SOYBAL SPORT MOTORES DE FORMULA 1. Especificaciones Materiales Evolución Filosofía Reconstrucción Refrigeración Banco de Potencia Energía perdida

Transcripción

1 SOYBAL SPORT MOTORES DE FORMULA 1 Especificaciones Materiales Evolución Filosofía Reconstrucción Refrigeración Banco de Potencia Energía perdida

2 Aunque los motores de F1 han perdido parte del atractivo que solían tener cuando el reglamento permitía más libertad, cada diseño es una obra maestra y una maravilla de ingeniería en las últimas tecnologías y materiales empleados. Las estrictas normas han hecho que todos los motores de F1 sean muy similares entre ellos, y sus características principales son éstas: Motores atmosféricos (sin turbo) de ocho cilindros en V de centímetros cúbicos con doble árbol de levas en culata y 4 válvulas por cilindro. La velocidad máxima de giro está limitada a r.p.m., y a ese régimen ofrecen unos 750 cv de potencia. Si no hubiera límite de revoluciones alcanzarían los 800 cv a más de r.p.m. Están constituidos por unas piezas, de las cuales están en movimiento. Pesan exactamente 95 kilos porque es el peso mínimo para un motor y todos los fabricantes lo alcanzan fácilmente. El bloque del motor está construido con aleaciones de aluminio forjado por el ahorro de peso respecto a los de acero, estando prohibidos los materiales no-ferrosos. El cigüeñal es de acero aleado con tungsteno, las bielas de titanio y los pistones de aleación de aluminio con un revestimiento antifricción. A máximo rendimiento consumen alrededor de 60 litros de combustible cada 100km. La lubricación es por cárter seco (el aceite que cae al cárter va a un depósito que contiene el 30% de todo el aceite del motor), haciendo el aceite todo el recorrido completo 3 o 4 veces por minuto.

3 Los motores son auto portantes, es decir, forman parte del chasis por lo que la suspensión y alerón traseros van montadas sobre él y su caja de cambios. Cada piloto sólo puede emplear 8 motores por temporada. Después de cada carrera, los motores se meten en un banco de pruebas para comprobar su rendimiento e identificar posibles problemas El origen de los actuales V8 está en los V10 de cc que se empleaban a finales del Los equipos habían llegado a la conclusión de que un ángulo de 90º entre las bancadas de cilindros de los V10 era el compromiso ideal entre prestaciones y la necesaria rigidez del motor para ser auto portante, y cuando estos motores alcanzaron los cv, potencia que no se había alcanzado desde la desaparición de los motores turbo permitiendo velocidades de 370 km/h en Monza, la FIA decidió que para el 2006 se les quitaran dos cilindros a estos motores. Así, y manteniendo los 300 cc de cada cilindro, se pasó a una cilindrada de 2,4 litros con una configuración obligatoria de V8 a 90º. Adicionalmente la FIA impuso una congelación de los motores para evitar desarrollos que entraría en vigor un año después. La congelación también trajo consigo algunas polémicas, ya que mientras que motoristas como Renault o Toyota la cumplieron estrictamente, Mercedes y Ferrari lograron aumentar en unos 40 cv las potencias de sus motores aprovechando las actualizaciones que realizaron en ellos para resolver problemas de fiabilidad. La retirada de Toyota de la F1 a finales del 2009 ha permitido conocer algunos datos más sobre ellos, ya que las marcas todavía involucradas ocultan datos importantes. En concreto, el motor Toyota, todavía homologado para competir, tiene cilindros de 96,8 mm de diámetro (el máximo diámetro permitido es de 98 mm) y 40,7 de carrera (cilindros super-cuadrados, porque el diámetro es mayor que la carrera), con una relación de compresión de 13,6, una potencia de 745 cv y un par de 380Nm. La configuración de gran diámetro de los cilindros y carrera corta es necesaria por el elevado régimen al que giran y permite que se monten válvulas más grandes para una mejor respiración del motor. La optimización de todos los

4 componentes hace que la eficiencia térmica, es decir, el porcentaje de potencia útil que se extrae del combustible inyectado sea del 34% cuando en un automóvil de calle ronda el 26%, a pesar de que en F1 están prohibidos los sistemas de distribución variable. Esta optimización se debe al empleo de materiales especiales que disminuyen la fricción interna y sobretodo, limitan el peso de las partes móviles para que el motor pueda girar a elevadas revoluciones, como las válvulas, que a r.p.m. tienen que abrir y cerrarse 300 veces por segundo. Como he comentado que la eficiencia térmica es del 34%, esto significa que el resto se pierde en forma de calor. Por tanto, la refrigeración del motor es vital para su correcto funcionamiento. Básicamente, el sistema de refrigeración es el mismo que en un coche de calle, siendo el refrigerante y el aceite bombeado a sus correspondientes radiadores para refrigerarlos antes de que completen otro ciclo pasando otra vez por el motor. Sin embargo, debido a las restricciones de espacio y necesidades aerodinámicas, el posicionamiento de los radiadores es muy diferente. Renault R25 con el que Fernando Alonso logró su primer título mundial, y en él se puede ver el motor (2), el radiador de un lado (4) aunque en la foto está tapado con un protector, la entrada de aire para la admisión del motor (1), los escapes (3), la caja de cambios situada tras el motor (6), y la suspensión trasera montada sobre la caja de cambios (5).

5 ESPECIFICACIONES: (año 2010) Cilindrada 2400cc. Máximo régimen de giro del cigüeñal rpm Motores de 8 cilindros a 90º dispuestos en V con sección circular. Sobrealimentación prohibida. Dos válvulas de admisión y dos válvulas de escape por cilindro. El asiento de la válvula debe ser circular

6 DIMENSIONES, PESO Y CENTRO DE GRAVEDAD: Diámetro de los cilindros no podrá exceder de 98 mm. Distancia entre cilindros deben fijarse en 106.5mm (+ / - 0,2 mm). El eje del cigüeñal no debe ser inferior a 58 mm por encima del plano de referencia. El centro de gravedad del motor no puede estar menos de 165 mm por encima del plano de referencia. La posición longitudinal y lateral del centro de gravedad del motor debe estar dentro de una zona que es el centro geométrico del motor, + / - 50 mm. El centro geométrico del motor en un sentido lateral, se considerará que se encuentran en el centro del cigüeñal y en el punto medio entre los centros del primero y ultimo cilindro longitudinalmente. Los sistemas de geometría variable no están permitidos Para hacer un motor completo de F1 se necesitan alrededor de 1500 complejos dibujos si se les puede llamar dibujos ya que todos ellos se realizan con los súper programas informáticos de CAD CATIA

7 ... MATERIALES: Las aleaciones de magnesio basado en composites de matriz metálica (MMC) y los materiales intermetálicos no pueden ser utilizadas en cualquier lugar del motor. Los recubrimientos de las piezas si, siempre que el espesor del recubrimiento total no exceda del 25% del espesor de la sección del material de la base subyacente en todos los ejes. En todos los casos el recubrimiento de referencia no deberá ser superior a 0,8 mm. Pistones, deben fabricarse con una aleación de aluminio que puede ser Al-Si, Al-Cu, Al-Mg o Al-Zn. Tornillos de pistones, cigüeñal y árboles de levas deben ser fabricados de una aleación a base de hierro y de una sola pieza. Pueden usar un dispositivo adicional (motor de arranque externo y portátil) para poner el motor en marcha, tanto en el pit, box, como en la parrilla de salida.

8 EVOLUCION DEL DISEÑO DE LOS MOTORES: Todos los motores de los equipos de F1 que compiten son muy similares debido a las regulaciones estrictas que cada vez entran en juego desde Hasta ese momento, todos los fabricantes de coches que participan en la F1 fueron compitiendo entre sí en una carrera de gastos. No es una mentira pretender que en los años posteriores a 1995, el fabricante que invertía más y podía contratar a más gente podría producir el mejor motor. En 1997, Ford Cosworth: Inició una furiosa batalla por la reducción de peso, como su CR1 en el momento al menos 25 kilos más ligero que cualquier otro. A pesar de que sufrió algunos problemas de fiabilidad durante la temporada, el motor era un ejemplo para los demás, ya que al pesar menos tenían más ventaja a la hora de distribuir los lastres por todo el coche. Como reacción a esta bajada de peso, el de 1998 Mercedes-Benz fue posiblemente uno de los motores más revolucionario jamás construido, haciendo ganancias de rendimiento y reduciendo también peso del motor al mismo tiempo. Pronto se demostró su fiabilidad y rendimiento dando a Mika Hakkinen dos títulos mundiales consecutivos con McLaren Mercedes. Cuando en el año 2000, la FIA decidió limitar el uso de aleaciones de Berilio, hasta un máximo de 5 puntos porcentuales en masa - por ser contaminante en grandes cantidades, Mercedes lucho durante años para competir con los poderosos motores BMW y FERRARI.

9 A finales de 2005, la mayoría de los equipos habían convergido en sus diseños a 3 litros V10 con un ángulo interno de 90. Los diseñadores de equipos habían llegado a la conclusión de que el 90 era la mejor apuesta entre el rendimiento y la rigidez de la máquina en sí. Ese mismo año, algunos motores V10 3litros estaban produciendo más de 980hp y corriendo muy cerca de los 1000hp, una cifra que nunca fue alcanzado desde la prohibición de los motores turbo. Era un signo para el cuerpo directivo de la F1 para cambiar el reglamento de la velocidad punta en Monza de 370 km-hora se consideran peligrosos para los pilotos, así como a los espectadores. La capacidad máxima se redujo a 2,4 litros y el recuento de cilindros a 8. Además, la FIA dictaminó la congelación de los motores que entrará en vigor un año después de poner fin a la carrera de gastos.

10 Sólo 2 años más tarde, a mediados del 2008, la FIA y varios equipos que seguían estrictamente las normas constataron que la normativa aun era muy liberada. Al parecer, durante el último año, Mercedes y Ferrari fueron capaces de sacarles 40 caballos más a sus motores, como los llamados "cambios de fiabilidad", mientras que otros habían seguido a la congelación de motores más estricta. Varias reuniones con personal de la FIA y directivos de equipos coincidieron en igualar prestaciones, y a los equipos menos poderosos, poderles dejar hacer algunas modificaciones durante el transcurso de la temporada, de esa manera en los próximos años irían igualando potencia. Aun así, con el avance de los motores congelados, un motor de F1 actual es una pieza muy interesante de la ingeniería, en total consta de 5000 piezas por separado, 1500 de los cuales están en movimiento. Se estima que cuando está en funcionamiento, un motor de F1 nuevo puede producir alrededor de 720hp, pero podría llegar hasta los 780hp y por encima de rpm si no hubiese un límite de revoluciones del motor. Otro punto de decidir tratando de llegar a un máximo de potencia de un motor es el del escape. Los cambios menores de la longitud o forma de un tubo de escape pueden influir en los caballos de fuerza en forma drástica, el sistema de escape de un coche de carreras no cuentan con un silenciador, carece de catalizador y está hecho especialmente para aguantar temperaturas tan altas como 1200 C, mucho más de lo que se consigue con un motor regular de carreras

11 FILOSOFIAS DE DISEÑO DE UN MOTOR DE FORMULA 1 Teniendo en cuenta solo motores de combustión interna (dejando fuera a los motores de combustión rotativos Wankel), hay básicamente tres formas diferentes de construir un motor. La diferencia esta en la posición de los cilindros frene a los demás. MOTORES EN LINEA: Donde los cilindros se colocan uno al lado de otro, no se utilizan desde los años 60, suelen ser motores pequeños pero largos, y por lo tanto requieren un cigüeñal pesado y largo. MOTORES BOXER: En realidad es una de las mejores apuestas, si lo permite el contorno exterior al motor, los cilindros se colocan unos en frente de otros, podría ser un motor en V a 180º de ángulo de asiento del motor. Se hicieron populares en F1 por tener el centro de gravedad bajo y los costes medios de producción, pero fueron desapareciendo ya que este tipo de construcción de motor no era lo suficientemente rígido como para aguantar en condiciones extremas la fuerza de gravedad del coche en curva, Ferrari construyo 12 motores en bóxer desde 1970 a 1980 antes de hacer los en V a 120º de ángulo.

12 MOTORES EN V : Actualmente son los que se usan en la F1, La V es de hecho el ángulo geométrico que separan las dos bancadas de cilindros entre sí cuando el cigüeñal se puede considerar como el centro de los ángulo. Naturalmente este tipo de motores en V antes de empezar a diseñarlo el motorista tiene que tener claro a cuantos grados de abertura lo hará. Tradicionalmente construidos a 60º-72º-90º y 120º en V. a pesar de las múltiples evoluciones de respectivos motores la FIA a determinado por imponer los V8 a 90º, ya que parece que son mas fiables y tienen menos vibraciones. También hay que decir que este tipo de construcción es mucho más favorable al chasis ya que el conjunto motor, caja de cambios forman parte de la estructura general del F1.Fue Cosworth con su motor DFV uno de los pioneros en poner los motores en V, antiguamente todo el coche era una estructura tubular, y tanto el motor como le caja de cambios se introducían dentro del perímetro de dicha estructura, como anteriormente he comentado, hoy en día la estructura de un F1 la forman: El frontal con su respectiva ala, el cock-pit, motor, caja de cambios y la cola anti impacto formando estructura con el ala trasera. Con los 3 elementos base, chasis (cock-pit) motor y caja de cambios, no es necesario reforzar nada, por que dichos elementos son lo suficientemente rígidos para aguantar la fuerza de gravedad sobre todo al paso por curva, vibraciones, frenadas, aceleraciones, etc.

13 El ángulo de la V es elegido sabiamente ya que entran varios factores muy importantes como puede ser la velocidad del pistón, hay que saber cuantos cilindros pondremos. Si se considera que cada ciclo de combustión tiene 2 vueltas - El consumo y la fase de combustión - del cigüeñal, y un círculo completo es de 360, se incluye el ángulo de motor por el numero de cilindros debe dar 720º a fin de lograr de manera uniforme un primer ciclo al primer cilindro.

14 Por eso también un motor bóxer es un diseño ideal. Los cilindros se oponen a 180 por lo que tenemos 2 o 4 o 6 o 8 o 10 o 12 no es tan grande. Perfecto equilibrio primario es fácil de lograr, siempre y cuando el pistón y la rotación de las piezas están en equilibrio y el orden de encendido es siempre iguales de tiempo. Algunos ejemplos dejan claro por qué varios ángulos específicos han sido muy populares en el diseño del motor de F1. Ferrari ha utilizado un V12 a 60º y V12 a 120º. En cuanto a la primera opción, dividir 720 por 12 cilindros y se obtiene 60. Se consigue 120 cuando se imagina un V12 con dos motores V6 alineados.

15 72 motores Renault V10 de gran éxito. Es el ángulo perfecto para cualquier banco motor V10. Un cilindro se dispara cada vez que el cigüeñal ha completado 72 de modo que después de 2 vueltas cada pistón único ha pasado por un ciclo completo. Actualmente cada equipo corre con motores V8 a 90º, pero no sólo porque el Reglamento lo establece así. También se trata de un ángulo perfecto y cumple con los requisitos de tamaño establecido por la aerodinámica

16 MAQUETA DEL MOTOR PARA PROBAR LA INTEGRACON de COMPONENTES: Generalmente se crean unas maquetas simulando el motor para probar la integridad del mismo en su lugar de origen. Generalmente se hacen dos maquetas de motores, dicha maqueta se construye en una semana, se montan con pruebas de piezas de mecanizado, para asegurarse que estén perfectamente equilibradas para el resto de temporada solo se reproducen las partes externas del motor, los escapes se hacen en resina. ENSAMBLADO EN LA MAQUETA: La función de la maqueta es crucial, lo que permite probar el cableado y las tuberías del motor en el coche y optimizar el banco de potencia. Por lo general, el taller produce y monta los componentes diseñados en la oficina de dibujo". Asegurándose así el ensamblado y ajuste del motor real de carreras. De las dos maquetas una es para simular lo dicho el conjunto motor y la otra es para presentarla en el chasis, de esta manera el otro equipo de mecánicos probara el resto de ensamblado chasis, motor, caja de cambios. Estas pruebas se hacen porque hay varias piezas que se han reducido tanto de tamaño como peso y son las que empezaran marcando la diferencia del nuevo campeonato.

17 DISEÑO del CIGÜEÑAL: Aunque el motor V8 con el ángulo del cilindro ahora obligatoria de 90 grados se parece al V10, técnicamente se trata de un concepto totalmente diferente con sus propios requisitos específicos. El V8 tiene una secuencia de disparo diferente y requiere un diseño del cigüeñal fundamentalmente diferentes. Considerando que un 72º de desplazamiento del cigüeñal se utilizó en la mayoría de los motores V10 de la Fórmula 1. Los motores V8 tienen cuatro muñequillas y colocadas a 90º formando un ciclo a 180º. Los motores de producción estándar están equipados con 90º del cigüeñal debido a sus atributos más dinámicos, pero un giro de 180º del cigüeñal se ve favorecido en las carreras de diseño de motor del coche en mejor desempeño, lo que permite compensar los inconvenientes en términos de dinámica. REFRIERACION: El enfriamiento de cualquier motor de combustión interna es vital para su correcto funcionamiento. Básicamente, el sistema de refrigeración de un F1 es el mismo que en cualquier coche de carretera normal, el refrigerante del motor y el aceite es bombeado a través de una bomba al radiador para enfriar antes de completar un nuevo ciclo a través del motor. Sin embargo, debido a las restricciones de espacio y las necesidades aerodinámicas de un coche de carreras, el posicionamiento de estos

18 componentes es completamente diferente. El la fotografía la entrada de aire para refrigerar los distintos elementos y la entrada a la admisión Para hacer los colectores de escape, un operario puede estar alrededor de 50 horas por unida de tubo. En una temporada se pueden construir y reconstruir unos 300 motores al año. El 40 % de las piezas de 4500 serán sustituidas por otras nuevas. Unas 200 horas hacen falta para reconstruir un motor, que seguidamente son sometidos a esfuerzos y pruebas de fiabilidad en los bancos de pruebas y potencia, gestionados informáticamente y comandados por potentes motores eléctricos. Creando condiciones casi reales de carreras

19 EL BANCO DE POTENCIA TERMICA: Una vez que el primer motor ha sido construido, es 'bautizado' en el banco de potencia térmica. Este paso se produce cuatro semanas después instalar todo los componentes y cables eléctricos. El motor entonces ruge en la vida por primera vez. "Es un momento muy especial. El primer objetivo es asegurar que el motor arranque! Luego, comprobar y medir decenas de parámetros relacionados con los sistemas de lubricación y temperatura. Asimismo, señalamos las curvas de la primera potencia". Se cambian culatas y válvulas para ir haciendo pruebas. Y se conservaran los datos de las que den mejor potencial EL BANCO DE PRUEBAS DINAMICAS:

20 En esta prueba se esfuerza al motor al máximo y ver su fiabilidad, se ensambla también la caja de cambios para hacer pruebas de esfuerzo En este punto, nuestro objetivo es comprobar la fiabilidad del motor, Estamos constantemente aumentando la carga en el motor con el fin de darle un entrenamiento a fondo." El circuito más exigente en el calendario se produce en sus más mínimos detalles utilizando la telemetría de la temporada anterior. En los bancos se deben simular unos Km de recorrido. "El proceso se convierte entonces en un intercambio continuo entre el dinamómetro térmico, que se proponen mejoras de rendimiento, y el dinamómetro dinámico, que comprueba su fiabilidad. Es un equilibrio difícil de encontrar: en el desarrollo del motor, estamos constantemente pisando la delgada línea entre el rendimiento y fiabilidad, pero es la manera de conseguir un buen motor, y ser competitivo. Verificando posibles grietas con ultrasonidos

21 ENERGIA PERDIDA??? Esencialmente, la necesidad de refrigeración en un motor de combustión interna hace que la potencia final a desarrollar a las ruedas de tracción debido a la transformación de energía a consecuencia de la combustión producida en la cámara de combustión oxigeno-combustible se pierda exageradamente. Esto se mide en términos de "eficiencia térmica. De la explosión de motor solo se aprovecha el 30% de la energía generada, el otro 70% se pierde en disipación de calor.

22 Entonces, dónde va la potencia? Un pequeño porcentaje se convierte en el distintivo sonido de un coche de F1. La gran mayoría, sin embargo, se disipa en forma de calor de una serie de áreas: por ejemplo, el aceite derrocha unos 120KW y el sistema de agua de 160 Kw. Las ineficiencias de la caja de cambios también supondrán una pérdida de unos 15KW, mientras que los sistemas hidráulicos representan unos 3 KW. Sin embargo, hasta el 34% del resto se pierde a través de los tubos de escape en forma de calor, y15% combustible sin quemar. Además, este desperdicio de energía ofrece importantes desafíos a la hora de controlar las temperaturas. Si bien los intercambiadores de calor en un coche de competición son extremadamente eficientes, su capacidad para enfriar el motor está en función de la "capacidad de la entrada de aire esencialmente, la gran masa de aire puede hacer que el flujo a través del radiador vaya a una zona determinada. Esto depende, por supuesto, de generar altas velocidades de aire en los conductos del radiador: sin embargo, normalmente, la velocidad del aire en el radiador será sólo el 10-15% de la velocidad del coche, así que incluso si el coche se desplaza a 300 km / h, el aire en los conductos de refrigeración entrara a Km/h Las temperaturas de agua y aceite están constantemente medidas y controladas, intentando tenerlas la más óptima, para alcanzar desde este aspecto la potencia máxima del motor

23 Ha sabida cuenta de la gestión de enfriamiento de lo complicado que es, necesita una buena razón para afrontar todos estos problemas, y que la razón es la aerodinámica. En esencia, tenemos que encontrar el equilibrio correcto entre la refrigeración y el rendimiento aerodinámico, ya que la mayor cantidad de aire que canalizamos a través de los radiadores, es menor para la eficacia aerodinámica. De hecho, pasar de una refrigeración máxima y mínima se puede reducir la carga aerodinámica hasta en un 5%, que se traduce en un tiempo por vuelta déficit de aproximadamente 0,4 segundos en un circuito de media. El flujo de aire es controlado por diferentes configuraciones del radiador y. La configuración utilizada en un circuito particular, se define de acuerdo a la temperatura ambiente, "factores de circuito 'por ejemplo, cuánto se usa el acelerador a fondo, y los límites de temperatura que puede funcionar el motor.

24 Típicamente, se ejecutará la temperatura del aceite de más de 100 C, mientras que la presurización del sistema de agua de hasta 3,75 bares permite que el punto de ebullición se retarde hasta los 120 C: para ejecutar estas temperaturas tan altas necesitamos menos aire en los radiadores, y mejorar el rendimiento aerodinámico. Como siempre, sin embargo, estas opciones conllevan una penalización: por cada 5 C de temperatura del agua se corre, lo que permiten que las salidas de los radiadores sean mas pequeñas robándole al motor más de 1 CV. Sin embargo, la importancia de la aerodinámica en la Fórmula 1 moderna obliga a seguir destinando recursos y mucho tiempo en el túnel de viento para la refrigeración.