Técnica F1El motor de combustión interna de un F1 (ICE)

La generación actual de coches de Fórmula 1 está impulsada por unidades híbridas de alto rendimiento y baja cilindrada, electrificadas y turboalimentadas. En esta ocasión analizamos el corazón mecánico de la PU (Power Unit): el motor de combustión interna y su viaje de desarrollo desde 2014.

¿Qué elementos forman una unidad de potencia de Fórmula 1?

La FIA distingue entre seis elementos en una moderna unidad de potencia de F1 (PU). En el corazón de la PU se encuentra el motor de combustión interna (ICE). Es un elemento estructural del coche que conecta el chasis a la caja de cambios. Los motores de F1 actuales son de seis cilindros y están construidos en una configuración en V a 90 grados, con una capacidad de 1,6 litros.

El segundo elemento es el turbocompresor (TC), que aumenta la densidad del aire que consume el motor, lo que le da más potencia. Un motor de F1 moderno es híbrido, con dos máquinas eléctricas que recuperan y entregan energía. Está la unidad de recuperación de energía cinética (MGU-K), que aprovecha la energía cinética no empleada cuando el coche está en fase de frenada, y la unidad de recuperación de energía térmica (MGU-H), que está conectada al turbocompresor y aprovecha el exceso de energía del escape. Ambas unidades convierten sus respectivas fuentes de energía en energía eléctrica que luego puede usarse para impulsar el monoplaza.

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La energía eléctrica se almacena en el quinto elemento: una gran batería conocida como Energy Store (ES). Este intrincado sistema de diferentes componentes está controlado por el sexto y último elemento, el Control Electronics (CE): la centralita electrónica. A los pilotos se les permiten tres ICE, MGU-H y TC por temporada, así como dos ES, CE y MGU-K, pero cualquier combinación de piezas se puede instalar en el coche. Si un piloto excede este límite, se le aplica una penalización de parrilla.

¿Cómo funciona el proceso de combustión en un ICE de F1?

En el corazón del ICE se desarrolla el proceso de combustión en el que el combustible y el aire se mezclan y prenden para liberar energía. Este proceso funciona de la misma manera que lo hace en un automóvil de carretera; Sin embargo, los sistemas son un poco más complejos. Mirándolo con más detalle, el aire de combustión se alimenta al motor a través de un conducto de aire que se encuentra encima de la cabeza del piloto, en el arco de seguridad. La presión de aire aumenta con un compresor que forma parte del turbocompresor. Este proceso también aumenta la temperatura del aire, por lo que el aire debe enfriarse nuevamente en un enfriador de carga antes de alimentarlo a las cámaras en la parte superior del motor.

Desde allí, pasa por los seis puertos de entrada y pasa las dos válvulas de entrada hacia los cilindros. Ahí es donde entra en juego el combustible. Los motores de F1 son de inyección directa, como la mayoría de los automóviles de carretera modernos, por lo que el combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión a un máximo de 500 bares de presión, algo limitado por la normativa. Si bien eso es más de lo que encontraría en un motor de gasolina de inyección directa de un automóvil de carretera, que generalmente funciona a presiones de hasta 350 bares, en realidad es bastante menor de lo que se podría encontrar en un diésel moderno, en el que las presiones de combustible pueden alcanzar hasta 2500 bares.

El pistón comprime la mezcla de aire y combustible antes de que una bujía la encienda. La fuerza de la combustión empuja hacia abajo el pistón, que está conectado al cigüeñal a través de una biela y, por lo tanto, puede accionar el cigüeñal. Cuando el pistón vuelve a subir, las válvulas de escape se abren para liberar los gases de escape del motor, de modo que todo el proceso puede comenzar de nuevo hasta un máximo de 15 000 veces por minuto (o hasta 250 veces por segundo). Los gases de escape se utilizan para impulsar la rueda de la turbina del turbocompresor, que a su vez acciona el compresor. Lo que queda luego sale por el tubo de escape en la parte trasera del coche con un sistema de válvula de descarga que se utiliza para controlar la presión durante esta fase.

¿Qué otros sistemas son parte del ICE?

También se incorporan sistemas de aceite y agua muy intrincados y complejos en el motor, que se entrelazan entre los diferentes elementos. Estos mantienen el motor funcionando sin problemas y regulan la temperatura, lo cual es increíblemente importante cuando se considera que las temperaturas del gas en la cámara de combustión pueden alcanzar hasta 2600 °C. El trabajo principal del sistema de agua es administrar las temperaturas de los diferentes elementos y materiales que componen la unidad de potencia. Desde el cárter hasta la parte superior de la culata, se trata de asegurarse de que el motor no se sobrecaliente. Se requiere una gran cantidad de ingeniería, desde la gestión del flujo de agua hasta la eficiencia de la bomba.

¿Qué tipo de ganancias se han encontrado desde 2014?

El reglamento de las unidades de potencia se ha mantenido bastante estable desde que se introdujo al comienzo de la temporada 2014, por lo que la filosofía general de la PU no se ha desviado significativamente de la versión original que debutó hace más de cinco años. Sin embargo, gracias a numerosos cambios en muchas áreas, los motoristas han podido mejorar cada elemento, produciendo más potencia y mejorando la eficiencia térmica. En 2014, Mercedes produjo poco más de 900 CV y ​​tuvo una eficiencia térmica del 44%. Eso significa que el 44% de la energía del combustible se convirtió en trabajo útil para impulsar el monoplaza. En los años siguientes, la eficiencia térmica mejoró constantemente, rompiendo la barrera del 50% de eficiencia térmica en el banco de pruebas en 2017. Actualmente, los mapas de clasificación de Ferrari o Mercedes superan la mítica barrera de los 1000 caballos de potencia.

¿Dónde se ha encontrado más rendimiento en los últimos años?

En los últimos cinco años, los motoristas han analizado cada parte del motor para encontrar más rendimiento y mejor eficiencia. Un área en la que se ha trabajado mucho fue en el flujo de gases en el motor, tanto en la forma del aire de combustión que se alimenta al motor como en los gases de escape que salen de él. En términos del sistema de entrada, un área crucial de desarrollo ha sido el plenum. Se asienta en la parte superior del motor entre el enfriador de carga y las válvulas de entrada. Las dos cámaras, una para cada banco de cilindros, retienen el aire presurizado que ingresa desde el compresor, proporcionando una fuente estable de aire comprimido a pesar del suministro variable (debido a las velocidades variables del compresor) y la demanda (un motor en ralentí necesita menos aire que uno funcionando a toda velocidad). Desde las cámaras, el aire de combustión se alimenta a través de varios sistemas de entrada a los cilindros.

"Los plenums no sólo han aumentado de tamaño, sino que también albergan un sistema de trompetas mucho más complejo"

Las reglas en 2014 exigieron un sistema de geometría fija para los plenums, dejando poco espacio para cualquier ganancia de rendimiento. Esta regla cambió para la siguiente temporada, dando a los ingenieros una nueva vía a seguir. Como resultado, los plenums no sólo han aumentado de tamaño, sino que también albergan un sistema de trompetas mucho más complejo. Estos conductos en forma de trompeta varían en longitud y, por lo tanto, hacen coincidir la longitud ajustada con la velocidad del motor y ayudan a maximizar la cantidad de aire que se alimenta al motor. En 2015, las trompetas se convirtieron en algo que se parece más a un trombón, donde la trompeta de entrada se desliza hacia arriba y hacia abajo, cambiando la longitud del sistema de admisión con cada movimiento.

Esto significa que el sistema de trompeta y, por lo tanto, el flujo de aire, se pueden adaptar a la velocidad del motor, proporcionando la mejor longitud para diferentes revoluciones por minuto con el fin de producir la mayor potencia. Parte de esta evolución es incluso visible desde el exterior: desde 2015, las cámaras han aumentado de tamaño cada año, con fibra de carbono que se extiende por todo el motor ahora e incluso empujando la carrocería alrededor de la cubierta del motor. Es por eso que en casos como el del Mercedes de Fórmula 1 se pueden ver pequeñas protuberancias a cada lado de la cubierta del motor.

¿Se ha realizado algún otro trabajo en el flujo de gas en el motor?

Otra área importante de mejora ha sido el sistema de escape. Su forma, longitud y diámetro tienen un impacto masivo en el rendimiento del motor, porque cuanto más rápido se pueden expulsar los gases de escape del proceso de combustión de la cámara de combustión, más rápido puede comenzar el nuevo ciclo de encendido. En 2014, Mercedes utilizó un sistema de escape liviano que ejecutaba la ruta más corta posible desde la culata hasta la turbina del turbocompresor.

Este sistema tenía dos ventajas: no agregaba mucho peso y las tuberías cortas significaban que no había mucha pérdida de calor en el camino hacia la turbina del turbocompresor y el MGU-H. Sin embargo, el motorista alemán introdujo un sistema más complejo en 2015 que ayudó a aumentar la potencia del motor. En este escape sintonizado, las tuberías primarias, las seis tuberías que conducen directamente desde la culata, tenían la misma longitud, pero la tubería secundaria era más larga, lo que alteraba la curva de potencia y la potencia de salida del motor. Desde entonces, Mercedes ha introducido un nuevo sistema de escape cada año, extrayendo más del motor cada vez.

¿En qué otras áreas del motor se enfoca el desarrollo?

Otra área donde se han realizado mejoras son los materiales utilizados. Grandes partes del motor son metálicas (por ejemplo, la culata está hecha de aluminio), pero las reglas no siempre especifican qué metales deben usarse. Elegir las aleaciones adecuadas para los componentes correctos puede afectar tanto a la fiabilidad como al rendimiento del motor. Otra área en la que se trabaja constantemente es en la reducción de la fricción. La fricción quita energía, mientras que la energía genera calor.

Aquí es donde los lubricantes juegan un papel importante, ya que la película de aceite entre los componentes reduce la fricción y, por lo tanto, aumenta la potencia, pero también reduce el desgaste y aumenta la fiabilidad. Llevar el aceite hacia y desde la ubicación del motor donde se necesita también es un área de desarrollo. El motor está sujeto a enormes fuerzas g, puede experimentar hasta cuatro o cinco veces la fuerza de gravedad cuando el coche está frenando, acelerando o girando. Asegurarse de que el aceite llegue a todos los componentes que lo necesitan, pero también sacarlo del motor nuevamente requiere un sistema de expulsión muy complejo. Hay alrededor de diez bombas de aceite en la parte inferior del motor, que extraen aceite de la culata y el cigüeñal, pero también de algunos de los accesorios para asegurarse de que el tanque de aceite nunca se seque.

¿Qué papel juega el combustible en la búsqueda del rendimiento?

El combustible está en el corazón del proceso de combustión y tiene una influencia significativa en el rendimiento del motor. El reglamento establece que el combustible debe ser sin plomo, por lo que es como el tipo de combustible que usaría en un automóvil de carretera. ¿Significa eso que podría hacer funcionar una unidad de potencia de F1 con gasolina comercial para automóviles desde su estación de servicio local? Podría, pero requeriría algunos cambios en la calibración, por ejemplo en el encendido.

También experimentaría una caída muy notable en el rendimiento. ¿Por qué? Porque el combustible que utilizan los equipos de Fórmula 1 se han desarrollado durante los últimos ocho años y está calibrado minuciosamente para funcionar perfectamente con la UP de cada motorista. Un grupo de ingenieros trabaja constantemente en la composición química del combustible para asegurarse de que sus características coincidan con las requeridas por el motor.

¿Cuánto tiempo lleva construir una unidad de potencia de F1 y cuál es el proceso?

Las unidades de potencia son máquinas complejas y cuanto más potentes se vuelven, más complejas son. En 2014, un equipo de dos personas tardaba unas dos semanas en construir una UP. Avancemos rápidamente hasta 2019 y la misma tarea llevaría unas tres semanas con la misma cantidad de personas. Por lo tanto, los fabricantes tuvieron que intentar condensar ese tiempo para que no se perdiera un tiempo precioso de desarrollo en el proceso de construcción. Para hacerlo, agregaron más personas al proceso, manteniéndose el plazo de dos semanas, pero con una persona adicional involucrada.

Fuente: Mercedes AMG F1 Fotos: Mercedes AMG F1 | Scuderia Ferrari | Pirelli Sport