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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

El arte de deslizar los neumáticos

El deslizamiento del neumático es necesario para acelerar y frenar, aunque en exceso es perjudicial para los tiempos por vuelta

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En todos los vehículos de competición vemos que los neumáticos no siempre giran a la misma velocidad que el desplazamiento del coche. Así lo vemos cuando un coche bloquea ruedas o cuando en tracción los neumáticos aceleran más rápido que el vehículo. Lejos de lo que podría parecer, los neumáticos deben deslizar para ir al límite de su adherencia. Por otro lado el deslizamiento en exceso hace perder tiempo. Hay una estrecha franja donde deslizar los neumáticos hacer ganar décimas, y eso vamos a tratar de explicar: cuál es el deslizamiento óptimo que tiene que llevar el neumático, cómo se mide, de qué depende y como los pilotos inconscientemente conducen en el punto óptimo.

¿Cómo se mide el deslizamiento?

El deslizamiento del neumático se mide con una diferencia entre la velocidad que lleva el neumático y la velocidad que lleva el propio vehículo. Si la velocidad lineal del punto de contacto del neumático en rotación es la misma que la velocidad del coche, no existe deslizamiento. Si uno de los valores es mayor que el otro existe deslizamiento del neumático. Principalmente esto ocurre en aceleración y en frenada.

  • Deslizamiento en aceleración: el neumático tiene mayor velocidad que el coche. La siguiente fórmula se utiliza para medir el deslizamiento en este escenario.

  • Deslizamiento en frenada: el coche tiene más velocidad que el neumático, sobre el cuál está actuando el freno y tiene menor velocidad. El deslizamiento en este escenario se mide con una fórmula similar.

La curva Grip-Deslizamiento

Para cada neumático y cada superficie existe una curva que relaciona la adherencia o grip del neumático con respecto a su deslizamiento. Una forma de medir el grip es con la fuerza que transmite el contacto del neumático con el asfalto al resto del vehículo, que es la fuerza que acelera o frena el vehículo. Por supuesto, es conveniente que esta fuerza sea lo mayor posible.

En el siguiente gráfico vemos cómo se relacionan ambas variables cualitativamente. Cuando no hay deslizamiento de neumático no existe ninguna fuerza que acelere o frene el coche. Es decir, es estrictamente necesario que el neumático deslice sobre el asfalto. Además vemos que hay un punto a partir del cual si se aumenta el deslizamiento, la fuerza sobre el vehículo disminuye. Por ello, es inconveniente pasarse de deslizar el neumático.

iRacing blog

Los pilotos profesionales conducen habitualmente en la zona naranja. La práctica y el talento les permite tener el tacto con el acelerador y el freno que provoca estar siempre en el límite de adherencia de los neumáticos

Diferentes variables que afectan a la curva Grip-Deslizamiento

La curva de comportamiento del grip del neumático es algo muy difícil de medir y a veces incluso al propio fabricante le cuesta modelarla, en gran parte por la cantidad de variables de las que depende. A continuación explicamos cómo afectan algunas de ellas.

 

  • La superficie de contacto: El neumático tiene diferente comportamiento dependiendo de la superficie en la que se encuentra. La curva grip-deslizamiento cambia drásticamente si el asfalto está mojado, pero también entre diferentes tipos de asfalto o incluso en la suciedad que pueda existir en ella.

 

  • La carga sobre el neumático: La carga que actúa sobre el neumático provoca una deformación que hace variar el radio efectivo del neumático y la huella de contacto. Con ello se altera el valor óptimo del deslizamiento. Esto es sobre todo significante a altas velocidades porque la carga aerodinámica es bastante alta.

 

  • La temperatura y presión del neumático: La presión hace variar la huella de contacto del neumático, pero sobre todo las condiciones térmicas del neumático provocan que que varíe el grip del neumático. 

 

  • El desgaste: Conforme los compuestos se desgastan se reduce la capacidad del neumático de generar agarre, provocando que el punto máximo de la curva grip-deslizamiento se desplace hacia abajo.

 

  • Angulo de giro: Cuando los neumáticos están girando, están transmitiendo fuerzas laterales. Esto provoca que los neumáticos trabajen en dos direcciones (lateral y longitudinal), y en consecuencia, se reduce su rendimiento en la dirección longitudinal (dirección de frenado y aceleración).

Bloqueo de neumáticos y reparto de frenos

Una consecuencia directa de todo esto es que para mejorar el rendimiento es necesario aplicar el deslizamiento óptimo sobre los cuatro neumáticos. Cuando el coche frena, los neumáticos delanteros reciben mayor carga, por lo que tienen mayor tendencia a bloquear y deslizar. A causa de este deslizamiento excesivo, se provocaría una reducción del grip del neumático, y por lo tanto una frenada delantera poco efectiva, induciendo un subviraje. 

Formula1.com

Aquí es donde influye el reparto de frenada: es necesario buscar el reparto óptimo para que el deslizamiento de los neumáticos delanteros y traseros esté en el rango que mayor grip proporcionan. En vehículos híbridos puede ocurrir al revés y exista mayor tendencia a bloquear los neumáticos traseros, debido al gran par de frenado que ejerce la regeneración eléctrica, provocando que la parte trasera del coche se descontrole al frenar.

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Técnica

Cuando la realidad supera a la ficción: del ciclo de homologación NEDC al WLTP

Los fraudes del NEDC no se verán en el WLTP

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Desde 1997, durante más de dos décadas, se ha venido utilizando el test de homologación de turismos y vehículos industriales ligeros denominado “Nuevo Ciclo de Conducción Europeo”, NEDC (New European Driving Cycle) en inglés. A partir de los resultados obtenidos en estos ensayos, las diferentes marcas proporcionaban al consumidor los consumos urbanos y extraurbanos de los vehículos, así como las emisiones de C02 de los mismos.

Estoy seguro de que, si has adquirido un coche entre el 2000 y el 2016, habrás notado que los consumos reales que has conseguido se alejan considerablemente de los datos que proporcionaba el fabricante. Es frecuente que se tenga que aumentar en 1,5 litros/100 km el consumo “ficticio” del fabricante para acercarse a la realidad.

El culpable de esta gran diferencia es el ciclo anteriormente mencionado. El ensayo de homologación NEDC, se realiza a una temperatura aproximada de 25 grados, sobre llano y en ausencia de viento para cubrir una distancia de 11 km aproximadamente.

La prueba consta de dos partes:

  • Cálculo del consumo urbano: con una duración de 780 segundos y una velocidad media de 18,35 km/h.
  • Cálculo de consumo extraurbano: con una duración de 400 segundos y una velocidad media de 62,6 km/h.

Gráfico Velocidad vs Tiempo del ciclo de homologación NEDC. Fuente: Seat.es

Como ya podéis observar, este ensayo presenta varios problemas que paso a enunciar:

  • Aunque la velocidad máxima alcanzada es razonable, 120 km/h, la velocidad media se queda corta, 33,6 km/h.
  • No se considera circulación por autopistas, autovías y otras posibles vías por las que se pueden circular a diferentes velocidades.
  • Los puntos de cambios de marcha son fijos por lo que no se ajusta a lo que sucede en la realidad, donde son variables dependiendo de si hay adelantamientos o, simplemente, el tacto que tengamos con el coche.
  • El tiempo de parada supone un 24% del total de la prueba, unos 5 minutos considerando que la duración total es de 20 minutos.
  • No se tiene en cuenta el equipamiento opcional de cada versión del coche, como neumáticos, llantas, spoilers opcionales, etc.

Todos estos aspectos contribuyen a esas grandes diferencias entre consumos que notamos diariamente, haciendo que los datos oficiales del fabricante se tomen como ideales.

Para solventar este problema, en 2018, la Unión Europea estableció un nuevo ciclo de homologación denominado “Ciclos de Prueba de Vehículos Ligeros Armonizados en Todo el Mundo”, WLTP (Worldwide Harmonised Light Vehicles Test Cycles) en inglés.

Este nuevo ensayo de homologación resulta ser más completo que el NEDC, ya no sólo porque se evalúan 4 condiciones distintas de circulación (baja, media, alta y muy alta velocidad), sino que hace uso de otro tipo de subpruebas para asegurar la veracidad de los datos obtenidos.

Emisiones en condiciones reales de circulación, RDE (Real Driving Emissions) en inglés: durante el ensayo RDE, se conduce el vehículo por carretera, en una amplia gama de condiciones diferentes. Éstas incluyen diferentes altitudes y temperaturas, carga útil adicional, conducción cuesta arriba y cuesta abajo, carreteras urbanas (baja velocidad), carreteras rurales (velocidad media), autopistas (alta y muy alta velocidad).

  • Velocidad baja: con una duración de 589 segundos y una velocidad media de 18,9 km/h.
  • Velocidad media: de 433 segundos de duración y una velocidad media de 39,4 km/h.
  • Velocidad alta: con una duración de 455 segundos y una velocidad media de 56,5 km/h.
  • Velocidad muy alta: de 323 segundos de duración y una velocidad media de 91,7 km/h.

Nótese que todas las velocidades presentadas incluyen un determinado tiempo de parada, siempre inferior al acaecido en el ciclo NEDC, como se puede observar en el gráfico que se adjunta.

Gráfico Velocidad vs Tiempo del ciclo de homologación WLTP. Fuente: Seat.es

Aunando las 4 pruebas realizadas a distintas velocidades, la distancia total recorrida es de 23,25 km con una duración de 30 minutos. La velocidad media resulta ser de 46,5 km/h con una punta de 131 km/h.

A diferencia de lo que ocurría con el ciclo NEDC, en la prueba WLTP sí se tiene en cuenta el equipamiento del vehículo, puntos de cambio de marchas, etc. No obstante, hay que seguir “dando un tirón de orejas” a la Comisión Europea pues el ensayo se suele realizar a temperaturas suaves que rondan los 23 grados. Lo ideal sería rodar por diferentes orografías que permitan comprender el comportamiento del coche en todo tipo de situaciones, tanto con frío extremo como con temperaturas cálidas.

Por otro lado, para medir las emisiones contaminantes mientras se conduce el vehículo por carretera, los vehículos de prueba están equipados con Sistemas Portátiles de Medición de Partículas, PEMS (Portable Emissions Measurement System) en inglés, que proporcionan una monitorización completa en tiempo real de los principales contaminantes emitidos por el vehículo (NOx y PM). En este artículo no se va a profundizar en estos dispositivos, pero para los curiosos y curiosas, podéis encontrar más información en la publicación “Real Driving Emissions” de la Comisión Europea.

Sistema Portátil de Medición de Partículas acoplado en un vehículo. Fuente: media.daimler.com

Antes de continuar analizando el ensayo WLTP, hago un impasse ya que, como habrás notado, en el ciclo NEDC no se ha mencionado nada sobre el cálculo de emisiones de contaminantes. La razón es que dicha medición se realiza en laboratorio, bajo condiciones ideales, dando como resultado emisiones totalmente erróneas. El problema es que como el ensayo se aleja tanto de la realidad, muchos fabricantes falsearon los datos obtenidos: recordemos el famoso Diesel Gate del caso Volkswagen en 2015 o el caso Hyundai- Kia en 2014.

Tras este inciso, continuemos ahora con la siguiente prueba dentro del ciclo WLTP, el Ensayo de evaporación, EVAP (Evaporative Emissions Testing). Se trata de un ensayo de pérdidas por respiración del depósito de combustible en cámaras de ensayo estancas que mide las emisiones del depósito y componentes cercanos al motor en un ensayo de 48 horas. A groso modo, se busca medir cuánto combustible se evapora del depósito (respiración) cuando el coche está parado durando el periodo de tiempo indicado.

Este subensayo del ciclo WLTP está dando muchos quebraderos de cabeza a los diferentes fabricantes porque están obteniendo resultados alejados de lo esperado, lo que implica que a la larga van a estar obligados a incluir más filtros antipartículas en sus modelos.

La tercera prueba dentro del ciclo WLTP es la Monitorización del consumo de combustible, FCM (Fuel Consumption Monitoring) en inglés. Con ello, la Comisión Europea pretende evitar nuevos fraudes a nivel de consumo del vehículo pues la desviación de los valores del ensayo WLTP entre el banco de pruebas y la lectura del vehículo (FCM) no debe exceder un máximo del 5%.

En un futuro, todos los coches deberán contar con un sistema de medición de combustible denominado On-Board Fuel Consumption Meter (OBFCM). Los datos recogidos por este sistema podrían ser solicitados por la Unión Europea para ratificar que los consumos especificados son correctos y, en caso de no serlos, las multas podrían ser millonarias. Se espera que se instaure en los años venideros.

Por último, la cuarta fase de la homologación se denomina Conformidad en Circulación, ISC (In-service Conformity) en inglés, la cual busca ampliar las condiciones de ensayo del WLTP probando vehículos usados con al menos 15.000 km y 6 meses (máx. 100.000 km y 5 años). Como es lógico, los diferentes desgastes que sufre un coche provocan que el consumo puede variar respecto a lo establecido. Exactamente esto es lo que se pretende cuantificar con esta prueba.

Inicialmente, el ciclo WLTP no se componía de estas 4 fases. Comenzó con la RDE únicamente, pero las exigencias han ido aumentado de forma progresiva con el paso de los años. A modo de resumen, se adjunta un pequeño esquema donde se recopila la implementación de las fases que está prevista realizar con el paso de los años.

Fases de implementación del ciclo WLTP. Fuente: Seat.es

A modo de conclusiones, resulta evidente que era necesario dejar atrás el “ficticio” ciclo NEDC por otro que se acercase mucho más a lo que sucede en la realidad, como es el WLTP. La Comisión Europea se ha puesto a trabajar en el tema y parece que las presiones que han recaído sobre los fabricantes están surgiendo efecto.

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Técnica

¿Cómo afecta la lluvia a la aerodinámica de un Fórmula 1?

La lluvia tiene un impacto muy importante en los deportes de motor. Pero, ¿cómo afecta la lluvia a la aerodinámica de un Fórmula 1?

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Seguro que muchos os habéis preguntado qué efectos tiene la lluvia sobre un monoplaza de Fórmula 1. La pérdida de agarre de los neumáticos sobre la pista es obvio, todo el mundo lo sabe. ¿Pero cómo afecta el agua a la carga aerodinámica de un monoplaza?

Para calcular la carga aerodinámica que se genera en un monoplaza, unos de los parámetros que debemos tener en cuenta es la densidad del fluido. El aire y el agua son los fluidos más comunes. Normalmente la carga aerodinámica se calcularía en condiciones normales, utilizando solo la densidad del aire. Cuando llueve, las gotas de agua se mezclan con el aire, por lo que la densidad total del fluido aumenta. Este aumento de densidad provoca también que el drag (resistencia al avance) y la carga aerodinámica se incrementen, aunque es prácticamente despreciable, teniendo en cuenta que en estas condiciones los coches no pueden ir tan rápidos ni conseguir velocidades tan altas como en condiciones de seco ya que el agarre mecánico disminuye. Al ser las fuerzas aerodinámicas dependientes de la velocidad, se genera más carga aerodinámica cuanta más velocidad lleve.

LA CAPA LÍMITE

Las gotas que se van acumulando en la superficie del coche crean un efecto de rugosidad y por lo tanto afecta a la capa límite. Para explicar qué es la capa límite y cómo afecta la lluvia a esta, debemos partir de que cualquier fluido, incluido el aire, posee cierta viscosidad.

Cuando el fluido entra en contacto con una superficie provoca una fuerza de rozamiento y hace que la velocidad del fluido (el aire) sea nula o que tenga la misma velocidad que la superficie (en nuestro caso la carrocería y demás elementos de un F1). A una cierta distancia de la superficie la velocidad del fluido seguirá siendo constante, exactamente la misma que tenía antes de entrar en contacto con la superficie.

Como en la superficie la velocidad del fluido es cero y a una cierta distancia la velocidad del fluido es la que teníamos antes de entrar en contacto, significa que la velocidad aumenta progresivamente cuanto más nos distanciamos de la superficie.

Diagrama de como funciona la capa límite.

 

LA CAPA LÍMITE TURBULENTA Y LAMINAR

La capa límite puede ser laminar o turbulenta. Como su nombre indica, la laminar presentará un flujo ordenado, mientras que la turbulenta presentará un comportamiento caótico y desordenado que generarán la aparición de vórtices que incrementarán la fricción entre el fluido y la superficie del monoplaza. Entre ambos tipos de capa límite habría una etapa de transición en la que se mezclarán los dos fenómenos.

Las tres zonas de la capa límite.

Si esta turbulencia se incrementa, la capa límite tenderá a desprenderse, generando una zona de menor presión que hará que incremente la resistencia aerodinámica al avance (drag).

RELACIÓN CON LAS GOTAS DE AGUA

Bien, una vez explicado esto volvemos a cómo afecta la rugosidad creada en la superficie del monoplaza debido a las gotas de lluvia. Debido a a esta rugosidad, la capa límite deja de ser laminar y se vuelve turbulenta, haciendo que haya una pérdida importante de carga aerodinámica.

La disminución del agarre mecánico es sin duda lo que más limita el tiempo por vuelta en condiciones de mojado, y es por ello por lo que los equipos buscan reglar el coche con la máxima carga aerodinámica posible.

 

Max Verstappen rodando en condiciones de mojado

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