Studio Progettuale dell'Impianto di Raffreddamento Motore di una Monoposto Formula SAE

The growing complexity of modern race cars, combined with the ongoing transition toward hybrid and electrified powertrain architectures, makes the study of thermal phenomena and thermal management systems increasingly critical. This is the context for the work carried out in this thesis, developed as part of the Formula Student project of the MORE Modena Racing university team, with the aim of analyzing, verifying, and calibrating the cooling system adopted in the new-generation hybrid configuration for the team’s single-seater. This comparison highlights how the introduction of electric motors and a battery pack entails new thermal requirements, greater challenges in heat dissipation, and a different distribution of overall thermal loads. Concurrently, a description is provided of the fundamental components of the cooling system, analyzing their operation, integration logic, and interactions with the rest of the vehicle. The core of the thesis concerns the coordinated evaluation of the performance of the radiators previously installed for cooling the traditional internal combustion engine and those of the new generation designed for the single-seater’s electric architecture. Although the traditional components had functioned in previous racing seasons, no quantitative analyses were available to justify their effectiveness or verify their adequacy with respect to the new thermal requirements introduced by the hybrid architecture. Starting from the dimensions and characteristics of the existing radiators, a computational model was developed and implemented using advanced spreadsheets, capable of estimating the heat exchange generated by the interactions of the single-seater’s radiating surfaces. The highest thermal loads to be dissipated in critical situations during the race were then determined, both for the internal combustion engine and for the electric motors and battery system, by evaluating the radiators’ capacity to ensure the required heat dissipation under various operating conditions. The results obtained allowed for verification of the consistency between theoretical performance and the system’s actual behavior, providing a quantitative basis for validating the current cooling system. Subsequently, a comparative study was conducted between various possible radiator architectures and configurations, considering different scenarios for layout, ducting, and forced ventilation. This analysis identified potentially more efficient alternative solutions, while taking into account the constraints imposed by the geometry of the single-seater’s side pods, which, for reasons of cost, organization, and timing, could not be modified during the current racing season. The thesis concludes with a chapter dedicated to the parametric optimization and calibration of the cooling system. By varying geometric, fluid-dynamic, and thermal parameters, it was possible to observe the evolution of heat transfer and identify the most promising configurations for future vehicle development. The analyses conducted thus constitute a methodological and design foundation useful for the project’s next phases, in which it will be possible to study new heat sinks and side pods in light of the results obtained in this study. The overall work thus makes a significant contribution to the understanding and management of thermal phenomena in a hybrid race car, offering analytical and design tools that can support the evolution of the cooling system in the MORE Modena Racing team’s future racing seasons.

La crescente complessità dei moderni veicoli da competizione, unita alla progressiva transizione verso architetture propulsive ibride ed elettrificate, rende sempre più centrale lo studio dei fenomeni termici e dei sistemi di gestione del calore. In questo contesto si inserisce il lavoro svolto nella presente tesi, sviluppata all’interno del progetto Formula Student della squadra universitaria MORE Modena Racing, con l’obiettivo di analizzare, verificare e calibrare il sistema di raffreddamento adottato nella configurazione ibrida di nuova generazione cui è predisposta la monoposto del Team. Tale confronto consente di evidenziare come l’introduzione di motori elettrici e pacco batteria comporti nuove esigenze termiche, maggiori difficoltà di dissipazione e una diversa distribuzione dei carichi termici complessivi. Parallelamente, viene fornita una descrizione dei componenti fondamentali del sistema di raffreddamento, analizzandone il funzionamento, le logiche di integrazione e le interazioni con il resto del veicolo. Il cuore della tesi riguarda la valutazione coordinata delle prestazioni dei radiatori precedentemente installati per la refrigerazione del propulsore termico tradizionale e quelli di nuova generazione per l’architettura elettrica della monoposto. Sebbene i tradizionali componenti risultassero funzionanti nelle stagioni sportive precedenti, non erano disponibili analisi quantitative che ne giustificassero l’efficacia o che ne verificassero l’adeguatezza rispetto alle nuove esigenze termiche introdotte dall’architettura ibrida. Partendo dalle dimensioni e dalle caratteristiche dei radiatori esistenti, è stato sviluppato un modello di calcolo implementato tramite fogli di calcolo avanzati, in grado di stimare lo scambio termico generato dalle interazioni delle masse radianti della monoposto. Sono stati quindi determinati i carichi termici maggiori da dissipare in situazioni critiche durante la competizione, sia per il motore a combustione interna sia per i motori elettrici e il sistema batteria, valutando la capacità dei radiatori di garantire la dissipazione richiesta nelle diverse condizioni operative. I risultati ottenuti hanno permesso di verificare la coerenza tra le prestazioni teoriche e il comportamento reale del sistema, fornendo una base quantitativa per la validazione dell’impianto refrigerante attuale. Successivamente è stato condotto uno studio comparativo tra diverse possibili architetture e configurazioni dei radiatori, considerando vari scenari di disposizione, canalizzazione e ventilazione forzata. Tale analisi ha permesso di individuare soluzioni alternative potenzialmente più efficienti, pur tenendo conto dei vincoli imposti dalla geometria delle pance laterali della monoposto, che per ragioni di costi, organizzazione e tempistiche non hanno potuto essere modificate nell’attuale stagione sportiva. L’elaborato si conclude con un capitolo dedicato all’ottimizzazione parametrica e alla calibrazione del sistema di raffreddamento. Variando parametri geometrici, fluidodinamici e termici, è stato possibile osservare l’evoluzione dello scambio termico e identificare le configurazioni più promettenti per un futuro sviluppo del veicolo. Le analisi svolte costituiscono quindi una base metodologica e progettuale utile per le prossime evoluzioni del progetto, nelle quali sarà possibile studiare nuove masse radianti e pance laterali, alla luce dei risultati ottenuti nella presente trattazione. Il lavoro complessivo fornisce dunque un contributo significativo alla comprensione e alla gestione dei fenomeni termici in un veicolo da competizione ibrido, offrendo strumenti analitici e progettuali che potranno supportare l’evoluzione del sistema di raffreddamento nelle future stagioni sportive della squadra MORE Modena Racing.