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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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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

Los motores con turbo eléctrico de Audi

El Audi SQ7 lleva un motor diesel V8 de 4 litros “biturbo”, y los alemanes se han sacado un truco de la manga para eliminar el lag de este motor con un tercer turbo que funciona gracias a un motor eléctrico.

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Los motores llevan años usando turbos, que aprovechan los gases del escape del motor para hacer funcionar una turbina, que comprime el aire que entra en el motor y da un empujón a la combustión, aumentando la potencia. El problema de esto es que, debido a que a bajas velocidades el volumen de gases es demasiado bajo, al pisar el acelerador el turbo tarda un tiempo en ponerse en su régimen de rendimiento óptimo y entonces se experimenta lo que llamamos “lag” y no recibimos este aumento de potencia hasta pasado un tiempo.

Los fabricantes han desarrollado varias técnicas para intentar mitigar este efecto y ahora Audi ha inventado un sistema que lo elimina por completo. El primer turbo del motor del SQ7 no funcionará mediante los gases del escape, sino que el motor hará funcionar un generador de 3Kw, conectado a una batería de 48V, que a su vez opera un motor eléctrico de 7Kw encargado de hacer que gire la turbina del turbo.

Detalle del turbo eléctrico de Audi (Imagen: Audi)

 

Gracias a esto, cuando el conductor demande una entrega de potencia inmediata, en vez de tener que esperar a que el turbo se ponga a funcionar con los gases de la combustión, el motor eléctrico empujará el turbo a 70000rpm en menos de un cuarto de segundo para poder disfrutar de toda la potencia del sistema desde el primer momento.

Una vez el motor esté a pleno rendimiento y con los gases haciendo funcionar un segundo turbo convencional, un sistema de válvulas redirige el flujo de aire a este segundo turbo, desconectando el primero.

Pero además, han programado el sistema de válvulas de escape para que a bajas rpm, los escapes sólo salgan por una de las dos válvulas en cada cilindro y a altas rpm se active una segunda válvula que envía los gases a un segundo turbo.

Esquema del sistema de turbo eléctrico (Imagen: Audi)

Es decir, al arrancar el coche el turbo eléctrico da potencia extra instantáneamente al motor, cuando subimos un poco de revoluciones y el primer turbo convencional ya está funcionando, el eléctrico se desconecta y si a altas revoluciones seguimos demandando la máxima potencia, las válvulas redirigen los gases a un tercer turbo.

Ahora podríamos pensar que, en teoría, deberíamos ser capaces de instalar este tipo de turbo a cualquier coche. Se compra un turbo con motor eléctrico, se conecta a la batería de 12V del coche y ya tendríamos un extra de potencia sin sufrir lag en la aceleración ¿No?

El complejo sistema eléctrico que hace funcionar el turbo de Audi (Imagen: Audi)

Bueno, no es tan fácil, en internet podemos encontrar estos kits pero la verdad es que no hacen absolutamente nada ya que estos turbos no tienen la fuerza suficiente. Por eso Audi se ha tomado la molestia de implementar el generador y la batería que comentaba anteriormente. Es un sistema tremendamente complejo por lo que no es algo que se pueda instalar en cualquier motor como sí que se podría hacer con un turbo convencional, sin entrar en lo tremendamente caro que resultaría.

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Fórmula 1

Los motores y consumos en la Fórmula 1: ¿Podrá ser un deporte sostenible?

Hoy analizamos el consumo de gasolina que han ido teniendo los coches de Fórmula 1 con el paso de los años, en consonancia con la regulación de motores.

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A día de hoy, los coches de Fórmula 1 son las máquinas más veloces que se han fabricado jamás a lo largo de los 70 años que lleva la categoría reina en marcha. Esto quiere decir que, teniendo en cuenta que estos monoplazas siempre han estado propulsados por gasolina, los protagonistas de la categoría reina han tenido que consumir cantidades inhumanas de gasolina a la hora de rodar.

Sin embargo, la conciencia generada acerca de la existencia del calentamiento global, y de la necesidad del reciclaje y ahorro de ciertos recursos, ha obligado a los fabricantes a adecuarse a ciertos aspectos. De hecho, tenemos ya hasta una categoría dedicada plenamente a monoplazas totalmente eléctricos, de cero emisiones, como es la Fórmula E, donde corren muchos viejos conocedores del deporte rey del automovilismo, como Pascal Wehrlein, Felipe Massa o Stoffel Vandoorne.

FIA Formula E

Y resulta curioso ver cómo, en plena era híbrida, en la que jamás se había consumido una cantidad tan baja de combustible, la Fórmula 1 ha avanzado hasta el punto de que, pese a que los consumos sean los más bajos jamás registrados en esta categoría, contemos con los monoplazas más rápidos de la historia.

La Unidad de Potencia en los Fórmula 1

Gran parte de la complejidad de los monoplazas actuales de la era híbrida reside en la unidad de potencia, la cual te explicamos en el enlace de aquí arriba. Brevemente explicado, el motor actual es un híbrido V6 de 1.6 litros, de unos 950 CV (la potencia varía unos CV arriba o abajo en función del fabricante), cuyo consumo ronda los 34 litros a los 100 kilómetros, una cifra récord teniendo en cuenta las velocidades y fuerzas a las que son sometidas estos coches. Jamás habíamos visto en la historia de la categoría un consumo tan bajo. Esto se debe a la importancia de la parte eléctrica del motor híbrido, que, como bien hemos mencionado, explicamos en el artículo de aquí arriba.

El Alfetta de Nino Farina y Juan Manuel Fangio – F1

Remontémonos a los años 50, cuando Juan Manuel Fangio ganó su primer campeonato a los mandos del Alfetta. Ese coche tenía un motor 1.5 de 8 cilindros sobrealimentado de 450 CV, y alcanzaba una velocidad máxima de 305 kilómetros por hora, algo que lo convertía en una auténtica caja de muertos teniendo en cuenta las escasas medidas de seguridad. ¿El consumo? 150 litros por cada 100 kilómetros. Algo que, a día de hoy, sería prácticamente impensable. Por otro lado, teníamos coches con motor atmosférico de 4.5 litros, y había escuderías, como Ferrari, que incluso utilizaban ambos coches. Diseñaban uno para el motor atmosférico, y otro para el sobrealimentado.

Avancemos unos pocos años. A principio de los años 60, la potencia de los coches era bastante baja (entre 150 y 230 CV), y los motores tenían una capacidad bastante baja, pero en 1966, hubo una presión bastante grande, pues muchos coches deportivos convencionales comenzaban a rodar más rápidos que los monoplazas de Fórmula 1. Para remediar esto, la FIA optó por aumentar la capacidad de los motores, y dejarla en 1.5 litros para los turboalimentados, y en 3 litros para los atmosféricos. Los ingenieros eran libres de, con ese motor, hacer lo que quisieran, siempre y cuando dichas modificaciones no infringiesen el reglamento.

Motor 3.0 atmosférico del Ferrari 312T, con el que Niki Lauda ganó su primer campeonato, en 1975 – Flickr

Mientras los motores atmosféricos oscilaban entre los 400 y 550 CV, los turboalimentados alcanzaban cifras como 900 CV, e incluso, en alguna ocasión, la friolera cantidad de 1300 CV. Esto provocó que, hacia la década de los años 80, el turbo fuera la mejor opción. De hecho, Alain Prost ganó su primer campeonato con un motor TAG-Porsche 1.5 Turbo de 750 CV.

Respecto a los consumos, se estableció en 1984 un límite de consumo de 220 litros de combustible por carrera, límite que fue reduciéndose con el paso de los años hasta quedarse en los 195 unos pocos años después. Con la aerodinámica ya presente, los constructores podían dejar de centrarse únicamente en la potencia y buscar un equilibrio perfecto entre motor y aerodinámica (véase el ejemplo del MP4-4, catalogado por muchos como el monoplaza más dominante de la historia).

En 1989, se prohibieron los turbocompresores en la Fórmula 1, por lo que hasta el año 1995, los motores a utilizar eran de 3.5 litros, y podían ser V8, V10, o V12. De 1995 a 2000, se redujo la cilindrada a tres litros, y el número de cilindros seguía siendo totalmente libre. Sin embargo, a partir del año 2000, los motores a utilizar debían ser, sí o sí, V10. Estos motores eran muy potentes, rondando los 900 CV, y consumían alrededor de 85 litros de combustible por cada 100 kilómetros. Eran rápidos, pero se podían hacer motores más eficientes…

El motor del último coche campeón del mundo con un V8, el Red Bull RB9 – Pinterest

En 2006, llegó el cambio de normativa, y pasamos del motor 3.0 V10 a tener un V8 de 2.4 litros. Este motor, obligatorio en todos los monoplazas, era algo menos potente, alcanzaba menos revoluciones (18000, 1000 menos que los V10), pero sí que tenía una clara mejora en el aspecto del consumo: pasaba a consumir solamente 65 litros por cada 100 kilómetros. 3 años más tarde, llegó el primer paso hacia el motor híbrido: el KERS. Dicha pieza convertía en potencia la energía cinética generada por el coche al frenar, y hacía que el coche pudiera emplear unos CV extra.

Finalmente, pasamos de los V8 a los V6 híbridos que hemos mencionado anteriormente, motores que llevan con nosotros desde 2014. Partiendo de la base de que, en tan solo 15 años, el consumo de estos monoplazas ha pasado de 85 litros por cada 100 kilómetros a unos 34, da que pensar, y mucho. Vivimos en un mundo donde el esfuerzo por un universo sostenible es cada vez más notorio, y los monoplazas de la era híbrida han demostrado que los récords de pista que antaño parecían imbatibles se pueden pulverizar. Veremos qué sucede en 2022, con el tan ansiado cambio reglamentario.

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