F1: il segreto dell’iniezione Ferrari, un brevetto Mahle

La rottura traumatica del motore di Sebastian Vettel ha acceso i riflettori sull’affidabilità Ferrari. Si è parlato di un cedimento di una valvola a causa di un errato funzionamento del softwere che sovraintende il nuovo sistema di iniezione messo appunto da Maranello in collaborazione con la Mahle. Ora grazie a qualche documento che la stessa società tedesca chiamata in causa direttamente per le cause del problema ha messo in rete, siamo in grado di spiegare meglio come funziona il nuovo sistema di iniezione che la Ferrari sta usando per far si che il suo motore endotermico arrivi al livello di potenze dell’unità Mercedes. La prima cosa che la Mahle ha tenuto a precisare è che il suo sistema di iniezione chiamato Turbolent Jet Injuction non ha nulla a che fare con il sistema HCCI, che dovrebbe essere usato dalla Mercedes. Allora partiamo dal capire che cosa userebbe la Mercedes, il condizionale è di obbligo non avendo certezze.

HCCI sta per Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engines. Ovvero Sistema di iniezione e compressione a carica omogenea. HCCI è un sistema in cui il combustibile e l’aria vengono compressi al punto di accensione in modo spontaneo, in sostanza non necessiterebbe della scintilla per accendere la miscela aria / carburante.  Questo permette di avere la stessa quantità di energia dalla combustione, rispetto ad un  tradizionale a ciclo con tradizionale scintilla dalla candela, consumando meno carburante. Ovviamente il pensiero va subito ai 100Kg/h che sono obbligatori per regolamento. Una determinata concentrazione di combustibile ed aria sarà ad una determinata pressione si accende in modo spontaneo quando raggiunge la sua temperatura di autoaccensione. Questo può avvenire mediante un alto rapporto di compressione  o un preriscaldamento della miscela utilizzando i gas di scarico reintrodotti in modo controllato nella miscela. Questo sistema nasce per ridurre al minimo gli NOx per le normative antinquinamento progettato proprio da Mercedes nel 2007 che faceva lavorare il suo motore sperimentale come un ibrido ciclo otto/diesel da qui il nome Diesotto!  In F1 il sistema va riprogettato per avere maggiore potenza riducendo i consumi ma soprattutto per adeguarlo all’obbligo di avere una candela che fornisce scintilla.  Come abbiamo sempre detto si parla di potenza intelligente piuttosto che di potenza pura. Come è stato adattato il sistema nato per le norme severe alla F1, non è dato sapere ma ci sa spunto per capire come funzione quello della Ferrari.

Il sistema che ha ideato la Mahle per la Ferrari ha lo stesso scopo di quello Mercedes ma lo fa in modo sostanzialmente diverso. Nella testa del motore viene ricavato un pozzetto dove si trova un elemento che contiene sia l’iniettore che la candela. I due elementi vanno a congiungersi in un condotto o canaletto a forma di “Y” detto precamera. Come molti che avranno i capelli grigi ricorderanno i Diesel anni fino agli anni 80, avevano una precamera dove mediante delle candelette preriscaldavano il gasolio che poi finiva ad una pressione più alta nella camera di combustione dove avveniva l’autoaccensione, i diesel infatti non hanno candele, inoltre consumano meno con una maggiore coppia. Nel sistema Ferrari avviene una cosa simile, solo che per regolamento la candela deve esserci obbligatoriamente, quindi la scintilla avviene pre-accendendo la benzina nella parte iniziale del condotto. La preaccensione aumenta la pressione della benzina che mediante un apposito foro arriva nella camera di combustione vera e propria e con una polverizzazione ad alta pressione con un andamento turbolento del flusso benzina, si auto-accende completando la combustione per poi essere espulso dalla valvola di scarico.

Come molti progettisti soprattutto quelli che si ingegnano per far viaggiare a miscela magra di benzina per consumare meno i motori di serie, per avere una combustione omogenea e corretta, questa si deve contenere il più possibile vicino all’elettrodo della candela, per indurre una combustione con un movimento a spirare che deve essere omogenea. Per ottenere ciò i più avanzati motori hanno delle camere ricavate nel cielo del pistone con altissimo rapporto di compressione per consentire una miscela raccolta che impedisce la detonazione. Un fenomeno questo che induce la miscela ad autoaccendersi deflagrando. La combustione non omogenea riduce la pressione sul pistone nella fase si espansione perdendo potenza, ma soprattutto crea picchi di calore altissimi che mettono a dura prova tutti i componenti interni alla camera di combustione come le valvole di scarico, appunto quella che si è rotta sul motore di Vettel. A questo punto sembra plausibile la motivazione che dava la colpa della traumatica rottura al sistema di controllo dell’accensione  o della preaccensione della miscela. Se c’è una falla nel sistema di controllo che non si accorge che nella camera di combustione non arriva la giusta quantità di benzina pre-accesa nella giusta pressione, si potrebbe verificare la detonazione. Un fenomeno che se deleterio e facilmente controllabile su un motore di serie con un sensore per battito in testa, in F1 per motori così spinti basta anche solo una condizione critica per mandare in crisi un componente come la valvola di scarico.

Da quello che è dato sapere è stato modificato il programma di controllo per evitare che ciò succeda di nuovo. Inoltre la Mahle tende a precisare che il suo sistema è talmente diverso dal Mercedes che ha un brevetto a parte e ha anche dei margini di sviluppo che potrebbe contenere ancora di più i consumi per aumentare la potenza a seconda della richiesta. Si parla di un rendimento del 45%, mentre in Mercede dichiarano 48%. Va da se che un tale lavoro fatto dal produttore tedesco, non è un risultato facile da raggiungere per chi come Renault e Honda non hanno l’appoggio della Mhale. In Mercedes hanno un centro ricerca che fa impallidire la NASA, ed in Honda dopo l’avvicendamento tecnico al vertice dei motoristi sembrano che stiano lavorando ad una soluzione simile, mentre i francesi sono ancora a fare i conti con il problema costi benefici. Alla luce di quanto detto si può anche capire perchè la RedBull avrebbe preferito mettere le mani sulla unità propulsiva della Ferrari 2015 che non aveva questo sistema per lavorarci magari assieme alla TAG in modo indipendente. Usare un tale sistema di iniezione abbassa la temperatura di esercizio del motore che può usare masse radianti più piccole con un aerodinamica più estrema, cosa molto cara al team anglo/austriaco.  Resta da capire a questo punto i dettagli del modo di ottenere potenza consumando meno della Mercedes, anche per capire se i tedeschi hanno ancora margini di miglioramento. Di buono c’è che quando nel famoso 1996, una partita di pistoni ultra-sofisticati brevettati dalla Mahle si ruppero sulla Ferrari di Schumacher nel giro di formazione, l’azienda tedesca ci mise la faccia, corresse il problema e da allora mai più una rottura così traumatica. C’è da sperare che anche questa rottura anch’essa nel giro di formazione per un componente progettato Mahle, si sia la stessa reazione che porti la Ferrari ad un recupero netto sulla Mercedes.

Daniele Amore