Raffreddamento di una vettura di Formula 1 (PARTE 2)

Eccoci qui con la seconda parte della nostra rubrica dedicata al sistema di raffreddamento di una vettura di Formula 1. Nella prima parte, abbiamo analizzato quali sono i componenti che necessitano di raffreddamento e perché quest’ultimo è importante. Quest’oggi, invece, ci concentreremo maggiormente sulle conseguenze di un cattivo raffreddamento e sul come si agisce per ridurre i rischi. Per quanto riguarda il motore e tutto il gruppo propulsore, una gestione termica ottimale consente di migliorare notevolmente l’affidabilità. La gestione termica rappresenta le fondamenta per avere un motore longevo. Quando le temperature aumentano anche di una quantità piuttosto piccola, il motore “perde” potenza. La cosa più grave, però, è che quella che ne risente di più è proprio l’affidabilità.

I materiali vengono spinti più vicino ai loro limiti strutturali e l’alluminio si indebolisce a temperature elevate. Il calore porta anche alla dilatazione termica dei metalli. Questo riduce le tolleranze di progetto, e quindi le parti possono grippare o allentarsi a seconda dei materiali circostanti. L’olio perde il suo effetto lubrificante, con la resistenza del film che diminuisce a temperature elevate, aumentando, per l’appunto, le possibilità di grippaggio. Dal punto di vista dell’elettronica, i semiconduttori si guastano con l’aumento della temperatura, impedendo loro di funzionare.

Da quanto appena descritto, dunque, non rispondere correttamente alle richieste di raffreddamento dei vari componenti è un modo sicuro al 100% per NON arrivare al traguardo: o si perde potenza e si è più lenti, oppure si verificano dei guasti.

Raffreddamento di una vettura di Formula 1: come si abbassano le temperature di esercizio nelle componenti meccaniche?

Il raffreddamento a liquido è il modo principale per raffreddare il gruppo propulsore, con acqua o olio. Il raffreddamento a liquido implica l’utilizzo di uno scambiatore di calore. Quindi, l’acqua o l’olio passeranno attraverso i tubi all’interno dello scambiatore di calore e il quest’ultimo passerà attraverso le alette circostanti all’aria che passa sopra l’unità. Per gli scambiatori di calore ad acqua, si tende a utilizzare il termine “radiatore“. Sebbene oil cooler e charge air coolers (intercooler) siano termini simili per hardware simile, presentano un fluido diverso utilizzato.

Per il raffreddamento ad acqua dell’ICE (motore a combustione interna), immagine sopra, il liquido di raffreddamento viene fatto circolare attorno al motore e ai radiatori da una pompa a girante azionata dall’albero motore. L’olio, al contrario, viene fatto circolare da una pompa a ingranaggi, sebbene sia anch’essa azionata dal motore. Il raffreddamento dell’aria di sovralimentazione, riscaldata mediante compressione nel turbo, si ottiene con un dispositivo di charged air cooler (CAC).

In Formula 1, c’è una divisione nel modo in cui le squadre ottengono questo risultato. Il metodo tipico è con un CAC raffreddato dal flusso d’aria, che è chiamato intercooler aria-aria (foto sopra). Questa è una configurazione leggera e semplice e l’effetto di raffreddamento è buono. Tuttavia, l’ampia superficie necessaria affinché il CAC soddisfi il suo calo di temperatura impone al refrigeratore maggiori dimensioni di ingombro e deve essere alimentato con una grande quantità di aria di raffreddamento. Questo può compromettere l’aerodinamica, a causa dello spazio occupato all’interno delle pance laterali della monoposto. Ferrari e Mercedes, invece, dal 2014 utilizzano quello che è chiamato intercooler acqua-aria (immagine sotto). In pratica una camicia d’acqua raffredda l’aria di sovralimentazione all’interno dello scambiatore di calore. Questa configurazione richiede un circuito di raffreddamento ad acqua separato, completo di pompa e radiatore dell’acqua.

Con questa configurazione, l’intercooler ha un volume più piccolo. Questo apre un vantaggio in termini di installazione dei componenti nella monoposto. Ferrari e Mercedes ora posizionano l’intercooler ben lontano, davanti al motore. In termini di raffreddamento e peso, la configurazione acqua-aria è meno efficiente, è più pesante e la temperatura dell’aria di sovralimentazione è più alta. Ma la temperatura è più costante, soprattutto quando l’auto gira a basse velocità. Ad esempio, quando l’auto è ferma in griglia di partenza, o quando si gira in regime di Safety Car. Questo vale perché il raffreddamento primario è l’acqua e non il flusso d’aria.

Nella parte 3 approfondiamo il raffreddamento della componente elettrica e il posizionamento delle tubazioni.