Análisis Técnico – Eficiencia térmica

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La eficiencia térmica es una forma de medir la eficacia de un motor de combustión interna. Estos propulsores son, en general, inherentemente infructuosos, incluso siendo un motor avanzado como el de un monoplaza de Fórmula 1 moderno. Son muy improductivos cuando se trata de convertir la energía disponible desde la mezcla de combustible y aire a potencia en las ruedas traseras.

Para un motor aspirado de Fórmula 1, este valor ronda el 30% aproximadamente. Esto significa que, si un motor de F1 típico produce algo menos de 560kW (es decir, 750 caballos) en el banco de pruebas, algo así como 1500kW (2000 caballos) de esta energía se pierde, principalmente a través del calor. Con la entrada en vigor de la nueva reglamentación en 2014 y en gran medida gracias a la reintroducción de los motores turbo, la cifra ha variado del 30% al 40%, siendo un gran avance en términos de rendimiento y eficiencia de motores.

La energía perdida a través del escape constituye una fuente muy importante de potencia que aprovechar con el fin de aumentar la eficiencia y, por tanto, la potencia de salida de un motor, algo que se ha querido aprovechar con el motor térmico o MGU-H. Para construir propulsores más eficientes teniendo mayor relevancia en la producción de la industria del automóvil, la FIA y los fabricantes de motores acordaron cambiar el formato del motor para 2014 en adelante. Este esquema se caracteriza por un motor V6 a 90º de 1600 centímetros cúbicos (volumen de cada pistón) con un límite de revoluciones por minuto de 15000. Con el deseo de mantener los niveles de potencia a las especificaciones de 2013, se añade un turbocompresor y sistemas de recuperación de energía, como un motor cinético (MGU-K) y el motor térmico antes mencionado (MGU-H).

La adopción de toda esta tecnología en Fórmula Uno tendrá que atravesar un largo y tortuoso camino antes de sentar una base de ecología en los deportes de motor, además de desarrollar una tecnología que será beneficiosa en aplicaciones en turismos de calle.

Entrando un poco más en materia, el calor del aceite de lubricación disipa alrededor de 120kW de energía, el sistema de refrigeración del agua en torno a 160kW y el sistema hidráulico, 30kW. Un 32% restante, se pierde por el tubo de escape además del calor generado, mientras que un 15% de esta energía se puede encontrar en combustible sin quemar. Y tan solo un pequeño porcentaje final se convierte en el sonido distintivo de un bólido de F1.

La disipación de este calor en el aire circulante es un verdadero desafío para los ingenieros. Si bien los radiadores en un coche de carreras son extremadamente eficaces, la capacidad para refrigerar el motor va en función de “la capacidad del aire”. En esencia, el volumen de aire que se pueda trasladar a un radiador de cierta área en un momento determinado dependerá de la velocidad con la que se dirija a los pontones. Sin embargo, y por lo general, la velocidad del aire en dichos conductos sólo será de entre un 10-15% de la velocidad del coche. Por lo que un monoplaza que vaya a 300km/h, obtendrá una masa de aire a 30-40km/h en sus pontones.

Estos datos son más o menos los mismos para cualquier coche de carreras que no configure ventiladores adicionales. Para un coche familiar, la velocidad de este aire es incluso menor (debido a sus bajas velocidades comparadas con la competición), pero se ayuda de un ventilador de refrigeración.

Si un diseñador dibuja tomas de aire demasiado grandes, se mejorará la refrigeración, pero a costa de generar mayor resistencia al paso del aire. Por el contrario, si son demasiado pequeños, el sobrecalentamiento será un problema. Por este motivo, se debe encontrar un equilibrio correcto entre refrigeración y rendimiento aerodinámico, porque cuanto más aire se canalice a través de los radiadores, menos eficiente aerodinámicamente será en general. A su vez, más aire canalizado a través de los pontones, significará menos aire para jugar a crear carga en el suelo, difusor y alerón trasero.

No se puede realizar una aerodinámica tan limpia y eficiente como la externa. De hecho, cambiar mínimamente la refrigeración puede reducir la carga aerodinámica en un 5%, lo que se traduce en una pérdida de unas 4 décimas de media por vuelta en un circuito aproximadamente.

Debido a que las entradas de aire se definen principalmente durante las primeras etapas de diseño en un monoplaza de Fórmula 1 y es difícil de modificar durante la temporada (siendo parte íntegra de la estructura de impacto lateral), el flujo de aire que cruzan los pontones es controlado por diferentes configuraciones de salida del radiador que se ayudan con variadas salidas de gases al final de la cubierta motor para hacer frente a todo tipo de condiciones. La configuración que se utiliza en un circuito particular se define de acuerdo a la temperatura ambiente. “Factores de un circuito” tales como la aceleración máxima empleada y los límites de temperatura a la que el motor puede correr son algunas variables a tener en cuenta a la hora de configurar y diseñar la parte inicial y final de un pontón.

Normalmente, la temperatura del aceite ronda los 100 grados Celsius y el agua se presuriza a 3,75 bares (limitado por la FIA) permitiendo que el punto de ebullición del agua se maximice hasta los 120ºC. Emplear dichas temperaturas altas en el agua se traduce en una menor necesidad de grandes cantidades de flujo de aire en los radiadores, de forma que mejore el rendimiento aerodinámico por un menor tamaño de los pontones.

Esta elección conlleva una penalización: cada 5ºC extra de temperatura del agua, que permite unos radiadores más pequeños, castiga al motor con 1 CV menos. No obstante, la importancia de la aerodinámica en la Fórmula 1 moderna lleva a los ingenieros a continuar dedicando importantes recursos y tiempo en el túnel del viento para la refrigeración y aerodinámica interna.

Esto se ilustra mejor por el hecho de que la penalización en términos de eficiencia aerodinámica que debe aceptar para una caída de 10°C en la temperatura del coche es un 80% menor de lo que era hace apenas cuatro años. Esta es la prueba de que la aerodinámica interna de una máquina de Fórmula Uno es tan importante como la aerodinámica externa. Pero a ojos del aficionado es un dato inapreciable.

 Fuentes: carbibles, formula1- dictionary, f1technical, google, wikipedia

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