Análisis Técnico – Motor de combustión interna

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La parte más sofisticada y cara de un monoplaza. Los motores modernos de Fórmula 1, hasta el año 2014, se caracterizaban por ser de aspiración natural con 8 cilindros en forma de V y 2,4 litros. Muy limitados en el desarrollo por la reglamentación FIA, el propulsor estuvo congelado durante 5 años hasta la introducción de los nuevos híbridos V6 turbo.

En la década de los 50, los coches de Fórmula Uno manejaban una potencia específica de 100 caballos por litro, cerca de lo que un turismo de calle puede emplear hoy. Durante la ‘edad turbo’ de los motores turbo de 1,5 litros, algunos de ellos eran capaces de producir hasta 750 caballos por litro.

Una vez los equipos comenzaron a utilizar aleaciones exóticas como el titanio y berilio a finales de los 90, la FIA se dedicó a prohibir su utilización debido a su coste y crecimiento exponencial de potencia. Sólo el aluminio y aleaciones de hierro se permitieron en los pistones, cilindros, bielas y cigüeñales.

El primero en introducirse en este campo fue Ilmor, constructor de los Mercedes V10 utilizados por McLaren. Desde 1998, Ilmor ha fabricado pistones de aleación de aluminio y berilio, reduciendo su peso en un tercio con una mayor obtención de conductividad térmica. El coste de esta aleación, y el hecho de que las partículas de polvo fino de berilio constituyen sin duda un peligro para la salud, ha dado lugar a una prohibición efectiva de su uso impuesto por la FIA. Sin embargo, bajo presión por parte de McLaren y Mercedes, esta norma se aplazó hasta finales de la temporada 2002.

La configurción básica de un motor de aspiración natural no se ha modificado en exceso desde el Cosworth DFV de 1967 donde la presión media efectiva (MEP) se ha mantenido en torno a los 14 bares. Hasta mediados de los años 80, los propulsores se limitaban a las 12000 revoluciones por minuto (RPM), debido a los muelles de las válvulas de metal tradicionales que se utilizaban en el interior del motor para cerrar estas válvulas. La velocidad necesaria para hacer funcionar las válvulas del motor a un RPM mayor es más alta de la que los resortes metálicos podían lograr, por lo que se sustituyeron por válvulas neumáticas introducidas por Renault.

Desde la década de 1990, todos los fabricantes de motores en Fórmula Uno ahora utilizan este tipo de resortes de válvulas neumáticas con el aire a presión permitiendo que los motores alcancen velocidades de casi 20000rpm.

Como casi cada año, la FIA imponía restricciones de materiales y de diseño para limitar esta potencia, de lo contrario los motores V10 de 3 litros habrían superado fácilmente las 22000 RPM y más de 1000 caballos (750kW). Aun así, con estas restricciones en 2005 se llegaron a los 960 caballos (715kW), con más de 300 caballos por litro.

En 2006 la FIA volvió a limitar la potencia de los motores obligando a los equipos a equipar un V8 de 2,4 litros, con potencias reducidas alrededor del 10%, es decir, desarrollando una potencia de entre 720 y 750 caballos de fuerza (535 a 560kW, unos 224kW por litro) con tan sólo 8 unidades por piloto en la temporada, lo que suponía que ahora los motores no debían durar una hora y media de carrera, sino 3073 kilómetros de distancia, incluyendo sesiones libres de viernes así como clasificación. El número de motores se ha ido reduciendo, pasando a 5 en 2014 y 4 en 2015. Por este motivo, es indispensable que cada motor que se usa en pista se le realice un shakedown en el banco de pruebas de 150 kilómetros antes de saltar al trazado.

Sorprende ver cómo cada escudería llevaba 10 motores a cada carrera, estrenando uno cada día y, actualmente, elementos como los pistones cerámicos son más ligeros que entonces pero su fiabilidad alcanza los 3000 kilómetros de distancia.

La inmensa potencia que un motor de Fórmula 1 se genera al operar al operar a una velocidad de rotación muy alta, de hasta 15000 revoluciones por minuto (en 2013 de 18000rpm y en 2005 de 20000rpm). Esto contrasta con los motores de los coches de calle, que, con un tamaño similar, funcionan con seguridad a menos de 7000rpm. Sin embargo, el par (la fuerza de giro a una velocidad dada) de un propulsor de un monoplaza de este calibre no es mucho mayor que el de un motor de gasolina convencional.

Por ejemplo, el Toyota RVX-06 de 2006 con motor V8 de 2,4 litros produce 552kW (740 caballos) a 19000rpm con una par motor de 274Nm con 14,3 bares de presión media efectiva. Algo menor que los 15,1 bares del Ferrari 458 Italia de 2009, el mejor en su categoría hasta esa fecha.

Otro reto durante la temporada 2011 fue trabajar con el KERS simultáneamente con el DRS sin llegar al limitador de revoluciones en recta. Esto se intervino a través de un mecanismo de engranajes, puesto que el conjunto KERS y DRS añadían 1000 revoluciones más con un 15-20% más de estrés al motor.

El primer motor que alcanzó la cifra de 20000 revoluciones por minuto en pista fue Cosworth en 2006. Desde 1906 hasta 2006, las velocidades de un propulsor en un Gran Premio han aumentado cada vez más alto, desde las 2000 revoluciones hasta 10 veces más. Pero la FIA, como de costumbre intervino en este progreso cortando a 19000 en 2007, para posteriormente dejarlo en 18000 hasta, finalmente, restringirlo a 15000rpm.

Existe un amplio consenso de personas que afirman que la primera vez que se superaron las 19000rpm fue de la mano de BMW en 2002. Sin embargo, los requisitos de kilometraje del motor se alargaron en 2004 y 2005, por lo que tuvo un impacto en su vinculación con el aumento de velocidad en el cigüeñal. En ese año, 2005, se creía que Toyota superaba las 19200 con una potencia de 930, sin que nadie superase los 950cv, a excepción de Honda al final del curso.

El Cosworth V10 en 2005 fue el modelo TJ, cuyo máximo régimen era de 19000rpm. No obstante, la marca londinense se centró en alcanzar la cifra de 20000 con los V8, con su modelo CA. A esta velocidad, la aceleración de los pistones era de 10616g, mientras que la carga impartida en cada muñequilla por el vástago asociado del pistón era de unos muy sustanciales 5937kg.

Para entrar en contexto, un misil antibalístico alcanza 100g de fuerza, mientras que los 5937kg de carga es aproximadamente dos veces y media del Rolls Royce Wraith. Cosworth, para contrarrestar la elevada fricción que pudiese contrarrestar el exceso de potencia, revistió con carbono como diamante (DLC) a las faldas de los pistones.

Un motor aspirado que alcance las 18000 vueltas por minuto necesitará una ingente suma de 450 litros de aire cada segundo, con un consumo de combustible de 65 litros a los 100km. La aceleración tan masiva equivale a una fuerza de aceleración en los pistones de casi 9000 veces la gravedad (9000g).

Por supuesto, el mayor desafío ha sido mantener todas estas partes juntos como recíprocas y rotatorias operando cada vez más rápido y generando cargas de trabajo cada vez más feroces. Incluso a “sólo” 12000rpm se suben 7 toneladas de carga por una biela, que crece aún más en bajada (12 toneladas).

Un pistón de Fórmula 1 viaja sólo 40 milómetros y su aceleración de 0 a 100km/h se mide en 0,5 milisegundos (0,0005 segundos, es decir, la diezmilésima parte de un segundo). El diámetro del cilindro en un pistón es de aproximadamente 98 milímetros (denominado diámetro supercuadrado, porque es más ancho que largo).

Los motores producen más de 105·10 julios por minuto (1750kW) de calor que debe ser disipado, por lo general, a la atmósfera a través de los radiadores y los gases de escape, que pueden alcanzar temperaturas superiores a 1000 grados Celsius. No obstante, un motor de Fórmula Uno es un 20% más eficiente en la conversión del combustible en energía que incluso el coche de calle más económico. Como era de esperar, los fallos más comunes que suponen un retiro en carrera debido al motor se deben a problemas de temperatura en el mismo.

La capacidad de aceite del motor es aproximadamente 3 litros o menor. Esto se debe a la utilización de un sistema de cárter seco.

El motor es un componente que sufre bastante estrés dentro del coche, cubierto de la fibra de carbono de la carrocería y el monocasco, con la transmisión y la suspensión trasera atornillada a él a su vez. Por lo que tiene que ser un bloque bastante resistente y fuerte, con una demanda de ligereza en términos de peso, compacto y con su masa en la posición más baja posible, ayudando a reducir el centro de gravedad del coche, pero permitiendo que la altura del coche sea lo más bajo posible sin llegar a rozar con la carretera.

Motor Ford de 1600cc de 4 cilindros con 16 válvulas para Fórmula 2.

Una vez más, este tipo de ingenios fue obra de Colin Chapman. El ingeniero inglés estaba en búsqueda de un nuevo tipo de motor en 1967. El expiloto londinense puso en contacto con dos de sus viejos amigos Mike Costin y Keith Duckworth, los fundadores de la compañía de motores Cosworth, quienes usando como base un motor de 4 cilindros Ford, desarrolló por primera vez un motor de 16 válvulas de 1600cc FVA para la Fórmula 2. Este concepto sería la base para un V8 de 3 litros que entraría en la campaña de 1967.

Apodado DFV (cuatro válvulas dobles), el nuevo motor fue completamente fabricado en aluminio colado en la fábrica Cosworth. El Cosworth DFV fue excepcionalmente rígido y Chapman lo utilizó al máximo cuando diseñó el Lotus F1 49. Este monoplaza empleaba un chasis monocasco de aluminio que se extendía más allá del ‘bulkhead’ detrás del piloto. El V8 se atornillaba directamente sobre este chasis y se llevó toda la carga de la suspensión trasera, la cual era una solución mucho más ligera y limpio que el uso de un subchasis trasero.

Cosworth DFV.

En un fin de semana típico en Europa, cada equipo lleva unos 5 motores y 8 persona del departamento de motores que incluye ingenieros de carrera que afinan el motor en cada área del circuito con especialistas en software que cuidan de los cientos de sensores asociados con la gestión del complejo sistema del motor. Aunque las soluciones a la producción de un propulsor se llevan en el más alto secreto, los parámetros básicos para el diseño de un motor de Fórmula 1 modero se conocen bien.

El centro del peso del motor ha de estar lo más bajo posible. Algunos equipos, como Renault en 2001 montaron 10 cilindros en V con 111 grados de inclinación que bajaba el motor casi rozando el asfalto. La producción del par tiene que ser suave y sensible en toda la gama de revoluciones, así como las dimensiones del motor deben ser lo más compactas posibles, además de la parte fiable del mismo en carreras con ambientes muy duros.

La puesta en marcha del motor incluye los chequeos preliminares con ordenadores portátiles, junto con el cebado del aceite del motor. Igualmente el propulsor debe funcionar a 80ºC antes de que se pueda poner en marcha. Las tolerancias deben ajustarse ostensiblemente antes de abrirse paso al trazado. Asimismo, se bombea agua caliente a través del sistema, ya que el sistema de refrigeración sólo funciona con el líquido elemento, junto con algunos inhibidores de corrosión.

Antes de encender el motor vía caja de cambios, se hace una comprobación manual con un trinquete y un apego similar a la toma de corriente de arranque. Esto se hace para comprobar que los sistemas neumáticos en las válvulas funcionan correctamente y el motor no se detiene y necesita más temperatura. En caso de un problema con dicho sistema, el malfuncionamiento como una válvula abierta podría suponer un desastre para el motor.

Motor monocilíndrico de desarrollo para el propulsor Ferrari V12 de la temporada 1993. Este motor de 4 válvulas era capaz de dar 60 caballos de potencia y el cilindro tiene 290 centímetros cúbicos de volumen.

La producción y el testeo de un motor de F1 comienza con un modelo de un cilindro. Básicamente funciona como un cilindro capado del que realmente será parte de los verdaderos cilindros del motor. Un motor al completo sería demasiado caro de construir únicamente para pruebas básicas al comienzo del desarrollo de los propulsores.

En este modelo, los ingenieros son capaces de ver las características buenas y malas en el concepto y modificar partes donde se encuentren soluciones a los problemas de combustión. Se puede comprobar la calidad de la explosión de combustible dentro de la cámara del cilindro, medir la propagación, la velocidad y distribución de los gases de despiece y medir las vibraciones. Con un motor de 1 único cilindro como este, es mucho más barato y rápido realizar cualquier tipo de modificación.

Números en una carrera normal de Gran Premio de 2013:

  • Número de combustiones en un Gran Premio: 8000000.
  • Número de mediciones del vehículo por segundo a la máxima velocidad: 150000.
  • Rpm máximo: 18.000.
  • Número de piezas individuales: 5000 aproximadamente.
  • Número de diferentes partes: 1.000 aproximadamente.
  • Máxima temperatura del escape (en una carrera): 800°Celsius.
  • Número de litros de aire aspirado en 1 segundo a la máxima velocidad: 650.
  • Motores de F1 construidos en un año: 1000.
  • Peso en kg: menos de 90.
  • Horas de montaje del motor: 80.
  • Horas de chequeos de una nueva culata con tomografía computerizada: 20.
  • Número de motores llevados a cada Gran Premio: 5.
  • En términos de consumo específico de combustible y potencia por litro de combustible quemado, un motor de F1 es 20% más eficiente que un coche de calle de pequeña capacidad, como un Ford Fiesta o un Renault Clio y produce aproximadamente la misma cantidad de CO2 por kg de combustible quemado.
  • En una temporada de 18 carreras, toda la parrilla de la Fórmula 1 se quema la misma cantidad de combustible que un Boeing 747 hace en un vuelo de Londres a Japón.

Números en el Gran Premio de China (Shanghai):

La recta trasera en el circuito de Shanghai cubre 1170m, lo que equivale al 21,4% de la distancia total del circuito. Esta fue la recta más larga encontrada durante la temporada 2011, seguido de cerca por el de Abu Dhabi (1140m), Monza (1120m) y el de Corea en Yeongam (1050m). El motor gasta un total de 17 segundos con el acelerador totalmente a fondo en el trazado japonés, lo que representa aproximadamente el 18% del tiempo de la pole del año 2010. Este es el segundo periodo más largo el acelerador a fondo en cualquier circuito: que sólo es superado por Spa, donde la distancia desde La Source a Les Combes (incluyendo Eau Rouge) tiene una duración de 23,5 segundos (Mónaco tiene las más cortas con 7.5 segundos). En cuanto al porcentaje de la vuelta con el acelerador a fondo, Shanghai es en realidad uno de los circuitos menos exigentes del año: el 62% de la vuelta se realiza con el pedal a fondo en comparación con el valor máximo del 83% en Monza.

Un pistón completará más de 12.000 ciclos y el cigüeñal 24.000 rotaciones, durante cada vuelta en Shanghai (esto puede ser traducido a casi 2 kilometros de distancia recorrida por el pistón). Fuera de eso, 450m se contabilizan en la recta de atrás. En las revoluciones máximas, los pistones serán sometidos a aceleraciones de 81,000m/s2. Esta aceleración equivale a más de 8,250G y la fuerza realizada por el pistón supera los 50kN (equivalente al peso de más de tres coches de calle estándar). Para las válvulas, su vida es aún más difícil, ya que experimentan aceleraciones superiores con presiones de impacto casi 30 veces mayores que las soportado por los pistones durante la combustión.

A 18000 rpm, el motor admite alrededor de 450 litros de aire por segundo, lo que equivaldría a 27000 litros por minuto a revoluciones máximas. A modo de comparación, un Mercedes-Benz Clase C Estate tiene una capacidad de carga de 485 litros.

Como ya se ha comentado, los motores de Fórmula 1 son motores de combustión interna, los cuales transforman la presión del combustible en energía de rotación. Por lo tanto, esa presión es generada por los pistones. Para generar dicha presión en el interior de un motor, se aprovechan los movimientos repetitivos del pistón (ciclos) generados de diferentes maneras y en distinto número de fases (tiempos).

Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir, que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula. Dicho ciclos en la actualidad se pueden clasificar como:

  • Otto o explosión: es el conocido como motor de gasolina, que genera la detonación interna que provoca el movimiento del pistón sobre la biela a partir de un frente de llama. Este ciclo es el empleado en los monoplazas de Fórmula 1.
  • Diésel: es el que más conocemos comúnmente en los coches de calle, donde la explosión se genera por presión y no por frente de llama.

Los tiempos son las procesos realizados durante un ciclo o carreras completas del pistón hasta completar dos vueltas completas del cigüeñal (pieza que realizará la transformación a la fuerza de rotación, gracias a la conexión entre el pistón y el mismo a través de la biela). Estos también también tienen una clasificación:

  • 2 tiempos: utilizados generalmente en motocicletas.
  • 4 tiempos: es el utilizado en la gran mayoría de motores de la actualidad, incluyendo monoplazas.


Asimismo, la energía de los motores de combustión pueden ser potenciadas de alguna u otra forma, siendo la turboalimentación la escogida en 2014 para mantener la potencia de salida de los motores, a pesar de que la cilindrada y el régimen de giro se vean limitados por reglamento:

  • Cilindrada: El aumento de la cilindrada permite incrementar la potencia, ya que al aumentar el tamaño del bloque de los cilindros y por ende el tamaño de los mismos, se dispone de más aire que permite quemar más combustible. El aumento se consigue o incrementando el número total de cilindros o el volumen de cada uno de ellos.
  • Régimen de giro: aumentar el régimen de giro conlleva aumentar el número de carreras de explosión por unidad de tiempo. Este método está limitado intrínsecamente por la mecánica debido a que las pérdidas por fricción y bombeo, a medida que aumentan, causan pérdida de rendimiento.
  • Turboalimentación: comenzando desde una explosión, en la que interviene un elemento principal, el aire. Este aire entra directamente en el cilindro durante la carrera de admisión. En los motores turboalimentados, el aire de combustión ya está comprimido antes de entrar al motor debido al compresor (que es una de las partes del turbocompresor), por lo tanto, el motor aspira el mismo volumen de aire, pero la masa final de aire que entra en la cámara de combustión es mayor. En consecuencia, se quema más combustible, con lo que aumenta la potencia del motor a igual velocidad y cilindrada.

fuente: formula1-dictionary, car bibles, google

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