Tutta la verità sugli scarichi "soffiati"

fonte http://www.circusf1.com/2011/06/vietare-gli-scarichi-soffiati-lennesina-follia-della-fia.php

La Formula 1 dice addio agli scarichi “soffiati” e alle particolari mappature motore che aumentano l’effetto aerodinamico dei gas di scarico. La FIA commette l’ennesimo errore della sua storia  cambiando il regolamento tecnico a stagione in corso.

Ma, come funzionano gli scarichi “soffiati” e quali conseguenze avrà il loro divieto sulla Formula 1?

Prima di tutto, come già descritto in un vecchi post, gli  scarichi “soffiati” sono stati introdotti da Jean-Claude Migeot nel 1983, quando era progettista della Renault. Dopo l’abolizione delle minigonne e l’introduzione del fondo piatto, tutti i progettisti dovettero affrontare il problema dell’effetto suolo perduto e Mideot per cercare di recuperarlo usò la carta degli scarichi “annegati” all’interno dei profili estrattori. La vettura, la Renault RE40, provvista di scarichi “soffiati” debuttò al GP di Montecarlo. Ad Alain Prost, inizialmente, la soluzione non piacque affatto: vettura più nervosa del solito, carico aerodinamico discontinuo ed eccessivamente mutevole. Ma la soluzione fece scuola: durante gli Anni 80 e poi negli Anni 90, quasi tutte le vetture F1  presentavano scarichi “annegati” all’interno del profilo estrattore.

Poi per diversi anni tale soluzione è rimasta nel cassetto dei tecnici e fu Adrian Newey, ai tempi della  McLaren Mp4-18, a sperimentare nuovamente e con scarso successo gli scarichi “soffiati”.

Quali  sono i principi fisici e aerodinamici alla base degli scarichi “soffiati”? 

I tecnici sfruttano l’energia cinetica dei gas di scarico ai fini della ricerca della deportanza, ossia effetto suolo. Per capire come avviene tale principio bisogna comprendere il funzionamento del diffusore e dello strato limite che in aerodinamica è un concetto fondamentale che viene spesso ignorato.

Occorre assicurare all’ingresso dell’estrattore  uno strato limite energico, ossia “giovane” e veloce. All’interno di un estrattore si ha il parziale ripristino della pressione che, non risalirà mai ai valori esterni, ragion per cui dall'ingresso del Venturi sino all’uscita di esso – cioè l’estrattore – regna depressione: pertanto, è essenziale che lo strato limite sia bello energico. In caso contrario, lo strato limite dovrà lavorare in condizioni di pressione crescente (gradiente di pressione positivo), accrescendo sempre più il proprio spessore, divenendo “stanco” e lento. In questo modo si verificherebbe una inversione del flusso di aria con conseguente distacco del flusso stesso dalle pareti dell’estrattore. Ovviamente tale condizione deve essere scongiurata: significa, infatti, che il diffusore è al limite delle proprie capacità diffondenti.

Uno dei modi  per energizzare lo strato limite all’interno del profilo estrattore è far soffiare gli scarichi all’interno del profilo stesso. Si sfrutta, cioè, l’effetto eiettore dei gas di scarico, il quale velocizza ed energizza la lamina d’aria passante tra suolo e fondo vettura all’interno del profilo estrattore. Ovviamente, la velocità dei gas di scarico varia a seconda delle condizioni di marcia della vettura: più veloci in piena accelerazione, più lenti in rilascio.

Una differenza notevole di velocità che può provocare repentini mutamenti del carico aerodinamico prodotto per effetto suolo. Vale a dire, il problema lamentato da Alain Prost nel 1983, agli albori della tecnologia degli scarichi “soffiati”.

Oggi, invece, si cerca di porre rimedio a questo eccessivo differenziale di condizioni di carico aerodinamico cercando di ridurre il più possibile (entro i limiti concessi dalla fisica…) la variazione di velocità dei gas di scarico tra acceleratore tutto giù e rilascio in staccata. In sostanza, si cerca di “addolcire” la decelerazione dei gas di scarico. Come?

Il sistema, appunto, è quello di garantire anche in rilascio una fase intermedia di gas di scarico piuttosto energici, quindi riducendo la variazione  di velocità da piena accelerazione a rilascio.

L’unico modo è ritardare la chiusura delle valvole di scarico: ciò, inevitabilmente, comporta una combustione all’interno dei collettori di scarico di un po’ di benzina (da qui le vistose sfiammate in rilascio).

Inoltre, c’è chi, erroneamente, ha tirato in ballo il calore dei gas di scarico: immettendo benzina nei collettori di scarico, si alza la temperatura dei gas di scarico, quindi verrebbe incrementato l’effetto deportante all’interno del profilo estrattore. No, non ci siamo. Il calore dei gas di scarico c’entra poco. Ovvio che i gas di scarico, tanto in piena accelerazione che in rilascio, siano molto, molto caldi, sebbene presentino temperature differenti. Certo, un aumento di temperatura comporta una riduzione di densità. Ma ciò comporta anche un aumento di pressione, deleterio ai fini della deportanza!! Ricordiamo, infatti, che in depressione la temperatura del fluido si abbassa!

Naturalmente, anche gli scarichi lunghi e posti in corrispondenza delle prese d’aria laterali della Renault R31 costituiscono una variazione sul tema, per cui si sfrutta il solito effetto eiettore dei gas di scarico per velocizzare lo strato limite. Ma qui, la lamina è energizzata lungo tutto le pance sino alla Coca-Cola; il principio, tuttavia, è il medesimo.

In seconda analisi, le recenti cronache fanno riferimento all’uso della elettronica allo scopo di variare alcuni parametri del motore (centralina del motore, peraltro unificata). Per quanto riguarda il ritardo di accensione, sì, è vero. Ma per quanto riguarda il ritardo della chiusura delle valvole di scarico  non si interviene sulla centralina, bensì sul diagramma della distribuzione, ossia sugli alberi a camme. E attenzione a non far rimanere troppo aperte le valvole di scarico: pena, una dannosa perdita di potenza.

Per quanto riguarda il ritardo di accensione e della combustione di una quantità minima di carburante all’interno degli scarichi il discorso è più complesso. Quando la farfalla è chiusa non è vero che non dovrebbe esserci afflusso di gas. Anche se levo acceleratore o addirittura sto al minimo, eccome se i gas di scarico fuoriescono dai terminali. Di certo, non rimangono all’interno della camera di combustione: il motore gira e le valvole si aprono e si chiudono!

La FIA, tanto per cambiare, vieterà tali dispositivi, oltre a regolare e controllare ancor più rigidamente le mappature dei motori.