Quanto Può Girare Velocemente un Motore di F1?

• Gli attuali motori di F1 sono limitati a 15.000 giri/min dalle regole FIA, ma normalmente funzionano tra 11.000 e 12.000 giri/min per massima efficienza.
• I vecchi motori di F1 come i V10 superavano i 20.000 giri/min, ma gli ibridi moderni si concentrano su erogazione di potenza, flusso di carburante e sostenibilità.
• Giri/min, coppia e cavalli lavorano insieme per ottimizzare accelerazione, velocità e affidabilità del motore in Formula 1.

I motori moderni di Formula 1 sono limitati da regolamenti FIA a un massimo di 15.000 giri al minuto (RPM), anche se la maggior parte dei team si attesta tipicamente tra gli 11.000 e i 12.000 RPM durante le gare per massimizzare la potenza e l’efficienza del carburante.

In epoche precedenti, specialmente con i motori V10, le auto di F1 potevano superare i 20.000 RPM, ma i progressi nella tecnologia ibrida, le restrizioni sul flusso di carburante e le misure di contenimento dei costi hanno abbassato tali limiti.

Le attuali unità turbo-ibride V6 da 1,6 litri danno priorità all’erogazione di potenza, affidabilità e sostenibilità piuttosto che al numero assoluto di giri/min.

Quanto può girare davvero un motore di F1?

Ci sono due modi per rispondere a questa domanda: il limite di giri attuale imposto dalla FIA e il potenziale fisico di giri dei motori di F1 non regolamentati.

• Limite regolamentare: Dal 2014, tutte le power unit di F1 sono limitate a 15.000 RPM. In assetto gara, funzionano tipicamente tra gli 11.000 e i 12.000 RPM a causa di curve di flusso carburante ed efficienza.
• Limite ingegneristico: Storicamente, i motori potevano girare molto più in alto. I V10 da 3,0 litri dei primi anni 2000 superavano regolarmente i 19.000 RPM. In fase di sviluppo, alcune unità superavano i 20.000 RPM.

Un esempio evidente di ambizione ingegneristica venne da Cosworth. Per perfezionare il proprio V10 alla fine degli anni ’90, Cosworth sviluppò un motore prototipale monocilindrico che girava fino a 20.000 RPM. Questo “test mule” permise loro di valutare il comportamento ad alto RPM, dinamiche di combustione e resistenza dei componenti senza il costo di utilizzare un intero motore a dieci cilindri.

Principali spunti tecnici:

• Test mule: Cosworth utilizzò motori monocilindrici per simulare le condizioni di un motore completo. Erano più semplici, economici e rapidi da testare.
• Fedele riproduzione dei giri: Questi mule matchavano il tasso di RPM dei motori interi, offrendo dati accurati su carichi di stress, comportamento del treno valvole e condizioni termiche.
• Extrapolazione della potenza: Il test mule monocilindrico del V10 da 900 CV produceva 90 CV. Allo stesso modo, un test mule a tre cilindri per l’Aston Martin Valkyrie V12 da 1.000 CV erogava 250 CV, convalidando il modello su scala.

Con questi dati, è lecito presumere che, qualora la Formula 1 eliminasse le limitazioni sui giri/min, i produttori di motori potrebbero superare comodamente il tetto attuale di 15.000 RPM.

I team moderni di F1 utilizzano ancora motori di prova in scala ridotta durante lo sviluppo, specialmente con configurazioni aspirate ad alto numero di giri per applicazioni stradali o prototipali. Queste tecniche restano fondamentali per spingere le prestazioni contenendo costi e tempi.

Perché le auto di Formula 1 girano così in alto?

I motori di Formula 1 girano ad altissimi giri/min perché più rivoluzioni al minuto significano più cicli di combustione e quindi maggiore potenza. Una velocità elevata del motore consente ai team di ottenere le massime prestazioni da un motore compatto, nel rispetto dei limiti di cilindrata.

Ecco come viene generata potenza in una moderna power unit ibrida di F1:

• Motore a combustione interna (ICE)
  L’attuale V6 turbo da 1,6 litri genera potenza tramite rapidi cicli di combustione. Quando carburante e aria bruciano nei cilindri, i gas in espansione muovono i pistoni, facendo ruotare l’albero motore. Più velocemente ruota (entro limiti meccanici sicuri), più potenza viene prodotta.
• Alti giri = alta densità di potenza
  Poiché i motori di F1 sono limitati a 1,6 litri, i team fanno affidamento su RPM elevati per estrarre tutta l’energia necessaria alle prestazioni di livello. A 12.000 giri/min, il motore compie 200 rotazioni al secondo, generando enorme potenza da un contenitore relativamente piccolo.
• MGU-K (Motor Generator Unit – Cinetica)
  Questo generatore recupera energia in frenata, la converte in energia elettrica e la immagazzina nell’Energy Store (ES). Può poi erogare fino a 120 kilowatt (160 CV) di potenza aggiuntiva direttamente alla trasmissione.
• MGU-H (Motor Generator Unit – Termica)
  Questo sistema cattura l’energia dei gas di scarico del turbo e la trasferisce alla MGU-K o la immagazzina. Mantiene inoltre il turbo a velocità ottimale per ridurre il turbo lag. L’MGU-H è collegato all’asse del turbo, trasformando il calore in energia elettrica per uso immediato o futuro.

Questi sistemi permettono alle auto di F1 di combinare potenza termica ad alti RPM con coppia elettrica istantanea. Il risultato è un’accelerazione esplosiva, maggiore efficienza e recupero energetico in frenata e dal calore, elementi cruciali per la strategia moderna di F1.

Come fa un motore di F1 a produrre così tanti giri?

L’albero motore, il cambio e gli alberi di trasmissione lavorano insieme per muovere i pistoni nei cilindri, generando potenza. L’energia viene poi trasferita alla strada attraverso le ruote, mettendo in movimento la monoposto.

Velocità inferiori dei pistoni significano meno stress su bielle e albero motore, e maggiore efficienza nel consumo di carburante. Questo può rendere i motori molto più rumorosi. Le auto di F1 adottano spesso un elevato rapporto alesaggio/corsa, ottenendo così maggiore potenza e velocità del motore.

È comune un rapporto di 2,5 tra alesaggio e corsa. La larghezza del pistone è 2,5 volte la corsa. Se la camera del pistone è più larga, servono valvole più grandi. Questo migliora notevolmente il flusso d’aria e quindi la combustione.

Cos’è la coppia e perché è importante in Formula 1?

La coppia è la forza rotazionale prodotta dal motore per far girare l’albero motore e, alla fine, le ruote. In Formula 1, la coppia è importante quanto i cavalli perché determina la rapidità di accelerazione, specialmente in uscita di curva o partenza.

Il ruolo della coppia nella performance F1:

• Definizione di Coppia
  Misurata in Newton-metri (Nm), rappresenta la forza rotante applicata a un oggetto. In un’auto F1, è la forza che fa girare le ruote tramite cambio e trasmissione.
• Coppia vs Cavalli
  I cavalli indicano la velocità a cui si compie un lavoro, mentre la coppia è la forza che lo esegue. Tanta coppia a bassi giri aiuta in accelerazione, mentre tanti cavalli ad alti giri aumentano la velocità massima. I motori F1 sono tarati per un bilanciamento.
• Importanza in gara
  I motori F1 moderni producono coppia massima tra 10.500 e 11.500 RPM. Una coppia costante in quel range migliora la risposta dell’acceleratore, cruciale in uscita di curva, sorpasso e trazione.
• Recupero energetico e coppia
  L’MGU-K fornisce fino a 160 cavalli di coppia elettrica direttamente all’albero motore. Questo è utile in accelerazione e colma eventuali cali nella coppia ICE, riducendo il turbo lag.
• Rapporti di cambio
  Le auto F1 usano un cambio fisso a 8 marce (inclusa la retro). I rapporti sono scelti prima della stagione. Le marce basse moltiplicano la coppia per accelerazioni esplosive, quelle alte favoriscono la velocità. Gli ingegneri ottimizzano in base alla curva di coppia e caratteristiche della pista.

In sintesi, la coppia mette in moto una F1. Senza di essa, l’alta potenza a giri elevati sarebbe inutile. Gestione efficiente della coppia equivale a migliori tempi sul giro, trazione e minor consumo pneumatici: un aspetto fondamentale della progettazione delle powertrain di F1.

Quanti cavalli ha un’auto di F1?

Una moderna auto di Formula 1 produce circa 1.050 cavalli totali, grazie alla combinazione tra motore termico e sistema elettrico.

Composizione della potenza:

• Motore a combustione interna (ICE)
  Il V6 turbo da 1,6 litri eroga circa 850 cavalli, a seconda della mappatura e della modalità carburante usata in gara.
• MGU-K (Unità Generatrice Cinetica)
  Questo motore elettrico recupera energia in frenata e la reinserisce nella trasmissione. Fornisce fino a 120 kilowatt, circa 160 cavalli, per un massimo di 33,3 secondi a giro.
• Potenza complessiva
  Quando entrambi lavorano insieme, la potenza totale raggiunge circa 1.000-1.050 cavalli, a seconda della pista, strategia energetica e condizioni meteo.
• Qualifica vs Gara
  In qualifica si usano mappature aggressive per potenza massima. In gara, l’energia è gestita per efficienza e durata batteria, riducendo lievemente i cavalli di punta.
• Limite di flusso carburante
  La potenza è influenzata dal limite FIA di 100 kg/ora di carburante a 10.500 RPM, per bilanciare prestazioni ed efficienza.

Nonostante i cavalli grezzi siano notevoli, le monoposto F1 sfruttano anche il recupero d’energia, la gestione della coppia, l’aerodinamica e l’equilibrio telaio per trasformare potenza in prestazione.

I motori moderni di F1 sono miracoli ingegneristici capaci di bilanciare prestazioni estreme con rigide restrizioni regolamentari. Anche se limitati a 15.000 giri/min, sono ottimizzati per erogare potenza tra 11.000 e 12.000 RPM, esaltando coppia, efficienza e sostenibilità. Dai ruggenti V10 alle attuali unità ibride, l’evoluzione dei motori F1 si basa su gestione avanzata della potenza più che su puri giri/min. Comprendere l’interazione tra RPM, coppia e cavalli consente di capire cosa rende una vettura F1 non solo veloce, ma efficiente sotto pressione.

Tradotto dall’articolo originale in inglese “How High Can An F1 Engine Rev?“