Motor turboalimentado y transmisión de un F1


Imagen de un Motor Renault V6 de 1.6 litros con turbocompresor usado desde el 2014
El motor de un Fórmula 1 es la parte más compleja de la Fórmula 1 actual (con permiso de la aerodinámica). Consiste de unas 5.000 partes de las cuales 1.500 son elementos móviles. Cuando todos esos elementos son montados, después de un par de semanas de trabajo de relojero, pueden producir alrededor de 600 caballos de potencia y alcanzar las 15000 revoluciones por minuto (antes de que fueran limitados podían producir alrededor de 1000 hp); lo que hace que estos motores tengan tales prestaciones con tan baja cilindrada es la presencia del turbocompresor.
Esquema de un motor Renault V6 de 1.6 litros con Turbocompresor; la admision de aire al turbo es la boquella ubicada en la parte superior del propulsor, el aire que entra por ahi es comprimido e inyecto a alta presion en los cilindros generando un mayor par motor en menos tiempo que un motor atmosferico ( mayor potencia).
El turbocompresor funciona con los gases expulsados por la combustion del motor para comprimir el aire atmosferico, e inyectarlo con una elevada presion en los cilindros para generar un mayor par; añadido a esto, el motor tambien contara con la ayuda electronica del ERS, elemento que explicare en otro apartado de la seccion de ingenieira F1. En sus máximas prestaciones, un motor actual de 6 cilindros en V consume alrededor de 75 litros a los 100 km de carrera.

Mientras los constructores desarrollaban mejores y más fiables motores, las revisiones de las normas de 2006 introdujeron la congelación de los motores al final de la temporada 2007 por tal de cortar costes de desarrollo que a la FIA le parecieron necesarios. De este modo se les privó a los equipos de la ganancia media de unos 25 hp por temporada y adicionalmente se limitaron el número de revoluciones a 19.000 por minuto., luego en 2013 llego "LA GRAN REFORMA", se descongelo el desarrollo de los motores, se incluyo el turbo pero la cilindrada bajo a 6 cilindros en V con un recorte en las rpm maximas que puede alcanzar el cigueñal. En la actualidad, todos los motores de Fórmula 1 son capaces de producir alrededor de 600 hp en 5 cilindros en una distribución en V de 90° limitados a 15.000 rpm con turbocompresor incluido.


Los motores están construidos sobre una base de aleación de aluminio, debido a la combinación de su relativa ligereza y elevada resistencia. Otros materiales más avanzados (materiales compuestos, súper aleaciones) seguramente podrían ofrecer más ligereza, pero para limitar costes, la FIA ha prohibido los materiales no ferrosos.

Motor Mercedes V8 de 2.4 litros
Los motores producen alrededor de 1.750 kw por minuto, tal cantidad de calor debe ser expulsada del monoplaza de alguna manera, normalmente se libera a la atmósfera a través de los radiadores y el escape que esta directamente conectado al turbo; este puede alcanzar temperaturas de hasta 1000°C. Consumen unos 75 litros por 100 km. No obstante un motor de Fórmula 1 turboalimentado es un 40% más eficiente que el de un utilitario.

Todos los monoplazas tienen el motor situado entre el piloto y el eje trasero. Los motores son una parte del coche que debe soportar grandes esfuerzos, y este forma parte del soporte estructural del coche; está soldado a la cabina del piloto en su parte posterior, a la transmisión y a las suspensiones traseras.


Esquema de la parte trasera descubierta del Renault R25

Las figuras anteriores muestran la parte trasera descubierta del Renault R25, coche que fuera campeón del mundo. El elemento (1) es la toma de aire del motor que conduce el aire al motor (2) para que sea mezclado con el combustible en los cilindros. Seguidamente, los paneles planos situados en vertical encima de los sidepods son los radiadores (4). En esta fotografía el radiador está cubierto con una protección, no lo está por supuesto en carrera, este consta de unas rejillas de aluminio que enfrían al refrigerante del motor y al aceite. Su posición puede variar ampliamente según la solución que tome el equipo para diseñar la carcasa de los sidepods. Marcado con un (3) vemos el escape del motor mientras que (5) y (6) señalan la suspensión trasera ajustada a la caja de cambios.

Por lo que se refiere a la fiabilidad y durabilidad del motor, en cada temporada estos tienen que durar un número de grandes premios determinados (según la normativa de dicha temporada), si no es así, el piloto es penalizado acorde con las normas de la FIA.

¿COMO FUNCIONA EL TURBOCOMPRESOR?

Un turbocompresor o también llamado turbo es un sistema de sobrealimentación que usa una turbina centrífuga para accionar mediante un eje coaxial con ella, un compresor centrífugo para comprimir gases. Este tipo de sistemas se suele utilizar en motores de combustión interna alternativos, especialmente en los motores diésel.

En algunos países, la carga impositiva sobre los automóviles depende de la cilindrada del motor. Como un motor con turbocompresor tiene una mayor potencia máxima para una cilindrada dada, estos modelos pagan menos impuestos que los que no tienen turbocompresor.

En los motores sobrealimentados mediante este sistema, el turbocompresor consiste en una turbina accionada por los gases de escape del motor de explosión, en cuyo eje se fija un compresor centrífugo que toma el aire a presión atmosférica después de pasar por el filtro de aire y luego lo comprime para introducirlo en los cilindros a mayor presión.

Los gases de escape inciden radialmente en la turbina, saliendo axialmente, después de ceder gran parte de su energía interna (mecánica + térmica) a la misma.

El aire entra al compresor axialmente, saliendo radialmente, con el efecto secundario negativo de un aumento de la temperatura más o menos considerable. Este efecto se contrarresta en gran medida con el intercooler.

Este aumento de la presión consigue introducir en el cilindro una mayor cantidad de oxígeno (masa) que la masa normal que el cilindro aspiraría a presión atmosférica, obteniéndose más par motor en cada carrera útil (carrera de expansión) y por lo tanto más potencia que un motor atmosférico de cilindrada equivalente, y con un incremento de consumo proporcional al aumento de masa de aire en el motor de gasolina. En los diésel la masa de aire no es proporcional al caudal de combustible, siempre entra aire en exceso al carecer de mariposa, por ello es en este tipo de motores en donde se ha encontrado su máxima aplicación (motor turbodiésel).

Los turbocompresores más pequeños y de presión de soplado más baja ejercen una presión máxima de 0,25 bar (3,625 psi), mientras que los más grandes alcanzan los 1,5 bar (21,75 psi). En motores de competición se llega a presiones de 3 y 8 bares dependiendo de si el motor es gasolina o diésel.

Como la energía utilizada para comprimir el aire de admisión proviene de los gases de escape, que se desecharía en un motor atmosférico, no resta potencia al motor cuando el turbocompresor está trabajando, tampoco provoca pérdidas fuera del rango de trabajo del turbo, a diferencia de otros, como los sistemas con compresor mecánico (sistemas en los que el compresor es accionado por una polea conectada al cigüeñal).

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VIDEO DE COMO FUNCIONA EL TURBOCOMPRESON EN UN VEHICULO.
ESQUEMA DE UN MOTOR DE F1 CON TURBOCOMPRESOR INCLUIDO.

Los motores actuales de la F1 tienen ayuda asistida de varios elementos de potencia para mantener las prestaciones por lo alto; en el esquema del motor turboalimentado que podemos ver en la parte superior; tenemos elementos que asistena al propulsor.

1-MGU-H: Es parte del ERS, recupera la energia calorica emanada por el turbocompresorn y la almacena en una bateria para luego ser usada cuando el piloto oprime un boton desde el volante.

2-Turbocompresor: Aprovecha la energia de los gases expulsados por el motor, mueve un eje que se encuentra rigidamente conectado a un alave, que absorve aire atmosferico a alta velocidad para inyectarlo con una presion elevada en los cilindros, y asi producir mayor par motor.

3-Energy Store: Es donde su ubica el sistema electrico del motor; la central ECU y la bateria del ERS.

4-MGU-K: Es el equivalente al KERS (en antaño), recupera la energia cinetica perdida al momento de la frenada y esta es almacenada en una bateria; dicha energia es usada cuando el piloto oprime un boton desde su volante.

Intercooler: Es un elemento que (por medio de agua o aire) disminuye la densidad del fluido proveniente del turbocompresor para que el motor no pierda eficiencia con la entrada del aire sumamente denso por la elevada presion.

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¿COMO HACER ARRANCAR UN MOTOR MODERNO DE F1?


Para hacer arrancar un motor de F1, se necesita tener un pequeño motor electrico; el cual se puede poner en funcionamiento desde el volante del piloto; este motor recibe energia del MGU-H, que no es mas que una parte fundamental del ERS, el cual capta la energia emanada por las altas temperaturas de la expulsion de gases del turbo; dicho motor es utilizado para rodar en los boxes, es decir a baja velocidad, o para poner en funcionamiento el motor decombustion interna.

Previamente; se conectan los ventiladores a los pontones con el fin de mantener los radiadores fríos, los ventiladores se cargan con hielo seco, que hace más efectiva la función de los ventiladores.

El motor a temperatura ambiente es prácticamente un bloque sólido donde las piezas apenas se mueven, un circuito de agua caliente que está permanentemente conectado en los boxes eleva lentamente la temperatura hasta alcanzar los 80º temperatura mínima para acometer un encendido del mismo.

De este modo, segun el reglamento Tecnico de la FIA, ningun coche puede recibir ayuda para ponerse en marcha; todo piloto debe tener la capacidad para encender le motor de combustion desde el volante; por otro lado, debemos recordar que antes del 2014 no fue asi; habia que recibir ayuda de una gran cantidad de personas para poner en funcionamiento el propulsor; acontinuacion explicare el proceso "a la antigua" de como poner en marcha un motor de F1.

EVOLUCION DEL MOTOR DE F1 A LO LARGO DE LA HISTORIA
A lo largo de la historia las características de éste han ido cambiando para ajustarse a la reglamentación. Desde el año 1950 han sido:

Años Cilindrada y tipo de aspiración
(turboalimentada o atmosférica)
Disposición del motor
1950-1951 4500 cc atmosféricos o 1500 cc sobrealimentados Indiferente
1952-1953 2000 cc atmosféricos Indiferente
1954-1960 2500 cc atmosféricos o 750 cc sobrealimentados Indiferente
1961-1965 1500 cc atmosféricos Indiferente
1966-1985 3000 cc atmosféricos o 1500 cc sobrealimentados Indiferente
1986-1987 1500 cc con turbo V6
1988 3500 cc atmosféricos o 1500 cc sobrealimentados Indiferente
1989-1994 3500 cc atmosféricos Indiferente
1995-2000 3000 cc atmosféricos Indiferente
2000-2005 3000 cc atmosféricos V10
2006 2400 cc V8 o 3000 cc V10 atmosféricos V8 o V10 (limitado a 16.800 rpm)
2007-2008 2400 cc atmosféricos V8 (limitado a 19.000 rpm)
2009-2013 2400 cc atmosféricos V8 (limitado a 18.000 rpm)
2014 1600 cc turboalimentados V6 (limitado a 15.000 rpm)

Sistema de Transmision completo
TRANSMISION


La transmisión de cualquier coche se considera todos los engranajes y los sistemas que permiten que el motor proporcione potencia para que las ruedas giren. En la Fórmula 1 es una parte vital del coche (cómo todo el resto de partes del coche), no sólo por la grandísima potencia ofrecida por el motor.

Todos los elementos de la transmisión se juntan en la caja de cambios que está situada en un área crítica del monoplaza tanto por motivos estructurales como aerodinámicos.

Esta fue tratada en anteriores lecciones de manera más básica, y será tratada en posteriores de forma algo más avanzada.

Como saben, el motor de un F1 es el que proporciona toda la potencia a el monoplaza para que este se desplaze. Pero el motor no contacta directamente con las ruedas, sino que por medio de unos engranajes la fuerza llega hasta las ruedas. La definicion exacta seria elemento giratorio que transmite un momento de torsión. En este caso se llama eje o caja de transmision. Es el sistema de engranajes o hidráulico que transmite potencia mecánica desde un impulsor primario (por ejemplo, un motor de combustión interna o un motor eléctrico) a alguna forma de dispositivo de salida útil. Esto significa que el mecanismo que transmite la fuerza producida por el motor a las ruedas se llama transmisión. Pero en la transmisión diferenciaremos una parte muy importante, la caja de cambios. Además de la caja de cambios hay otros mecanismos como por ejemplo el diferencial, que no explicare ahora.

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