Formula 1’de hava sıcaklıklarının zorlu olduğu koşullarda, 1000 beygir gücündeki içten yanmalı motor ve hibrit elektrik ünitelerine sahip araçlar sürekli limitlerde çalıştırılıyor. Peki bu araçların performansını, aerodinamik yapısını ve ağırlığını minimum olumsuz etkiyle koruyacak soğutma sistemleri nasıl çalışıyor?

Ön kanattan arka kanada kadar araçta güçle çalışan her bileşen soğutma gerektirir. Genellikle soğutulması gereken ana parça olarak güç ünitesi düşünülse de, hibrit sistem, hidrolikler, şanzıman, debriyaj, süspansiyon ve elektronik bileşenlerin de soğutulması önemlidir. Hatta bu listeye pilot bile eklenebilir.

HANGİ PARÇALAR ISINIYOR VE NEDEN SOĞUTULMALILAR?

Aracın soğutma sisteminde en büyük katkıyı turbo ve hibrit sistemiyle İçten Yanmalı Motor (ICE) sağlar. V8 döneminde, soğutma oldukça basit bir sistemdi; ICE için su ve yağ, KERS için ise küçük bir soğutucu kullanılıyordu. 2014’te yeni güç ünitelerine geçişle birlikte ICE’nin ısı üretimi azaltılarak, daha az soğutma gereksinimi ortaya çıktı. Ancak bu azalma, hibrit sistem ve turbo için artan soğutma ihtiyacı ile dengelendi. Su soğutma devresine verilen ısı yaklaşık 30 kW azaltılarak 90 kW’a, yağ ısı çıkışı ise 30 kW’a düşürüldü.

Her ne kadar “Su” terimini kullansak da aslında burada bahsedilen sıvı, su/glikol karışımıdır. Bu karışım, kaynama noktasını yükseltebilmek için 2,5 bar’ın üzerinde bir basınç altında tutulur. Böylece motor +120°C’de çalışabilir ve bu durum, soğutma için gereken radyatörlerin boyutlarının küçülmesine olanak tanır.

Yağ, soğutmadan ziyade motor çevresinde dolaşımı sağlamak amacıyla basınç altında tutulur. Bu sayede yağ, +100°C sıcaklık ve 1 bar basınçta çalışır. Bazı takımlarda ise turbo yağı, motor yağından ayrı bir sistemde kullanılarak farklı sıcaklık ve basınç koşullarında çalıştırılabilmektedir.



Güç ünitelerinin artan karmaşıklığı, hibrit sistemin termal yönetimi ve soğutma sistemine de ek zorluklar getirmiştir. Batarya, MGU’lar ve kontrol elektroniği, içten yanmalı motorlardan çok daha düşük sıcaklıklarda çalışır ve soğutma ihtiyaçları su bazlı soğutucu ya da dielektrik sıvı (yağ) ile karşılanır. Yaklaşık +50°C’de çalışan bu parçalar, ortam sıcaklığının 30°C’nin üzerine çıkmasından büyük ölçüde etkilenir.

Şanzımanlar için ise F1 araçları her zaman tipik olarak aracın arkasına monte edilmiş şanzıman yağı soğutucuları kullanmıştır. Şanzıman sıcaklıkları güvenilirlik açısından kritik öneme sahiptir, ancak yaklaşık 10kw'lık bir ısı reddetme rakamıyla tasarımcılar üzerinde çok daha az baskı oluştururlar. Doksanlı yılların ortalarından beri şanzıman ve debriyaj gibi aracın kontrol sistemlerinde kullanılan görece daha az hacimli hidrolik sıvı, ortamı 100c sıcaklığın altında tutulması için kullanılmaktadır.

Güç ünitesinden uzaklaştıkça soğutma ihtiyacı azalsa da hala önemini korur. Güç ünitesi dışında kalan sistemler, hava ile soğutulur. Bir F1 aracı, en az hava direnci yaratacak şekilde tasarlanır, ancak yine de bir miktar hava akışını toplayarak aracın içine yönlendirmesi gerekmektedir.

Tüm elektronik sistemler ve donanımlar sıcaklığa karşı son derece hassastır. Özellikle ECU ve güç kutuları gibi ana bileşenlerin etkili soğutulması gereklidir. Bu nedenle, aracın üstünde, altında ve içinde ideal bir hava akışı sağlanmalıdır. Her bir elektrik kutusu ve sensör, sıcaklıklarını kontrol altında tutmak için belirli bir hava akışına ihtiyaç duyar. Hatta takımlar, fren kanallarından hava alan şeffaf hortumlarla fren sıcaklık sensörlerine bile hava sağlar.

ORTAM GEREKENDEN ÇOK ISINIRSA NE OLUR?

Güç ünitesinde, güvenilirliği sağlamak için termal yönetim en önemli unsurdur. Araçtaki parçalar sıcaklıklara oldukça duyarlıdır, bu yüzden sıcaklıkta küçük bir artış bile, motorun güç çıkışını düşürürken, daha da önemlisi güvenilirliği olumsuz etkileyecektir.

Güç ünitesinde sıcaklıkların artmasıyla, zaten yapısal sınırlarının limitlerinde çalışan malzemeler – özellikle alüminyum parçalar – zayıflayarak krank gövdeleri ve şanzıman kalıpları üzerinde olumsuz etki yaratır. Isının yükselmesi, metallerin termal genleşmesine yol açarak tasarım toleranslarını zorlar; bu da parçaların (çevreleyen malzemelere bağlı olarak) sıkışmasına veya gevşemesine neden olabilir. Yağ ise yüksek sıcaklıklarda yağlama etkisini kaybeder; katman mukavemeti azalır ve bu da kilitlenmelere yol açabilir. Elektronik bileşenlerde ise yarı iletkenler aşırı sıcaklık nedeniyle yanlış değerler okuyabilir, hatta arızalanarak işlevlerini yitirebilir.



SOĞUTMA NASIL YAPILIR?

Sıvı soğutma, su ve yağ ile, güç ünitesini soğutmanın en basit ve ana yoludur.

Sıvı soğutma, bir ısı eşanjörü kullanımı anlamına gelir. Bu sistemde, su veya yağ, ısı eşanjöründeki borulardan geçerken ısı, çevredeki kanatçıklar yoluyla ünitenin üzerinden geçen havaya aktarılır. Su ısı eşanjörlerine “radyatör” adı verilir. Yağ soğutucuları ve ara soğutucular (intercooler) da benzer işleyişe sahip cihazlardır, ancak farklı sıvılar soğutulur.

ICE’nin yüzey alanı açısından, soğutma sistemi üzerindeki en büyük pay su soğutmasına aittir. Soğutma sıvısı, krank milinden tahrik edilen pervane tipi bir pompa ile motor ve radyatörler etrafında dolaştırılır. Yağ ise suyun aksine, motordan tahrik edilen dişli tipi bir pompa ile dolaştırılır.

Turbo ile sıkıştırılan şarj havasının soğutulması, bir şarj havası soğutucusu (CAC) ile sağlanır. F1’de takımlar bunu farklı yöntemlerle gerçekleştirir. Yaygın olarak kullanılan yöntem, havadan havaya ara soğutucu adı verilen ve hava akışıyla soğutulan bir CAC’dir. Bu yöntem, hafif ve basit bir kurulum sunarken iyi bir soğutma etkisi sağlar. Ancak, CAC’nin sıcaklığı yeterince düşürmesi için geniş bir yüzey alanına sahip olması gerekir, bu da soğutucunun oldukça büyük olmasına ve yoğun bir soğutma havasına ihtiyaç duymasına yol açar. Bu durum, soğutucunun yan ayakta kapladığı alan nedeniyle aerodinamiği olumsuz etkileyebilir.

Bir başka yöntem de ısı eşanjörünün içinden akan hava yerine bir su ceketinin içindeki şarj havasını soğutmasıdır. Sudan Havaya ara soğutucu olarak adlandırılan bu kurulum, kendi pompası ve su radyatörü ile tamamlanan ayrı bir su soğutma devresi gerektirir. Bu kurulumla, intercooler hacim olarak daha küçüktür ve artık hava akışında oturması gerekmez, ancak ikincil su radyatörünün soğutma havası ile beslenmesi gerekir, ancak bu radyatör bir intercooler'dan çok daha küçüktür. Bu iki farklı soğutma metodunun kullanımı takımların araçlarını nasıl tasarladığı, güç ünitesini nasıl paketlediği gibi değişkenlere göre farklılık gösterebilir.

Günümüz araçlarında kullanılan karmaşık soğutma düzeninin başlıca nedeni ERS sistemidir. Batarya, MGU-K, MGU-H ve kontrol elektroniklerinin her biri ayrı bir soğutma ihtiyacı gerektirir. ERS, özel bir soğutma sistemine sahip olduğu için ICE’nin soğutma sistemini kullanamaz. Yönetmelik gereği batarya ve iki Kontrol Elektroniği paketi yakıt hücresinin altına birlikte yerleştirildiğinden, muhtemelen aynı soğutma sistemini paylaşırlar. Dielektrik sıvı, hava akışına monte edilmiş küçük bir soğutucu aracılığıyla özel bir elektrikli pompa ile dolaştırılır. Böylece MGU’lar, bir veya iki devrede su soğutucuları ve radyatörlerle ayrı ayrı soğutulmuş olur.

Hem şanzıman hem de hidrolik sistemler, yağı küçük yağ soğutuculara akıtmak için kendi basınç pompalarını kullanır.

Tüm bu sistemlerin ısı eşanjörlerine ve pompalarına bağlanması için çok sayıda tesisat gerekir. Araçlarda görsel karmaşıklığı yaratan da budur; araç monte edilirken ve çeşitli ön ısıtıcı ve hava alma boruları geçici olarak takıldığında daha da kötüleşir, aracın etrafındaki bir yaşam destek ağı gibidir.



Boru tesisatı, araç CAD sisteminde ilk kez yaratılırken dikkatlice tasarlanır. Hiç bir şey şansa bırakılmaz ve düzenlenir.

Araçlardaki sidepodların iç dizaynı aracın soğutmasına katkı sağlamak amacıyla dizayn edilmiş, içinde radyatör bulunan parçalardır. Hava aracın içine sidepodlar aracılığı ile girer ve radyatörleri besler. Şekilleri ve görünüşleri takımdan takıma değiklilk göstermekle birlikte iç yapılarıda aracın motor paketlemesine göre değişiklik gösterir. Tasarım ekibinin sidepodun içindeki hava akışını, soğutmayı maksimuma çıkarırken aracın sürüklenmesine minimum negatif etki yaratacak şekilde yönlendirmesi gerekir.

Bununla birlikte motor kapağının arkası da soğutma için hava çıkışları verecek şekilde tasarlanmıştır. Bu çıkışlar içerdeki ısı ve sıcaklık dengesini sağlamak adına asimetrik şekilde tasarlanabilir. Bu hava çıkışları, pistten piste ve istenen performans düzeyine göre açıklıkları ve boyutları konfigüre edilebilecek şekilde tasarlanır.

Sonuçta Formula 1 araçlarını soğutmak çok komplex ve aynı zamanda düzenli olmayı gerektiren gerçekten her anlamda mühendisliğin kullanımını gerektiren bir iştir. Aracın performansını optimumda tutarken gerekli soğutmayı sağlamak için araç daha tasarlanırken soğutma sistemi geliştirilmiş olmak zorundadır. Motor sporlarının zirvesine yakışır bir mühendislik örneğini F1 araçlarının soğutma sistemlerinde görmek mümkündür...

tr.motorsport.com