Dietro le limitazioni evolutive della F1: la Lotus ad effetto suolo ed il ventilatore della Brabham

Rubrica: Curiosità della tecnica da corsa

Titolo o argomento: Il bivio storico della F1 tra ruote scoperte e ruote coperte

Segue dagli articoli:
Dietro le limitazioni evolutive della F1
Dietro le limitazioni evolutive della F1: le Mercedes W196 a ruote coperte integralmente carenate

L’evoluzione tecnica del regolamento degli anni ’70 si basò su punti quali il miglioramento delle protezioni laterali delle monoposto, l’aumento della rigidezza della scocca, e la maggiore protezione del serbatoio della benzina. Queste richieste influenzarono incisivamente le scelte aerodinamiche operate sulle vetture in fase di progettazione e spinsero involontariamente i progettisti sulla strada dell’effetto suolo. Inizialmente si tentò, in modo blando, di ottenere una sorta di sigillo a terra montando, sugli spigoli inferiori delle fiancate, delle bavette di materiale flessibile. Fu il caso delle Brabham e McLaren degli anni 1974-’75. Non si ottennero però i risultati sperati, mancava infatti una forma aerodinamicamente efficiente del fondo-scocca in grado di sfruttare al meglio l’idea del sigillo a terra.

Nel 1977 la Lotus sorprese il mondo delle corse automobilistiche con una straordinaria vettura il cui corpo si ispirava ad un’ala rovesciata. Il fondo si comportava esattamente come il dorso di un’ala ed il sigillo a terra fu garantito dapprima da autentiche “spazzole” in plastica, successivamente da “minigonne” rigide e snodate fatte a compasso. Quest’ultime erano montate su strutture rinforzate che assolvevano anche la funzione di protezione laterale, esattamente come richiesto dai nuovi regolamenti. Ciononostante ci si rese ben presto conto della pericolosità della soluzione. I progettisti si spinsero agli estremi possibili immaginabili riducendo sempre più gli abitacoli (i quali arrivarono a soli 38-45 centimetri di larghezza nella parte inferiore) per ampliare l’apertura alare ed ottenere un maggiore effetto suolo. Si arrivarono ad ottenere ben 400 chilogrammi di carico aerodinamico (siamo nel 1979), un valore decisamente penalizzante alle velocità di punta ma straordinariamente favorevole per una elevata velocità di percorrenza delle curve nelle quali si raggiungevano accelerazioni trasversali da 1,8 a 2 g. Le vetture stavano diventando “costruzioni pericolose”. Nei primi anni ’80 fu il delirio, i progettisti non si moderarono e le loro vetture, con carichi aerodinamici di punta pari a ben 2 tonnellate e mezzo, raggiungevano i 3 g di accelerazione trasversale.

Così come furono vietate le carenature sulle ruote, furono ben presto vietate le soluzioni aerodinamiche in grado di generare l’effetto suolo e nacque il fondo piatto (1983). Oggi sulle deportanze aerodinamiche vale l’assioma che vede la deportanza stessa come un ausilio alla sicurezza attiva solo ed esclusivamente entro certi limiti. Oltre una determinata soglia di deportanza, infatti, una monoposto viene definita, per l’appunto, una “costruzione pericolosa”. Da tale assioma emerge una chiara spiegazione ad una buona parte delle incessanti polemiche mosse dal pubblico.

Degna di nota è la soluzione piuttosto curiosa, e a dir poco geniale, adottata sulla Brabham BT 46B nel 1978. Questa era dotata di un grande ventilatore al retrotreno, si giustificò la sua presenza dicendo che permetteva un migliore raffreddamento del motore. In realtà le squadre avversarie intuirono subito che si trattava di un dispositivo in grado di generare una depressione sul fondo della monoposto. Il debutto della BT 46B fu vincente e, nonostante le controversie mosse dalle squadre rivali, il ventilatore fu abolito per questioni di sicurezza nei confronti degli altri piloti.

Continua…

Lotus F1 1978 ad effetto suolo

Lotus F1 del 1978 sono chiaramente visibili le minigonne che garantivano il sigillo a terra.
Image’s copyright: the-blueprints.com

Brabham F1 BT 46B del 1978

Brabham F1 BT 46B del 1978 caratterizzata dalla generosa ventola posteriore per
generare depressione sotto il fondo vettura.
Image’s copyright: the-blueprints.com

Dietro le limitazioni evolutive della F1: le Mercedes W196 a ruote coperte integralmente carenate

Rubrica: Curiosità della tecnica da corsa

Titolo o argomento: Il bivio storico della F1 tra ruote scoperte e ruote coperte

Segue dall’articolo introduttivo:
Dietro le limitazioni evolutive della F1

Le limitazioni regolamentari in realtà non sono nate con la Formula Uno. Nei primi anni, infatti, il regolamento era assai permissivo ed ingegneri e tecnici potevano dar libero sfogo alla propria creatività. Solo nel 1954, quando la Mercedes tornò alla Formula Uno dopo un periodo di pausa, si iniziò a pensare di definire meglio i canoni della F1. La Mercedes quell’anno schierò due tipi di vetture, una tradizionale a ruote scoperte ed una con carenatura completa delle ruote come avveniva sulle vetture Sport. Per la seconda tipologia di vettura vennero condotti i primi studi della storia della F1 in galleria del vento su un modello in scala 1:1. Lo scopo della Mercedes era quello di lasciare alla “pista” il verdetto finale sulla soluzione migliore. La Mercedes W196 a ruote scoperte (Cx = 0,74), con una resistenza aerodinamica di 80 kg, era in grado di raggiungere i 158 km/h mentre la versione carenata (Cx = 0,54), a parità di resistenza, toccava i 175 km/h. La velocità massima della W196 era di 250 km/h, velocità alla quale la versione a ruote coperte otteneva una resistenza aerodinamica inferiore di ben 37kg rispetto alla sorella priva di carenatura integrale. La casa di Stoccarda esordì con le sue nuove vetture al circuito di Reims in Francia dove Fangio, al volante della W196 integralmente carenata, raggiunse per la prima volta i 200 km/h di velocità massima all’interno di un circuito. Si trattò di una scelta che rischiò, per poco, di cambiare l’impostazione tecnica della massima formula di vetture da competizione, se non fosse stato per un problema tanto semplice quanto rilevante, il peso.

Le W196 con carenatura integrale andavano fortissimo solo sui circuiti veloci di Reims e Monza, durante le restanti corse, invece, mostravano difficoltà nelle accelerazioni dalle più basse velocità. Nel bilancio le migliori performances erano offerte dalle vetture a ruote scoperte. E’ opportuno però sottolineare che le carenature dell’epoca erano ottenute da lamierati ed i materiali compositi facevano parte di un futuro molto lontano. Ogni lamiera in più costituiva una massa gravante sul veicolo ed era in grado di pregiudicare sia le prestazioni del motore che la maneggevolezza del veicolo stesso. Dopo due anni di dominio (1954-55) la Mercedes abbandonò nuovamente le competizioni e la Formula Uno divenne definitivamente la massima formula per le vetture sportive a ruote scoperte. Oggi il regolamento della F1 vieta l’adozione di carenature, poste sulle ruote, che migliorino le performances aerodinamiche delle vetture, al fine di non permettere il raggiungimento di velocità eccessive tali da pregiudicare il controllo ottimale del veicolo. Nulla esclude però che in futuro, in seguito a nuove possibili limitazioni inflitte ai motopropulsori, si permetterà di compensare significative perdite di potenza con altrettanto significativi perfezionamenti dell’aerodinamica allo scopo di raggiungere le medesime velocità attuali.

Continua…

Mercedes Benz W196 ruote coperte

Mercedes Benz W196 ruote scoperte

Mercedes W196 integralmente carenata (in alto), ovvero a ruote coperte e Mercedes W196 a
ruote scoperte (sopra). Ingrandendo le immagini cliccandoci sopra, si possono apprezzare
le linee morbide e avveniristiche per gli anni ’50.
Immagine tratta da una ricerca sul web. Se siete i proprietari del diritto d’autore dell’immagine,
potete chiederne la rimozione o indicarci il copyright da specificare. Image taken from research
on the web. If you own the copyright of the image, you can request its removal or indicate the
copyright to be specified.

Dietro le limitazioni evolutive della F1

Rubrica: Curiosità della tecnica da corsa

Titolo o argomento: Il regolamento e le limitazioni evolutive della F1

Se immaginiamo la Formula Uno come un’arena, i piloti come gladiatori e le vetture più performanti al mondo come delle belve affamate di asfalto, è facile immaginare quanto i regolamenti possano influenzare lo spettacolo ed il gradimento degli spettatori. Operando variazioni regolamentari è possibile mescolare le carte in tavola e ribaltare situazioni favorevoli per taluni team e sfavorevoli per altri. La ricerca del soddisfacimento degli spettatori, che alimentano un business miliardario, pone quindi in evidenza la questione di effettuare opportune variazioni regolamentari affinché ogni team si dedichi a trovare la soluzione migliore ad ogni problema nel minor tempo possibile. Gli effetti riscontrati sono ottimi soprattutto se si pensa che il pubblico, rassegnato nel vedere meno spettacolo che in passato, segue comunque le gare con la curiosità di sapere chi riuscirà a prevalere sugli avversari. La Formula Uno comunque, a differenza degli spettacoli dell’antica Roma, è una realtà civilizzata ed oltremodo evoluta ragione per cui non tutti i divieti, e le limitazioni subentrate dal 1948 (anno di nascita della massima categoria automobilistica), sono stati sviluppati per ribaltare situazioni di possibile monotonia, bensì anche per conferire la priorità ad un tema risultato dominante in particolar modo dopo i tragici incidenti degli anni ’60, la sicurezza. Le pagine dei regolamenti di decenni di stagioni di Formula Uno sono colme di voci che normalizzano la realizzazione di ogni singola parte della vettura in funzione della sicurezza che ne deriva per il pilota (e per gli spettatori presenti sulle tribune). Al contrario le pagine degli annuari di analisi tecnica delle monoposto sono colme di nostalgiche immagini di soluzioni ingegneristiche di rilievo puntualmente limitate o abolite. Questo perchè la FIA, in seguito all’enorme esperienza maturata, definisce “costruzione pericolosa” una monoposto in grado di raggiungere eccessive velocità di percorrenza in curva. Nonostante i tracciati più moderni degli ultimi anni siano caratterizzati da grandi vie di fuga, chi regolamenta il circus deve tener conto della presenza, in calendario, di tracciati con scarse, se non assenti, vie di fuga. Prima degli anni ’60 il regolamento della Formula Uno si basava su due soli canoni, regolamentare la costruzione delle monoposto sia a vantaggio della tecnica, per stimolare la ricerca di nuove soluzioni, sia a vantaggio dello sport, cercando di offrire ai piloti mezzi il più possibile equivalenti. Solo in seguito il regolamento incontrò una espansione via via crescente delle norme ponendo una rigorosa attenzione nel definire e limitare ogni minimo dettaglio che potesse influenzare il limite delle prestazioni e, di conseguenza, la sicurezza. Oggi il regolamento della F1 si basa su molti più temi che in passato. Il primo, neanche a dirlo, è proprio il tema della sicurezza seguito dall’imparzialità, la conservazione dei nomi storici (squadre, costruttori, aziende coinvolte), la riduzione dei costi ed il divertimento da assicurare al pubblico. Vediamo di seguito alcuni esempi storici di divieti nati in seguito a clamorose evoluzioni tecniche.

Continua…

Link correlati

Dietro le limitazioni evolutive della F1
Dietro le limitazioni evolutive della F1: le Mercedes W196 a ruote coperte integralmente carenate
Dietro le limitazioni evolutive della F1: la Lotus ad effetto suolo ed il ventilatore della Brabham
Dietro le limitazioni evolutive della F1: dai diffusori della Brawn GP agli scarichi soffiati della…

Attenzione: la versione integrale del mio articolo relativo al regolamento ed alle limitazioni evolutive della F1, è stata pubblicata sulla rivista di divulgazione scientifica Newton (numero di Aprile 2012) il cui sito web è: www.newtonline.it. Chi desidera ordinare un numero arretrato può contattare il servizio abbonamenti di Newton al numero: 02-76391923.

Dalla Mercedes di Fangio alla Ferrari di Alonso

Newton Cover 04/12. Image’s copyright: Ri.Do Servizi Editorali.

Bisonti da corsa – Fia Truck Racing Championship

Rubrica: Eventi

Titolo o argomento: Fia Truck Racing Championship

Motrici dalla mole impressionante dotate di motori oltraggiosi, si sfidano senza riserve nel campionato Fia Truck Racing Championship. Con una massa pari a 5,5 tonnellate (di cui 3,3 scaricate all’avantreno), una cilindrata di 13.000 centimetri cubici e potenze prossime ai 1.200 cavalli, questi “bisonti da corsa” al loro passaggio fanno letteralmente tremare il tracciato, le tribune e la vostra gabbia toracica. La partenza è un momento a dir poco sconcertante, si tratta di una partenza lanciata dove è vietato sorpassarsi prima della linea del traguardo. Passata la linea la gara ha inizio, venti motrici affamate di asfalto aprono il gas a manetta, il rombo è da brivido e la sua consistenza massima è avvertibile unicamente al primo giro ove il gruppo è compatto. Assolutamente da non perdere. I piloti dei truck si impegnano ad affrontare le curve del circuito senza risparmiare i propri mezzi e le opportunità di attacco che frequentemente si traducono in azioni spettacolari al limite del ragionevole. Osservare, sentire, percepire due motrici da 1.200 cavalli arrivare insieme alla staccata del rettilineo dei box a 160 km/h (velocità massima consentita per regolamento) per poi frenare violentemente innescando fumate furibonde e rumori sinistri, va al di là di ogni immaginazione… deve essere visto con i propri occhi e sentito con le proprie orecchie ed il proprio corpo. Sembra quasi di vedere due palazzi che si affiancano e si sfiorano, alle volte si toccano o sbattono letteralmente, entrando in curva insieme. Assurdo! Ed è quando il retrotreno cede la presa a terra, e si scompone, che si rimane a dir poco sbalorditi nell’osservare simili bestioni riprodursi in traversi controllati sotto la guida magistrale dei loro esperti piloti mente le gomme supplicano, fumano, fischiano con quel suono cupo e terrificante che sa di perdita di controllo e disastro imminente. Invece no, alla curva successiva sono di nuovo affiancati con parti di carrozzeria spenzolanti pronte a staccarsi di lì a poco. Inizia un nuovo rettilineo, i piloti aprono il gas, il sibilo del turbo è inconfondibile, le ruote motrici pattinano e le 5,5 tonnellate accelerano con straordinaria disinvoltura grazie ai 5600 Nm di coppia massima espressi dai poderosi motori. Attenzione però, il regolamento è molto chiaro e al contempo severo, è vietato emettere fumo nero dagli scarichi, pena la squalifica o severe penalità. Quando i primi prendono margine, i piloti che seguono non si perdono d’animo ed il livello rimane alto. Nel tentativo di recupero alcuni piloti prendono rischi via via maggiori fino a mettere “alcune” ruote sull’erba alzando spettacolari nuvoloni di polvere in frenata o arrivando a girarsi completamente con straordinari testacoda. Per fortuna siamo in pista, la sicurezza è massima, un’uscita o una sbandata di troppo hanno come unici effetti grandi fumate delle gomme che prima si abradono bloccate sull’asfalto e poi sollevano grandi quantità di polvere non appena superato il confine con la terra o la ghiaia delle vie di fuga. ABS, controlli di trazione e di stabilità sono vietati per regolamento, tutto è nelle mani esperte dei piloti, anche il cambio delle marce non ha alcuna assistenza elettronica ed è completamente manuale. Nella scheda che segue riportiamo i dati di uno dei mezzi che ha preso parte alla competizione.

Scheda

Ciclo motore: diesel
Tipo: 6 cilindri in linea
Posizione: centrale
Alesaggio: 131 mm
Corsa: 158 mm
Cilindrata: 12,8 litri
Massa motore: 1140 kg
Valvole per cilindro: 4
Sistema di iniezione: iniettori pompa elettronici
Potenza massima: 1160 cavalli
Coppia: 5600 Nm
Regime massimo: 2600 giri/min
Cambio manuale: 16 rapporti
Velocità: 160 km/h (velocità autorizzata in gara)
ABS: non consentito
TC: non consentito
ESP: non consentito
Telaio: rinforzato su specifiche FIA per il miglioramento dell’handling
Freni: dischi anteriori e posteriori, 1 pinza per ruota
Sistema frenante: a comando pneumatico con raffreddamento dischi a nebulizzazione d’acqua
Cabina: in acciaio, derivata da quella di serie
Equipaggiamento cabina: telaio di sicurezza, reti di protezione, sedili avvolgenti con cintura, interruttore di circuito, estintore.
Massa veicolo: 5500 kg

Link correlati
European Truck Racing Championship

Galleria fotografica

Fia Truck Racing Championship - Misano World Circuit Truck Racing - Bagarre Truck Racing Championship - Sorpassi motrici camion Sorpassi motrici camion - Truck Racing Soggettiva Truck Racing Renault Truck Racing Championship - Bagarre Truck Racing championship - Partenza lanciata Primo piano Renault Truck Derapata Truck Racing Man Staccata al limite - Truck Racing Championship Truck Racing Championship - Lotta per il podio Truck Racing - Il vincitore di gara 1 Misano 2012 Truck Racing - Curva al limite Truck Racing - Il vincitore di gara 2 Misano 2012

Image’s copyright: www.ralph-dte.eu

Bielle a coltello e forchetta – Fork and Blade

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Soluzione “coltello e forchetta” per le bielle dei motori a V

Nonostante sulla quasi totalità dei motori ad elevate prestazioni, con schema a V, sia adottata la soluzione che prevede, per ogni perno di biella, una coppia di bielle affiancate (confluenti quindi sulla stessa manovella), risulta di particolare interesse tecnico osservare anche la soluzione “Fork and Blade” ovvero la soluzione delle bielle a “coltello e forchetta”.

Influenza sulla lunghezza del motore

Se da un lato le bielle tradizionali presentano il vantaggio di un disegno semplice che permette di realizzarle con processi produttivi altrettanto semplici e costi relativamente contenuti, dall’altro però impongono uno sfalsamento dei cilindri delle due bancate pari alla larghezza di una testa di biella. Il motore risulta pertanto più lungo e tale condizione può causare non pochi problemi in taluni progetti. Nei motori dotati di bielle a “coltello e forchetta” ciò non si verifica e le due bancate sono perfettamente simmetriche grazie alla sovrapposizione della testa di biella a forchetta sulla testa di biella a coltello che porta gli assi verticali delle bielle sullo stesso piano.

Gli attriti

Altro aspetto fondamentale da notare riguarda gli attriti. L’esperienza di decenni di motorismo insegna che conviene far lavorare il cuscinetto con la massima possibile forza media, cioè conviene far lavorare in modo alterno le forze provenienti dalle due bielle sullo stesso cuscinetto anziché scaricarle su due cuscinetti indipendenti. Questo significa che la soluzione “Fork and Blade” risulta favorita, sotto questo punto di vista, dalla presenza di un singolo cuscinetto.

La geometria e la massa

Infine è opportuno tener conto degli aspetti legati alla geometria delle due soluzioni, la biella a forchetta, presenta una geometria più complessa rispetto alla biella a coltello (o alla biella di tipo tradizionale), la sua particolare conformazione a forchetta pecca per la tendenza ad allargare o stringere le gambe. Tale fenomeno pregiudica l’affidabilità dell’imbiellaggio ed il problema viene corretto mediante l’adozione di un apposito vincolo, tipo incastro, atto a ridurre i momenti flettenti. Anche la massa della soluzione “Fork and Blade” risulta leggermente più elevata rispetto a quella di una comune coppia di bielle. Le ovvie conseguenze hanno effetti che si ripercuotono sul regime di rotazione raggiungibile e sulla necessità di  dotare l’albero a gomiti di contrappesi adeguati i quali aumentano, di conseguenza, anche la massa dell’albero stesso.

Bielle Fork e Blade - Vista dal basso

Coppia di bielle Fork e Blade – Vista dal basso
Gli scatti sono stati eseguiti nello studio fotografico del nostro lab.
Image’s copyright: www.ralph-dte.eu

Bielle Fork e Blade - Vista laterale

Coppia di bielle Fork e Blade – Vista laterale
Gli scatti sono stati eseguiti nello studio fotografico del nostro lab.
Image’s copyright: www.ralph-dte.eu

Bielle “fratturate”

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: La frattura dei cappelli di biella

Fino a qualche anno fa le bielle delle normali vetture stradali presentavano la superficie di contatto, tra il cappello di biella e la semitesta di biella, perfettamente liscia. Questo perchè il processo produttivo di una biella, destinata ad un motore 4 tempi, prevede che inizialmente essa venga realizzata in un sol pezzo e, in un secondo momento, il cappello venga separato mediante lavorazioni per asportazione di trucioli. Le superfici di contatto vengono poi lavorate al fine di ottenere un ottima finitura superficiale. Ciò permette di garantire un contatto ottimale tra le due parti nel momento in cui vengono serrate le viti.

Il problema di questa soluzione, però, risiede principalmente nel fatto che, dopo un buon numero di chilometri percorsi (200.000-300.000), il foro ottenuto tra il cappello di biella e la semitesta di biella, si ovalizza. Generalmente si misura un diametro maggiore sull’asse orizzontale del foro rispetto al diametro misurato sull’asse verticale. La rotazione della testa di biella (durante il ciclo di funzionamento del motore) imprime una sollecitazione alle viti (taglio e flessione) ed al cappello (flessione) il quale tende a traslare rispetto alla sua corretta posizione. Il ripetuto tentativo di movimento dalla posizione d’origine porta uno stress nelle fibre del materiale che tendono a cedere allungandosi in direzione dello sforzo. Ne derivano ovvi problemi di affidabilità del motore a seguito del mancato rispetto delle tolleranze di accoppiamento tra la biella ed il perno di biella presente sull’albero motore. Anche il velo d’olio non si forma più in modo omogeneo e le bronzine non riescono a lavorare correttamente andando a deformarsi ed accusando una lubrificazione irregolare laddove il diametro è aumentato.

Un’interessante soluzione, volta ad evitare simili problemi,  prevede che le bielle vengano ottenute comunque in un sol pezzo ma con la fondamentale differenza che il cappello, invece di essere separato per asportazione di trucioli, viene ottenuto per frattura. Fratturare il cappello di biella produce una superficie rugosa piuttosto regolare (a patto che il materiale utilizzato lo permetta), questa è in grado di assicurare in modo “solido” il contatto tra cappello di biella e semitesta di biella. A mano, senza avvitare le viti, è possibile constatare come il cappello di biella, anche solo con una leggera pressione delle mani, non tenda assolutamente a muoversi dalla sua posizione. Ovviamente ogni cappello di biella può essere montato solo sulla sua specifica biella e solo nel verso in cui è stato fratturato. In sostanza ogni cappello è diverso dall’altro. I vantaggi riscontrati sono l’assenza di fenomeni di ovalizzazione anche dopo un abbondante numero di chilometri percorsi, e l’inutilità di dotare le bronzine di appositi fermi che le mantengano in posizione corretta. La procedura di frattura consiste nell’incidere il punto di frattura desiderato sulla biella (costituita ancora da un sol pezzo), dopodiché si separa idraulicamente il cappello della biella adoperando pezzi sagomati semirotondi i quali vengono pressati nel foro della testa di biella.

Il metodo della frattura, a differenza di quanto si possa pensare, non viene adottato solo sulle bielle in ghisa sferoidale, bensì anche sulle bielle in acciaio ottenute per sinterizzazione* o per sinterforgiatura. Non è invece praticabile su bielle in acciaio forgiato per stampaggio in quanto la frattura produrrebbe schegge decisamente pericolose e inaffidabili. Le bielle sinterizzate hanno proprietà meccaniche migliori rispetto alle bielle forgiate per stampaggio, di conseguenza il dimensionamento può essere meno generoso e di conseguenza anche la loro massa.

*Si tratta di bielle ottenute in polvere d’acciaio legato come pezzo fucinato sinterizzato.

Cappello di biella fratturato - Biella in ghisa sferoidale

Nell’immagine sopra le viti del cappello di biella sono volutamente svitate per far notare l’andamento
irregolare della superficie di contatto tra semitesta di biella ed il cappello di biella. Con il cappello
perfettamente serrato risulta persino difficoltoso individuare la giunzione e la biella sembra realizzata
in un sol pezzo. E’ proprio la rugosità data dalla frattura a garantire una tenuta perfetta.
Gli scatti sono stati eseguiti nello studio fotografico del nostro lab.
Image’s copyright: www.ralph-dte.eu

Cappello di biella fratturato - Vista del pezzo smontato

La biella smontata mostra la superficie di contatto irregolare della semitesta di biella
e del cappello di biella. La biella, dapprima ottenuta in un sol pezzo, viene divisa dal suo
cappello idraulicamente mediante dei pezzi semirotondi pressati nel foro della biella stessa.
Gli scatti sono stati eseguiti nello studio fotografico del nostro lab.
Image’s copyright: www.ralph-dte.eu

Lotus Omnivore: dal downsizing al possibile upsizing

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Downsizing e upsizing motoristico

Con il termine “downsizing motoristico” si esprime la tendenza dei progettisti a ridurre la cilindrata di un motore, in modo più o meno marcato, cercando di mantenerne invariate le prestazioni. Questa pratica ha riscosso successo per i motori con architettura a 4 tempi i quali, quando funzionano con carichi parziali (ossia durante la maggior parte del tempo d’utilizzo), soffrono di notevoli perdite legate anche alla presenza della farfalla, con conseguente calo del rendimento complessivo. La stessa cosa però non avviene nei motori 2 tempi. Gli ingegneri Lotus, infatti, fanno notare come il motore 2 tempi non soffra di significative perdite ai carichi parziali e come questa caratteristica sia molto favorevole all’uso automobilistico. Per questa fondamentale ragione il motore 2 tempi è libero di essere dimensionato in modo tale da ottimizzare i consumi per la marcia a carico parziale. Il downsizing in tal caso non è più una pratica essenziale ma, al contrario, vista la migliore efficienza ottenuta e le minori emissioni inquinanti prodotte ai carichi medio bassi da Lotus Omnivore, si pensa addirittura ad un approccio di “upsizing motoristico” con il fine di incrementare ulteriormente l’efficienza. Il lavoro futuro di Lotus si concentrerà su ulteriori analisi del funzionamento del motore Omnivore in particolar modo alimentandolo con benzina, etanolo e metanolo.

Se siete “smanettoni” e volete visionare e provare un’animazione interattiva del motore, cliccate sulla voce indicata più avanti e si aprirà una interessante applicazione in una nuova finestra (Attenzione! Il diritto d’autore dell’applicazione appartiene a Lotus Cars). Una volta premuto il tasto START e letta la nota introduttiva, potete premere OK e cliccare sul tasto d’accensione del motore. Il motore si avvia, ora potete impostare il carico (e quindi l’azione sull’acceleratore), la velocità del motore ed il tipo di alimentazione. Al lato sinistro delle voci “Trapping” e “VCR” è presente un semplice comando di zoom, cliccandovi sopra potete osservare agevolmente un primo piano del funzionamento della valvola di intrappolamento e della camera di combustione. Per vederle muovere entrambe agite sulla regolazione della velocità e del carico del motore. Operando delle variazioni di carico potrete osservare quando la candela entra in funzione e quando si disattiva. Infine, spegnendo il motore, avrete modo di operare variazioni manuali della valvola di intrappolamento e del rapporto geometrico di compressione, inoltre potrete muovere lentamente il motore.

Animazione interattiva Lotus Omnivore

Attenzione! Il diritto d’autore dell’applicazione appartiene a Lotus cars.

Link correlati

Lotus Omnivore: il ritorno prepotente del 2 tempi
Lotus Omnivore: inedite caratteristiche
Lotus Omnivore: dal downsizing al possibile upsizing
Animazione del motore Lotus Omnivore durante il suo funzionamento

Lotus Omnivore - Immagine del prototipo

Immagine del prototipo Lotus Omnivore. Si nota la costruzione semplificata per fini di ricerca.
Image’s copyright: Lotus cars

Lotus Omnivore: inedite caratteristiche

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Peculiarità dell’architettura 2 tempi di Lotus Omnivore

Architettura

Il motore Lotus Omnivore si basa su un’architettura 2 tempi abbinata ad una camera di combustione a geometria variabile (sistema denominato VCR: Variable Compression Ratio) che può essere sollevata od abbassata, riducendo o aumentando il rapporto geometrico di compressione, a seconda delle condizioni di utilizzo del motore e del carburante che lo alimenta. Una moltitudine di test sono stati condotti su rapporti geometrici di compressione compresi tra 10:1 e 40:1 (in caso di necessità possono essere effettuate ulteriori variazioni). Modificare il rapporto geometrico di compressione permette di ottimizzare l’efficienza della combustione ed operare un controllo sul processo stesso di combustione massimizzando il range di autoaccensione. Il movimento della camera di combustione è controllato dall’EMS (Engine Managment System) e attuato da due alberi eccentrici. Una valvola di intrappolamento della carica, posta allo scarico, permette di variare in modo continuo l’apertura della luce di scarico e di dar luogo a fasature asimmetriche.

Valvola di intrappolamento

La valvola è azionata dal motore mediante un eccentrico ed un semplice sistema di leve, essa inoltre è controllata dall’EMS che apporta opportune correzioni al variare del regime di rotazione. La fasatura della valvola allo scarico è progettata in modo tale che l’apertura della luce di scarico sia pressoché massima quando l’eccentrico si trova al punto morto in posizione completamente sollevata (in questo istante il pistone ha quasi raggiunto il punto morto inferiore). Quando il cielo del pistone ha completamente scoperto la luce di scarico (il pistone ha quindi raggiunto il punto morto inferiore) e sta per iniziare la sua risalita, la fasatura permette alla valvola di scarico di rimanere aperta ancora alcuni istanti evitando restrizioni durante l’effetto blow down. Una volta che il pistone ha superato il punto morto inferiore ed inizia la sua risalita, la valvola si appresta a chiudersi ostruendo il passaggio alla carica fresca ed evitando quindi il noto e dispendioso travaso allo scarico classico del 2 tempi. A mano a mano che il pistone risale la valvola allo scarico continua la sua discesa sino a chiudersi completamente. Essendovi nel 2 tempi una fase utile ad ogni giro di manovella, il ciclo comincia nuovamente. La valvola di intrappolamento può essere utilizzata per migliorare l’intrappolamento della carica fresca, così come può essere adoperata per trattenere una parte dei gas combusti nel cilindro al fine di controllare l’auto-accensione o per ridurre l’emissione di NOx.

Accensione

La candela entra in funzione per l’avvio del motore a freddo o durante l’utilizzo con grandi carichi (e quindi ampie percentuali di apertura della farfalla, indicativamente maggiori o uguali all’80% c.a.), diversamente la combustione è ottenuta mediante accensione per compressione della carica omogenea (H.C.C.I.).

Fuel mix

A confronto con la benzina, i carburanti alcolici hanno un’elevata resistenza alla detonazione e permettono di massimizzare il rendimento termico solo in presenza di alti rapporti di compressione. E’ chiaro che un ordinario motore a combustione interna 4 tempi, con rapporto di compressione fisso, per poter bruciare più combustibili, deve giungere a compromessi sull’efficienza termica per evitare dannose detonazioni durante il funzionamento a benzina. Il sistema VCR (Variable Compression Ratio) di Lotus Omnivore permette di utilizzare diversi carburanti ottenendo sempre la massima efficienza termica senza bisogno di cambiare componenti all’interno del motore.

Iniezione

L’iniezione elettronica diretta completa e soddisfa egregiamente le necessità cui va incontro un simile motore. Lotus Omnivore utilizza il sistema di iniezione Orbital FlexDI il quale produce in modo ottimale la carica da bruciare indipendentemente dal tipo di combustibile adottato e favorisce l’efficienza della combustione anche all’avvio del motore a freddo. Il sistema di iniezione Orbital FlexDI è inoltre adatto per operare un controllo avanzato sull’accensione per compressione della carica omogenea (H.C.C.I.).

Struttura

Lotus Omnivore è costituito da una struttura monoblocco che rende cilindri e testata un unico corpo. Questa caratteristica evita l’utilizzo di una guarnizione della testa, aumenta la rigidezza dell’intero corpo motore, migliora l’affidabilità e la durata e ne riduce la massa (altro fattore che partecipa alla riduzione dei consumi).

Perchè 2 tempi?

Questo tipo di soluzione non è attualmente realizzabile su un motore 4 tempi (e quindi su un motore dotato di valvole a fungo) in modo affidabile ed economico; ciò significa che i tradizionali motori automobilistici non possono ancora essere ottimizzati per il funzionamento con differenti combustibili che necessitano di differenti condizioni all’interno della camera di combustione. La variabilità della posizione della camera di combustione è possibile grazie all’assenza delle valvole a fungo; questo motivo, assieme alla migliore resa durante i carichi parziali, ha privilegiato la scelta di una soluzione due tempi, piuttosto che quattro, per la realizzazione di Lotus Omnivore.

Continua…

Link correlati

Lotus Omnivore: il ritorno prepotente del 2 tempi
Lotus Omnivore: inedite caratteristiche
Lotus Omnivore: dal downsizing al possibile upsizing
Animazione del motore Lotus Omnivore durante il suo funzionamento

Lotus Omnivore - Dettaglio camera di combustione

Dettaglio camera di combustione di Lotus Omnivore. In sezione si notano gli elementi di tenuta.
Image’s copyright: Lotus cars

Lotus Omnivore - Dettaglio valvola di intrappolamento

Dettaglio valvola di intrappolamento, eccentrico e leveraggi di Lotus Omnivore.
Image’s copyright: Lotus cars

Lotus Omnivore: il ritorno prepotente del 2tempi

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Lotus Omnivore

Avevano dato per finito il motore 2 tempi, avevano persino affermato che il passaggio al 4 tempi nelle competizioni motociclistiche era motivato dalla necessità di ridurre i costi (???), asserivano che si era raggiunto il massimo sviluppo e che si trattava di una soluzione altamente inquinante (errata la prima affermazione, vera la seconda solo per i motori 2 tempi privi di iniezione elettronica diretta), ma qualcuno, saggiamente, ci ha creduto ed ha portato avanti la propria ricerca. Nomi come Athena, KTM e, a sorpresa, la prestigiosa casa automobilistica Lotus, hanno continuato la ricerca consci degli indiscussi vantaggi che questa soluzione può offrire per diverse applicazioni. La Lotus, in particolar modo, ha puntato sulla possibilità di ottenere particolari disegni e conformazioni delle camere di combustione le quali, essendo prive di valvole, offrono grande libertà ai progettisti.

Lotus Omnivore è un innovativo motore “due tempi onnivoro” a iniezione diretta, carica omogenea e accensione per compressione (H.C.C.I. – Homogeneous Charge Compression Ignition). Esso può essere alimentato a benzina, gasolio o con carburanti alcolici quali l’etanolo. Questa particolare caratteristica è resa possibile dall’adozione di una sofisticata camera di combustione a geometria variabile. Tale camera può essere sollevata o abbassata da un apposito azionamento elettromeccanico. La chiusura stagna della camera di combustione è assicurata da appositi elementi di tenuta, posti sul corpo semovibile, molto simili a quelli dei pistoni. Lotus Omnivore offre una riduzione dei consumi del 10% rispetto ai più moderni motori a iniezione diretta a carica stratificata. Le ricerche effettuate su questo motore lasciano adito al pensiero di un possibile cambio di paradigma circa le cilindrate ottimali da impiegare per ottenere la migliore economia di marcia. Pare infatti che con Lotus Omnivore si ottenga un risparmio di carburante incrementando la cilindrata (upsizing motoristico); ovviamente vi sarà un limite, sorpassato il quale, i consumi torneranno ad aumentare.

La prima fase di sperimentazione della camera di combustione a geometria variabile di Lotus Omnivore è stata completata con successo utilizzando normale benzina. Oltre agli interessanti risultati circa il ridotto consumo di carburante, si è potuto osservare come la formazione di una carica omogenea permetta l’accensione della miscela comburente-combustibile per compressione, quindi senza l’ausilio della candela, per carichi estremamente leggeri ma lungo un campo operativo del motore piuttosto esteso (anche durante un avvio a freddo). La ricerca ha puntato principalmente sull’utilizzo del motore in basso e con carichi variabili, ovvero simulando la tipica situazione del ciclo urbano. A 2000 giri al minuto e fino a circa 2,7 bar di pressione media indicata effettiva, il consumo specifico di carburante è risultato essere inferiore del 10% rispetto ai più moderni motori a iniezione diretta a carica stratificata ed autoconfinamento dello spray. Le emissioni riscontrate hanno offerto un interessante valore di 20 ppm di ossidi di azoto (a meno di 2,3 bar di carico) e valori equivalenti ai migliori propulsori quattro tempi di emissioni di idrocarburi incombusti e monossido di carbonio.

Tali test sono il preludio dello sviluppo di nuovi motori onnivori, con rapporto di compressione variabile in modo continuo, multi-cilindro, più efficienti, destinati prevalentemente alle vetture di segmento C e D. I benefici si traducono nel basso costo di realizzazione, nel minore ingombro che potrà sicuramente lasciar spazio a soluzioni ibride, nel risparmio di carburante, nella conseguente riduzione delle emissioni inquinanti e nello stimolo ad utilizzare in modo efficiente combustibili alternativi.

Continua…

Link correlati

Lotus Omnivore: il ritorno prepotente del 2 tempi
Lotus Omnivore: inedite caratteristiche
Lotus Omnivore: dal downsizing al possibile upsizing
Animazione del motore Lotus Omnivore durante il suo funzionamento

Lotus Omnivore - Schema motore

Schema motore Lotus Omnivore
Image’s copyright: Lotus cars