F1: i segreti del motore di una monoposto

Prima che scada la formula attuale, che vede in gara motori aspirati di 2400 cm3, con regime di rotazione massimo limitato a 18000 giri/min, architettura a V e otto cilindri, è il caso di descrivere con un certo dettaglio gli schemi costruttivi impiegati. Anche se il regolamento ha da qualche tempo “congelato” lo sviluppo in campo motoristico e ha posto alcuni vincoli di importanza non trascurabile, si tratta in ogni caso la punta di diamante della odierna tecnica quattrotempistica.

Origini nobili

I motori oggi impiegati discendono direttamente dai V 10 di 3000 cm3  usati fino al 2005 e le soluzioni adottate sono le stesse. Le misure di alesaggio e corsa sono generalmente 97 x 40,5 mm o 98 x 39,7 mm. Si

tratta di valori incredibilmente radicali, che si spiegano con l’esigenza di adottare valvole di grande diametro (necessarie per ottenere la migliore respirazione) e di poter girare a regimi di rotazione altissimi senza che la velocità media dei pistoni raggiunga valori troppo elevati. Il rapporto corsa/alesaggio è dell’ordine di 0,41-0,42, mentre nei motori di serie in genere non scende al di sotto di 0,8. Una bella differenza…

La distribuzione è bialbero, con comando a cascata di ingranaggi (una per ogni bancata di cilindri), soluzione che assicura la massima affidabilità unitamente a una elevata precisione. In ogni testa sono alloggiate quattro valvole per cilindro, disposte su due piani che formano tra loro un angolo assai contenuto (generalmente è compreso tra 18° e 28°).

Camere di combustione compatte

Questo consente di ottenere camere di combustione compatte, nonostante il rilevante alesaggio, a vantaggio del rendimento termico, e di avere condotti di aspirazione pressoché rettilinei, cosa necessaria per ottenere un elevato rendimento volumetrico agli alti regimi.

Come visto, l’alesaggio può essere di 97 o 98 mm a seconda dei casi e di conseguenza, dato l’altissimo rapporto di compressione (oltre 13:1), le camere di combustione hanno una forma molto appiattita e in larga misura sono ricavate negli incavi che il cielo del pistone presenta in corrispondenza delle valvole.

Valvole e molle

Gli eccentrici degli alberi a camme lavorano su bilancieri a dito in acciaio con riporto superficiale di DLC (Diamond Like Carbon), di elevata durezza e dal ridotto coefficiente di attrito. Le leggi del moto delle valvole sono estreme, con accelerazioni impressionanti e alzate nettamente superiori a 15 mm. Questo, unitamente ai regimi di rotazione in gioco, rende necessario l’impiego di molle pneumatiche, che hanno una massa mobile estremamente ridotta e sono esenti da problemi vibratori. Le valvole sono in lega di titanio; quelle di aspirazione hanno un fungo con un diametro dell’ordine di 40,5-42,5 mm; per quelle di scarico si va da 32 a 34 mm.

Tanto le teste quanto il basamento, che incorpora le due bancate dei cilindri ed è chiuso da un sottobasamento nel quale sono ricavate le metà inferiori dei cinque supporti di banco, sono in lega di alluminio. Fino ai primi anni Duemila alcuni costruttori impiegavano ancora canne dei cilindri riportate in umido, con bordino d’appoggio superiore, ma poi, per ragioni di compattezza (e quindi anche di peso), si è generalizzata la soluzione che prevede canne integrali, ossia ricavate direttamente nel materiale dei cilindri, con un adatto riporto superficiale. Fino a qualche tempo fa tutti impiegavano quello al nichel-carburo di silicio, applicato galvanicamente, ma da qualche tempo alcuni cilindri sono dotati di un sottile rivestimento depositato con una tecnologia al plasma.

Pistoni box-n-box

I pistoni, realizzati per forgiatura, sono in lega di alluminio ad elevato tenore di rame, che mantiene elevate caratteristiche meccaniche alle alte temperature. A titolo di confronto, quelli delle auto di serie sono in lega di alluminio al silicio e vengono pressoché invariabilmente ottenuti per fusione in conchiglia, procedimento nettamente meno costoso. Una differenza molto considerevole si ha a livello di conformazione e di dimensionamento di questi componenti.

I pistoni dei motori di Formula Uno infatti hanno un disegno assolutamente estremo, del tipo che la Mahle chiama “box-n-box”, con traversini di irrigidimento tra le pareti laterali e controventature all’esterno delle portate per lo spinotto (molto vicine tra loro onde ridurre la lunghezza e quindi anche la massa dello spinotto stesso).

Questi pistoni, nonostante il cospicuo alesaggio, sono incredibilmente bassi. Il rapporto altezza/diametro infatti è dell’ordine di 0,31 – 0,33, mentre nei motori di serie non scende al di sotto di 0,60 – 0,65. Ognuno di essi ha un peso dell’ordine di soli 230 – 240 grammi ed è dotato di due soli segmenti (uno di compressione più un raschiaolio), di altezza assai ridotta.

Albero a gomiti lavorato con nitrurazione gassosa

L’albero a gomiti, dotato di quattro perni di manovella e di cinque perni di banco, è in acciaio ad alta resistenza; dopo le principali lavorazioni viene sottoposto a nitrurazione gassosa. Per ridurre le dimensioni dei contrappesi si impiegano inserti in metallo pesante (una lega di tungsteno, la cui densità è più che doppia, rispetto a quella dell’acciaio).

Dati gli altissimi regimi di rotazione in gioco, l’olio viene immesso nei passaggi all’interno dell’albero (tramite i quali raggiunge i perni di manovella) non da fori radiali praticati nei perni di banco, ma da una canalizzazione assiale, ricavata nella estremità anteriore. In questo modo nel suo movimento l’olio non deve andare contro la forza centrifuga ed è possibile adottare una pressione di mandata non troppo elevata, il che comporta un minore assorbimento di potenza da parte della pompa.

Bielle in lega di titanio

Le bielle sono in lega di titanio, materiale dal costo assai elevato che ha una densità pari al 56 % di quella dell’acciaio. Il fusto ha un disegno che solo nei casi più semplici si avvicina all’oramai classico H rovesciato (nei motori di serie è ad H), ma che spesso è assai più complesso. La lunghezza, intesa come distanza tra gli assi della testa e del piede e considerata in relazione alla corsa, è di gran lunga superiore, rispetto a quelle che tipiche delle bielle delle auto di serie.

Nei motori di Formula Uno la lubrificazione è a carter secco, con le camere di manovella, nettamente separate tra loro, che vengono mantenute in depressione al fine di ridurre le perdite dovute al cosiddetto “freno olio” (le parti mobili devono fendere una “nebbia” di aria e olio piuttosto rarefatta e non una vera e propria pioggia). Questo si ottiene grazie a pompe di recupero nettamente surdimensionate; in genere ne viene impiegata una per ogni camera di manovella. Buona parte dell’olio erogato dalla pompa di mandata viene emessa da appositi ugelli calibrati (anche quattro per ogni cilindro!) ed è quindi utilizzata per il raffreddamento dei pistoni.