Turbocompressore monostadio delle macchine di formula 1

The objective of this thesis is to investigate the thermofluid-dynamic and performance evolution of the single-stage turbocharger in Formula 1, comparing three pivotal eras: the pioneering debut in the 1970s, the introduction of hybrid Power Units in 2014, and the current state-of-the-art engines. The investigation begins with an examination of computational models for turbo-engine matching, distinguishing between the phenomenological model approach, based on global parameters, and the precision of gas-dynamic models for the study of pulsating flows. The estimation of the turbine inlet temperature ( ) is analyzed in depth as a critical parameter for both the energy balance and the protection of the components. A central focus is dedicated to the transient response, where the analysis of the turbo-group's equations of motion provides an understanding of the evolution of turbo-lag reduction strategies: from mechanical management via the wastegate valve to the introduction of the MGU-H system, which has redefined the concept of energy efficiency and race-derived road propulsion. Finally, the study addresses the critical issues related to mechanical and thermal stresses induced by high brake mean effective pressures (BMEP), evaluating the impact of turbocharging on the structural robustness of components and the formation of pollutant emissions. This work demonstrates how the coupling of theoretical modeling and technological innovation has enabled the overcoming of the historical limits of turbocharging, outlining the technical prospects for the future regulations of the pinnacle of motorsport.

Lo scopo del seguente lavoro di tesi è quello di approfondire l’evoluzione termofluodinamiche e prestazione del gruppo turbocompressore monostadio in Formula 1 , mettendo a confronto le tre epoche cardine: l’esordio pionieristico degli anni ’70 , l’introduzione delle Power Unit ibride nel 2014 e lo stato del motore attuale. L’indagine si apre con l’esame dei modelli di calcolo per la scelta dell'accoppiamento turbo-motore, distinguendo tra l’approccio dei modelli fenomenologici, basati su parametri globali, e la precisione dei modelli gasdinamici per lo studio dei flussi pulsanti. Viene approfondita la stima della temperatura d'ingresso in turbina ( ) come parametro critico per il bilancio energetico e la salvaguardia dei componenti. Un focus centrale è dedicato alla risposta al transitorio, dove l'analisi delle equazioni del moto del turbogruppo permette di comprendere l'evoluzione delle strategie di riduzione del turbo-lag: dalla gestione meccanica tramite valvola wastegate all’introduzione del sistema MGU-H, che ha ridefinito il concetto di efficienza energetica e propulsione stradale derivata dalle competizioni. L'elaborato affronta infine le criticità legate alle sollecitazioni meccaniche e termiche indotte dalle elevate pressioni medie effettive, valutando l’impatto della sovralimentazione sulla robustezza strutturale dei componenti e sulla formazione delle emissioni inquinanti. Il lavoro dimostra come l’accoppiamento tra modellazione teorica e innovazione tecnologica abbia permesso di superare i limiti storici della sovralimentazione, delineando le prospettive tecniche per i futuri regolamenti della massima serie automobilistica.