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Bloqueo sónico en motores de competición: un problema real que pasa desapercibido

Motores super-cuadrados como solución al bloqueo sónico

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En este artículo vamos a explicar uno de los problemas menos conocidos que sufren los motores de competición que puede llevar a una caída brusca del rendimiento del mismo o incluso su rotura: el bloqueo sónico.

Antes de explicar dicho problema, es necesario aclarar conceptos básicos sobre los Motores de Combustión Forzada o MEF, es decir, los motores de gasolina convencionales.

Si analizamos el ciclo que se lleva a cabo para producir energía, se obtiene un gráfico similar al mostrado en la figura inferior (de manera muy simplificada).

Ciclo básico de un motor de combustión. Gráfica Presión-Volumen

En él podemos distinguir 4 fases principales:

  • Admisión
  • Compresión
  • Expansión
  • Escape

No obstante, siendo puristas se deben distinguir las siguientes fases:

  • Admisión con Retraso al Cierre de la Admisión (RCA) para maximizar la entrada de aire. Adiabática (sin pérdida de calor) y a presión constante.
  • Compresión.
  • Combustión a volumen constante.
  • Combustión a presión constante.
  • Expansión.
  • Escape espontáneo adiabático (sin pérdida de calor).
  • Escape forzado diabático (con pérdida de calor) a presión constante.
  • Cierre de la válvula de escape y apertura de la admisión.

Una vez distinguidas las fases que forman un ciclo de un motor convencional, ya podemos comenzar a explicar el problema del bloqueo sónico. Este fenómeno tiene lugar en la fase de admisión y es característico de los motores de competición por su alta velocidad de giro.

Los cilindros de los motores se pueden clasificar según su relación entre la carrera (distancia que recorre el émbolo desde el Punto Muerto Superior hasta el Punto Muerto Inferior), y el diámetro del propio cilindro. Así, la clasificación queda de la siguiente manera:

  • De carrera larga (lentos): la carrera es superior al diámetro del cilindro, l > D.
  • Cuadrados (normales): la carrera es igual al diámetro del cilindro, l = D.
  • Super-cuadrados (rápidos): la carrera es inferior al diámetro del cilindro, l < D.

Esquema básico de un cilindro

Cada uno de estos tipos de cilindros se asocia a una velocidad media del émbolo determinada, u, que depende de la velocidad de giro en rpm (n) y de la carrera (l), de la siguiente forma:

u = 2·n·l

Así, los motores rápidos de competición tienen velocidades medias superiores a 15 m/s, los motores normales de los vehículos de calle tienen velocidades de entre 10 y 15 m/s y los motores lentos empleados en barcos tienen velocidades inferiores a 10 m/s.

Dado que la potencia resulta proporcional a la velocidad de giro, n, los motores deportivos y de competición suelen ser super-cuadrados, con el objetivo de lograr mayores velocidades de giro, n, manteniendo la velocidad media del émbolo, u. El motivo es que el motor deja de llenar bien a partir de una determinada velocidad del émbolo, u, por bloqueo sónico de la válvula de admisión. Para una velocidad media del émbolo de 20 m/s, se alcanzan velocidades próximas a las del sonido (350 m/s) en el flujo alrededor de las válvulas de admisión debido a las perturbaciones en las presiones en el interior del cilindro. En este instante decimos que el caudal de aire que entra a través de las válvulas se encuentra bloqueado sónicamente y, por tanto, el flujo no puede entrar en el interior del cilindro y el rendimiento de la combustión cae de forma brusca.

Para solucionar este problema crítico, se aumenta el número de válvulas de admisión, su diámetro y se opta por motores super-cuadrados. Además, se produce un Adelanto a la Apertura de la Admisión (AAA) y un Retraso al Cierre de la Admisión (RCA). Todo ello permite que los motores de competición alcancen valores de velocidad de giro superiores a las 13.000 rpm sin que ello suponga un problema en la admisión.

Especificaciones técnicas de la unidad de potencia del Ferrari SF90

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Técnica | Las mejoras aerodinámicas traídas por Ferrari a Hungría

En Ferrari apuestan por un perfil con forma de ‘boomerang’ como ya han hecho otros equipos de la parrilla.

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Después de un largo descanso en lo que respecta al desarrollo aerodinámico, en Hungría han llegado finalmente las actualizaciones en el SF90. Es un trazado que premia a los monoplazas con elevada carga aerodinámica, aspecto en el que el SF90 pierde frente a sus rivales, a cambio de contar con mayor eficiencia aerodinámica. Ferrari ha traído nuevas soluciones para la zona comprendida entre el eje delantero y el cuerpo del monoplaza. Sin embargo, el Hungaroring es un tipo de circuito en el que salen a relucir las cadencias del Ferrari, cuya mayor tara es la escasa velocidad en curva lenta.

Delante de las entradas de aire de los radiadores, los ingenieros aerodinámicos de Maranello han aumentado sensiblemente el tamaño de los perfiles horizontales presentes ya desde hace tiempo en el monoplaza, pero cuyas dimensiones eran bastante reducidas. Es el mismo camino que han seguido sus adversarios, entre los que se encuentra Mercedes, pero sobre todo Red Bull.

Antonio Granato

La solución presentada en Budapest (que si proporciona resultados alentadores podrá ser muy útil también en otros tipos de trazado) consiste en un doble perfil a ‘boomerang’, como se puede ver en la imagen, que ‘limpia’ el flujo de aire, eliminando todo tipo de distorsiones, perturbaciones y turbulencias nocivas aerodinámicamente generadas por el ala, los neumáticos y los numerosos brazos de las suspensiones delanteras.

Se trata de hecho de una zona notablemente importante en términos aerodinámicos en un monoplaza, donde el flujo de aire debe dirigirse lo más ordenadamente posible hacia la parte inferior o los laterales del monoplaza. Cuanto mejor se realice esto, mayor será la carga aerodinámica generada en la parte posterior. Al mismo tiempo, soluciones de este tipo ayudan a mantener la eficiencia aerodinámica a un nivel óptimo, reduciendo las turbulencias y el drag global del monoplaza.

Antonio Granato

En Red Bull parece que ya habían dado una respuesta similar a este problema desde el principio de temporada. Adrian Newey desde comienzo de temporada una solución de este tipo con un perfil único que poco más tarde pasó a ser doble. Es probable que en Ferrari se puedan obtener claros beneficios con esta actualización, siendo el SF90 un monoplaza mucho más cercano conceptualmente al RB15, algo que no sucede con el Mercedes.

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Análisis Entrenamientos Libres: ¿Vuelve Ferrari?

Ferrari parece que puede dar la sorpresa, pero sobre todo, se puede esperar una carrera muy apretada, según los datos de vueltas

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Tras una gran divertidísima carrera en el circuito del Silverstone, llegamos al Hockenheimring. ¿Puede que aquí tengamos un nuevo ganador, esta vez de rojo? ¿Es un nuevo espejismo y finalmente las flechas de plata mantendrán su estatus? Analizamos lo que nos dicen los números y tiempos. (más…)

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Análisis Técnico | Novedades para el GP de Gran Bretaña

Williams sorprende con las modificaciones que ha traído a Silverstone después de un largo periodo de crisis. A estas alturas, cualquier cambio es positivo para el equipo

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Llega el Gran Premio de Gran Bretaña y desde MomentoGP hemos recogido algunas de las novedades que traen a Silverstone los diferentes equipos de la parrilla. ¿Tendremos una victoria diferente este fin de semana? ¿O continuaremos con el dominio absoluto de Mercedes a pesar de las mejoras del resto de pilotos?

A la espera de ese ansiado paquete aerodinámico del que se lleva hablando gran parte de la temporada, el equipo comandado por Otmar Szafnauer, continúa realizando pequeñas modificaciones en el monoplaza y esta vez es turno del ala delantera.

Se ha modificado la pletina lateral del ala delantera, ahora más recortada y aparentemente más ancha que lo visto en otros GPs. El beneficio que le puede traer este nuevo diseño no tiene tanta relación con ganar décimas, sino con el equilibrio del coche, aunque queda por ver como se comporta en los entrenamientos libres.

Fuente: Giorgio Piola

En cuanto a Renault, pocos cambios ha realizado el equipo francés para el Gran Premio de Gran Bretaña: han incorporado una nueva especificación de flaps en el alerón delantero, cambiando el diseño de los dos aletines superiores, alargándolos.

Fuente: Albert Fábrega

Los de Toro Rosso no han traído grandes mejoras para la carrera inglesa, a excepción de realizar tres aperturas para la refrigeración en el monocasco de su monoplaza, al igual que Mercedes.

Williams ha aprovechado los 50 años de Frank Williams en la Fórmula 1 para traer las primeras novedades aerodinámicas de la temporada. A pesar de que el equipo atraviesa una profunda crisis, lo cierto es que todas las modificaciones que se hagan en el monoplaza para recortar distancia con sus rivales, son positivas.

Se ha rediseñado el soporte de los espejos retrovisores y la entrada de aire de los pontones, muy similar ahora al diseño de Racing Point y que no dista demasiado del Red Bull y del McLaren.

Fuente: VivoF1

Como se observa en el círculo de la imagen adjunta, los ingenieros de Williams han optado por una configuración muy similar a la utilizada por otros equipos, aunque, a diferencia de Renault, existe un corte entre el elemento horizontal y vertical, con un extremo curvo para favorecer el outwash.

Los espejos retrovisores también han sido modificados y validados por la FIA. Son muy parecidos a los que monta McLaren y con ello se busca minimizar el impacto del flujo de aire sobre este elemento que tantos dolores de cabeza da.

El equipo McLaren, por su parte, modifica el fondo plano para el nuevo diseño de los bargeboards que se han instalado, nuevas formas para tratar de mejorar la aerodinámica del monoplaza.

Fuente: Albert Fábrega

En cuanto a Ferrari, los italianos apuestan por realizar algunas modificaciones que los acerquen un poco más a la tan ansiada victoria sobre sus rivales. Han cambiado el diseño de la tapa motor, dividida en dos piezas, por un único elemento sin juntas, pues cualquier alteración de la superficie conlleva algo de pérdida en cuanto a la aerodinámica del coche.

Fuente: Albert Fábrega

Alfa Romeo trae nuevo morro para la carrera en Gran Bretaña, un nuevo diseño de soporte frontal y distinta curvatura en el alerón delantero, además de las claras diferencias en el lateral del morro, totalmente cambiado.

Fuente: Albert Fábrega

 

Fuente: Albert Fábrega

Por último, cabe destacar que el equipo Haas, lejos de traer nuevas mejoras, ha decidido regresar a la especificación que montaron en Australia. La incógnita está en aire, este fin de semana descubriremos si este retroceso les hace avanzar dos pasos más o, por el contrario, los arrastra más abajo en la parrilla.

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