Raffreddamento di una vettura di Formula 1 (PARTE 1)

Quando in estate fa caldo, non sono solo gli esseri umani a soffrirne. Anche le vetture di Formula 1 devono tener conto delle temperature particolarmente alte. Di solito si possono raggiungere i 30 °C di temperatura ambientale, ma quella in pista può arrivare anche a 45 °C. Data l’estremizzazione con cui è realizzata un’auto da Formula 1, le temperature raggiunte dalle monoposto sono elevatissime. Con i 1000 cv di potenza massima erogati dai moderni propulsori ibridi, un’auto di Formula 1 emette una gran quantità di calore. Per questo motivo è importante il sistema di raffreddamento: mantenere le temperature di esercizio basse è un compito importante per il team, sia in fase di progettazione che in pista. Il raffreddamento aiuta l’affidabilità ma costa in termini di prestazioni.

Infatti, i vari sistemi di raffreddamento hanno un peso extra che va aggiunto al peso complessivo dell’auto, ed inoltre peggiorano l’aerodinamica. Un maggior peso, influisce anche sui consumi di gomme e benzina. Più l’auto risulta pesante, e prima gli pneumatici si consumano. Lo stesso vale per la benzina: l’auto più pesante, a parità di tutti gli altri fattori, consuma di più.

Quali sono le componenti che si surriscaldano e che necessitano di raffreddamento?

Dal muso alla coda, tutti i sistemi alimentati della vettura richiedono il raffreddamento. Sebbene consideriamo il motore come l’elemento principale che deve essere mantenuto fresco, ci sono anche il sistema ibrido, l’idraulica, il cambio, la frizione, le sospensioni e l’elettronica. A ciò andrebbero aggiunti anche i piloti e i freni, ma per questa analisi non li consideriamo.

Il contributo principale al sistema di raffreddamento delle auto è il motore a combustione interna (ICE) con il suo sistema turbo e ibrido. Nell’era dei motori V8, il raffreddamento era un sistema abbastanza semplice. Si usava acqua e olio per l’ICE, insieme a un piccolo refrigeratore per il KERS. Con il passaggio alle Power Unit, avvenuto nel 2014, la dissipazione del calore dell’ICE è stata effettivamente ridotta. Ciò significa che è stato richiesto un minore raffreddamento. Questa diminuzione è stata compensata dalla maggiore richiesta di raffreddamento per il sistema ibrido e per il turbogruppo.

Sebbene usiamo il termine acqua, il fluido effettivo è una miscela di acqua/glicole. Il glicole è un liquido inodore e incolore, chiaro e viscoso dal sapore dolciastro. Questo viene tenuto sotto pressione a oltre 2,5 bar per aumentare il punto di ebollizione. In questo modo è possibile ridurre la dimensione dei radiatori. L’olio, allo stesso modo, viene tenuto sotto pressione, sebbene sia più l’effetto circolatorio intorno al motore ad essere influente per il raffreddamento. Pertanto, l’olio funziona a 100 °C alla pressione di 1 bar. Per alcune squadre, sembra che l’olio per il turbo sia fatto funzionare in un circuito separato dall’olio motore, quindi possono funzionare a temperature e pressioni differenti tra loro.

Allo stesso modo, la maggiore raffinatezza delle Power Unit post 2014 ha portato complicazioni al sistema di raffreddamento con la gestione termica del sistema ibrido: batteria, MGU-K, MGU-H e elettronica di controllo. Questi funzionano a temperature molto più basse rispetto all’ICE. Il loro raffreddamento è ottenuto mediante refrigerante a base d’acqua o fluido dielettrico (olio).

Le auto da Formula 1 hanno tipicamente montato i radiatori dell’olio del cambio, 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. Lontano dalle Power Unit, la richiesta di raffreddamento è molto inferiore, ma comunque altrettanto importante.

La maggior parte degli altri sistemi è raffreddata ad aria. Quando si considerano gli stretti confini di un’auto di Formula 1, il compito del progettista di raccogliere un po’ di flusso d’aria e dirigerlo all’interno dell’auto è particolarmente difficile. Gli ammortizzatori e il relativo hardware devono avere temperature contenute. Le sospensioni anteriori sono meno difficili da raffreddare rispetto a quelle posteriori. Infine, anche tutto l’hardware elettronico è sensibile alla temperatura. In particolare, i componenti principali come l’ECU e le centraline hanno le maggiori esigenze di raffreddamento.

Nella parte 2, parleremo di come si raffreddano i componenti meccanici e cosa comporta una cattiva progettazione del sistema di refrigerazione.