Guinguette Marais Poitevin

Questa è una versione ampliata di un articolo di Jack Kane apparso sul numero 029 di
RACE ENGINE TECHNOLOGY MAGAZINE

NOTA: Questo articolo è stato originariamente pubblicato nel 2008, e ha descritto i motori di Formula Uno e NASCAR CUP che erano in uso alla fine della stagione 2006. Da allora, ci sono stati grandi cambiamenti in F1, e alcuni (NOTATI all’interno dell’articolo) in NASCAR. Tuttavia, le intuizioni tecnologiche rimangono valide per quanto riguarda i motori attuali.

INTRODUZIONE

Alla fine della stagione 2006, sia la NASCAR Cup che la FIA Formula One avevano raggiunto i vertici della velocità dell’albero motore per le loro rispettive classi di sport motoristici: 10.000 e 20.000 RPM rispettivamente. Anche se il funzionamento a questi livelli di RPM è stato da allora superato dalla regolamentazione (l’uso sempre più rigoroso della NASCAR della sua “regola del cambio” e il limite di 19.000 RPM della FIA introdotto nel 2007, ridotto a 18.000 RPM per il 2009), sembrava interessante confrontare questi motori molto diversi per vedere quali, se ci sono, aree di comunanza potrebbero esistere.

BACKGROUND

Al fine di stabilire uno sfondo per questo articolo, i prossimi paragrafi forniscono un breve schizzo dei punti salienti di entrambi i motori.

Un motore di Formula Uno è certamente uno dei più raffinati, sviluppati, sofisticati pezzi di macchine sul pianeta. Si tratta di un motore da corsa puro, costruito appositamente, che, per la stagione 2006, è una configurazione V8 a 90°, con 2,4 litri (146,4 pollici cubi) di volume spazzato. Ci sono fondamentalmente poche restrizioni sull’implementazione. Queste poche restrizioni includono la configurazione V8 a 90° da 2,4 litri con un albero motore a 180°, 106,5 mm di distanza tra gli alesaggi, 98 mm di alesaggio massimo, nessun tubo di aspirazione a lunghezza variabile, nessun materiale composito a matrice metallica, 58 mm di altezza minima dell’albero motore e un ugello di iniezione per cilindro. I motori sono DOHC, a quattro valvole per cilindro con alettoni e valvole pneumatiche, con sistemi di accensione e iniezione controllati da un sofisticato sistema informatico digitale di gestione del motore. Il peso del motore è un minimo di 95 kg (209 lbs) e una restrizione dell’altezza del centro di gravità influenza ulteriormente le caratteristiche del pacchetto complessivo.

La FIA ha richiesto che ogni auto deve usare lo stesso motore per due incontri consecutivi di prove-qualifiche-gara o essere penalizzato, quindi la vita di progetto di un motore del 2006 era nell’ordine di 1350 km (840 miglia).

Alla fine della stagione 2006, i motori di Formula Uno usavano tipicamente una linea rossa di 20.000 RPM (a volte anche nel corso di un Gran Premio), e producevano una potenza di picco di circa 755 BHP a oltre 19.000 RPM, con una coppia di picco di circa 214 lb-ft (290 nm) a 17.000 RPM. Questi livelli di potenza e coppia sono 315 BHP/litro e 15,2 bar di BMEP rispettivamente.

I motori NASCAR “Cup”, in confronto, sono l’estremità opposta dello spettro di regolazione. Non solo sono più strettamente limitati per quanto riguarda le parti consentite, i materiali, le dimensioni, i pesi minimi dei componenti, ecc, ma devono essere derivati da un blocco di ferro (nominalmente) di produzione, V8 a 90° con attuazione delle valvole pushrod, teste a due valvole a cuneo e un singolo carburatore a quattro barili. Questi motori sono soggetti a vari parametri imposti dalla NASCAR ai quattro produttori concorrenti, oltre a quelli del regolamento pubblicato.

In particolare, il V8 della Coppa è limitato a un alesaggio massimo di 106,3 mm (4,185 pollici), un volume massimo di 5,86 litri (358 pollici cubi), un albero motore a 90°, bielle in acciaio, un singolo albero a camme posizionato a valle, seguicamma a punteria piatta di non più di 22.2 mm (0,875 pollici) di diametro, azionamento valvole a bilanciere & con aste di spinta in acciaio e bilancieri in alluminio o acciaio, teste cilindro in alluminio (approvate) con due valvole per cilindro con valvole elicoidali in acciaio, un singolo carburatore a quattro canne basato su un modello Holley specificato e una singola accensione controllata dal distributore. Il peso del motore è di circa 260 kg (575 lbs).

Ogni auto deve, per regolamento, utilizzare lo stesso motore per un incontro di gara completo (prove, qualifiche e gara) o essere penalizzato. Le gare sono tipicamente lunghe 300 – 500 miglia, quindi la vita di progetto di un motore è fino a 800 miglia.

Alla fine della stagione 2006, i motori della Cup avevano una potenza di picco di circa 820-830 BHP a circa 9000 RPM, e una coppia di picco di circa 520 lb-ft a circa 7500 RPM. Durante una tipica gara ovale, questi motori continuano a pedalare tra circa 7000 e 10.000 RPM. Ho un’autorità molto affidabile che, se non fosse per la regola della trasmissione finale, i motori Cup di oggi (2014) sarebbero in funzione vicino a 11.000 RPM.

AGGIORNAMENTO (e un altro breve sproloquio):

A partire dalla fine della stagione NASCAR 2014, i motori CUP (358 CI, singolo 4 barili, a GAS) avevano raggiunto circa 890 CV a circa 9000 RPM, e la regola del cambio ha limitato la loro velocità in pista a circa 9500 RPM. Coppia di picco era fino a oltre 540 lb-ft (BMEP di 227,5, rapporto di coppia di 1,51).

(NOTA che la tabella di confronto alla fine di questo articolo è basata su livelli di prestazioni 2006 di circa 825 HP e 481 lb-ft.)

A titolo di paragone, un sacco di costruttori di motori da corsa di oggi (2020) si eccitano e si vantano di fare 890 CV da un motore da 410 pollici cubici con iniezione di carburante individuale-8-runner, funzionante con carburante METHANOL.

È estremamente frustrante per me che questa incredibile configurazione del motore CUP è stata legiferata fuori dall’esistenza dalla NASCAR braintrust. Per la stagione 2015, nel presunto interesse di “costi ridotti” e “gare migliori”, questi geni hanno decretato che i motori CUP saranno dotati di un “Tapered Spacer” situato tra il corpo farfallato e il plenum di aspirazione. Questo distanziatore ammonta a poco più di una piastra restrittiva di fantasia, che limita la quantità d’aria che il motore può ingerire. Questo cambiamento di regole ha immediatamente ridotto la potenza del motore a circa 725 CV.

E mentre i burocrati della NASCAR blaterano di “ridurre il costo delle corse”, questo cambiamento di regole ha richiesto un’altra grande spesa di denaro R&D per sviluppare un nuovo pacchetto motore (camera di combustione, porte, canali del collettore, configurazione del plenum, profili delle camme, molle delle valvole, ecc. ecc.

Le aziende produttrici di motori, utilizzando camion pieni di soldi e competenze sorprendenti, lo hanno sviluppato dalla regione dei 725 CV fino a circa 750 CV.

Poi, come se questo non riducesse abbastanza la qualità delle corse, per la stagione 2019, i maghi del governo hanno legiferato un distanziale conico ancora più piccolo che consente solo circa 550 CV. —— HEY GUYS, avete già le auto XFINITY.

Per fortuna, posso andare dal concessionario all’angolo e comprare una STREET CAR con più potenza di quella.

“Brain-Dead-Brian” colpisce ancora! (Meno male che non ho più la patente NASCAR)

COMPARSA

Sulla base del rapporto tra CV e cilindrata, si potrebbe sostenere che il motore di Formula Uno è di gran lunga superiore (315 CV per litro contro 140 CV per litro). Tuttavia, data la latitudine di progettazione, che permette al motore di Formula Uno di funzionare bene a 20.000 RPM, forse ci sono criteri migliori con cui confrontare questi motori.

Il resto di questo articolo esamina diversi altri criteri per confrontare le prestazioni di questi due motori.

La tabella alla fine di questo articolo elenca questi criteri e altri numeri rilevanti in un formato side-by-side, con numeri di riga per ogni voce, al fine di rendere i riferimenti frequenti nel testo più facile da individuare.

Le dimensioni di base, il peso, la potenza e le cifre della coppia sono state ottenute da ingegneri che operano nei rispettivi campi e fornite sotto condizione di anonimato.

BMEP e MPS

Due dei parametri di confronto delle prestazioni più accettati sono la pressione media effettiva del freno (BMEP, spiegato QUI) e la velocità media del pistone (MPS, spiegato QUI).

La BMEP del motore di Formula Uno alla coppia massima (riga 13 della tabella) è di 15,17 bar mentre il motore Cup produce una BMEP di coppia massima di 15,12 bar (0,3% in meno).

Alla potenza massima, il valore BMEP della Formula Uno (riga 22 della tabella) è di 14,6 bar mentre la cifra Cup è di 14,0 bar (4,1% in meno).

E’ evidente che produrre 15,17 bar BMEP a 17.000 RPM e 14,6 bar a 19.250 RPM sono risultati notevoli, dato che il rapporto tra FMEP (Friction Mean Effective Pressure) e BMEP è molto più alto a Formula Uno che a Cup RPM.

Tuttavia, è sorprendente che la BMEP della Coppa (ricordate, camma a denti piatti, asta di spinta / bilanciere, due valvole per cilindro, carburatore singolo) è solo 0.3% in meno rispetto alla Formula Uno alla coppia di picco, e solo il 4,1% in meno rispetto alla Formula Uno al picco di potenza.

Ancora più rivelatore, al picco di potenza RPM (riga della tabella 19) il motore di Formula Uno MPS (riga della tabella 23) è 25,5 m/s (5025 ft/min), mentre quello del motore Cup è meno del 3% inferiore a 24,8 m/s (4875 ft/min). Alla linea rossa, il MPS della Formula Uno è di 26,5 m/sec, mentre il MPS della Coppa è un sorprendente 27,5 m/sec. Per mettere questi numeri in prospettiva, il professor Gordon Blair ha scritto (Race Engine Technology, numero 27) che 26,5 m/sec era il più alto che avesse visto.

Mentre si è cauti con gli empirismi, è interessante confrontare i valori nondimensionali di BMEP x MPS (bar x m/sec) al picco di potenza (tabella riga 24) e al picco di coppia (tabella riga 15).

Alla potenza di picco, il valore del motore Cup è solo del 7% inferiore a quello del motore di Formula Uno, mostrando ancora una volta le notevoli prestazioni estratte da questo V8 di serie. C’è una disparità maggiore alla coppia di picco (quasi il 9%), in gran parte dovuta alla maggiore differenza tra la potenza di picco e la coppia di picco nel motore Cup (15% della linea rossa contro l’11% della linea rossa per il motore di Formula Uno).

MOTORE DEL PISTONE

L’accelerazione netta imposta a un pistone è in realtà la somma di due curve indipendenti: l’accelerazione primaria e quella secondaria, mostrata nella figura 1 qui sotto e spiegata più ampiamente QUI.

Figura 1 – Componenti dell’accelerazione del pistone

L’accelerazione primaria (la linea blu nella Figura 1) è una curva del primo ordine, basata sulla velocità angolare dell’albero motore al quadrato, l’angolo di manovella e la lunghezza della corsa, mentre l’accelerazione secondaria (la linea verde nella Figura 1) è una curva del secondo ordine basata sulla velocità angolare dell’albero motore al quadrato, il doppio dell’angolo di manovella e il rapporto asta/ corsa.

Mentre la componente primaria dell’accelerazione del pistone ha magnitudine uguale ma segno opposto in alto e in basso, la componente secondaria (quella che è generata in virtù del movimento laterale della biella) ha un segno positivo sia in alto che in basso, come mostrato dalla linea verde. Quindi al PMS il picco secondario si aggiunge al picco primario, mentre al PMS il picco secondario si sottrae al primario, come mostrato dalla linea magenta.

Figura 2 qui sotto è un grafico dei profili di velocità e accelerazione del pistone per entrambi i motori al redline (linea 28 della tabella), 20.000 e 10.000 RPM rispettivamente.

Figura 2 – Velocità del pistone e confronto di accelerazione

Ci sono diversi elementi di interesse qui. Il primo (forse sorprendente) è che anche se la velocità dell’albero motore al limite della Formula Uno è il doppio di quella del motore Cup, la velocità di picco del pistone (linea 30 della tabella) per il motore Cup è in realtà del 5% maggiore di quella del motore Formula Uno al limite (44,6 m/sec contro 42,4 m/sec), come mostrato graficamente dalle linee gialle (CUP) e verdi (F1) in Figura 2.

Il rapporto asta/corsa influenza sensibilmente la forma della curva di accelerazione nella regione del PMI. Si noti che la curva della Formula Uno raggiunge il picco di accelerazione negativa al PMS, mentre la curva della Coppa è essenzialmente piatta per 26° su entrambi i lati del PMS.

Anche se la distanza centro-centro sull’asta della Formula Uno è di soli 102 mm (4,016 in), il grande rapporto asta/corsa (2,56) produce una componente di accelerazione secondaria relativamente piccola. Questo è utile, dato che con un albero a gomito piatto, le accelerazioni secondarie producono un considerevole scuotimento orizzontale.

Assumendo che non ci sia alcun offset dello spinotto del pistone, la massima accelerazione positiva del pistone avviene al PMS. Il gruppo alternativo esercita la massima forza di trazione sull’asta al PMS del ciclo di sovrapposizione perché non c’è praticamente nessuna pressione del cilindro per compensare la forza di accelerazione, mentre al PMS della combustione, la pressione del cilindro si avvicina al suo valore massimo di circa 85-90 bar, che annullerà completamente la forza di accelerazione di trazione e produrrà un grande carico di compressione sull’asta.

La grande differenza nell’accelerazione di picco del pistone (PPA) tra Formula Uno e Cup è nella direzione che ci si aspetterebbe dati i valori di velocità dell’albero motore. Alla linea rossa, il PPA della Formula Uno è di 10.622 g rispetto al valore della Coppa di 5821 g. Si noti che il PPA alla linea rossa (riga 31 della tabella) per il motore di Formula Uno è dell’82% maggiore di quello del motore della Coppa, mentre sia il picco che le velocità medie del pistone (righe 29 & 30) sono abbastanza simili per entrambi i motori.

Tuttavia, confrontare i livelli di forza che questi valori di accelerazione producono è rivelatore. Il pacchetto di pistoni della Formula Uno (pistoni, anelli, spinotto, anelli di sicurezza) pesa circa 295 grammi (righe 33-35). A 20.000 RPM, il PPA provoca un carico di trazione sul foro dello spinotto della biella (riga 41 della tabella) di 10622 g x 0,295 kg = 3133 kg (6894 lb), e il pacchetto di pistoni più la porzione alternata della biella esercita un carico di trazione di 4036 kg (8880 lb) sulla sezione trasversale della trave della biella (riga 42 della tabella) al CG (circa 1.

In confronto, il pacchetto pistone Cup (pistoni, anelli, spinotto, anelli di sicurezza) pesa circa 500 grammi (righe 33-35). A 10.000 RPM, il PPA causa un carico di trazione sul foro dello spinotto della biella (tabella riga 41) di 5821 g x 0,50 kg = 2911 kg (6403 lb), solo il 7% in meno del valore della Formula Uno. Allo stesso modo, il pacchetto pistone più la porzione alternata della biella esercita un carico di trazione di 3725 kg (8196 lb) sulla sezione trasversale del fascio di bielle (linea 42 della tabella) al CG (circa 1,66 pollici dal centro dell’estremità grande), solo l’8% in meno rispetto al motore di Formula Uno.

CONFRONTO DELLE BIELLE

Al fine di fare un confronto approssimativo dei livelli di stress e deflessione delle bielle, ho generato modelli stimati delle due bielle. Poiché non ho avuto il privilegio di vedere le bielle di nessuno dei due motori, ho usato alcuni dati noti sulle bielle della Coppa e della Formula Uno (lunghezza, peso, materiale, diametri dei perni di manovella e diametri degli spinotti dei pistoni) più alcune ipotesi educate.

Il materiale delle bielle della Coppa deve essere acciaio, e mi è stato detto che la lega 300 ksi ad altissima tenacità 300-M è usata frequentemente, anche se è stato suggerito l’uso di una lega maraging da 350 ksi ad alto contenuto di nichel e cobalto. Ha una configurazione ‘H’-beam, una lunghezza ballpark centerline di 157,5 mm (6,2 pollici), diametro del perno di manovella di 47 mm (1,85 pollici), diametro dello spinotto del pistone di 20 mm (0,787 pollici), e un peso minimo specificato di 525 grammi.

È stato pubblicamente dichiarato da un noto fornitore di tali aste che un’asta adeguatamente forte e rigida può essere fatta a ben al di sotto del peso minimo. Pertanto, è sicuro che il materiale è stato aggiunto alla canna dove può essere di maggior beneficio.

Una delle aree di maggiore deformazione sotto carico è l’ovalizzazione del foro dello spinotto del pistone sotto carico di trazione, che pizzica lo spinotto e quindi aggiunge alle perdite per attrito. Una sezione di trave più leggera è adeguata ai carichi di trazione, compressione e instabilità applicati. Quindi, per raggiungere il peso minimo di 525 grammi, ho indovinato l’esistenza di nervature di irrigidimento intorno al foro dello spinotto del pistone.

Lo stesso ragionamento è stato applicato all’asta della Formula Uno. Mi è stato detto che l’asta di Formula Uno è una disposizione ad H in titanio, con una lunghezza di 102 mm (4,016 pollici), 34 mm (1,34 pollici) di diametro del perno di manovella, 18 mm (0,709 pollici) di diametro dello spinotto e un peso dichiarato intorno ai 285 grammi.

Siccome la rigidità delle leghe di titanio è circa la metà di quella dell’acciaio, ho ipotizzato l’uso della lega di titanio ad alta resistenza e alto modulo 6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si Alpha-Beta per progettare la nostra asta stimata di Formula Uno. Questo materiale ha un alto modulo di Young (17,7 milioni) rispetto ad altre leghe di titanio, e una densità media, che permette di avere molto materiale (buona rigidità) pur mantenendo un peso basso. L’esistenza di nervature di irrigidimento dello spinotto del pistone è stata ipotizzata anche per questa asta, per le stesse ragioni dell’asta Cup.

I modelli stimati risultanti sono mostrati nell’immagine seguente (Figura 3). Avere questi modelli stimati permette la stima delle componenti di peso reciproco (estremità piccola) e rotante (estremità grande) di ogni asta, portando a un confronto dei carichi applicati alla trave dell’asta e al perno di manovella dai due motori.

Figura 3 – Stima delle aste F1 e Cup

Anche se i carichi di trazione applicati sono maggiori nel motore di Formula Uno (tabella riga 42), lo stress di trazione calcolato sulla trave dell’asta (tabella riga 44) è sostanzialmente inferiore nell’asta di Formula Uno a causa della sua maggiore sezione trasversale (0.429 in² contro 0.299 in² nei modelli CAD). Il livello di stress più basso nell’asta di Formula Uno riduce l’allungamento al TDC del titanio meno rigido, e aiuta l’asta a convivere con il limite ultimo, di snervamento e di resistenza del materiale in titanio, molto più basso.

Tuttavia, le sollecitazioni di trazione e compressione della trave su entrambe le aste non sono così grandi come le sollecitazioni intorno all’occhio del perno e alle nervature del coperchio. Entro i limiti di tempo imposti dalla generazione di questo articolo, sono stato in grado di fare alcuni studi FEA di entrambe le aste. Tutti gli studi hanno ipotizzato bulloni da 8 mm a resistenza estrema e hanno utilizzato 8000 libbre di precarico in ogni bullone, per fornire un sostanziale margine di serraggio da tappo ad asta.

Questi studi hanno mostrato che

1. Al massimo carico di compressione, le sollecitazioni e i margini di instabilità in entrambe le aste sono accettabili (anche se le aste della trave “I” hanno un margine di instabilità notevolmente maggiore agli stessi carichi rispetto alle aste della trave “H” di sezione simile),
2. Al massimo carico di trazione, le sollecitazioni sono accettabili e hanno margini dai rispettivi limiti di resistenza adatti alle loro vite di progetto, e
3. Le sollecitazioni nei bulloni delle aste sono molto alte (oltre 180.000 psi) ma con un precarico così alto, sono non cicliche, quindi probabilmente non soggette a rottura per fatica.

Gli studi hanno anche mostrato che con entrambe le aste, una maggiore ottimizzazione in termini di spostamento di materiale da aree meno sollecitate ad aree più sollecitate produrrebbe più rigidità e minori sollecitazioni nelle aree critiche. Le due immagini FEA (figure 4 e 5) mostrano le sollecitazioni per le configurazioni ipotizzate di Formula Uno e Cup rod.

Figura 4 – F1 Rod FEA

Figura 5 – Cup Rod FEA

IN SUMMARY

Tornando per un momento ai fondamentali, sappiamo che la potenza potenziale che qualsiasi motore può produrre dipende direttamente da due fattori:

1. la massa d’aria che può ingerire al secondo, e
2. il BSFC che può estrarre dal carburante.

Il parametro del flusso d’aria di massa comprende elementi tra cui il design della parte inferiore (capacità di RPM), il design del canale, della porta, della valvola e della camera, il profilo della camma e il design del gruppo valvole, e altri.

Il parametro BSFC comprende elementi tra cui il contenuto di calore del carburante, il rapporto aria-combustibile alla massima potenza, l’efficienza termica, l’efficienza meccanica, l’omogeneità della miscela, il movimento della miscela, il design della camera, la qualità della combustione e altri.

Il flusso d’aria di massa dipende da:

1. densità dell’aria e
2. efficienza volumetrica (VE).

Al 100% di VE, il volume d’aria che un motore a quattro tempi può ingerire è proporzionale a: RPM x Cilindrata ÷ 2. Per esprimere questo flusso d’aria potenziale, definirò il termine Potential Airflow Number (PAN) come:

È rivelatore esaminare la relazione tra potenza prodotta e flusso d’aria potenziale. Usando il flusso d’aria potenziale espresso dal PAN, posso generare un empirismo che esprime chiaramente questa relazione. Chiamiamolo Coefficiente di prestazione del motore (EPC) perché fornisce un’altra base (oltre a BMEP, BSFC, MPS e BHP/Cubic-Inch) per confrontare un motore con un altro. Questo fattore (EPC, tabella riga 9) comprende tutte le variabili di progettazione del motore.

Combinando i termini e riorganizzando l’equazione si ottiene:

Alla potenza di picco, l’EPC del motore di Formula Uno è:

Parimenti, alla potenza di picco, l’EPC del motore NASCAR Cup è:

È molto rivelatore considerare che la cifra EPC del motore Cup è solo del 4,3% inferiore a quella del motore F1. Ancora una volta, ricordiamo le limitazioni imposte al motore Cup. Alcune delle più gravi sono il sistema di valvole pushrod / rocker arm, due valvole per cilindro e il carburatore singolo.

Meno ovvie, ma molto significative sono le limitazioni come il diametro delle punterie piatte di 0,875. Questa restrizione limita fortemente la velocità del sollevatore (pollici/grado) che può essere raggiunta. Tuttavia, dal momento che il vero obiettivo è quello di raggiungere la velocità alla valvola, la gente del motore Cup ha evitato ordinatamente questa limitazione con grandi lobi della camma a base circolare, immensi rapporti del bilanciere e aste di spinta e bilancieri molto rigidi.

Considerando le restrizioni, la piccola differenza del 4,3% in EPC tra Formula Uno e Cup dà un’idea reale di quanto sia intelligente la gente del motore Cup.