Öncelikle ilk temel sorudan başlayalım. Bir F1 aracındaki soğutma ihtiyacı nereden doğuyor?
Gerçek verimlilik oranlarını tam bilmesek de Mercedes ve Renault güç üniteleri %50 üzeri verimlilikle çalışıyor. 2002 Ferrari Formula 1 motorunun verimliliğinin %27 civarındaydı. Bu geri kalan oran, yani verimsiz kısım ise ısı enerjisine dönüşerek araçtan bir şekilde uzaklaştırılmaya çalışılıyor. Bu yüzden bu ısıyı yaratan ve etkilenen bütün sistemlerin soğutulması gerekiyor (internal aerodynamics). Soğutulması gereken sistemleri sıralarsak bunlar motor, MGU-K, MGU-H, debriyaj, aktarma organları, vites kutusu, bataryalar ve elektronik sistemler. Yani neredeyse araçta bulunan bütün sistemler.
Peki neden soğutmalı? Parçalar yeterince soğutulmaz ise ne olur? Cevap mekanik arıza. En basitinden bir örnek verirsek, yapısal parçalarda sık kullanılan aluminyum 7075 serisinden bir örnek verelim. Bu malzemenin dayanımı oda sıcaklığında 550MPa civarındadır sıcaklık arttıkça (Formula 1’de mümkün olan sıcaklık aralıkları) bu değer 300-350MPa civarlarına düşer. Yani bu malzemeden yapılmış bir parça düşük sıcaklıkta 550 birim kuvvete dayanırken yüksek sıcaklıkta 300 birim kuvvetle kırılıyor. Grafikte iki farklı alaşım 2618 ve 2219’un sıcaklık-dayanım ilişkisini de görebilirsiniz.
kaynak
Soğutma işi için ise radyatörler kullanılıyor, tıpkı yol arabamızda olduğu gibi ama çok daha gelişmiş versiyonu. Bu soğutmanın hangi sistemde ne kadar yapılacağı tasarımın en başında düşünülmesi ve hesaplanması gereken bir detay ve tamamen motorun, pistonların, hibrit sistemlerin nasıl, ne zaman ve hangi oranda soğutulacağıyla ilgili.
Radyatörün araçtaki konumuSoğutmada anlaşılması gereken temel konulardan biri, soğutulması gereken bir parçanın ısı kapasitesine bağlı olarak bir turda ne kadar soğutulmasının, parçayı tamamen soğutmadan daha önemli olması. Daha iyi açıklamak için bir örnek verirsek, MGU-K çalışma sıcaklığı 100°C olsun. Takımın amacı bu parçanın sıcaklığını bir tur boyunca 100°C civarında tutabilmek. Bunun içinse mesela soğutma sıvısını 80°C civarında tutmak gerekli. Amaç sonuçta bu parçayı tamamen soğuk tutmak değil, tur boyunca ortaya çıkan ekstra ısıyı ortadan kaldırmak, bunu yapmak için de soğutma sıvısını belli bir sıcaklıkta tutmak.
Bu dengenin sağlanabilmesi için aerodinamik tasarımcıları, hesaplamalı akışkanlar dinamiği ekibi, mekanik sistem tasarımcıları hep beraber çalışarak soğutma türüne, su mu yoksa yağ mı kullanılacağına ve radyatör boyutlarına karar verir. Su desek de aslında bu bir kimyasal karışımdır. Motor 100°C üzerinde çalıştığı için bu karışımın kaynama noktasını arttırmak gerekir ve bu yüzden bu karışım belli bir basınç altında bulunur. Farklı parçaların farklı soğutma gereksinimleri olduğu için takımların birden fazla soğutma döngüleri vardır. Bunun için de birden fazla radyatör kullanılır. Bazı parçalar ise (frenler gibi) direk hava ile soğutulur.
Radyatörler soğutma sistemlerinin en kritik elemanıdır. Takımların neredeyse hepsi (ya da hepsi) radyatörlerini Avustralyalı PWR firmasından satın alır. Bu firma alanında çok iyi, MotoGP ve Le Mans da dahil üst seviye motorsporları serilerine radyatör tedarik eden bir firma.
Tıpkı yakıt tanklarında olduğu gibi, takımlar tasarımın geliştirilmesini PWR ile birlikte yaparlar. Her takımın aerodinamik şekli ve soğutma gereksinimleri farklı olduğu için PWR her takıma özel radyatörler üretir. Önceden basitçe dikdörtgen şeklinde tasarlanan radyatörler aerodinamik tasarımların sonucu olarak dış yüzeye bağlı değişik şekillerde üretilir.
Lotus 79 radyatörleri, basit dikdörtgen, fotoğraf “Colin Chapman:Inside the Innovator” kitabından
Radyatör tasarımı ise yüzey alanına, içeride kullanılacak olan ağın büyüklüğüne, kalınlığına ve içeride sıvının akışını sağlayan tüplere bağlıdır. Tıpkı takımların aerodinamik parçalar için test yaptığı gibi, sadece radyatörlerin verimliliğini hesaplamak ve simülasyonla karşılaştırmak için radyatörlere özel rüzgar tüneli testleri yapılır. 3D yazıcı teknolojisinin gelişmesiyle takımlar çok değişik şekillerde ve daha yüksek verimle çalışan radyatörler üretebiliyor. Mesela altta gördüğümüz parça bu teknolojiyle üretilmiştir. Geleneksel üretim metodlarıyla üretilmesi mümkün olmayan bu şekiller yüzey alanını arttırarak ısı transferini arttırır ve soğutmaya yardımcı olur.
Takımların aracın bileşenlerini soğutmak için aracın içine yönlendirdiği havanın çok büyük bir aerodinamik dezavantajı da var. Soğutma demek, aracın içine ekstra hava girmesi demek. Bu da sonuçta ekstra sürüklenme(drag) yaratarak aracın aerodinamik performansını düşürüyor. Bu yüzden takımlar aerodinamik verimliliği ön planda tutarak soğutma gereksinimlerini olabildiğince minimuma indirmeye çalışır.