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Técnica

Del aire a las carreteras, 5 innovaciones heredadas del mundo de la aeronáutica

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Siempre hemos hablado de innovaciones heredadas de la competición a los coches de calle, pero, que hay de los casos en los que las innovaciones tecnológicas se heredan entre sectores.
Hoy, os traemos algunas innovaciones que primero surgieron en la industria aeroespacial y luego encontraron su aplicación en el mundo de la automoción, siempre en busca de un mejor rendimiento o mejoras en la seguridad

El primero, del que os voy a hablar son los frenos carbocerámicos. Estos frenos tienen su origen en la industria de la aeronáutica, debido a su capacidad para trabajar a altas temperaturas, eran muy útiles para ayudar a parar aviones, entre otros, el mítico Concorde, un portento tecnológico. Primero fueron utilizados en los F1 de los ochenta, y entro de lleno en el mundo de los automóviles de calle en 2001 de la mano de Porsche.

Aircraft Maintenance

El segundo es la fibra de carbono. Sobre 1963, la industria militar inglesa empezó a investigar este material. Os voy a dejar que os comáis un poco el coco, pensando en que parte del avión se empleo por primera vez, ¿Ya?. Si has dicho en el motor, has acertado. De hecho fue la inglesa Rolls Royce con su motor RB211. En los motores el mayor beneficio era emplearlo en los álabes del fan, la turbina que vemos desde el frontal del motor, ya que debido a su rigidez y ligereza era un material fantástico para esta función. Desafortunadamente en las pruebas del impacto de pájaro, comprobaron que los alabes se partían y se astillaban, siendo esto un problema frente a las metálicas, que simplemente se deforman. Sin embargo esta cualidad del material es bastante útil en un sector como el de la automoción, debido a su combinación de rigidez y bajo peso, es por eso que la fibra de carbono se ha usado para realizar chasis de Formula 1, de coches de calle, como el revolucionario McLaren F1 de los 90, carrocerías, admisiones e incluso llantas.

Rolls-Royce RB211

El tercero es uno que ha servido para salvar muchas vidas, el ABS. Y si os digo que la primera idea de este sistema data del año 1936. En ese año BOSCH patentó este sistema. Aunque en la aeronáutica al sistema se le llama anti skid, sus primeras apariciones en el mundo de la aeronáutica datan de 1950, y el primer modelo en el que se probó fue, efectivamente, militar, el Avro Canada CF-100 Canuck, implementar este sistema ABS permitía reducir la distancia de aterrizaje en casi 30%. Los más curiosos del mundo del motor, sabréis que el primer automóvil en traer este sistema de serie fue el Mercedes Benz Clase S de 1978, y su beneficio está en que evita que los ruedas deslicen y por lo tanto aún en condiciones complicadas podemos seguir manteniendo el control del coche.

El cuarto, es algo que muchos conoceréis, los turbos, o como su nombre científico, turbinacompresor. Allá por los primeros años del siglo XX, en los albores de la aviación, los aviones debían volar cada vez más alto, y claro, a mayor altura como sabemos, la cantidad de oxigeno es menor, y creedme, nunca lo he vivido, pero que en pleno paseo aéreo, se te ahogue el motor por exceso de combustible en la mezcla, seguro que no es bueno. Entonces se necesitaba una manera de forzar a que entrase más aire a la cámara de combustión, y por tanto, más oxigeno. El que dio con la solución fue el suizo Alfred J. Büchi empleando por primera vez en un avión, nada menos que en 1910. A día de hoy es casi imposible pensar en un motor de automóvil que no lleve un turbocompresor, aunque su utilización en la automoción comenzase sobre los alegres años 60, de la mano de BMW y su alpina 2002.

Aircraft world

La quinta y última, no se como describirla, si alerones, si aerodinámica, si bien es que allá por los años sesenta, alguien le dio por pararse a pensar que si se conseguía que un coche pesase más de lo que realmente pesaba, en ciertos momentos de una carrera, podría ser un avance en términos de rendimiento. Esa misma persona pensaría que la manera mas simple sería usar eso que emplean lo aviones para elevar sus toneladas de peso, eso sí, puestas a la inversa, que no queremos sustentación si no empuje hacia el asfalto. A día de hoy,  en los automoviles de calle, podemos encontrar Spoilers, alerones, deflectores delanteros, los cuales no dejan de ser pequeñas alas invertidas, para crear carga en momentos de alta velocidad, y en ocasiones también, para redirigir el flujo aerodinámico a favor de un mejor consumo.

Física del funcionamiento de un ala.

Como veis, el hecho de que muchos ingenieros pasen de sectores, de que marcas de automóviles se interesen por ciertas tecnologías que consideren interesantes o beneficios para su sector, o que muchas marcas, como en su día BMW (Cuyo logo viene precisamente de la época en la que fabricaban motores de aviones), Rolls-Royce e incluso Mercedes-Benz dispongan de sectores de aeroespacial en sus unidades de negocio, le lleva a aplicarlas a sus modelos en beneficio de la seguridad o el ahorro de combustible ahorrando así un costoso posible desarrollo desde cero de la tecnología.

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Automovilismo

5 cosas que no sabías del mundo del motor

Damos respuesta a curiosidades del mundo del motor

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Hoy en MomentoGP os traemos un artículo diferente, dando respuesta a algunas preguntas que seguro, cualquier aficionado del mundo del motor se ha hecho alguna vez. O incluso nunca se las ha planteado. Seas del grupo que seas, de invito a que te quedes a leer este artículo. Como dice el dicho, ¡nunca te acostarás sin saber una cosa nueva!

Bien está lo que bien acaba

En comparación con la zona delantera, el diseño de la parte trasera de un vehículo es más importante en materia de reducción de consumos y resistencia aerodinámica. El principal motivo es que en la parte trasera se generan turbulencias (vórtices de Von Karman), principalmente a la salida del pilar C, que tienen una estrecha relación con el ángulo de la luneta trasera. Dependiendo de cómo giren estos vórtices, se genera un efecto arrastre en el conjunto que aumenta la drag y, por tanto, el consumo. Como apunte, para ángulos de la luneta trasera mayores de 15 grados, se incrementa la resistencia aerodinámica debido a las líneas de flujo.

McLaren Speedtail. Fuente: McLaren Automotive

A falta de pan, buenas son tortas (o no)

Si a un motor que está diseñado para usar gasolina de 95 octanos, se le alimenta con una de 98 octanos, éste no tiene porqué sufrir daños. Sin embargo, en el caso contrario, diseñado para 98 octanos y alimentado con 95, el motor podría sufrir un fallo catastrófico. ¡No es necesario que lo probéis en vuestros coches!

Surtidor de combustible. Fuente: Repsol

No es oro todo lo que reluce

La válvula EGR presente en los vehículos diésel permite disminuir la concentración de NOx (Óxidos de Nitrógeno), gases extremadamente nocivos para el ser humano. Sin embargo, como contrapartida, aumentan las emisiones de HC (Hidrocarburos) por reducirse la temperatura de la llama.

El fin justifica los medios

La disposición de los cilindros en los motores actuales (en línea, estrella, V, W, etc) depende de multitud de factores, pero los más influyentes son: equilibrado de fuerzas y pares, compacidad y facilidad de refrigeración. Por lo general, veremos motores de mayor potencia con configuraciones en V o W y configuraciones en línea para el resto.

Motor 4.2 V8 de Audi. Fuente: Audi

Divide y vencerás

¿Cuál es el criterio para que un coche sea tracción delantera o trasera? El motivo principal es el espacio disponible y el reparto de pesos, aunque hay otros que dicen que los coches de tracción trasera dan más sensación premium pues se suele reservar a vehículos de alta gama. Marcas generalistas como Renault, Peugeot o Fiat cuentan en sus filas con vehículos de tracción delantera porque sus motores son compactos: 3 o 4 cilindros y 1 o 2 litros de cubicaje. Esto permite que el espacio disponible en la zona delantera para montar el conjunto sea más que suficiente. Sin embargo, en marcas como Mercedes o BMW, vemos vehículos con tracción trasera o incluso total. La ventaja de esto es que liberas espacio en la zona delantera, permitiendo obtener mayores grados de giro. Podéis fijaros que un Mercedes-Benz gira más que un Dacia, por ejemplo.

¡Os invito a que nos contéis vuestras inquietudes sobre aspectos del mundo del motor a través nuestras redes sociales!

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Técnica

Técnica | ¿Cómo se diseña la cámara de combustión de un Fórmula 1?

En una parte tan importante del monoplaza, son muchos los aspectos a considerar.

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Desde luego, es bien sabido que la Fórmula 1 ha sido durante mucho tiempo la cuna del desarrollo tecnológico en el ámbito automovilístico, en todos los aspectos del monoplaza: Aerodinámica, chasis, seguridad… Pero si hubiera que elegir el componente que más inversión en desarrollo ha requerido, este sería el motor de combustión, donde se produce la energía necesaria para impulsar el monoplaza. El núcleo de dicho motor está formado por 6 cilindros en V donde se aprovecha la energía química del combustible mediante su explosión para transformarla en energía mecánica: Movimiento de giro. ¿Cómo se diseña la cámara de combustión?

Esta cámara, como ya hemos dicho, tiene forma de cilindro, y en su interior aloja un pistón móvil que realiza un movimiento alternativo de subida/bajada. La cámara de combustión se caracteriza por dos parámetros geométricos: Bore y Stroke. El primero de ellos, el Bore, indica sencillamente el diámetro del cilindro, mientras que el Stroke especifica la longitud de la carrera del pistón, desde el punto muerto inferior, hasta el punto muerto superior. Cada vez que el pistón realiza una carrera de subida + bajada, el eje al que está unido (denominado cigüeñal, ‘crank’) realiza un giro completo de 360º.

Definición de BORE y STROKE. Fuente: howmechanismworks.com

Un Fórmula 1 cuenta con un cubicaje total de 1,6 litros, que corresponde con 0,27 litros por cilindro, aproximadamente (un volumen menor al de una lata de refresco estándar). En este momento, surge la pregunta: ¿Cuánto mide el Bore, y cuánto el Stroke? Para deducirlo debemos tener en cuenta varias cuestiones técnicas con respecto al rendimiento de un motor de combustión interna.

El principio básico de generación de potencia en este tipo de motor es que Potencia = Par x Velocidad de giro, y suponiendo una curva de par relativamente constante en el rango de revoluciones de uso, tenemos que la potencia es directamente proporcional a la velocidad de giro que puede tener el motor. Dispondremos de más potencia cuanto mayor sea la velocidad de giro, algo que equivale a tener una menor carrera del pistón (Stroke). Tenemos por tanto una de la condiciones para el diseño del cilindro, ¿pero hasta qué punto podemos reducir este parámetro geométrico?

Una de las limitaciones es la velocidad a la que puede llegar a moverse el pistón, cuyo valor máximo para un vehículo estándar ronda los 25 metros/segundo. Con esta restricción, y sabiendo que los Fórmula 1 en la actualidad giran a un máximo de 15.000rpm, extraemos un valor de Stroke de 5 centímetros, y con él, un valor de Bore de unos 8 centímetros (conociendo el volumen del cilindro de 0,27 litros). Nota: El reglamento actual establece en su Artículo 5.3.1 que la dimensión del Bore ha de ser de 80 +-1 mm.

Imagen del Ferrari SF1000 sin la cubierta motor. Fuente: motosportmagazine.com

Es importante considerar las consecuencias de tener un diámetro de cilindro de este tamaño. En primer lugar, hay que recordar que el intercambio de gases en la cámara de combustión se realiza a través de las válvulas de admisión, para la entrada de aire, y de escape, para la salida de los gases producto de la combustión. Contar con una mayor superficie de cabeza de cilindro, que es el lugar donde se encuentran situadas éstas (ver última imagen), permite instalar válvulas de más diámetro, aumentando con ello la cantidad de gases intercambiables en un mismo intervalo de tiempo, útil sobre todo cuando nos encontramos en un régimen alto de giro del motor.

Sin embargo, no todo son ventajas, en el proceso de transformación de energía en un motor existen pérdidas por muy diversas razones, y una de las más relevantes es la transferencia de calor a través de las paredes. Un mayor diámetro de Bore implica un incremento de esta superficie de transferencia, considerada cuando el pistón se encuentra en el punto más alto de su carrera, cuando se inicia la combustión. En conclusión, mayor Bore implica mayores pérdidas por transferencia de calor, por lo que es importante encontrar un equilibrio para maximizar la eficiencia del sistema. 

Además, y ya para finalizar, hay que considerar la dinámica de la combustión de la mezcla en el interior de la cámara. El encendido tiene lugar mediante bujía (‘Spark plug‘), posicionada normalmente en el centro de la cabeza del cilindro, donde comienza la propagación de la llama. Si tenemos un gran diámetro de Bore, la combustión será más lenta, ya que la llama ha de recorrer una mayor distancia hasta los laterales de la cámara, y por tanto, tardará más en qumar la mezcla. En este aspecto, también podemos destacar el concepto de turbulencia, que facilita la mezcla de aire con combustible, y con ello su combustión. Sin embargo, la existencia de este fenómeno no depende tanto del diseño del cilindro, sino de la forma de los colectores, principalmente en admisión.

Propagación de la llama en un motor de encendido provocado. Se puede observar como el frente de llama tardará más tiempo en alcanzar las paredes laterales del cilindro si este tiene un Bore grande. Fuente: General Chemistry: Principles, Patterns, and Applications, 2011

La complejidad en el diseño de partes del motor como esta es considerable, aunque actualmente su desarrollo esté bastante limitado por el reglamento. Como hemos podido observar, la eficacia del componente reside en encontrar el equilibrio adecuado entre todas las condiciones/restricciones existentes, algo que no es nada fácil en absoluto.

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Técnica

Motores de F1 ¿De qué están hechos?

Entramado de materiales de una unidad de pontencia en la F1 moderna

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Muchos al pensar en un coche de F1 y sus materiales se enfocan en la fibra de carbono y el kevlar de los cuales están construidos muchos de los componentes estructurales. Sin embargo, muy poco se habla de los materiales que componen una unidad de potencia de F1.

Unidad de potencia moderna – Renault Sport

Las actuales regulaciones técnicas de F1 limitan considerablemente la selección de materiales con los cuales los diseñadores pueden trabajar en el desarrollo de las unidades de potencia. Sin embargo, las zonas grises en ediciones anteriores del reglamento han permitido a lo largo de los años que algunos equipos saquen ventaja con materiales novedosos. A continuación explicamos cada uno de los materiales permitidos y su aplicación dentro de la unidad de potencia.

Pistón de F1 de la era atmosférica – Pankl/Ferrari

El reglamento técnico permite el uso de los siguientes materiales:

Aleaciones de aluminio: Éstas pueden usarse en componentes fabricados a partir de procesos de fundición o forja, como el caso de pistones, bloques de motor, culatas y cárter del motor. En pistones muchos fabricantes emplean Aleaciones de aluminio con berilio como aleante hasta un 0.25% del mismo, o también aleaciones menos exóticas como las empleadas en aviación (ej: 2618A). En bloques de motor y otros componentes estacionarios son comunes las aleaciones de la serie 300 (Al-Si-Cu or Al-Si-Mg).

Bloque de cilindros Ferrari F2001 – Catawiki

Aleaciones de Titanio: Estas pueden usarse en Bielas y elementos del turbo. Algunos fabricantes de motores o elementos de motores utilizan aleaciones similares al Titanio grado 6AL-4V (o TC4, como se le conoce en algunos lugares)

Conjunto pistón/biela de un F1 moderno – italiazakka.co.jp

 

Montaje de válvula de motor de F1 – Brian Garvey/ www.F1technical.net

Aleaciones basadas en hierro: La normativa exige que los pasadores de pistón, cigüeñal, engranes de las bombas, ejes de levas y otros elementos rotativos deben fabricarse en aceros (aleación de hierro y carbono inferior al 2% con otros elementos como aluminio, cobalto, zinc, etc.).

Cigüeñal Ferrari F2003GA – Ferrari

Fuera de estos materiales principales, hay otra serie de aleaciones metálicas y materiales no metálicos que pueden usarse bajo serias restricciones.

Las aleaciones basadas en tungsteno sólo pueden emplearse en los contrapesos del cigüenal siempre y cuando su densidad no supere los 18400kg/m3.

Contrapesos de tungsteno en cigüeñal de F1 – Ferrari

Para el caso del magnesio, sólo componentes menores que no estén sujetos a movimiento (carcasas de bombas, tapas y similares) y sólo podrán usarse aleaciones cubiertas por las normas ISO16220 e ISO3116.

Otros materiales, como cerámicas pueden emplearse en rodamientos únicamente, mientras que los materiales compuestos como la fibra de carbono sólo podrán usarse en elementos menores como tapas, y los compuestos de matriz metálica (metales reforzados con fibras) están terminantemente prohibidos bajo la normativa actual.

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