• Luca Ruocco

Ibrido Ferrari: Quanto e Come Aiuta la SF21?


Cristiano Barni / Shutterstock.com

Nelle ultime settimane si è parlato a lungo del nuovo sistema ibrido di casa Ferrari.


Il rinnovato progetto degli ingegneri di Maranello ha vissuto una lunga gestazione e, come ribadito più volte dalle fonti ufficiali, ha trovato spazio a bordo della vettura 2021 principalmente allo scopo di verificarne prestazioni e durata in vista della stagione 2022.


La nuova architettura si basa su una vera e propria rivoluzione nel concetto elettrico della Power Unit del Cavallino Rampante. Il voltaggio dell’impianto è infatti praticamente raddoppiato, raggiugendo (si vocifera) la soglia degli 800 Volt, un valore caratteristico del sistema Mercedes ormai da diverse stagioni.


Ogni componente interessato dal cambiamento (MGU-H, MGU-K, batteria e centralina) ha subito un profondo rinnovamento per adeguarsi alla novità tecnica, il che – prevedibilmente, dati gli obiettivi del progetto – ha permesso di ridurre le masse in gioco e aumentare sensibilmente le prestazioni dell’ibrido di Maranello.


Come quantificare tale miglioramento, dati i pareri discordanti nei media e la reticenza a fornire informazioni precise degli ingegneri Ferrari? Corrisponde al vero la teoria secondo la quale è impossibile ‘guadagnare cavalli’ da aggiornamenti ai sistemi elettrici di una Formula Uno?


IL RISPARMIO DI MASSA e IL VANTAGGIO NELLA RICERCA DEGLI ASSETTI

Prima di addentrarci nei meandri del sistema ibrido di una Formula Uno è importante sottolineare alcuni vantaggi per nulla secondari degli aggiornamenti introdotti tra Sochi e Istanbul sulle SF21 di Leclerc e Sainz.


L’incremento del voltaggio ha infatti reso possibile una sensibile riduzione di massa nei componenti interessati dal rinnovamento, ed in particolare nella batteria. Dato che quasi tutte le monoposto in griglia corrono sin dal Bahrain alla soglia della massa minima (746 kg a secco), il vantaggio risiede principalmente nel disporre di una più grande quantità di zavorra; le centinaia di grammi recuperati nelle varie componenti vengono perciò spostati in zone più ‘basse’ della monoposto, il che ha effetti benefici sulla dinamica del veicolo.


Il secondo, enorme giovamento di un sistema ibrido più ‘potente’ – definiremo molto meglio questo aggettivo tra poco – risiede nell’ampliamento dello spettro di assetti disponibili durante i fine settimana di gara. Un motore più prestazionale permette infatti di scegliere ali più cariche, il che dà vantaggi sia diretti – veri e propri punti di carico aerodinamico – sia indiretti, soprattutto nella gestione delle gomme.


Buona parte dei miglioramenti nelle prestazioni della Ferrari, quindi, vanno e andranno ricercati nelle conseguenze secondarie di un sistema ibrido migliorato, il che rende ancora più complesso quantificare eventuali incrementi di potenza della Power Unit.


Non per questo, però, si deve rinunciare a scovare il cuore di tali miglioramenti.


LA POWER UNIT

Al fine di comprendere le dinamiche dei recenti miglioramenti motoristici della Ferrari è imprescindibile avere ben presente l’architettura di una Power Unit di Formula Uno.


Lo schema poco sopra (puramente descrittivo, la disposizione reale è alquanto differente) mostra i componenti principali dei propulsori attuali, esclusa la centralina di controllo (CE).

  • Energy Storage (ES): è la batteria della monoposto. Non può essere caricata a vettura spenta, se non per mantenere i livelli minimi di sopravvivenza (100 kJ), mentre il valore massimo di energia immagazzinata nella stessa è pari a 4 MJ. (I Joule sono l’unità di misura convenzionalmente utilizzata per l’energia, ndr).

  • Internal Combustion Engine (ICE): è il motore a combustione interna, un V6 da 1600cc con angolo di 90° tra le bancate. È responsabile della maggior parte della coppia (e quindi della potenza) che giunge alle ruote, anche se i valori reali delle stesse sono ovviamente segretissimi. Ipotizzando per semplicità che una Power Unit attuale sprigioni 1000 cv, 837 cv arriverebbero dal motore.

  • Turbocharger (TC): è il gruppo turbocompresso, formato da non più di una turbina e un compressore calettati sul medesimo albero, a sua volta collegato alla MGU-H.

  • Heat Motorgenerator (MGU-H): è il motore elettrico collegato alla turbina. Seguendo a grandissime linee il principio di funzionamento di una dinamo, impone una coppia resistente alla stessa per recuperare energia o, al contrario, ne fornisce una di segno opposto per accelerare lei e, soprattutto, il compressore. Ritorneremo nel dettaglio sull’argomento.

  • Kinetic Motorgenerator (MGU-K): è il motore elettrico collegato all’albero di trasmissione. Fornisce coppia alle ruote o, in caso contrario, agisce come un freno recuperando energia cinetica altrimenti dispersa.

Una volta individuati i componenti principali del motore, è necessario addentrarsi nel funzionamento della porzione ibrida dello stesso per acquisire (o rinfrescare) le conoscenze necessarie a comprendere la portata delle novità di casa Ferrari.


Prima di farlo, occorre ricordare il più importante concetto di questa analisi: la potenza non è altro che il rapporto tra l’energia e il tempo. Ciò sta a significare che un organo meccanico più potente sarà capace di fornire la stessa quantità di energia in un tempo minore o, parallelamente, nello stesso arco di tempo fornirà una più grande quantità di energia rispetto ad un componente meno potente.


MGU-K

Il motogeneratore cinetico è l’unico componente elettrico di una Power Unit capace di fornire coppia motrice alle ruote.


Perché ciò accada lo stesso deve ricevere una determinata quantità di energia elettrica, imprescindibile al suo funzionamento. Tale passaggio può avvenire in due modi: direttamente dalla batteria, ma per non più di 4 MJ ad ogni giro, o in quantità illimitata dall’MGU-H.


La somma dell’energia in ingresso deve essere erogata all’albero di trasmissione senza superare i 120 kW (163 cv) di potenza. Ricordando quanto enunciato in precedenza (tempo = energia / potenza, invertendo il rapporto), maggiore sarà la quantità di energia che giunge all’MGU-K, per più tempo lo stesso fornirà 163 cv all’albero motore; tale potenza si sommerà a quella fornita dal V6.


Perché fornisca energia elettrica, la batteria deve essere ricaricata: nel caso del motogeneratore cinetico, il valore di energia diretto alla batteria non può superare i 2 MJ ad ogni giro. È quindi immediato comprendere come sia necessario un secondo componente che ricarichi la batteria, altrimenti destinata a recuperare solamente metà dei 4MJ al giro forniti all’MGU-K.


MGU-H

Il motogeneratore calorifico (traduzione e nome orrendi, ma tant’è) è il più complesso componente attualmente utilizzato in Formula Uno, tanto che il mastodontico gruppo VW ha legato l’ingresso in F1 dal 2026 al suo abbandono, talmente impegnativa e costosa ne è la progettazione.

Oltre che energeticamente geniale, tale componente opera secondo principi tutto sommato comprensibili.


Anzitutto, i flussi di energia in ingresso e in uscita dall’MGU-H sono illimitati in quantità. Tutte le operazioni che descriveremo subito sotto, quindi, avvengono senza limiti energetici, se non lo scaricarsi vero e proprio della batteria.


L’MGU-H può funzionare secondo diversi scenari:

  • eliminazione del turbolag: in questa configurazione la batteria fornisce energia al motore elettrico, il quale aumenta la propria velocità di rotazione trascinando a sé la turbina e, soprattutto, il compressore. Così facendo, il ritardo nella risposta del turbo è pressoché eliminato.

  • carica della batteria: una volta raggiunto il regime di progetto della turbina, l’MGU-H agisce come una dinamo applicando una coppia frenante all’albero del turbocompressore, il che evita che il gruppo si sovraccarichi. Così facendo, la variazione nel segno della coppia agente sul motore elettrico determina un flusso opposto di corrente elettrica, tale da caricare la batteria.

  • alimentazione dell’MGU-K: tale flusso elettrico può al contrario by-passare la batteria, dirigendosi direttamente al motogeneratore cinetico. Ciò fornirà energia allo stesso in quantità illimitata, rappresentando la quota aggiuntiva ai 4 MJ provenienti dalla batteria, come accennato in precedenza.


Il video mostra chiaramente (e in maniera alquanto spettacolare) l’intervento dell’MGU-H nella dinamica della turbina. All’uscita dalle varianti si può ascoltare infatti in maniera inequivocabile l’apertura della valvola wastegate, necessaria a limitare la portata di gas di scarico in entrata alla turbina. In queste fasi il motore elettrico aumenta la velocità del gruppo turbocompresso e, per evitare sovraccarichi, la valvola si apre deviando parte del flusso proveniente dalle bancate del V6. Raggiunto un buon punto di funzionamento del gruppo, l’MGU-H inizia a lavorare come ‘dinamo’, limitando il regime di rotazione della turbina – e del compressore -, rendendo così superflua l’apertura della valvola, il che cambia nuovamente il suono del motore.


L’efficacia nella gestione del gruppo turbocompresso tramite l’MGU-H è talmente elevata che la wastegate è diventato un componente opzionale in F1, eventualità impossibile in assenza di un motore elettrico calettato alla turbina.


I GUADAGNI DEL NUOVO IBRIDO FERRARI

Come valutare nella maniera più semplice e veritiera possibile i guadagni garantiti dal nuovo ibrido del Cavallino Rampante? Basta concentrarsi sull’energia.


I componenti elettrici rinnovati hanno tutti, inevitabilmente aumentato la propria efficienza. La batteria si carica e scarica più velocemente, le prestazioni dei motori sono migliorate e le perdite ad essi associate sono drasticamente diminuite. È intuitivo comprendere come tutto ciò si traduca in un guadagno di energia disponibile ad ogni giro.


Come abbiamo ampiamente descritto, tale energia – visti i limiti di flusso dalla batteria all’MGU-K – dovrà per forza di cose transitare dall’MGU-H.


Lì potrà aiutare il compressore o, nel caso provenga dalla turbina, viaggiare verso l’MGU-K e finire alle ruote. Ciò avverrà in maggior quantità rispetto alla versione di ibrido precedente; le minori perdite, infatti, 'libereranno' parte dell'energia altrimenti destinata a ricaricare la batteria.


Ovviamente le logiche di gestione del sistema sono ben più complesse, intrecciate e interdipendenti di quanto fin qui descritto, il che le rende uno dei maggiori campi di ricerca attuali per i motoristi di Alpine, Mercedes, Ferrari e Honda.


La più logica delle strade vedrebbe chiudersi qui il discorso basandosi solo su concetti legati all’energia, il vero ‘motore immobile’ di qualunque organo meccanico.


Volendo però tradurre in unità di misura più comuni i guadagni raggiunti nella nuova Power Unit Ferrari, potremmo servirci di un esempio alquanto semplificato.


Ipotizziamo il nuovo ibrido permetta di ottenere 1 MJ in più ad ogni giro:

  • ipotizzando che l’MGU-K lavori sempre a massima potenza (120 kW = 163cv), tale valore finirà all’albero di trasmissione per (1 MJ / 120 kw) = 8.33 secondi in più ad ogni tornata.

  • ipotizzando una durata del giro di 90 secondi ed un’erogazione costante della potenza, tale potenza corrisponderà a (1 MJ / 90 s) = 11 kW = 15 cv recuperati nell’arco della tornata (un valore proprio casuale..).

È quindi nominalmente corretto affermare che la potenza massima del motore elettrico (MGU-K) capace di fornire coppia all’albero di trasmissione sia limitata per regolamento, e quindi non si possano recuperare cavalli agendo sull’ibrido.


Come abbiamo compreso, però, la partita vera si gioca al tavolo dell’energia

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