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Técnica

La Unidad de Potencia en los Fórmula 1

MGU-H, MGU-K, Motor de combustión, ECU, Baterías y Turbo. Te explicamos cada elemento por separado y cómo se relacionan entre ellas para generar un vehículo de casi 1.000 CV

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En el siguiente artículo vamos a tratar de dejar claro cómo es la Unidad de Potencia de los Fórmula 1 a día de hoy. Atrás quedan los musculosos motores V10 y V8 que tanto ruido hacían y gustaban a los aficionados. Ahora tenemos unos sofisticados a la vez que complejos motores. Sabemos que tiene varias partes, MGU-K, MGU-H… Pero pocos conocen cómo funcionan realmente estos motores que tantos quebraderos de cabeza traen a los equipos e ingenieros.

Primero de todo, para comprender cómo funciona cada parte que compone el motor, vamos explicar qué es una máquina eléctrica. Sin irse por las ramas, una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma energía eléctrica en otro tipo de energía, y viceversa. Este concepto es importante. Intercambia energía eléctrica por otra energía que normalmente es movimiento, es decir, energía cinética. Además, el intercambio es en ambos sentidos: cualquiera de estas máquinas puede producir energía eléctrica a partir de movimiento, o movimiento a partir de energía eléctrica.

Un ejemplo de máquina eléctrica es un molino de viento aerogenerador. Trabaja para generar electricidad con el movimiento del viento, pero si se quisiera, se podría revertir su funcionamiento y hacer girar las aspas aportando electricidad. Hay máquinas eléctricas en todos los lados, desde la lavadora de tu casa, hasta el transformador de tu teléfono móvil.

Un motor eléctrico es una máquina eléctrica

¿Y por qué explico esto? Porque en la unidad de potencia de los Fórmula 1 no hay una máquina eléctrica, sino dos. Estos son los MGU-K y MGU-H de los que tanto se habla. Pero claro, hemos dicho que son máquinas eléctricas, y que la mayoría de máquinas eléctricas convierten la energía eléctrica en movimiento, y el movimiento en electricidad. ¿Cómo funcionan pues el MGU-K y MGU-H?

MGU-K: Esta máquina eléctrica convierte electricidad en movimiento que va directamente al cigüeñal. Como hemos dicho, es reversible. También convierte el movimiento en energía eléctrica. Por tanto, el MGU-K trabaja de una forma tal que, cuando el coche está acelerando, el MGU-K trabaja de forma directa, donde transforma energía eléctrica en movimiento, como efecto un aumento de potencia del coche, porque se transmite más potencia al eje del motor. Sin embargo, cuando el piloto está frenando, o cuando simplemente se está reduciendo la velocidad, el MGU-K trabaja de forma inversa, produciendo energía eléctrica a partir de los giros del eje del motor.

MGU-H: Cuando el MGU-H trabaja de forma directa, los gases de escape que salen del motor mueven una turbina, que con su movimiento produce energía eléctrica. De la misma forma que todas las máquinas eléctricas, también puede trabajar de forma inversa. Pero, ¿de qué sirve que si trabaja de forma indirecta aporte energía a los gases de escape, que salen del coche? Realmente, lo que hace al trabajar de forma inversa es aportar energía a los gases que entran al coche. Moviendo otra turbina, comprime los gases de admisión. Es el que mueve el turbo del motor. Aunque como veremos posteriormente, no es el único responsable del movimiento del turbo.

Hay una clara diferencia entre el MGU-K y el MGU-H. El primero, trabaja cuando el coche está frenando, mientras que el segundo, al necesitar gases de escape, necesita estar en fase de aceleración. Es por eso que existen las baterías: acumulan la energía cuando se está frenando, para utilizarla cuando se va a acelerar.

Por otro lado, hemos dicho que el MGU-H solo trabaja cuando se acelera. Es por eso que la energía del MGU-H puede llegar a dos sitios: puede ir a las baterías para usarla después, o bien puede ir al MGU-K para usarla instantáneamente. Y el porcentaje de energía que va a usarse en el momento o que se acumula en la batería se controla con los mapas motores. Este es el concepto que tanto oímos de que los pilotos están “cargando las baterías” o cuando están usando el máximo de potencia.

Pero aún hay algo que no se ha dejado claro. Hemos dicho que el MGU-H trabaja de forma directa produciendo energía con el aire de escape, pero de forma inversa trabaja comprimiendo los gases de admisión. Y esto es imposible que lo haga a la vez, porque no puede trabajar en ambos sentidos simultáneamente. ¿Cómo es posible si el turbo tiene que estar girando siempre?

Aquí es donde nos toca explicar el funcionamiento del turbo-compresor y su relación con el generador MGU-H.

El turbo-compresor está formado por dos conductos con una turbina. Uno expande el aire y otro lo comprime. Trabajan a la vez. De esta forma, el aire que sale del motor se expande, mientras que el aire que entra al motor se comprime. Esto se trata de un intercambio de energía directamente. Sin embargo, el turbo-compresor solo funciona cuando el aire que sale del motor tiene cierta velocidad, por lo que al salir de las curvas, el coche no tiene la misma potencia que en plena recta. Eso es el famoso lag del turbo. Pero en estos coches de Fórmula 1 no ocurre así. ¿Por qué? Simplemente porque cuando el coche aún lleva poca velocidad, es el MGU-H el que aporta la energía para el aire de admisión.

Por lo tanto, el MGU-H trabaja de forma que cuando se acelera a bajas velocidades, aporta movimiento al compresor, pero cuando ya hay suficiente velocidad en el coche para que trabaje adecuadamente el turbocompresor, genera energía. ¿Cómo? Con el propio movimiento del eje en el que rota el turbo-compresor, que hemos dicho que se mueve con los gases de escape, es el mismo movimiento que usa el MGU-H para generar electricidad.

De esta forma, hay un flujo de energía que tratamos de representar con este esquema. La cantidad de energía que se puede transmitir entre cada componente, está estipulado por normativa. Para controlarlo, está la ECU. Así, quedan mencionados los 6 componentes del motor:

Esquema de la Unidad de Potencia en Fórmula 1

Turbocompresor: comprime el aire de entrada al motor con la expansión de los gases de combustión. Además, estos gases hacen girar el eje del MGU-H

MGU-H : con el movimmiento de su eje genera electricidad para las baterías. Cuando se acelera, aporta energía al compresor para evitar el lag.

Baterías: acumulan la energía eléctrica que generan tanto el MGU-k como el MGU-H

MGU-K: transmite la energía de las baterías al motor, y genera electricidad cuando se está frenando.

Motor de combustión: genera la potencia quemando gasolina.

ECU: Opera a modo de controlador de todos los elementos de la unidad de potencia.

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1 Comment

1 Comment

  1. Manuel serrano

    11 junio, 2018 at 08:41

    genial artículo, había una duda que tenía y me la habeis resuelto, he descubierto vuestra web y será una habitual para seguir la f1 y leer artículos de técnica f1.

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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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