F1 – I moderni sistemi di raffreddamento di una monoposto

Le alte temperature fanno soffrire anche le vetture da Formula 1. Le temperature raggiunte in F1 sono elevatissime. Basti pensare che nell’abitacolo, ci sono almeno 50 °C, mentre alcuni componenti meccanici sfiorano e superano anche i 1000 °C. Per questo motivo, i sistemi di raffreddamento sono di vitale importanza. Il raffreddamento di una vettura è oggetto di un vero e proprio progetto, proprio come un qualsiasi altro componente. Logicamente, il sistema di raffreddamento migliora l’affidabilità, ma va inevitabilmente a rovinare l’aerodinamica della vettura, aggiungendo peso e dunque le prestazioni.

F1: quali sono i componenti che necessitano di raffreddamento?

Dal muso alla coda, qualsiasi dispositivo alimentato sull’auto richiede un certo raffreddamento. Sebbene consideriamo il motore come l’elemento principale che deve essere mantenuto fresco, esistono anche il sistema ibrido, l’idraulica, il cambio, la frizione, le sospensioni e l’elettronica. È possibile aggiungere il pilota e i freni all’elenco, ma li lasciamo da parte in questo momento.

Il principale contributo al sistema di raffreddamento delle auto è l’Internal Combustion Engine (ICE) con il suo sistema turbo e ibrido. All’epoca del V8, il raffreddamento era un sistema abbastanza semplice: acqua e olio per l’ICE, insieme a un piccolo dispositivo di raffreddamento per l’installazione KERS. Con il passaggio nel 2014 alle nuove power unit specifiche, è stato necessario un minore raffreddamento. Anche se parliamo di acqua, in realtà si tratta di una miscela di acqua e glicole. Questo viene mantenuto sotto pressione a oltre 2,5 bar per aumentare il punto di ebollizione, in modo che il motore possa funzionare a temperature ben più calde di circa 120 gradi. In questo modo, è possibile ridurre le dimensioni dei radiatori.

Allo stesso modo, l’olio viene tenuto sotto pressione, sebbene l’effetto raffreddamento sia maggiormente dovuto alla circolazione attorno al motore rispetto ad altri fattori. Pertanto, l’olio gira a 100 °C e alla pressione di 1 bar. Per alcuni team, sembra che l’olio per il turbo funzioni in un circuito separato rispetto all’olio motore, quindi può funzionare a temperature e pressioni diverse.

Allo stesso modo, la maggiore sofisticazione delle power unit post 2014 ha complicato il sistema di raffreddamento con la gestione termica del sistema ibrido: batterie, MGU e elettronica di controllo. Questi funzionano a temperature molto più basse rispetto all’ICE. Il loro raffreddamento è ottenuto da un refrigerante a base d’acqua o da un fluido dielettrico (olio). Funzionando a circa +50 °C sono fortemente influenzati dalla temperatura ambiente che supera i 30 °C. Le auto da F1 hanno sempre azionato i radiatori dell’olio del cambio, generalmente montati sul retro dell’auto. Le temperature del cambio sono fondamentali per l’affidabilità. Dalla metà degli anni Novanta, c’è stata anche la richiesta di raffreddare il piccolo volume di fluido idraulico utilizzato per i sistemi di controllo dell’auto fino a circa 100 °C.

Lontana dalla power unit, la richiesta di raffreddamento è molto inferiore, ma comunque importante. La maggior parte degli altri sistemi è raffreddata ad aria. Quando si considerano i limiti ristretti di un’auto da F1, il compito del progettista di raccogliere un po’ di flusso d’aria e dirigerlo in profondità all’interno dell’auto è particolarmente difficile. In una posizione simile sull’automobile, gli ammortizzatori posteriori e altri componenti hardware delle sospensioni idrauliche dovevano contenere le temperature, sebbene l’hardware delle sospensioni montato frontalmente abbia meno mportanza di raffreddarsi.

Infine, anche tutto l’hardware elettronico è sensibile alla temperatura. I componenti principali come l’ECU e le centraline hanno il maggior bisogno di raffreddamento. Ma l’hardware, come il sensore di velocità laser puntato verso il basso sotto il muso, richiede un flusso d’aria significativo per raggiungere le alette del dissipatore di raffreddamento per mantenere fresco il tutto. Ogni scatola elettrica e sensore ha bisogno di un flusso d’aria per contenere le temperature. Le squadre forniscono anche aria ai sensori di temperatura dei freni con tubi trasparenti che raccolgono aria dal condotto dei freni.

Che succede quando i componenti si surriscaldano?

Per quanto riguarda il gruppo della Power Unit, la gestione termica è uno dei mezzi principali per raggiungere l’affidabilità. Quando le temperature aumentano anche di pochi gradi, la potenza del motore viene ridotta dalle temperature dell’aria più calda. I materiali vengono spinti più vicino ai loro limiti strutturali. L’alluminio si indebolisce a temperature elevate, influenzando i carter e il cambio. Il calore porta anche all’espansione termica dei metalli. Ciò riduce le tolleranze di progettazione, in modo che le parti possano grippare o allentarsi a seconda dei materiali circostanti. L’olio perde il suo effetto lubrificante, con la forza del film che si riduce a temperature elevate, portando anch’esso al grippaggio. Con l’elettronica, i semiconduttori si guastano con l’aumento della temperatura, impedendo loro di funzionare. Chiaramente, non far fronte alle richieste di raffreddamento attese è un modo sicuro per non finire una gara o arrivare al traguardo perdendo potenza.

Come sono effettuati i raffreddamenti?

Il raffreddamento a liquido è il modo principale per raffreddare la catena cinematica, con acqua o olio. Il raffreddamento a liquido produce uno scambiatore di calore. Quindi, l’acqua o l’olio passeranno attraverso i tubi all’interno dello scambiatore di calore e il calore passerà attraverso le alette circostanti all’aria che passa sopra il componente. Per scambiatori di calore ad acqua, tendiamo ad usare il termine “radiatore”, sebbene il radiatore dell’olio e i radiatori dell’aria di sovralimentazione (intercooler) siano termini simili per componenti simili, ma con un fluido diverso da raffreddare.

Il raffreddamento ad acqua ICE è di gran lunga la maggiore richiesta per il sistema di raffreddamento. Il refrigerante viene fatto circolare intorno al motore e ai radiatori da una pompa a girante azionata dall’albero motore. Al contrario, l’olio viene fatto circolare da una pompa a ingranaggi, sebbene sia anche spinto dal motore. Il raffreddamento dell’aria di sovralimentazione, riscaldato mediante compressione nel turbo, viene ottenuto con un dispositivo di raffreddamento dell’aria di sovralimentazione (chiamato brevemente CAC). In F1, c’è una divisione nel modo in cui i team raggiungono questo obiettivo. Il metodo tipico è con un CAC raffreddato dal flusso d’aria, chiamato intercooler aria-aria. Questa è una configurazione leggera e l’effetto di raffreddamento è buono. Tuttavia, l’ampia superficie richiesta affinché il CAC soddisfi la sua caduta di temperatura significa che il dispositivo di raffreddamento è abbastanza grande e deve essere alimentato con una grande quantità di aria di raffreddamento. Ciò può compromettere l’aerodinamica, a causa dello spazio occupato dall’impianto all’interno della fiancata.

Un altro mezzo adottato da Ferrari e Mercedes dal 2014, è dove una camicia d’acqua raffredda l’aria di carica all’interno dello scambiatore di calore, piuttosto che l’aria che vi scorre attraverso. Definito intercooler acqua-aria, questa configurazione richiede un circuito di raffreddamento ad acqua separato, completo di pompa e radiatore dell’acqua. Con questa configurazione, l’interrefrigeratore ha un volume più piccolo e non ha più bisogno di sedersi nel flusso d’aria, sebbene il radiatore dell’acqua secondaria debba essere alimentato con aria di raffreddamento, sebbene questo radiatore sia molto più piccolo di un interrefrigeratore. Questo apre un vantaggio di imballaggio per il team, con Ferrari e Mercedes che posizionano l’intercooler ben lontano, davanti al motore. In termini di raffreddamento e peso, l’installazione acqua-aria è meno efficiente, è più pesante e la temperatura dell’aria di ricarica è più alta. Ma la temperatura è più costante, specialmente quando l’auto funziona più lentamente, come quando è ferma in griglia, perché il raffreddamento primario è l’acqua e non il flusso d’aria che passa.

Gran parte della complessità aggiunta alla disposizione di raffreddamento sulle auto attuali proviene dall’ERS, con batteria, MGU-K, MGU-H ed elettronica di controllo che richiedono raffreddamento. Esistono sistemi di raffreddamento dedicati per l’ERS, quindi non utilizzano i sistemi di raffreddamento ICE. Ciò può richiedere da due a tre circuiti di raffreddamento per adattarsi ai diversi fluidi di raffreddamento e posizioni dell’hardware. Ora che la batteria e due pacchetti di Control Electronics sono messi insieme sotto la cella a combustibile per regolamento, è probabile che condividano lo stesso sistema di raffreddamento. Il fluido dielettrico viene fatto circolare da una pompa elettrica dedicata con un piccolo dispositivo di raffreddamento montato nel flusso d’aria. Questo lascia le MGU raffreddate separatamente da uno o due circuiti con un refrigerante d’acqua e un radiatore. Poiché le MGU sono montate sulla parte anteriore del motore, può esserci una pompa a girante meccanica azionata dal motore o una pompa elettrica.

Sia il cambio che i sistemi idraulici utilizzano le proprie pompe di pressione per far defluire l’olio verso piccoli radiatori dell’olio. Il collegamento di tutti questi sistemi ai loro scambiatori di calore e pompe richiede l’impianto idraulico, e molto! È questo che crea la complessità visiva per le auto attuali, peggiorata quando l’auto viene assemblata e i vari tubi di preriscaldamento e sfiato vengono temporaneamente collegati, un po ‘come una rete di supporto vitale intorno all’auto.

Le tubazioni sono progettate con cura quando l’auto viene realizzata per la prima volta nel sistema CAD. Nulla è lasciato al caso e rovinato dall’assemblea finale. Importante quanto le tubazioni, i progettisti devono tenere conto di un mezzo per preriscaldare, lavare e spurgare il sistema una volta installato sull’auto, incorporando molti connettori di rottura a secco extra nelle tubazioni del circuito di raffreddamento. La tubazione stessa è un mix di tubazioni principalmente rigide e alcune tubazioni flessibili a seconda del sistema e della posizione. Le tubazioni rigide di diametro maggiore possono essere formate in alluminio o modellate in fibra di carbonio (per i team con budget più elevati), mentre i tubi di diametro inferiore tendono ad essere fabbricati in alluminio o titanio. Il collegamento di tutte le estremità dei tubi per formare un sistema sigillato sono connettori dedicati per il motorsport. Questi sono più efficaci e affidabili dei tubi in silicone e delle clip giubilari, con fornitori come Wiggins, Teconnex e Staubli utilizzati.

Layout del radiatore

Una volta specificata la richiesta di raffreddamento e definita l’area del nucleo del radiatore associato, è un ciclo di lavoro tra il team di progettazione e gli aerodinamici a decidere il concetto generale di aria di raffreddamento e la quantità di spazio in cui adattarsi ai dispositivi di raffreddamento. Dopodiché, risale al team di progettazione per dettagliare l’installazione effettiva.

Esistono due punti in cui è possibile montare i dispositivi di raffreddamento, all’interno dei sidepod o nell’area sopra il gruppo motopropulsore alimentato dall’ingresso del telaio. Ognuno ha i relativi benefici; i dispositivi di raffreddamento del sidepod sono facili da montare, sono più leggeri e il loro peso è più basso nell’auto per una buona altezza del centro di gravità (CoG). Ma i sidepod larghi influenzano il flusso d’aria nella parte posteriore della vettura, il che è negativo per le prestazioni. Al contrario, il montaggio di alcuni dispositivi di raffreddamento sopra il motore è altrettanto buono in quanto toglie il volume dai sidepods. Questo vantaggio è parzialmente compensato da una maggiore ostruzione della carrozzeria superiore al flusso d’aria verso l’ala posteriore. Inoltre, il peso complessivo può essere più elevato per far passare le tubazioni di raffreddamento nella posizione ideale e il loro peso viene posizionato più in alto nell’auto aumentando l’altezza CofG.

Tutti gli ingegneri scendono a compromessi e nessuno dei due è una soluzione superiore. La McLaren, negli ultimi tempi, ha provato il meno possibile nei sidepod per creare la MP4-30 di dimensioni zero, mentre la macchina dell’anno scorso aveva tutto nei sidepod sulla MCL33.

Il lavoro dettagliato decide quindi come posizionare il nucleo del radiatore rispetto al flusso d’aria e come la tubazione si dirige verso i dispositivi di raffreddamento. Naturalmente, la forma scolpita dei sidepods rende difficile il confezionamento di grandi dispositivi di raffreddamento rettangolari, quindi i progettisti devono essere inventivi con la forma del radiatore e la canalizzazione intorno ad esso.

Mentre lo scambiatore di calore passa il suo calore nel flusso d’aria circostante, ci sarà sempre un delta tra il radiatore e il flusso d’aria, il che significa che il flusso d’aria potrebbe essere ancora in grado di raffreddare qualcos’altro dopo aver attraversato il radiatore.

Poiché diversi dispositivi di raffreddamento funzionano a temperature diverse, possono essere impilati per utilizzare lo stesso flusso d’aria due volte. Con refrigeratori a temperatura più bassa con temperature di lavoro elevate montate dietro di loro. Questo è un modo pulito per impacchettare molti dispositivi di raffreddamento in uno spazio più piccolo.

Lo stesso trucco può essere impiegato all’interno di un singolo dispositivo di raffreddamento, piuttosto che il flusso che scorre in un lato del nucleo e fuori dall’altro, il nucleo può essere raddoppiato. Questo trucco viene spesso utilizzato per impacchettare più aree centrali nel pacchetto di raffreddamento e, utilmente, i tubi di ingresso e uscita sono tutti su un lato per un imballaggio più semplice.

Raffreddamento ad aria

Per far funzionare gli scambiatori di calore, l’aria deve passare sopra il nucleo del radiatore. Con la velocità delle auto, il flusso d’aria è troppo veloce per essere efficace nel dissipare il calore dai dispositivi di raffreddamento, quindi il condotto all’interno dell’auto serve a rallentare l’aria quando incontra il radiatore e quindi accelerarlo per uscire dalla carrozzeria. Pertanto, il condotto è formato da un ingresso, una sezione trasversale in espansione, spazio per il radiatore e una forma convergente in un’uscita più grande in sezione trasversale all’ingresso.

Ottenere il flusso d’aria nel condotto del radiatore è un compito più semplice rispetto a farlo uscire. C’è un potente flusso d’aria che si avvicina ai sidepods (il più forte proprio accanto al lato verticale della monoscocca), ma anche l’aerodinamica piace usarlo per il carico aerodinamico piuttosto che per il raffreddamento, quindi la forma è compromessa tra le due esigenze. Adattare l’effetto di raffreddamento della carrozzeria non è dettato dall’ingresso, piuttosto è l’uscita che si adatta alle diverse condizioni. Pertanto, l’ingresso non tende ad essere modificato in forma o dimensione per ciascun circuito. Prima del 2009, il design dell’outlet sidepod era gratuito. Le squadre potevano fare buchi nei sidepods di qualsiasi forma volessero; prese, camini di raffreddamento e feritoie erano tutti impiegati per sfiatare l’aria riscaldata dall’interno della carrozzeria. Nel 2009, le regole hanno imposto un progetto di sidepod chiuso, con solo poche aree escluse per consentire aperture di raffreddamento. Questo è il motivo per cui vediamo tutti i team sfruttare tutti gli stessi spazi per i loro punti di raffreddamento.

Pertanto, il sidepod è diviso in tre aree e le prese di raffreddamento sono consentite solo in; la parte superiore anteriore del sidepod sul lato della cabina di pilotaggio, lungo il centro della pinna di squalo, l’uscita di coda del sidepod e fuori dai 50mm inferiori del sidepod. Ognuno ha un effetto risultante sul raffreddamento e sulla resistenza. È un problema per i team che qualsiasi apertura della carrozzeria per favorire il raffreddamento porti con sé la resistenza e, in misura minore, il downforce del trade-off. È qui che l’enigma dell’ingegneria di gara si raffredda. I team vogliono prestazioni ma anche affidabilità, quindi il raffreddamento deve essere scambiato per raggiungere gli obiettivi del team. Non c’è nulla di gratuito con questo compromesso.

I team utilizzeranno le simulazioni del tempo sul giro per elaborare la domanda specifica di una traccia sul raffreddamento e la sua sensibilità al raffreddamento. Potrebbe non sembrare ovvio, ma alcune tracce impongono una maggiore domanda di ICE rispetto al raffreddamento ERS, come abbiamo visto in Austria, quindi la configurazione del raffreddamento deve variare in base a ciò.

Oltre a tenere conto della temperatura ambiente e dei dati raccolti dall’auto, gli ingegneri di gara dovranno scambiare la temperatura per le prestazioni durante il fine settimana sintonizzando la carrozzeria per aumentare \ ridurre l’area dell’uscita di raffreddamento. Per aiutare questo, più simulazioni hanno previsto l’effetto di qualsiasi combinazione dei pannelli di raffreddamento rimovibili che hanno a portata di mano. Questo è letteralmente un catalogo elettronico di effetto di raffreddamento rispetto alla resistenza, con immagini CAD che mostrano la carrozzeria impostata per raggiungere ogni obiettivo specifico. Sarà impiegato per ottenere la configurazione ideale per le condizioni della pista.

Le squadre avranno diverse opzioni di telaio per adattarsi alle prese di raffreddamento disponibili. A partire dall’uscita della bottiglia di coca cola (questa è la coda del sidepod) la sua larghezza e la conseguente apertura verso la parte posteriore è il mezzo principale per sintonizzare da requisiti di raffreddamento alti a bassi. Vedendo il raffreddamento elevato e le opzioni di raffreddamento basso, è chiaro come l’aerodinamica è influenzata dalla necessità di molto raffreddamento, con i sidepod molto più grandi montati sull’auto.

Poiché il pacchetto di radiatori all’interno dell’auto non è simmetrico (spesso con i radiatori ICE in un sidepod e gli ERS\intercooler in un altro), il requisito di raffreddamento del calore è diverso da sinistra a destra. Per soddisfare le esigenze di raffreddamento specifiche di ciascun sidepod, le prese possono avere dimensioni diverse, quindi la vista posteriore del sidepod può spesso essere asimmetrica per ottenere l’equilibrio ideale. Questa non è una pratica intelligente per aumentare le prestazioni in pista, che hanno più curve in una direzione rispetto all’altra, come si pensa a volte. Da qui, la messa a punto più precisa del sistema di raffreddamento viene eseguita in gran parte con le uscite laterali della cabina di guida. Questi piccoli pannelli possono essere completamente chiusi, per una configurazione a bassa resistenza. Un numero crescente di aperture a feritoia e persino un’uscita rivolta verso la parte posteriore possono anche essere formati nell’area legale.

Questa regione può anche essere utilizzata per regolare il raffreddamento in gara, se si prevede che le temperature cambino, o semplicemente il secondo stint della gara viene eseguito più velocemente a causa del carico di carburante in diminuzione. Questi pannelli possono essere modificati durante la gara perché le regole del parco chiuso stabiliscono che qualsiasi carrozzeria allestita con cui finirai le qualifiche, dovrai correre in gara. Pertanto, non è possibile iniziare la gara con diverse prese di raffreddamento e non c’è tempo a pitstop per sbloccare e sostituire la presa con una di dimensioni diverse. Squadre come la Mercedes riescono a superare questo problema coprendo le prese d’aria nelle qualifiche con una sottile copertura in carbonio. Questo è semplicemente registrato, abbastanza forte da non essere spazzato via alla velocità, ma abbastanza facile da essere strappato da un meccanico al pit-stop se è necessario un maggiore raffreddamento.