Tutoriales: Motor de un F1

El motor de un F1 es muy complejo y ofrece un gran rendimiento. Todos conocemos a las marcas fabricantes de motores: Mercedes, Ferrari, Renault, BMW, Toyota y Honda. Para diseñar y producir un motor en esta competición es necesaria una gran inversión y tiempo, por lo que los equipos pequeños optan por comprar motores a uno de estos fabricantes. Para comprender como funcionan, es necesario comprender como funciona un motor de combustión interna. Primero hay que saber que un motor transforma energía en trabajo mecánico o movimiento. Los de combustión interna transforman la energía química del combustible. Pueden ser gasolina y diesel. Ambos pueden ser también de dos o cuatro tiempos.

Un motor de combustión interna de un automóvil suele tener estas partes: sistema de combustión, sistema de lubricación, sistema eléctrico y sistema de refrigeración. El sistema de combustión es la parte compuesta por los cilindros, bujías, cigüeñal etc. El sistema de lubricación es el que se encarga de que la fricción entre las partes del motor no sea muy grande y esto ocasione un desgaste excesivo en las partes del motor. Este sistema tiene un cárter (deposito) de aceite que con una bomba circula por el motor. El sistema eléctrico tiene varias partes: el motor de arranque (es eléctrico), el alternador (transforma en electricidad el movimiento del cigüeñal), la batería (que se recarga con el alternador) y la ECU (unidad de control electrónico). Este sistema se encarga de poner en marcha el cigüeñal al arrancar para que empiece a funcionar el motor de combustión (antiguamente se usaba una manivela que se accionaba desde fuera), de recargar la batería, de hacer funcionar los aparatos electrónicos y las ECU de controlar el funcionamiento del motor, es como un programa. El sistema de refrigeración funciona con agua o aire que es impulsado y después enfriado en un radiador.

Los motores diesel y gasolina se diferencian en que los diesel, el combustible entra en la cámara de combustión después de que el aire ya esta comprimido y por ello el combustible arde inmediatamente por la alta temperatura sin necesidad alguna de chispas. En uno de gasolina, el combustible y el aire se comprimen a la vez (después de mezclados) y salta una chispa en las bujías. Los motores de dos tiempos tienen dos fases y los de cuatro tiempos cuatro. En los de cuatro tiempos de gasolina las fases son: Aspiración de la mezcla de aire y combustible, compresión de estos, ignición y explosión y por último el escape de los gases.

Todo esto se complica mucho en un motor de F1. La tecnología empleada es muy avanzada. En 2007 se usan motores V8 de 2.4 litros (los litros significan el volumen de los cilindros, es decir, 2400 cc en 8 cilindros son 300 cc en cada uno, 2400/8 = 300). Además están limitados a 19000 rpm, cosa que limita el desarrollo, ya que aumentando las rpm se aumenta también la potencia y rendimiento de un motor. Los motores de combustión presentan un rendimiento energético muy bajo, solo aprovechan un 20% de la energía. Esto se debe a los rozamientos internos del motor, por el calor de los gases de escape y por el calor que se evacua con el sistema de refrigeración. El rendimiento de un motor se mide en una hora y es la masa de combustible necesaria para producir un CV durante una hora. Ej.: 300 gr. /CV. En años futuros es posible que veamos turbocompresores en los F1 así que también los explicaré. Los turbocompresores o compresores centrípetos comprimen el aire antes de que entre en los cilindros para que se consiga una mayor capacidad. El aire al comprimirse ocupa menos, por lo que se puede introducir una mayor cantidad de aire mejorando así el rendimiento. La presión se puede medir en bares (1 bar = presión atmosférica). Con motores de 1.3- 1.4 litros con turbo podrían alcanzarse los 600 CV. Pero no todo son ventajas. Al comprimir el aire, su temperatura aumenta (lo que produce un cambio de densidad y eso perjudica el rendimiento) y por eso se usan los intercoolers, que son radiadores que enfrían el aire antes de que entre en los cilindros. Aparte de su tamaño (ocupan mucho) producen una disminución de flujo real que llega al motor por varios factores. Pero la potencia que se produce es bestial. Para comprimir el aire se usa una turbina que se mueve gracias a los gases de escape (y alcanza altísimas revoluciones). Este método también se usa en los motores para los aviones consiguiendo así más potencia.

No sé si os habréis preguntado alguna vez para que sirven los pontones (situados en los laterales del coche) y la toma de aire (que se encuentra detrás del piloto y sirve también para evitar que en caso de vuelco la cabeza del piloto golpee el suelo). Los pontones sirven para refrigerar el motor, al igual que las branquias que uso Renault. La toma de aire superior es por donde entra el aire al motor y esta es una de las funciones del extravagante alerón delantero de Mclaren. Esa nueva ala incorporada dirige parte del flujo del aire hacia los pontones (mejor refrigeración y por tanto se pueden hacer más pequeños) y hacia la toma de aire superior (más rendimiento en el motor al entrar mayor cantidad de aire).

Teniendo en cuenta todas las limitaciones que tienen los motores de F1, desarrollarlos es algo muy difícil. Aun así, se puede evolucionar de algunas maneras. Con la limitación de las revoluciones se pierden unos 50-100 CV. Pero se pueden desarrollar optimizando el flujo de aire que entra al motor. Os preguntaréis si esto no está prohibido. Cualquier dispositivo para forzar su entrada está prohibido, pero no optimizarlo. El aire entra en los cilindros debido a la depresión que estos producen al bajar. Aumenta el espacio para la cierta cantidad de aire que hay dentro de ellos, por lo que esa cantidad se hace menos densa (menos presión), por lo tanto el aire de fuera se dirige hacia los cilindros para mantener la presión igualada con la de fuera (es así como funcionan nuestros pulmones). La cantidad de gasolina en cada combustión está asegurada, ya que eso lo regula un sistema electrónico, pero no el caudal de aire. La relación óptima entre gasolina y aire es más o menos 15 moléculas de aire por cada una de gasolina. Dependiendo del caudal de aire que entre (es algo que puede medirse gracias a la electrónica) el sistema electrónico de inyección aportará más o menos gasolina. Optimizar el caudal de aire es algo muy complicado ya que hay que tener en cuenta absolutamente todas las partes que intervienen como válvulas de admisión, cilindros, pistones, conductos de admisión y muchos elementos más. Aunque consigamos que la proporción entre gasolina y aire sea la antes mencionada, no sirve de nada si no es en todas las partes. Es decir, a nivel microscópico, en todo el cilindro debe haber esta relación. Por eso se crean turbulencias para que la mezcla sea homogénea consiguiendo una ignición que se propaga en círculos concéntricos. Otra cosa a tener en cuenta es el diseño de los cilindros. Hay dos partes en el diseño a tener en cuenta: la carrera y el diámetro. La carrera del cilindro es la distancia que este recorre desde que está lo más arriba posible (PMS = punto muerto superior) y lo más bajo posible (PMI = punto muerto inferior). Cuando está arriba del todo o abajo, esta parado un momento (velocidad = 0) y por eso se llama punto muerto. La relación entre estas dos medidas nos da la cilindrada del motor (si usamos la fórmula geométrica del cilindro para saber su volumen). Si usamos una carrera más larga (y por tanto menos diámetro) el motor será más progresivo pero las válvulas que usemos tendrán que ser más pequeñas. Si usamos una carrera más corta podremos usar válvulas más grandes pero reduciremos la fiabilidad, ya que habrá cambios más bruscos de aceleraciones y deceleraciones (en menos tiempo que con una carrera larga. Para que los motores sean más fiables se ha reducido el peso (250 gr.) de los pistones ya que así ejercerán menos fuerza en las bielas que podrían llegarse a romper debido a las grandes velocidades a las que el cilindro esta sometido. La relación entre la carrera y el diámetro se expresa así: C/D. Los cilindros tienen una velocidad media de entre 25 y 28 m/s, una carrera de uno 4 cm. y un diámetro de unos 9 cm. Es difícil establecer la mejor relación pero los fabricantes tienen que diseñarlos con un diámetro suficiente para que entren todas las válvulas (4: 2 de admisión y 2 de escape). También se ha intentado reducir los rozamientos internos entre los componentes pero cada vez quedan menos cosas que mejorar. Posiblemente en los nuevos materiales y aleaciones recaigan las mejoras.