10 di carburante. Gli
mettiamo il compressore volumetrico che assorbe 2 di potenza. Il
compressore inietta abbastanza carburante (14) da portare la
potenza del motore a 14. In totale quindi la potenza disponibile
per far avanzare il veicolo è 12, ma usiamo 14 di carburante.
Abbiamo quindi ottenuto maggiore potenza ma l'efficienza del
propulsore nel suo complesso è diminuita sensibilmente perchè ci
vuole 1.17 di carburante per 1 di potenza invece di 1a1.
L'unico vantaggio che ha questo tipo di sovralimentazione rispetto
al normale turbo, è che il compressore essendo trascinato dal
motore non ha problemi di ritardi o di brusche accelerazioni. In
pratica, fornisce un incremento di potenza modesto, ma su tutto
l'arco di utilizzo del motore.
Perchè viene usato? La risposta non è facile. Da un lato
probabilmente c'è una carenza tecnica nel saper fare motori
aspirati di buona qualità, ma soprattutto è una questione di
marketing, infatti la pubblicità fa credere che questo sia un
sistema rivoluzionario, innovativo, e raffinato quando
invece è una schifezza. Le auto per essere vendute hanno bisogno
di un qualche "appil" cioè di qualche carattere distintivo, e con
una buna campagna pubblicitaria si fa credere quello che si vuole.
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Conclusioni
L'adozione del Turbo-compressore ha
in sintesi le seguenti caratteristiche:
PRO:
- riduce imgombro e peso a parità di potenza sviluppata
- può in generale diminuire i consumi specifici
- rende il motore meno rumoroso
- rende i gas di scarico meno inquinanti
- rende il motore poco sensibile alle variazioni di quota
CONTRO:
- aumento dei carichi meccanici e termici sugli organi del motore
- porta al pericolo di detonazione nei motori a benzina
- andamenti di coppia e potenza non adatte alla trazione stradale
- lunghi tempi di risposta nei transitori
Quindi l'adozione del
turbocompressore, porta a motori solidi, affidabili e alta potenza
specifica, ma non particolarmente adatti alla trazione degli
autoveicoli.

Logo della F1 usato dal 1987 al 1994
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La stagione 1983 è quella dell'addio
alle minigonne, le bandelle laterali che costituivano la componente
tecnica essenziale delle wing car. Le sfide tecniche della stagione
sono ora rappresentate dal c.d. fondo piatto e dai motori turbo. Ora,
per ottenere carico aerodinamico, la down force che tiene le vetture
incollate al suolo, bisogna puntare esclusivamente sugli alettoni non
essendo più possibile sfruttare le wing car con le loro
minigonne.
Il 1983 si situa in piena era turbo con propulsori
da 900 cavalli in gara e da 1200 in qualifica.
Nel 1983 la McLaren non avrà una buona stagione, salvo il
famoso gran premio di Long Beach con la doppietta Watson-Lauda ... ma
in realtà la McLaren è pronta per dominare il
1984. Al salone di Ginevra, infatti, viene presentato il propulsore
TAG-Porsche destinato ad equipaggiare la McLaren l'anno seguente. Il
motore che segnerà
una svolta per la McLaren, nasce grazie ai finanziamenti di Mansour
Ojjeh, già
partner della Williams.
Dunque, il colpo di genio di Ron, fu quello, nel 1983, di convincere la
Porsche a costruire un turbo da dare alla McLaren: al mondo non
esisteva un costruttore con maggior esperienza della Porsche per quanto
riguarda i turbo. Come abbiamo detto già, l'altra mossa
geniale di Ron Dennis fu quella di ottenere il sostegno economico della
TAG di Ojjeh che entrerà in seguito a far parte come
co-proprietario della McLaren International, di cui è
azionista ancor oggi.
Sempre in quel periodo, all'inizio del 1984, la McLaren si assicura un
uomo dall'esperienza unica nel settore del mondo delle corse (dire f1
sarebbe riduttivo): si tratta del messicano, Jo Ramirez che
rimarrà nel team McLaren sino al suo ritiro dalle corse nel
2001 ma che ancor oggi è uno di "famiglia" nel leggendario
team inglese. Ramirez assume la qualifica team coordinator: il suo
compito attiene all'organizzazione del lavoro quotidiano, alla gestione
del lavoro in pista, alla logistica in generale, insomma. Questa
divisione dei compiti, lascia quindi libero Dennis di occuparsi solo
dell'alta gestione del team, lasciando il prezioso lavoro di tutti i
giorni (che va seguito con costanza e totale attenzione minuto per
minuto) a Ramirez: anche questa organizzazione, nonchè le
qualità umane e professionali del nuovo arrivato, faranno
grande la McLaren negli anni seguenti.La vettura presentava come principale
caratteristica l'utilizzo della fibra di carbonio per la realizzazione
del telaio, soluzione adottata dalla McLaren sin dal 1981.
A differenza
del team anglo-neozelandese, il progettista Gordon Murray
utilizzò la fibra di carbonio solo per la parte superiore
del telaio, lasciando la parte inferiore in alluminio a nido d'ape,
copiando letteralmente la soluzione adottata dalla Ensign nel 1982.
La Brabham BT52Ma anche esternamente, la monoposto era molto diversa
rispetto a quella dell'anno precedente.
Le fiancate erano ora molto corte con una disposizione detta "a
freccia" che offriva oltre ad una bassa portanza, anche un arretramento
dei pesi verso il posteriore. Le sospensioni anteriori presentavano un nuovo schema, a quadrilateri
deformabili con puntone diagonale (in inglese detto push-rod) ancorato
alla parte bassa del mozzo ruote, che spingeva un bilancere nel telaio
per comprimere la molla-ammortizzatore. La monoposto montava pneumatici
Michelin.


Il motore era un 4 cilindri in linea BMW denominato
M12/13, montato in posizione posteriore longitudinale, la cilindrata
era di 1.499 cc e sovralimentato mediante singolo turbocompressore, era
capace di sviluppare in gara una potenza di 740 cv con sovrappressione
di 3 bar e accreditato della potenza di circa 800 cv durante le
qualifiche con una pressione di 3,2 bar.
Torniamo indietro all'83:
A vincere il titolo sarà il primo campione del mondo turbo
della storia.
Uno dei team più forti è la Brabham che alle sue
spalle ha uno sponsor come la Parmalat. Mentre la McLaren progetta il
dominio del 1984, la Brabham con motore turbo BMW è pronta a
far suo il titolo del 1983. A contendere il titolo alla Brabham sono la
Renault (altri specialisti del turbo) e la Ferrari.
A far suo il titolo piloti del 1983 sarà Piquet con la
Brabham BMW (con qualche polemica legata alla benzina usata dalla
Brabham), mentre per il 1984 la McLaren attuerà
effettivamente il dominio le cui base furono gettate al momento
dell'accordo con la Porsche. Il titolo piloti del 1984 è una
faccenda a due tra i piloti della McLaren: Lauda contro Prost, alla
fine prevale Lauda di 1/2 punto, 72 a 71,5. Terzo è De
Angelis con la Lotus Reanult. Una delle stelle di quel mondiale, seppur
per una sola gara, fu il giovanissimo Senna che con la Toleman diede
spettacolo sotto l'acqua a Montecarlo.
Per quanto riguarda la Coppa costruttori, ad aggiudicarsela per il 1983
è la Ferrari mentre nel 1984 è la McLaren.
Come si può facilmente comprendere, la scelta di abolire le
minigonne e l'effetto suolo (una scelta giusta a fronte della
pericolosità assurda di quelle vetture) ebbe un impatto
importante sulla f1 che vide le squadre impegnate puntare su altre
strade tra cui lo sviluppo dei motori turbo. Questo ha costretto le
squadre ad appoggiarsi alle grandi case costruttrici per realizzare i
motori turbo. |
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Differenze tra un motore di F1 e un motore di una vettura stradale
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Le differenze dei motori che equipaggiano le vetture stradali da
quelli di una monoposto da F1 sono notevoli. Nonostante l'esistenza di
motori con cilindrata superiore a 3 litri (es. Lamborghini Diablo 6.0 da
6 litri), nessuno di questi arriva a potenze di 850 cavalli. Ciò è
dovuto sia all'inutilità di queste potenze in città o in autostrada, sia
perchè il consumo di benzina sarebbe troppo elevato, per non parlare
dei costi esorbitanti e del problema ambiente. Le differenze, comunque
si possono notare anche nella realizzazione di un motore da formula 1.
In essi ci sono componenti in ceramica e fibre di carbonio che si
dilatano meno del ferro alle alte temperature e sono meno pesanti.
Naturalmente questi componenti non possono essere utilizzati in parti
meccaniche che devono essere resistentissime (albero motore, pistone,
ecc.). Sebbene solo il 5% del motore è costituito da questi componenti
(infatti 1/3 è realizzato in acciaio e quasi 2/3 in alluminio), essi
svolgono un ruolo importante nell'incremento della potenza.
Altre differenze si possono trovare nella distribuzione che di norma
è a due alberi a camme in testa, con quatto o cinque valvole per
cilindro. L'adozione di due alberi a camme in testa consente di ridurre
al minimo assoluto il numero di componenti interposti tra ogni valvola e
l'eccentrico che le impartisce il moto.Questo vuol dire che l'inerzia
dei componenti in moto alterno risulta minore e che quindi, a parità di
sollecitazioni meccaniche, sarà possibile raggiungere regimi di
rotazione più elevati. |
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Anche nei pistoni si può trovare una differenza d'altezza che è molto
ridotta rispetto al diametro, al fine di ridurre il peso e le perdite
per attrito,
sono sempre dotati di ampie sfiancature laterali.
Anche le bielle spesso sono in titanio, materiale
dalle elevatissime caratteristiche meccaniche, che ha un peso molto
contenuto ed un costo
elevatissimo, che ne ha sempre confinato
l'uso all'industria aerospaziale o al mondo della F1
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Camera di combustione molto appiattita e raccolta; valvole (in titanio) di grandi dimensioni
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Per eliminare le deformazioni elastiche anomale delle molle di
richiamo delle valvole, si usa un sistema di richiamo pneumatico
chiamato "desmodromico". Normalmente le valvole vengono richiamate in
posizione di riposo da una molla, mentre nel sistema desmodromico anche
il movimento di ritorno viene comandato meccanicamente da un bilanciere,
nello stesso tempo in cui si comanda l'apertura della valvola. Questa
soluzione che consente di utilizzare alberi a camme che imprimono
notevolissime accelerazioni alle valvole sia in fase di apertura che in
fase di chiusura. Rispetto a un sistema tradizionale la valvola viaggia a
una velocità molto più elevata e impiega quindi meno tempo sia per
aprirsi che per chiudersi, favorendo quindi la respirazione del motore.
Un altro vantaggio del "desmo" risiede nel minor assorbimento di
potenza, in quanto non vi sono molle da comprimere per aprire le valvole
e la rotazione dell'albero a camme risulta molto più libera.
La trasmissione Così come le normali auto hanno la frizione, le marce e il differenziale, anche
le monoposto sono dotate della trasmissione che però è molto più sofisticata.
Basti pensare che deve poter scaricare su due ruote ben 800 hp di potenza.
Frizione Nelle monoposto la frizione è direttamente collegata al motore ed è
fissata proprio attraverso il motore e la scatola dei rapporti. Le
aziende che producono frizioni sportive sono due: "AP racing" e "Sachs",
che producono frizioni in carbonio che devono resistere a temperature
elevatissime (500 °C).
Per regolamento la frizione deve essere elettro-idraulica e normalmente
non pesa più di 1.5 kg. La frizione, essendo quasi automatica, non viene
usata
manualmente, ma si attiva da sola quando si cambia marcia (sia quando si
sale
che quando si scala). Solo alla partenza e al pit stop, cioè quando si
passa da N alla prima, si utilizza la frizione che oggi, grazie
all'elettronica non assolve più quella grande importanza che aveva
prima. Infatti alla partenza della gara, per evitare di far slittare le
ruote i piloti lasciavano la leva della frizione (è posizionata dietro
al volante sotto la leva per salire di rapporto) dolcemente. Oggi invece
interviene in ausilio l'elettronica che "limita" la potenza al motore
quando le ruote stanno per slittare.
La frizione di una monoposto ha una dimensione di circa 100 mm di
diametro
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I freni delle vetture da F1 sono a dir poco stupefacenti. Infatti
essi possono rallentare una macchina da 300 km/h a 50 km/h in quattro
secondi percorrendo solo 130 metri!!!Nella figura si vede
come i freni Brembo della Minardi siano al massimo tanto che sono
diventati incandescenti misurando temperature oltre i 900°C . (la parte
nera è quella in cui si trovano le pinze). Normalmente però i freni
devono lavorare a temperature di 750°C e devono essere raffreddati
rapidamente pena uno spazio di frenata molto più lungo. Tra i freni del
semiasse anteriore e quelli del posteriore c'è una netta differenza di
surriscaldamento. Infatti i freni anteriori raggiungo temperature più
alte rispetto ai freni posteriori. Ciò è dovuto al fatto che in frenata
la maggior parte della massa si riversa in avanti e quindi si ripartisce
la frenata quasi sempre al 60% in avanti e al 40% al retro. Sotto da
sinistra sono stati fotografati i freni anteriori della Ferrari, e
quelli posteriori della McLaren del 1998 (notare la differenza di
diametro dei freni).
Per le qualifiche solitamente si usano freni molto più sottili del
normale per diminuire il peso del veicolo, ma che hanno le stesse
capacità di frenare la monoposto. Questi freni, invece, non vengono
usati in gara perchè facilmente potrebbero cedere facendo perdere la
gara al pilota. In gara si usano freni spessi 28 mm (che è il massimo
consentito), mentre in qualifica si usano freni da 21 mm. Il
funzionamento dei freni da F1 è lo stesso di quello dei normali freni a
disco. Nella foto in alto a sinistra si possono vedere quei forellini
nel freno. Essi servono solo a far uscire più rapidamente l'aria calda
in modo da raffreddarsi subito.Nell'immagine sottostante si vede come
funziona un freno a disco.
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Il differenziale |
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Elemento importantissimo nelle monoposto e in tutti i veicoli a
quattro ruote (ad eccezione di go-kart) è il differenziale. Il
differenziale è un elemento della trasmissione, disposto tra la scatola
del cambio e le ruote motrici, che gioca un ruolo importantissimo nella
tenuta di strada in curva. Infatti in una curva la ruota esterna dovrà
coprire una distanza maggiore rispetto alla ruota interna: in questo
caso, quindi ogni ruota presenterà una diversa velocità di rotazione. Al
verificarsi di questa situazione, se le due ruote motrici si trovano
entrambi sullo stesso asse di rotazione, questa differenza può non
esistere le due ruote possono ruotare alla stessa velocità, causando il
pattinamento del veicolo, offrendo quindi una scarsissima tenuta di
strada. |
Con un differenziale di tipo tradizionale, è possibile evitare
questo problema, distribuendo la coppia motrice su ciascuna ruota, in
modo che esse possano presentare una diversa velocità di rotazione. Lo
svantaggio principale di questo sistema tradizionale deriva, quando le
due ruote presentano condizioni di aderenza differenti, poichè in questo
caso, la maggior parte della coppia motrice viene distribuita sulla
ruota che presenta l'aderenza minore, producendo, quindi, una notevole
perdita di energia cinetica. I gruppi differenziale presenti sulle
vetture di F1 sono dotati di impianti elettronici, che possono adattarsi
a tutte le situazioni, trasferendo, se necessario, parte della coppia
motrice della ruota che gira più rapidamente, alla ruota che presenta la
maggiore aderenza: in questo caso, parliamo di bloccaggio. Solitamente
esistono 5 posizioni di trasferimento di coppia da una ruota all'altra.
Nella posizione uno, il differenziale trasferisce solo parte della
coppia motrice da una ruota all'altra e la velocità di trasferimento è
relativamente bassa (simile al differenziale tradizionale); nella
posizione cinque si ha un trasferimento massimo di coppia, con una
maggiore velocità di trasferimento che porta, però, ad un'improvvisa
perdita di aderenza sull'asse della ruota posteriore, in caso di
bloccaggio in curva. I piloti devono trovare un giusto compromesso,
nella regolazione di questo sistema, tra l'energia cinetica e la tenuta
di strada nelle curve: aumentando il coefficiente di bloccaggio si
guadagna motricità, riducendolo si migliora l'aderenza.
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L'aerodinamica
I principi base
e l'evoluzione nella F1
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Cos'è
l'aerodinamica? Già il nome ci suggerisce che l'aerodinamica è
la scienza che studia la dinamica, cioè il movimento, del fluido
nel quale si muovono la maggioranza dei mezzi di trasporto
costruiti dall'uomo. Perché lo studio di questa scienza è così
importante nella progettazione delle automobili ed in
particolare di monoposto di F1? Perché l'aria (che si presenta
come un gas trasparente difficile da indagare e studiare con
semplici strumenti, tanto da rendere necessaria la costruzione
di costosissimi impianti quali le gallerie del vento) acquista
moltissima importanza quando un corpo si muove in
essa, condizionandone pesantemente il moto a causa della
resistenza che il fluido esercita sul corpo e delle interazioni
reciproche che si vengono a creare (basti pensare ad una piuma
che cade a terra molto più lentamente di una sfera di piombo,
nonostante la legge di gravitazione universale gli imponga (nel
vuoto!) di cadere con la stessa accelerazione di 9,8 m/s2).
E' evidente quindi quanto, fin dai
primordi, lo studio aerodinamico sia stato una componente
fondamentale della progettazione di auto da corsa e l'importanza
di questa componente aumentava con l'incremento delle potenze
dei motori e quindi delle velocità massime.
L'inizio
La
F1, rappresentando fin dagli esordi nei primi anni '50 la punta
di diamante delle competizioni automobilistiche mondiali, dette
modo ai progettisti di dare il meglio di sé in ogni settore. In
particolare l'aerodinamica assunse subito un ruolo abbastanza
importante (nonostante i limiti tecnologici dell'epoca), in
quanto, per definizione, le monoposto di F1 hanno il grosso
handicap delle ruote scoperte, che rappresentano un notevole
freno aerodinamico. Si presentava quindi il problema di trovare
una forma per i bolidi che garantisse la miglior penetrazione
nell'aria. I primi progettisti non dovettero sforzarsi più di
tanto nell'individuare tale forma, dato che era già presente in
natura: la goccia.

La leggendaria Auto Union Type C pilotata da Bernd Rosemeyer al Nürburgring
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Seguendo
una moda che era già in voga nel periodo fra le due guerre, le
fusoliere venivano disegnate con la forma più affusolata
possibile, piazzando apposite bombature alle spalle del pilota o
nelle fiancate (vedi la D50) in modo da rendere il più
possibile laminare il movimento (relativo) dell'aria attorno al
corpo vettura e quindi da limitare le turbolenze.
La
Ferrari D50 (che era in origine un progetto Lancia) vinse il
mondiale di F1 nel '56 con Fangio
I primi progettisti non
dovettero sforzarsi più di tanto nell'individuare tale
forma, dato che era già presente in natura: la goccia.
Seguendo
una moda che era già in voga nel periodo fra le due guerre,
le fusoliere venivano disegnate con la forma più affusolata
possibile,
piazzando apposite bombature alle spalle del pilota o nelle
fiancate (vedi la D50) in modo da rendere il più possibile
laminare il movimento
(relativo) dell'aria attorno al corpo vettura e
quindi da limitare le turbolenze.
Gli
anni '60
Durante
gli anni '60 l'estremizzazione della ricerca della massima
penetrazione aerodinamica portò alla progettazione di macchine
sempre più lunghe (anche a causa del motore posteriore), e
sottili, con la posizione del pilota sempre più sdraiata, tanto
da rendere celebre la loro forma a "sigaro".
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Il
compianto Jim Clark con la mitica Lotus 33
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La Lotus 33
è una vettura monoposto impiegata in Formula 1, progettata da
Colin Chapman e costruita dal Team Lotus. Il progetto si basava sulla
precedente Lotus 25 portando la progettazione del telaio monoscocca ad
un nuovo livello. Sulla 33 veniva usato nuovamente il motore Climax da
1.500 cm³. La Lotus 33 era quasi identica alla 25 anche se
aveva il progetto delle sospensioni realizzato intorno ai nuovi e
più grandi pneumatici. Inoltre era più rigida e di
costruzione meno complessa delle vetture precedenti.
Realizzata per la stagione 1965, la 33 vinse con Jim Clark alla prima gara che si tenne in Sudafrica.
Durante la stagione la Lotus 33 vinse altre quattro volte conquistando
così il secondo titolo. Clark non partecipò alla gara di Monaco, gara mai vinta da Clark, per correre alla 500 miglia di Indianapolis
dove arrivò primo.
Rispetto al motore della Lotus 25 il nuovo Climax aveva una potenza
massima di 215-220 hp contro i circa 200 della versione precedente. La
potenza maggiore venne ottenuta a scapito dell'affidabilità e Clark fu
costretto al ritiro tre volte durante la stagione 1965. Fortunatamente
per lui questi ritiri non compromisero la sua corsa al titolo. La 33
venne utilizzata anche con il motore Climax V8 dalla cilindrata portata
a 2 litri grazie ad un alesaggio superiore e venne utilizzata per le
prime gare della stagione 1966 fino a quando non venne preparata la Lotus 43 con il motore BRM da 3 litri.
La Lotus 33 prese parte, sempre con Jim Clark alla guida, anche a
competizioni esterne al campionato del mondo e nel 1967 vinse la Tasman
Cup.
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| La Brabham BT20 è un'autovettura da Formula 1 realizzata dalla Brabham nel 1966.
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La BT20 fu sviluppata da Jack Brabham e Ron Tauranac ed era dotata di un
telaio spaceframe multi-tubolare in alluminio ricoperto da una
carrozzeria in fibra di vetro. Il propulsore che la equipaggiava era un
Repco V8 3.0 da 311 cv di potenza derivato da un modello creato dalla
Oldsmobile.
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Jack Brabham
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Ma
nel '67 su molte vetture comparvero delle appendici che
avrebbero stravolto la forma delle monoposto negli anni a
venire: le ali. L'introduzione delle appendici alari, sfruttando
la notevole spinta in basso prodotta, permise di incrementare
notevolmente le velocità di percorrenza delle curve e il
problema derivante dalla notevole resistenza all'aria che tali
appendici generavano venne quasi subito superata introducendo
gli alettoni mobili.
Queste appendici evolute venivano regolate direttamente dal
pilota in corsa, il quale, agendo su una leva, le inclinava
prima della frenata per rallentare più efficacemente,
percorreva la curva velocemente, sfruttando la maggior
aderenza sull'asfalto e una volta nel rettilineo posizionava
l'ala in orizzontale, così da minimizzare il freno aerodinamico
e sfruttare appieno la potenza del motore. Tuttavia lo scarso
livello della tecnologia dell'epoca e anche l'impossibilità di
evitare guasti ad un così delicato meccanismo, causarono
numerosi tragici eventi, che culminarono con un drammatico
incidente nel GP di Spagna del '69, dove cedettero le ali sulle
Lotus di Rindt e Hill. Per la prima volta il potere sportivo
impose dei limiti sull'aerodinamica delle vetture imponendo
delle ali fisse.

Jack Brabham - 1967 Test Brabham BT24
La vettura aveva in dotazione il medesimo propulsore che equipaggiava le
precedenti BT19 e BT20, e cioè il Repco V8 620, il quale era però stato
potenziato con diverse migliorie per ottenere una potenza di 350 cv. Le
migliorie comprendevano un nuovo basamento e nuove testate, e queste
ultime furono realizzate in configurazione uniflow, in quanto i condotti
di aspirazione e di scarico si trovavano localizzati nella medesima
parte. Le testate erano piatte e le camere di combustione erano ricavate
direttamente nel cielo dei pistoni. Queste, denominate Heron, vennero
impiegate per la prima volta su questa vettura ed ebbero una bona
notorietà successiva. La distribuzione era nuovamente monoalbero con
comando a catena e punterie a bicchiere e due valvole parallele per ogni
cilindro. Queste ultime avevano un diametro di 43 mm per quanto
riguarda quelle di aspirazione e 34 per quelle di scarico. Gli scarichi
fuoriuscivano dalle testate nella zona rivolta verso il centro della V
formata dalle due bancate di cilindri. Il telaio tubolare era formato da
un traliccio di tubi.
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GLI INIZI
La stagione 1970 si apre con una certezza: l’aerodinamica. Temperate le
iniziali esuberanze grazie ai nuovi regolamenti, l’aerodinamica,
o meglio il suo corretto sfruttamento, diventano la nuova
frontiera della ricerca applicata alle corse.
Il concetto di deportanza rivoluzionò la concezione delle corse. Fino a
quel momento le vetture da corsa dovevano essere fondamentalmente
veloci, il più veloci possibile, per raggiungere la massima
velocità nei rettilinei, che erano la parte predominante di ogni
circuito. Velocità dell’ordine di 340 km/h erano state
raggiunte sui circuiti più veloci già negli anni ’30, e si
dovrà aspettare il 1982 perché vengano raggiunte di nuovo. Le
monoposto però, fino all’avvento dell’aerodinamica, dovevano
rallentare in maniera radicale per affrontare le curve. In questo
modo la differenza fra velocità massima e velocità di
percorrenza delle curve era enorme. Si pensi che le Auto Union del
1936 disponevano di 520 HP e di velocità di punta dell’ordine
dei 345 km/h. Su di un circuito velocissimo come Monza, un giro
era percorso alla media di circa 180 km/h. Trent’anni dopo le
monoposto, con circa 330-350 cavalli, e velocità massime non
superiori ai 280 km/h, giravano su quel circuito ad una media di
circa 200 km/h. Con l’avvento dei dispositivi aerodinamici, nel
1969 le monoposto migliori, con circa 420 HP ed una velocità massima non superiore ai 270 km/h, girarono a Monza a 236
km/h di media. Questi dati devono essere valutati in termini di
efficienza globale. Un motore potentissimo poteva essere usato per
andare forte in rettilineo, ma la velocità in curva restava
subordinata all’aderenza al suolo. Questa, a sua volta, era
legata alla sezione dei pneumatici, al loro coefficiente di
attrito, alla capacità delle sospensioni di tenere il pneumatico
aderente al suolo. Questi fattori erano, fino all’avvento delle
appendici aerodinamiche, evidentemente bassi, perché la velocità
di percorrenza della curva rimaneva molto distante dalla velocità
massima che la vettura poteva sviluppare in rettilineo. Il ricorso ai dispositivi aerodinamici ha quindi permesso di ridurre in
modo drastico la differenza fra velocità massima e velocità di
percorrenza delle curve. Si era quindi verificato un paradosso: il
tempo guadagnato in rettilineo da una vettura velocissima, ma
lenta nelle curve, era inferiore al tempo guadagnato da una
vettura lenta in rettilineo ma veloce nelle curve. A questa nuova concezione delle corse automobilistiche verrà subordinata
tutta l’evoluzione dello sport motoristico, fino ai nostri
giorni
Vediamo ora in dettaglio come la ricerca aerodinamica ha influenzato lo
sviluppo di tutti i settori.
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1-TELAI La spinta aerodinamica verso il basso, ottenibile
con gli alettoni, poté essere subito quantificata nell’ordine
delle centinaia di chili. Questo peso ‘virtuale’ aumenta e diminuisce
in funzione della velocità, per sparire a vettura ferma. Ciò nonostante,
quando una vettura si muove ad alta velocità, é effettivamente
sottoposta a questo carico aggiuntivo. Lo sviluppo telaistico
quindi mirò prima di tutto all’ottenimento della necessaria robustezza
senza andare a scapito del peso reale. E’ infatti noto che le
prestazioni di una vettura, intese come possibiltà di accelerare
e frenare in tempi (e quindi spazi) brevi, sono innanzitutto influenzate
dal rapporto peso/potenza (o kg/HP). Le monoscocche di prima generazione
(del tipo Lotus 25), composte da pannelli di lega leggera rivettati
su ordinate di magnesio o leghe leggere, erano ormai superate.
Lo sviluppo dei telai delle F.1 si rivolse naturalmente alla industria
aeronautica, dove il peso è da sempre il nemico principale. All’inizio
degli anni ’70 si vide l’avvento delle prime scocche in scatolato
in lega di alluminio, di chiara derivazione aeronautica (Vedi
Fig. 5).
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La
crescente velocità di percorrenza delle curve sottoponeva il telaio
a forze di torsione sempre più alte, spingendo i costruttori a
sofisticati calcoli per determinare le forze torsionali e trovare il
modo di contrastarle. La rivettatura dei pannelli si rivelò
anch’essa superata, e verso il 1975 apparvero i primi esempi di
scocche incollate con i collanti anaerobici di recente messa a
punto. La tappa successiva fu il ricorso ai materiali compositi,
anch’essi di derivazione aeronautica, costituiti da pelli
metalliche incollate su una struttura alveolare. La prima scocca di
questo tipo (McLaren, 1976) era composta da pannelli di pelli di
alluminio incollate su di uno strato di legno di balsa. La rapida
evoluzione dei compositi portò all’adozione dello honeycomb,
struttura composta dalle solite pelli di alluminio incollate su di
una matrice di cellette esagonali (come negli alveari, da cui il
nome). Questi nuovi materiali hanno permesso di ottenere telai
leggerissimi (una scocca nuda di quel periodo poteva pesare circa 70
kg) ed allo stesso tempo estremamente rigidi. Nonostante questi
miglioramenti strutturali, il tipo di telaio in uso fino al 1970
ricalcava le forme di quelli degli anni sessanta, essendo
invariabilmente caratterizzato dal radiatore frontale e da serbatoi
del carburante laterali (che furono all’origine di molti incidenti
a causa della facilità all’incendio). Colin Chapman presentò nel
1970 la sua Lotus 72, monoposto assolutamente rivoluzionaria per
varie ragioni. Essa aveva infatti
-
forma a cuneo, coi radiatori sdoppiati laterali al posto di guida
-
ripartizione dei pesi con preponderanza al posteriore, per favorire
la trazione
-
sospensioni a flessibiltà variabile (v.2.2.)
-
freni anteriori entrobordo (v. 2.3.) per diminuire le masse non
- alettone posteriore
in più profili, per migliorare il rapporto fra deportanza e resistenza
Come la Lotus 25 aveva rivoluzionato la formula 1 nel 1962, così la F.1
non poté essere più la stessa dopo la Lotus 72. Anche se alcuni
costruttori impiegheranno anni a convincersi della bontà della
formula (Ferrari adotterà i radiatori laterali solo nel 1974)
la strada del futuro era quella indicata dalla Lotus 72, come
confermato dalle venti vittorie in Gran Premio, due titoli piloti
(Rindt 1970 e Fittipaldi 1972) ed un titolo Costruttori ( 1972).
Un’altra monoposto innovativa del 1970 é stata la ferrari 312B progettata
da Mauro Forghieri. Fedele al 12 cilindri, dopo le deludenti prestazioni
del precedente V-12 a 60° (che in quattro anni vinse solo tre
G.P.) la casa modenese passò ad un inedito 12 cilindri a 180°,
detto (impropriamente) boxer. Questo motore, che gareggerà in
varie versioni per più di dieci anni, aveva fin dall’inizio una
notevole potenza (450 HP, cioè 150 HP/litro nel 1970) ed il vantaggio
di spostare in basso il baricentro. Nonostante il resto della
vettura fosse abbastanza tradizionale (radiatore anteriore, sospensioni
convenzionali, per quanto con ammortizzatori interni alla scocca)
la 312B fu l’unica monoposto a opporsi regolarmente alla Lotus
72. I suoi punti di forza erano l’ottima omogeneità, dovuta appunto
al baricentro basso, un’ottima distribuzione dei pesi e una grande
potenza disponibile. Vinse quattro Gran Premi nel 1970 con Ickx
e Regazzoni.
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2 - MOTORI.
Come già detto, gli
anni ‘70 furono dominati da due motori: il Ford Cosworth V8 ed il
Ferrari 12 boxer. Alcune vittorie andarono anche ad altri V-12: il
Matra francese ed il B.R.M. inglese. L’evoluzione dei motori passò
per l’ottimizzazione di iniezione (sempre di tipo indiretto e
meccanico dell’inglese Lucas), accensione (di tipo elettronico
senza contatti), e della fasatura della distribuzione. Questi
miglioramenti portarono ad un costante, sebbene non spettacolare,
aumento del regime di rotazione e quindi della potenza disponibile.
Il boxer Ferrari ad esempio, passò dai 450 HP (150 HP/litro) a
11.000 g/m nel 1970 ai circa 520 HP (174 HP/litro) a 12.300 nel
1980. Il Cosworth V8 dai 400 HP 134 HP/litro) a 9750 g/m nel 1966 ai
490 HP (164 HP/litro) a 10800 g/m nel 1979. Nonostante la maggior
potenza, i V-12 furono sempre penalizzati da maggior peso, maggior
consumo, minore elasticità a basso regime.
E’ infine doveroso
segnalare il tentativo della Lotus di fare correre, nel 1970,
una monoposto a turbina, la 56B. Questa monoposto era derivata
dalla Tipo 56 che, nel 1968, aveva ridicolizzato i rivali americani
alla 500 miglia di Indianapolis, dove si ritirò a una ventina
giri dalla fine, dopo avere guadagnato un vantaggio incolmabile.
Dotata di una turbina Pratt & Whitney di derivazione aeronautica
e della trazione integrale, nelle mani di Emerson Fittipaldi corse
alcuni Gran Premi, senza grandi risultati, prima di essere bandita
dalla CSI.
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