Análisis Técnico – Unidades de potencia – Power Units (PU)

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La temporada 2014 supone uno de los mayores cambios técnicos en la historia del deporte que comprende la Fórmula 1. La introducción del nuevo motor turbo V6 de 1,6 litros, rodeado y dependiente de las tecnologías híbridas, pretender colocar al deporte rey del mundo del motor en la vanguardia del desarrollo de la industria del automóvil, preservando la cultura de innovación y emoción que está en el corazón de la Fórmula Uno desde sus comienzos.

Desde el nacimiento del Campeonato del Mundo de Fórmula Uno en 1950, el deporte siempre ha tratado de innovar constantemente los límites tecnológicos con el fin de encontrar la ruta más rápida a la victoria. La Fórmula 1 ha sido frecuentemente la pionera en tecnología transfiriendo este conocimiento al transporte cotidiano.

Las nuevas regulaciones introducidas a la Fórmula 1 buscan traer, una vez más, ese espíritu de avance en la vanguardia de la competición alineándose con el desarollo del motores de los coches de calle. 

En búsqueda de la eficiencia en el corazón de la nueva unidad de potencia, las fuentes de energía tradicionales se alejan en pos del incremento de la recuperación de energía cinética.

El KERS, que recupera energía cinética de la frenada, que podía ser utilizada a voluntad, ha sido llevada a un nivel superior. Si bien el KERS producía 60 kW (80 caballos), el nuevo Sistema de Recuperación de Energía (ERS) produce el doble de potencia, 160 caballos.

Este aumento de la capacidad se ha llevado a cabo gracias a la combiación de un KERS más potente, llamado MGU-K (motor generador de energía cinética), y un segundo sistema de recuperación, esta vez del calor procedente de los escapes. Este sistema es el denominado MGU-H.

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El KERS ha sido refinado con un generador más potente, además de un sistema de gestión más eficaz y automático, suponiendo un problema menos para los pilotos.

El MGU-H, por su parte, está conectada a la turbina del turbocompresor, recolectando el calor que excede del turbo, transformándolo en energía que sirve de un impulso extra al propulsor (al igual que el turbo), pero de forma eléctrica. Se espera que este tipo de recuperación sea más eficiente y limpia, permitiendo dotar de 3 veces más potencia que el KERS.

También, la capacidad del propulsor se verá reducida de 2,4 litros a 1,6 litros en una configuración V6. Por otra parte, se ha especificado que sean de inyección directa.

El ensamblaje completo del motor 1,6 litros, MGU-K, MGU-H, la batería donde se almacena la energía recuperada y los elementos de control electrónico asociados hacen que todo este nuevo sistema pase a llamarse ‘unidades de potencia’, ‘power units’ o ‘PU’.

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Promoviendo la eficacia

En su esencia, la idea principal es asignar la misma cantidad de combustible a cada coche (100kg) y el equipo con la PU más desarrollada será el que extraiga más potencia de esta restricción de combustible.

El flujo de combustible también se ha restringido a 100kg/h, asegurando una cierta cantidad de control en el manejo y gestión de la cantidad máxima de potencia empleada.

Funcionamiento

El montaje de las nuevas unidades de potencia y su manejo son igualmente complicados. Sin embargo, los ingenieros tienen más libertad a la hora de controlar la unidad de potencia a la hora de facilitarle el trabajo al piloto. De hecho, el uso de la unidad de propulsión será menos compleja para el piloto a la hora de conducir, ya que, por ejemplo, el MGU-K es automático, a diferencia del KERS.

La manera en que los diferentes elementos de la unidad de potencia interactúan también han sido limitados, una vez más, con motivo de promover la eficiencia, el flujo de energía está sujeto a gran parte de la regulación.

Estos principios fundamentales son los siguientes:

  • La energía recuperada de los ruedas única y exclusivamente ha de ser recolectada por el MGU-K, que se sitúa en la parte trasera del monoplaza.
  • Una cierta cantidad de energía limitada puede ser acumulada y entregada desde la batería al MGU-K. Unido a la limitación en el peso, evitará un excesivo énfasis en el costoso desarrollo de baterías, supercondensadores o transformadores.
  • Sin embargo, una cuantía ilimitada de energía puede ser intercambiada entre el MGU-K y el MGU-H, o el MGU-H y la batería. En otras palabras, la energía recuperada del turbocompresor es ‘libre’. Se trata de promover el desarrollo de esta tecnología, lo que podría tener aplicaciones futuras en coches de calle.

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Rendimiento

Se espera que las nuevas unidades de potencia produzcan más potencia que los motores V8, incrementando, probablemente, con el tiempo. En términos de rendimiento, estarán prácticamente igualados.

Además, las unidades consuminarán un 35% menos de combustible que sus predecesores los V8. Esto se traduce en que el consumo de combustible durante una carrera estará limitado a 100kg. Por otra parte, el ciclo de vida de los nuevos motores serán menor que el que tenían los propulsores V8.

Todo esto se debe al aumento considerable de peso de las unidades de potencia, y los cambios concernientes a la aerodinámica.

El desarrollo de una maquinaria tan compleja, inevitablemente, genera unos costes. En consecuencia, un número de cotas se han introducido en orden de mantener unos gastos mínimos, a la vez que se promueve la esencia de una nueva fórmula. Estas limitaciones se pueden dividir en 4 categorías: número de piezas, tecnología, límite en el uso de ciertos elementos y restricciones de desarrollo.

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V8 + KERS 2013 Unidad de Potencia 2014
Potencia 730cv + 80cv 7s/vuelta Más de 760cv
Consumo de combustible por carrera Aproximadamente 150kg 100kg
Peso del coche vacío 642kg 691kg
Peso del coche con combustible de carrera 802kg 791kg
Número de unidades por piloto por temporada 8 motores + KERS ilimitado 5, siendo 4 a partir de 2015

Número de piezas

En la época de la introducción del KERS, estos componentes eran ilimitados, ya que se consideraban elementos electrónicos. Los propulsores V8 se restringían a 8 unidades por temporada. Sin embargo, en 2014, el número de unidades de potencia se reduce a 5 por campaña, limitándose aún más en 2015, con 4 unidades.

Todo ello no incluye solamente a los propulsores, sino también al turbocompresor, baterías, MGU-K, MGU-H y los componentes electrónicos.

Tecnología

La utilización de nuevos materiales y sistemas aún más complejos ayudarían a la eficacia incrementando los costes. De este modo, se imponen nuevas reglas para prevenir que esto ocurra:

  • El motor de combustión interna ha de ser convencional. No se permiten materiales exóticos. Por ejemplo, el encendido y apagado del motor ha de ser estándar y común.
  • Sólo se permite el uso de un turbocompresor simple, sin turbinas variables.
  • No se permite el uso de nuevos materiales.

Utilización de ciertos componentes

Restringir el número de piezas de la unidad de potencia limitará las soluciones extremas y costosas.

Por ejemplo, las dimensiones principales del motor ahora siguen un patrón (incluyendo capacidad, diámetro de los pistones, número de cilindros y tipo de turbocompresor). Además, el máximo número de revoluciones de los principales dispositivos (propulsor, MGU-H y MGU-K) también se ven afectados. Por último, el peso de la batería debe comprender entre 20 y 25kg.

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Desarrollo

Para controlar los costes en el ciclo de vida de la nueva fórmula, el desarrollo está sujeto a una serie de restricciones que se irán implantando en un periodo de 7 años. Se han evaluado estas limitaciones con el fin de definir un camino que permita a los fabricantes desarrollar completamente las unidades de potencia.

El ciclo de evolución está esquematizado de acuerdo a un conjunto de elementos que prosperarán cada año. La unidad de propulsión se divide en familia de funciones. Cada familia requiere de cierta importancia, etiquetada con la categoría de 1, 2 ó 3 componentes.

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Lista al completo de las piezas que se pueden modificar, cuándo y sus pesos. Click para mejor visualización.

Por ejemplo, los pistones se califican con la categoría de 2, mientras que el sistema de arranque con 1. La unidad de potencia es la suma de todos estos dispositivos, sumando un total de 66.

Cada año, a cada fabricante de motores se le permitirá elegir las partes que quiere desarrollar gastando un conjunto de ‘tokens’, que irá gastando a lo largo de estos 7 años de libertad. Para 2015, el intervalo permitido es de 32 tokens (cerca del 50% de libertad de evolución), pero para 2018 esta licencia se reabaja a 15 tokens (menos de 25% de la unidad de potencia).

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El precio del cambio

Inevitablemente, alterar la especificación de las unidades conlleva un precio. Y el cambio cuesta más que la estabilidad. Sin embargo, mientras que el coste del desarrollo inicial es considerablemente significativo, irá decrementando a medida que el propulsor vaya madurando.

El precio de los motores V8 no reflejaban realmente el verdadero gasto de los motores. En 2008 se impuso un modelo de recorte como parte de un techo presupuestario, que todos los motoristas aceptaron, a pesar de que no cubría el importe de producción. En el clima actual y con tan pocos fabricantes en Fórmula Uno, este modelo no es sostenible.

Intensidad del sonido

Uno de los puntos principales de discusión ha sido el nuevo sonido de las unidades de potencia. Parte del público se centra en la idea de que el ruido de la Fórmula 1 actual es parte del encanto, siendo sin embargo, un elemento poco primordial a la hora de dar espectáculo, innovación, glamour, habilidad y heroísmo – todo ello contribuye al ‘sonido’ que rodea constantemente de deporte.

Los motoristas medían una intensidad del sonido de un propulsor V8 de Fórmula Uno en torno a los 145 decibelios. Con las nuevas unidaddes se espera que esté alrededor de unos 134dB.

Fuente Intensidad Nivel de intensidad Nº de veces mayor que el umbral del sonido
Umbral del sonido 1*10⁻¹²W/m² 0dB 10⁰
Susurro de las hojas 1*10⁻¹¹W/m² 10dB 10¹
Silbido 1*10⁻¹⁰W/m² 20dB 10²
Conversación normal 1*10⁻⁶W/m² 60dB 10⁶
Atasco en la calle 1*10⁻⁵W/m² 70dB 10⁷
Aspirado 1*10⁻⁴W/m² 80dB 10⁸
Gran orquesta 6,3*10⁻³W/m² 98dB 10⁹⁸
Walkman al máximo de potencia 1*10⁻²W/m² 100dB 10¹¹
Primeras filas de un concierto de rock 1*10⁻¹W/m² 110dB 10¹⁰
Umbral del dolor 1*10¹W/m² 130dB 10¹³
Despegue de un caza militar 1*10²W/m² 140dB 10¹⁴
Perforación instantánea del tímpano 1*10⁴W/m² 160dB 10¹⁶

La carrera ha comenzado

Esta es la Fórmula 1 para 2014 y los años venideros. Un deporte donde la velocidad permanece en el corazón de todo y donde los pilotos buscan maximizar el rendimiento que les aporta la máquina.

Por otra parte, también es un deporte donde la búsqueda tradicional de la excelencia técnica se ha reinventado para el siglo XXI. El desafío de la ingeniería ahora es ir lo más rápido posible, mientras que se consume el mínimo combustible posible.

Una tarea que llamará a la verdadera inspiración y requerirá una estrategia brillante en el muro, a la par de una inteligencia y habilidades supremas al volante. El juego ha cambiado, pero la emoción sigue siendo la misma.

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