Tecnica F1: a cosa serve il nastro sugli scarichi?

25 settembre 2014 00:05 Scritto da: Mario Puca

Abbiamo visto tante squadre ricoprire gli scarichi dei nuovi turbo V6 con del nastro speciale. Vi spieghiamo a cosa serve e come è fatto il nastro per gli scarichi.

nastro scarichi

Le nuove Power Unit sono senza dubbio le “prime donne” – dal punto di vista tecnico – del Campionato di Formula 1 2014. Quest’anno, infatti, l’attenzione degli esperti di tecnica e degli appassionati si è concentrata maggiormente sulle particolarità dei nuovi propulsori più che sull’aerodinamica ed anche noi di BlogF1.it abbiamo dedicato numerosi approfondimenti per conoscere meglio la nuova tecnologia.

In quest’analisi torniamo a parlare degli scarichi. Questi non sono certo determinanti come nelle ultime stagioni caratterizzate dei famosi “diffusori soffiati”, ma comunque indiscussi protagonisti nelle performance delle monoposto di F1, soprattutto in considerazione del ritorno dei motori turbo.

Gli scarichi, per dirla molto banalmente, hanno la funzione primordiale di espellere i gas di scarico prodotti dalla combustione avvenuta all’interno del cilindro, oltre che, nel caso dei motori turbo, veicolarli all’interno della turbina prima di espellerli definitivamente. Tuttavia, la loro sezione e la lunghezza influenzano le performance del propulsore,  ripercuotendosi su vari parametri del propulsore, tra cui ovviamente consumi e potenza. Proprio per questo motivo, i motoristi dedicano moltissimo tempo alla progettazione dei terminali di scarico, cercando di individuare la configurazione che permetta di tirare fuori il massimo dai motori.

nastro titanio scarichiTuttavia, quando le misure ed i materiali non bastano, si possono utilizzare altri trucchetti per ottenere le massime potenze dai propulsori. Uno di questi ha trovato ampia applicazione quest’anno: la copertura degli scarichi con nastro speciale. Nulla di fantascentifico o esclusivo per le vetture di Formula 1: parliamo di nastro in fibra (il più delle volte fibra di vetro ma anche, Kevlar, Nomex, aramidico, titanio ecc…) spesso trattato con altri prodotti (per lo più silicone o pietra lavica polverizzata) che, a seconda della combinazione di materiali utilizzata, garantisce elevatissime proprietà termiche al prodotto.

Quelli più sofisticati (trama in titanio spruzzata di pietra lavica) resistono fino a circa 1500° C continui, sono immuni alle abrasioni o ai prodotti chimici e riducono anche le possibili rotture causate da vibrazioni o alte temperature.

Le applicazioni del nastro sono moltissime e spesso lo si trova avvolto agli scarichi delle motociclette semplicemente per evitare a conducente e passeggero il contatto con i metalli roventi; non a caso la sua reperibilità sul mercato è davvero semplicissima (dai ferramenta ai ricambisti auto e moto in rotoli di varie dimensioni, lunghezze e prezzi). Tuttavia, oltre ad evitare scottature ai centauri, l’applicazione del nastro termico produce benefici piuttosto rilevanti nel motorsport. Nastrando gli scarichi, infatti, si evita la dispersione di calore verso l’esterno ed i gas che transitano nei condotti conservano più a lungo una temperatura alta.

Nel caso dei normali condotti di scarico privi di isolamento, una volta che i gas vengono espulsi dal cilindro, tendono a raffreddarsi lungo i condotti; la diminuzione di temperatura si ripercuote sulla densità dei gas di scarico, facendola aumentare, con una conseguente diminuzione di velocità ed energia degli stessi (circostanza che si ripercuote negativamente su un motore turbocompresso, con la turbina “affamata” di gas potenti…).

Diversamente, ricoprendo i condotti di scarico con il nastro, i gas mantengono una temperatura più elevata lungo gli stessi, circostanza che si traduce in una densità minore dei gas caldi (oltre che a minor pressione), con la conseguenza che i flussi caldi viaggeranno più velocemente e con più energia. Ciò produce ovvi benefici per le prestazioni dei motori turbo, nei quali i gas di scarico svolgono il ruolo di protagonisti nella sovralimentazione: la turbina riceve un quantitativo decisamente maggiore di energia e le prestazioni del motore migliorano, sia nei consumi che nella potenza.

cofano ferUn altro beneficio, poi, risiede nella diminuzione di temperatura all’interno del cofano motore; isolando l’enorme calore prodotto dai condotti di scarico (che diventano incandescenti nelle fasi di utilizzo), si riducono le esigenze di raffreddamento interno. Di conseguenza, è possibile utilizzare sfoghi di dimensioni ridotte e cofani più aderenti e filanti, con immaginabili benefici in termini di performance aerodinamiche, oltre che riguardo al miglior funzionamento delle varie componenti della Power Unit, che possono lavorare a temperature relativamente più fresche (soprattutto quelle elettroniche).

Per contro, l’innalzamento delle temperature dei condotti e dei gas di scarico può creare altre criticità; l’applicazione dello strato isolante, infatti, richiede una verifica sulla tenuta termica e meccanica della girante della turbina per le temperature superiori a cui, dopo l’isolamento degli scarichi, diviene soggetta. La medesima verifica risulta necessaria anche per i condotti di scarico stessi, in quanto dopo essere stati isolati termicamente, non possono espellere parte del calore dei gas di scarico verso l’esterno e rischiano una “failure” per raggiunti limiti termo-meccanici.

33 Commenti

  • x sempre gilles

    Che piacere trovare un collega,io lo faccio da 28 anni il frigorista per cui siamo li,tempi durissimi adesso con il lavoro in proprio,mamma mia speriamo che passi alla svelta…a 51 anni credevo di poter stare tranquillo ma non è cosi purtroppo e per colpa di molti cogl..ni al governo in questi anni…

    Non so di che città sei ,ma sei sei in zona per me non c’è nessun problema a portarti in un paio di queste fabbriche a vedere.
    Quando mi richiederanno una riparazione gli dico che deve arrivare il pezzo poi ti aspetto e mi fai da finto aiutante!!
    In una ci possiamo anche andare come visitatori il titolare è mio amico.

    Ciao
    Carlo

  • Scusate gli apostrofi invece degli accenti, scrivo con una tastiera non italiana al momento e le lettere accentate non ci sono 😀

    • x sempre gilles

      Ciao a tutti,mi inserisco dato che qui stiamo parlando di tecnica.
      Sono di Modena e come artigiano per lavoro vado in parecchie aziende a fare riparazioni su gruppi frigo di macchine utensili.
      Ora in F1 sono tutti bravi a fare i fenomeni o gli “sboroni” come si dice dalle mie parti specie i tedeschi e gli inglesi ma se uno sapesse quanti pezzi sono fatti a Modena potrebbero chiamarla “formula Modena”.
      Oggi per esempio ho visto il terzo modello del telaio in scala della Mercedes del prossimo anno(2015) da mettere in galleria del vento,poi altri pezzi per Mc Laren,Force India, e altri team per non parlare della moto GP pezzi a go go.
      Telai,cambi,sospensioni,distanziali,mezzi motori (a suo tempo anni 90 il famoso BMW era interamente fatto a Modena!)
      Questo per dire che sono tutti bravi a progettare ma poi alla fine se vuoi che la amcchina funzioni come si deve vengono nelle nostre piccole aziende specializzate del settore a realizzarli perchè abbiamo una flessibilità e una competenza che gli altri paesi non hanno.
      Peccato che parecchie di queste aziende mi dicono che hanno fornito per anni Ferrari e che poi per questione di prezzo hanno fatto fare da altri(estero) con i risultati che vediamo oggi in pista,qualcuno mi ha anche detto che ora sono tornati all’ovile perchè la qualità è ben diversa!!se in Italia difficilmente ci sono pezzi difettosi dall’esetro arrivano al 50% di difettosi.

      Ad ogni modo la F1 è praticamente Italiana tecnologicamente parlando e non è poco!

      Ciao
      Carlo

      • Fantastico Carlo, davvero fantastico! Sono cose che molti non sanno ma che dobbiamo dire con orgoglio! Grazie, con emozione :)

        E speriamo che la Ferrari torni a badare alla qualita’ piu’ che al prezzo, cosa che secondo me in Formula 1 e’ d’obbligo fare perche’ conta il risultato!

      • Posta le foto del modello di telaio Mercedes fai contenti tutti i tecnici Ferrari;)

      • su queste cose sono veramente felice (è poi la stampa dice che l’italia è senza tecnologia) :)

      • Ciao carlo,riparazione impianti frigo?
        Ciao collega 😀

      • x sempre gilles

        Ciao a tutti,vi dirò che ogni volta la tentazione di fare qualche foto c’è però sono miei clienti fidati da decine di anni che si fidano di me,sono quasi l’unico che entra senza fare il check-in all’ingresso vado direttamente in officina.
        Sui vari disegni che mi diverto ogni volta a guardare e farmi spiegare dall’operatore della macchina utensile c’è quasi sempre stampato”confidential”o”secret”.
        A prima vista il telaio in scala per la galleria del vento della mercedes 2015 non mi sembra molto difforme da quello di quest’anno a grandi linee,ho saputo che sono al terzo modello al momento da testare.
        Viene rivcavato da un cubo di alluminio pieno il quale viene letteralmente “scavato” con gli utensili per cui è monoblocco alla fine per simulare la resistenza alla torsione come il modello finale in carbonio.
        Da buon Modenese e Italiano la cosa mi riempe di orgoglio specialmente sentire dire che le scuderie”straniere” non possono fare a meno della nostra esperienza nel settore ma come dite voi nessuno ne parla se non raramente.Se qualche giornalista facesse un viaggio in queste piccole aziende artigianali scoprirebbe che praticamente l’80% delle F1 è fatto qui.
        Frenk mi chiede relativamente ai gruppi frigo?
        Ti spiego subito,mediamente ogni macchina utensile di un certo livello (del costo anche di milioni di €!!)ha un gruppo frigo per raffreddare il quadro elettrico/elettronico dei comandi,un gruppo frigo che raffredda l’olio emulsionate di lavorazione ,un gruppo frigo che raffredda la “testa del mandrino rotante”degli utensili che viaggia anche a 100.000g/min o più!!
        Poi queste officine devono essere raffreddate e scaldate per avere una temperatura il più costante tutto l’anno per via delle tolleranze di lavorazione che arriva oltre il milionesimo di millimetro!
        Per non parlare della sala collaudi dove controllano i pezzi dopo essere stati lavorati per dare l’ok alla consegna al cliente dove si deve stare tassativamente a 20°C e 50% di umidità con macchinari appositi che aggiusto io.
        Ricordo con piacere quando negli anni novanta in una azienda mia cliente che faceva i motori per la Ferrari (i mitici 12 cilindri a V) ho visto uno dei responsabili che parlava con quelli della BMW che avevano il campione monocilindrico del loro motore e ridendo gli disse”ma voi volete entrare in F1 con questa roba qua?guardate che la Ferrari li faceva 10 anni fa cosi!”e si mise a ridere.
        Tenete conto che questa persona ha la 5 elementare ma da 10 a zero qualsiasi ingegnere ,dovrebbero dargli la laurea onoris causa in ingegneria meccanica.Ti fa un motore a mano libera col tornio è un mago,infatti ha anche collaborato con Forghieri.
        Comunque è molto bello vedere tutti questi pezzi che poi so che entro pochi mesi saranno sulle auto che vedo in Tv durante i GP.
        Lo scorso anno avevo già visto le “chiocciole” che ospitano le giranti delle turbine Ferrari e mi sembravano a occhio molto piccole ,cosa poi confermatasi vera con i problemi che sappiamo…me lo disse anche chi le faceva per loro a suo tempo…se lo avessero ascoltato chissà come sarebbe andata quest’anno.
        Scusate se mi sono dilungato ma ne avrei di aneddoti da raccontare perchè quando mi chiamano questi clienti ci andrei gratis solo perchè posso vedere e toccare con mano pezzi che altri nemmeno sanno che esistono e con mesi di anticipo.
        Aggiungo una nota a margine per gli appassionati,se qualcuno è un viaggiatore come me gli suggerisco di passare da Abu Dhabi e andare a fare una esperienza in pista (quella di Tilke di F!!!!) con la SST Radical e con la F300 monoposto,è una figata,chi come me è appassionato ha un orgasmo multiplo ogni giro.
        Ora il responsabile della pista è diventato mio amico ed è un ex tecnico responsabile di pista che lavorava in ferrari nell’era Schumacher.
        io ci torno in dicembre per la terza volta e stavolta ho la tuta con il colore azzurro dell’Italia,il casco con la bandiera Italiana e sulla tuta le badiierine dell’Italia e di Modena,devo tenere alto l’onore del nostro povero paese!!.
        Stavolta faccio due ore sulla SST con il tutor a fianco e se vai bene ti lascia tirare a bestia….impagabile! e costa anche poco in proporzione all’europa.
        Los corso asnno mi sono preso gli applausi degli spettatori sul circuito e quelli dei meccanici ai box a fine prova, che emozione,come principiante sono andato benissimo
        Ciao
        Carlo

      • Ecco,io sono frigorista specializzato,lo faccio da 32 anni,ma se mi porti a fare un giro in quelle fabbriche ti faccio da garzone e non mi devi pagare 😉

      • x sempre gilles

        Ciao Frenk,io sono frigorista da 28 anni per cui siamo li…purtroppo oggi come oggi è molto dura lavorare in proprio per colpa di quei cog…oni che ci governano da anni!!
        Non so di quale città sei però se passi di qua ti ci porto volentieri a vedere una di queste fabbriche.
        Ciao
        Carlo

  • @wendur

    Spiegare il funzionamento di certi parametri dei turbo non e’ semplice ma @Fabietto lo fa bene.
    Comunque sappi che OGNI turbocompressore classico ha la valvola waste-gate, l’unico modo per non averla e’ una turbina a geometria variabile che per ora sono vietate dal regolamento.

    Non solo, e’ impensabile dimensionare il turbo per il regime massimo in modo da non avere una waste-gate, perche’ ti troveresti in estrema difficolta’ nella fase di accelerazione a regimi bassi e medi, pur con l’aiuto dell’MGU-H. Di solito si sceglie un regime intermedio e si dimensiona li’.

    • Grazie, ma ti dovrei far parlare con quelli che lavorano con me per scritto ed in italiano scrivo su concetti complessi cose a volte poco comprensibili, un po’ come Phylippos, qui dentro siamo in tre o quattro a capire quello che scrivi e se sul posto di lavoro usi quei termini, visto che chi paga non capisce mai di che parli, rischi il posto… Alla fabbrica della Gentilini un mio collega tentava di spiegare perché avrebbero dovuto cambiare linea produttiva per un certo progetto con eccessivi tecnicismi, il mio intervento è stato “Nun se po’ fa co ste macchine” hanno capito immediatamente :)

    • grazie ancora a tutte e due (io sto al inizio della meccanica quindi ancora non so tutto) comunque per la valvola waste-gate pensandoci un attimo sopra ci potevo arrivare che ci doveva stare per forza visto che nei turbi di scarico non hai sempre la stessa pressione ma varia a seconda della fase in cui sta il pistone :).
      per la turbina a geometria variabile che dici tu volevo capire come faceva a non tenere questa valvola? (è una curiosità) 😉 grazie ancora

  • @Phylippos

    Ciao,
    Ovviamente non ti sbagli. E’ chiaro che gli effetti principali sono quelli legati alla temperatura dei gas di scarico, sia per assicurare che raggiungano la girante della turbina con piu’ energia termica e sia per condurre meno calore sotto al cofano.
    Da un altro lato pero’ e’ importante, ma percentualmente inferiore, il dato cinetico: e’ sempre meglio “tenerli accelerati” (i gas) rispetto al farli rallentare e poi riaccelerarli (come, hai detto bene, accade nella voluta del turbocompressore) perche’ tutti questi fenomeni inducono comunque delle perdite.
    Ma, ripeto, e’ chiaro che l’effetto principale e’ quello della temperatura e l’articolo sono sicuro che voglia semplicemente evidenziare entrambi i lati, quello cinetico e quello della temperatura.

  • Non penso che l’isolamento degli scarichi abbia come primo obiettivo quello di evitare il rallentamento dei gas di scarico, ma proprio quello di evitare raffreddamenti e quindi cadute entalpiche del gas. La turbina scambia lavoro che variazione della quantità di moto si, ma più alo è il salto entalpico maggiore è il rendimento. La riduzione delle velocità dei gas lungo i condotti penso venga recuperata dimensionando opportunamente il convergente d’imbocco della turbina.
    L’entalpia non le recuperi più se hai un condotto fortemente diabatico.

    Poi mi posso sbagliare ovviamente…e chiedo dei chiarimenti in merito..

    Scusate il tessico tecnico…

    • errata corrige…più alto è il salto entalpico maggiore è il lavoro prodotto

      • :) per il tecnicismo da libro, fondamentalmente come saprai è molto difficile che un gas che viaggia a quella velocità e a quella temperatura perda cosi tanto calore, su distanze così brevi, da portare un reale decremento di efficienza. La cosa più semplice è che la copertura sia usata per questioni di “raffreddamento” o non variazione di temperatura delle componenti che lo circondano, dalla carrozzeria all’elettronica e spiegherebbe il perché non sia nato già coibentato da progetto visto che sono concetti basilari.

      • ottima ipotesi Fabietto… :-,

  • Un tempo si usava l’amianto e funzionava alla grande,ovviamente non si sapeva della sua tossicitá…

  • buon giorno volevo chiedere una cosa a fabietto:
    sai per caso se sul “nuovo motore” si fa in modo che la turbina riesca ad assorbire tutti i “gas di scarico” quindi togliendo la valvola del wastegate e riducendo al minimo il turbo di scarico?

    Una altra cosa che non capisco si è voluti privilegiare l’aerodinamica.
    lasciando stare la coibetazione degli scarichi,
    perchè si è voluto ridurre la turbina facendo ciò si è andato in contro a dovere mettere un turbo di scarico (con valvola wastegate) che va direttamente allo scarico con relativo aumenti della temperatura per raffreddarlo, ultima cosa e quello di ridurre al minimo il percorso dello scarico cosi facendo si riduceva la temperatura interna.
    Tutto ciò a benefici aerodinamici, mi sapresti dare una risposta?

    • Occhio che la wastegate non è, da come la descrivi, una necessità perché il turbo è sottodimensionato. La wastegate viene usata (e veniva usata anche negli anni 80) per regolare gli eccessi di pressione verso la turbina. È un discorso un po’ complesso… I turbo attuali hanno un limite regolamentare di 125000 giri, in questo caso (anche se è una eccessiva semplificazione) la valvola viene usata per impedire il fuorigiri del turbo, e visto che la regolazione della valvola è ormai elettronica, gestire la sovrappressione dei gas di scarico nella turbina. Avendo un limite definito di carburante da immettere (anche quello da regolamento) aumentare la pressione nella camera di scoppio oltre un certo limite non porta grandi benefici, la miscela aria carburante si impoverisce troppo, con il risultato più ovvio della rottura del motore. Anche la Mercedes e in generale tutti i motori turbo hanno una wastegate. Il gioco attuale è far girare la turbina sempre al massimo usando l’energia di rotazione in eccesso(sempre entro i limiti di cui ti scrivevo) per recuperare energia tramite il MGU-H. Vari sono i metodi la cosa più ovvia è in rilascio o come credo faccia dall’inizio la Mercedes in maniera costante bilanciando elettronicamente in parallelo la pressione dell’acceleratore e i giri del turbo. Ma a voce saprei spiegarmi molto meglio di come lo scrivo da un cellulare, la chiarezza nelle spiegazioni non è mai stato il mio forte e l’Italiano non è la mia lingua primaria 😉
      Ora ti chiedi se la Ferrari abbia migliorato questo aspetto per il nuovo motore? Si ovvio, ma come spesso ripeto non sono così “cretini” come la stampa italiana fa credere, talune scelte sono state fatte in funzione dell’installazione dei tanti nuovi componenti delle unità ibride, nella maniera più compatta ed efficace possibile, c’è chi aveva già una grande tradizione nell’ibrido e chi no. Comunque nessun progettista al mondo non ti chiede un motore compatto e leggero, proprio nessuno.

      • a grazie (scusa per l’errore) quindi anche la mercedes ha una wastegate. ma il limite giri turbina non era 15.000 giri (ho mi sto confondendo col motore).
        un altra cosa ma non si potrebbe usare camera di risonanza helmholtzr ,che veniva usato dalla ferrari in primis che serviva in rilascio a mandare più gas di scarico in quel caso per riprodurre i gas soffiati adesso per la turbina.

      • No 15.000 è il numero di giri del motore massimo, pero’ con il limite di carburante 100Kg/h già a 12.000 giri hai raggiunto il massimo ottenibile.
        No la camera di risonanza è totalmente inutile, se non bastassero i gas non avresti bisogno della wastegate.
        Turbina grande=Lag e risposta a regimi più alti
        Turbina piccola=Lag ridotto e risposta a regimi più bassi.
        Ovviamente ogni motore è studiato per il relativo gruppo turbocompressore.
        Un po’ generico ma ti puo’ dare l’idea.
        La Ferrari ne usa uno “relativamente” piccolo avendo installato l’intercooler nella V del motore.

      • si lo so sulla turbina che più è grande è più hai turbo lag (difficoltà ad salire di regimi) pero poi ad alti regimi è “migliore”.
        invece una turbina più piccola meno turbo lag quindi riesce a salire più facilmente.
        per i giri motori per la precisione 12.500 non puoi superare i 100kg/h
        grazie ancora :) e scusa per le idee un po confuse ma il regolamento un pò piu semplice no è chiedere troppo :)

      • Vabbè se scrivi per la precisione è oltre i 10500 giri 100Kg/h, mentre i giri di cui ti scrivevano si riferivano all’inutilità di salire oltre una certa soglia per il limite di cui abbiamo appena scritto. 😉 si hai le idee confuse, ma è normale.

      • ehm hai ragione non so dove mi è uscito 12.500 e 10.500 cioè superato i 10.500 non puoi superare i 100kg\h come portata si va be era solo per precisare lo so che non “non centrava” su quello che aveva parlato :)

      • Con l’MGU-H la lag del turbo non è un problema su questi motori

  • e adesso tutti a nastrare gli scarichi della Panda!

  • Onestamente credo che il vantaggio sia più nelle espellere più calore con i gas di scarico che nel guadagnare potenza.

    Da quando usa gli scarichi isolati la F14T può usare il cofano più rastremato con evidenti benefici nella stabilità del posteriore

    • Infatti è il beneficio maggiore, come di raffreddamento globale del motore e della vettura. Di contro fosse vero che il turbo è piccolo, usi solo molto di più la wastegate, di potenza ne recuperi poca se sei al limite.

  • Ottimo , già lo sapevo ma lo avete spiegato in maniera eccelsa , semplice chiara e veloce ! Bravi ragazzi ! :)

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