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Técnica

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

Análisis Técnico: Marina Bay Street Circuit

Marina Bay, circuito estrella bajo la noche de Singapur

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Tras la apoteósica victoria de Charles Leclerc para Ferrari en el circuito de Monza, la Fórmula 1 viaja a Singapur. Nos encontramos ante una de las pruebas más especiales del calendario. Desde el 2008, es una carrera que se desarrolla de noche en el circuito urbano de Marina Bay. Con una probabilidad de safety car del 100%, es un gran premio donde cualquier error se paga prácticamente con el abandono y donde las condiciones climáticas especialmente la humedad hacen que sea una prueba muy dura. Conozcamos algo más de este especial circuito:

  • Características Generales

scuderiatororosso.redbull.com

La prueba contará con un total de 61 vueltas al circuito de 5.063 km de longitud.

Teniendo un total de 23 curvas, es un circuito especialmente duro. No solo para la mecánica del coche, particularmente los frenos y la refrigeración del conjunto, sino también para los pilotos.

Siendo un circuito urbano, es llamativo el hecho de que los monoplazas sean capaces de sobrepasar los 310km/h. Esto se debe gracias a la ayuda del DRS, especialmente la primera zona de activación tras la curva 5 terminando en la curva 7, el punto de frenada más fuerte del circuito. La segunda zona la encontramos tras la curva 23, encarando la recta de meta. El punto de adelantamiento más propicio quizás lo encontraremos en la primera zona siendo la de recta de meta una oportunidad para acercarse más al coche de delante a modo de preparación.

  • Puesta a Punto del Monoplaza

Probablemente, el GP de Singapur es realmente particular y complejo para la configuración de los monoplazas.

El set-up será de alta carga, ya que se trata de un circuito de muchas curvas donde la tracción y el paso por curva serán cruciales para obtener tiempos competitivos. A esto hay que sumarle el hecho que presentan los circuitos urbanos y no es otro que su escaso agarre haciendo aún más importante las características anteriormente mencionadas.

Adicionalmente, el trazado es especialmente duro con la refrigeración debido a las altas temperaturas y humedad. Esto sumado a las pocas rectas y la cercanía de los muros hacen que el coche no pueda «respirar» apenas. Prueba muy dura mecánicamente especialmente para los frenos: 22 segundos de la vuelta o lo que es lo mismo casi un cuarto de la vuelta pasarán los pilotos en el pedal de freno en un total de 15 puntos de frenada.

  • Pilotaje

Para los pilotos es un circuito durísimo debido a las condiciones extremas que se alcanzan en el cockpit. Una humedad tan certera pone a prueba la preparación física de los pilotos. También que sea en sentido a las agujas del reloj agrava su dureza. Esto ha hecho que en pasados GPs algunos pilotos hayan terminado exhaustos.

El circuito podríamos decir que no da ningún respiro y que es especialmente divertido. Sin embargo, los errores se pagan muy caros propiciando la salida del safety car en todas las pruebas disputadas hasta la fecha.

Por tanto, no todo será ritmo sino también una buena estrategia que pueda aprovecharse de estos momentos inesperados.

  • Neumáticos

Pirelli trae sus compuestos más blandos: C3, C4 y el C5. Ya que se trata de un circuito que discurre por zona urbana el grip irá mejorando con el paso del gran premio siendo caracterizado por su poco agarre. Veremos las diferentes estrategias que toman los equipos.

Estas se verán influenciadas por los posibles undercuts y overcuts para ganar posiciones ya que en pista será complicada debido a lo revirado del circuito. Esto y la gran probabilidad de safety car harán que los muros estén muy atentos.

En general el trazado no es muy abrasivo y no requiere de grandes esfuerzos del neumático por lo que estos factores no serán cruciales.

press.pirelli.com

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Técnica

Análisis Técnico | Novedades para el GP de Bélgica

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La fórmula 1 regresa del parón veraniego y lo hace en Spa. Un circuito de baja-media carga en el cual encontrar el compromiso ideal es una tarea muy compleja. Analizamos las novedades que han traído los equipos, tanto aerodinámicas como en las unidades de potencia.

  • Mercedes

El equipo líder del campeonato, no ha traído ninguna actualización aerodinámica destacable a su monoplaza. Sin embargo, ambos pilotos y el resto de equipos cliente, montarán una actualización en su unidad de potencia.

Tanto Hamilton como Bottas no recibirán penalización ya que habían utilizado dos ICE (de un máximo de tres permitidas para la temporada), dos MGU-H (de tres permitidos) y en el caso de Lewis  1 ES («Energy Store», de dos permitidos) y 1 CE («Control Electronics», de dos permitidos).

  • Racing Point

Racing Point llega al circuito de Spa con una mejora que llama bastante la atención: han cambiado el característico morro del coche, que anteriormente presentaba dos orificios por los que dirigían el flujo de aire hacia una “capa” situada tras este que lo empujaba hacia la parte delantera del fondo plano. Ahora, el morro no sólo ha perdido estos orificios sino también la capa y se presenta con unas branquias en los soportes laterales al estilo del McLaren.

Además, han incorporado las pequeñas alas en la parte superior del morro (en blanco, junto al logo de BWT) y han traído un ala trasera de menor carga aerodinámica para ganar algo de velocidad punta.

Asimismo ambos pilotos incorporan la actualización de Mercedes. Stroll penaliza.

Este supuesto modelo “B” del RP01 viene con pocas mejoras que veamos a simple vista, pero desde luego estas son significativas. Veremos cómo se comportan los coches este fin de semana y si necesitan más mejoras para mantenerse en la lucha por la zona media.

Ala trasera del RP01 (@vivof1)

Morro del RP01 (@vivof1)

  • Williams

Salvo la actualización de la PU de Mercedes no han traído ninguna novedad a su monoplaza. Ellos incorporan nueva ICE, TC y MGU-H («Internal Combustion Engine», «Turbocharger»). No penalizan.

Puede que se les haga difícil este gran premio siendo el Williams un coche con problemas de drag como comentó George Russell el jueves.

  • Red Bull

Red Bull aterriza en Bélgica con todos los ojos puestos en su alineación de pilotos, pero hay un par de puntos en su coche que también nos han llamado la atención:

Para empezar tenemos un rediseño del soporte de los espejos, una pieza que parece insignificante pero que está demostrando estar en el punto de mira de muchos equipos, que no paran de innovar en esta zona.

La otra mejora que trae Red Bull está en realidad bajo el capó, ya que montarán la nueva evolución de Honda en el coche de Albon. Albon cuenta con nueva ICE, TC, MGU-H, MGU-K, ES y CE. Penaliza y partirá desde las últimas posiciones. Su puesto exacto dependerá de cómo califique con respecto a los otros penalizados (Kvyat y Stroll.)

Comparación de los espejos de Red Bull (@albertfabrega)

  • Toro Rosso

Sin cambios aparentes, destacamos la actualización de la unidad de potencia  por parte de Honda. Esta la realizan en el coche de Kvyat quien estrena ICE, TC, MGU-K y MGU-H sin penalizar.

  • Ferrari

Pese al buen rendimiento mostrado en los libres, este no se debe a importantes actualizaciones del monoplaza. En el apartado aerodinámico han traído configuraciones de baja carga. Algunas de ellas incluso pueden que hayan sido probadas de cara al Gran Premio de Monza.

Con respecto a la unidad de potencia, el equipo oficial no monta la última versión. Sin embargo sus equipos clientes, concretamente Grosjean, Magnussen y Giovinazzi sí que lo harán. Evaluarán el rendimiento de dicha actualización y esta previsiblemente se introducirá en Monza que junto al nuevo combustible de Shell esperan obtener una mejora de aproximadamente 20 cv.

  • Haas

Como principal novedad el equipo Haas equipa la última actualización de la unidad de potencia de Ferrari. Estrenan ICE, TC y MGU-H 

Tanto Grosjean como Magnussen tendrán la última especificación sin penalizar. Veremos si esta les ayuda a cosechar mejores resultados de los conseguidos en las últimas pruebas.

  • Alfa Romeo

No hemos identificado novedades en el apartado aerodinámico para el equipo de Hinwil. Sin embargo, podríamos decir que este circuito podría ser favorable sobre todo para uno de sus pilotos: Giovinazzi cuenta con la última actualización de la unidad de potencia de Ferrari (ICE, TC, MGU-H). El italiano no recibe sanción por dicho cambio y podrá sacarle el máximo partido de cara a la clasificación.

Quizás les brinde una ventaja con respecto al resto de equipos. Sin embargo, viendo la alta competitividad de la zona media, no sabemos hasta qué punto podrán aprovechar esta mejora. 

  • Renault

Renault ha apostado por un nuevo motor ICE especificación C, una nueva evolución que montarán los coches de su equipo además de Carlos Sainz, lo que conllevará sanciones para todos, 5 puestos en parrilla.
Por otra parte, han decido cambiar los diseños de los espejos retrovisores, pasando de estar directamente unidos al monoplaza a estar anclados a una nueva estructura que los separa del monocasco.
Además, podemos observar una gran modificacion del morro, donde se han instalado una serie de aletines que recorren todo su lateral hasta llegar a la zona de las barras de transmision de los neumáticos. Una nueva forma de dirigir el flujo alrededor del coche.
Y por último, como otros equipos, también han decidido actualizar el alerón trasero, modificándolo para afrontar los desafíos de Spa.

@albertFabrega

  • Mclaren

En McLaren también apuestan por la nueva especificación del motor Renault, por lo que Carlos Sainz comenzará el regreso de las vacaciones con una penalización en parrilla. Además, el mítico coche naranja papaya es ahora menos naranja y menos azul, sustituyendo la zona inferior del alerón trasero con pintura negra, del mismo modo que el lateral del monocasco ha sido repintado, ensanchando la parte negra de la zona baja.
Por último, los de Woking han montado una nueva ala trasera que les otorga menor carga aerodinámica, todo enfocado a enfrentarse a un circuito con exigentes rectas y curvas lentas, aumentando la velocidad punta.

@albertFabrega

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Técnica

Análisis Técnico: Circuito de Spa-Francorchamps

¡Vuelve la F1 tras el parón veraniego! El Gran Premio de Bélgica se presenta como uno de los favoritos, pese a su complicación

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Tras el parón veraniego la Fórmula 1 regresa. Lo hace con el Gran Premio de Bélgica en el circuito de Spa-Francorchamps, uno de los más especiales del calendario. Sus largas rectas y desafiantes curvas, hacen que para muchos pilotos sea su trazado favorito.

Veamos algunas de sus características:

  • Características Generales

formula1.com

Teniendo una longitud de 7.004 km, es el circuito más largo del calendario. Los monoplazas deberán dar un total de 44 vueltas en las que la climatología y los más que posibles adelantamientos, jugarán un papel fundamental. Esto se debe a que debido a su gran extensión, es posible que en presencia de lluvia haya partes del circuito que estén mojadas y otras no. A esto hay que sumarle el hecho de que, debido a su desnivel, se puedan formar charcos con bastante facilidad en ciertas zonas del trazado.

Como hemos dicho, los adelantamientos serán bastante frecuentes. Estos se sucederán sobre todo en la primera zona de DRS. Es aquí donde los monoplazas alcanzarán su máxima velocidad, tras pasar por la que es probablemente la curva más famosa del calendario: Eau-Rouge. La segunda se sitúa en la recta de meta donde podrá proporcionar un mayor acercamiento al monoplaza de delante para posteriormente intentar el adelantamiento en Kemmel.

  • Puesta a Punto del Monoplaza

formula1.com

Teniendo en cuenta la larga recta de Kemmel tras Eau-Rouge, la configuración aerodinámica será de baja carga, para maximizar la velocidad punta en ese punto. De este modo, los pilotos dispondrán de la suficiente velocidad para adelantar o también poder defenderse de los ataques del resto de competidores.

Adicionalmente, será un buen test de cara a las unidades de potencia. Tanto en la recta de Kemmel como tras la curva 15 pasando por Blanchimont, hasta la conocida chicane Bus Stop, los motores deberán ir a fondo durante 18 y 22 segundos aproximadamente. Y es más, con mayor potencia se puede montar mayor ala, lo que podría contribuir a una mejor tracción a la salida de algunas curvas lentas como La Source o la ya mencionada Bus Stop.

  • Pilotaje

Siendo uno de los circuitos favoritos de los pilotos, Spa-Francorchamps combina muchos factores que lo hacen tan completo. Por un lado, están las largas rectas donde se alcanzan unas grandes velocidades, pero están se suceden de curvas rápidas como Les Combes. Asimismo los desniveles del trazado hacen que se convierta como en una montaña rusa a bordo de los coches.

Por supuesto, Eau Rouge es la curva más icónica, ya que se experimenta una gran fuerza de compresión cuando los monoplazas la toman a fondo. El más mínimo error o pérdida de control en ese punto será muy crítico. Además de esta compresión los pilotos sufrirán grandes fuerzas g laterales.

No hay que olvidarse que la adaptación de cada piloto al estado del trazado será crucial, ya que pueden encontrarse con puntos donde el agarre sea óptimo y otro en los que no, ya sea por lluvia o condiciones atmosféricas desfavorables.

  • Neumáticos

press.pirelli.com

Terminamos nuestro análisis con la gama elegida por Pirelli. Como hemos visto, es un circuito muy exigente con la gomas, por lo que los compuestos seleccionados son los más duros de la gama: C1, C2 y C3. Esta elección difiere ligeramente del año pasado, donde la elección fue medio, blando y súper blando. Los compuestos C1 y C2 son algo más blandos que sus equivalentes duro y medio del año pasado y el C3 es similar al blando del año pasado. Pirelli, con esta elección algo más conservativa, espera que los pilotos puedan exprimir las gomas en cada stint y reducir así la gestión del ritmo.

Los Pirelli deberán soportar grandes cargas en todas direcciones, laterales, longitudinales y verticales. Pudimos apreciar esto cuando uno de los neumáticos traseros  de Sebastian Vettel en el año 2015 reventó tras intentar llegar con él hasta final, ejerciéndole un esfuerzo excesivo.

A continuación Pirelli nos muestra la selección que han realizado los equipos, donde el predominante es el C3, siendo Mercedes junto con Lando Norris los que menos sets de dicho compuesto llevan:

press.pirelli.com

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