Análisis Técnico – Arquitectura de las Power Unit 2017

Cuarta iteración de las actuales y conocidas unidades de potencia turbo V6 híbridas. 2014 marcó el inicio de una nueva era tecnológica en la Fórmula 1. La FIA instauró una nueva normativa relativa a los sistemas de transmisión de los actuales monoplazas de la máxima categoría del automovilismo, que ahora se rigen por los nuevos propulsores híbridos. Estos nuevos motores obligaban a decir adiós a los congelados V8 atmosféricos para dar paso a nuevas arquitecturas V6 turbo con el añadido de propulsión eléctrica gracias a dos nuevos generadores de energía (ERS, Sistemas de Recuperación de Energía):

• MGU-K: motor generador de energía cinética y sucesor del conocido KERS. Encargado de convertir la energía cinética de los frenos traseros en energía eléctrica mediante el sistema brake by wire, en la que parte de la frenada (no toda) es utilizada. Se diferencia del KERS en la mayor energía disponible y generada, así como la duración (33 segundos a máximo régimen) de despliegue sobre el cigüeñal del motor endotérmico.
• MGU-H: motor generador de energía térmica y que utiliza la energía cinética del giro del eje que une la turbina (que se mueve por los gases calientes que se expulsan al exterior) y el compresor para alimentar al conjunto del turbocompresor, reduciendo la respuesta del turbo, conocida como turbo lag. También es capaz de almacenar la energía eléctrica generada en baterías, nutrir directamente al MGU-K con su propia energía e incluso proporcionar electricidad a través del MGU-K a elementos auxiliares del motor, como son los distintos componentes electrónicos que adornan la zona de los pontones y colindantes.

Previo a entrar en materia de análisis de las arquitecturas actuales de los principales motoristas, hay que definir y estudiar distintos conceptos complejos que surgen por la instauración de la nueva normativa, además de nuevos elementos que han ido desarrollándose con el paso del tiempo.

En primer lugar, en el campo de las cargas eléctricas, hay que comprender que la energía que puede ser desplegada por el MGU-K (120kW ó 160bhp) al cigüeñal del motor endotérmico se puede recaudar de 3 formas distintas:

• El sistema tradicional del brake by wire ejecutado por el propio MGU-K, con tan solo 2MJ de energía recuperada por vuelta estipulado por el reglamento técnico.
• La energía almacenada en las baterías (máximo hasta 4MJ por vuelta), con ciertas pérdidas de energía al convertir la corriente continua de las baterías en la alterna del MGU-K – energía ilimitada.
• A través del MGU-H (sin límite), sin pérdidas de energía al trabajar ambos generadores, tanto cinético (K) como térmico (H), con corriente alterna – energía ilimitada.

Diagrama del flujo de energía. Ver para comprender toda la explicación al completo.

Un error común en esto de la energía, es que pensar que solo se dispone de 33 segundos de energía eléctrica por parte del MGU-K por vuelta. Esta corriente es errónea ya que para gastar los 4MJ de energía máxima disponible en cada vuelta, debería hacerse uso de 121kJ aproximadamente de energía máxima instantánea por segundo, lo cual es complicado dado que el MGU-K solo funciona a partir de 100km/h, y que en todo el circuito existen distintas velocidades de paso (además del software que regula el uso de energía), por lo que la duración en tiempo de esta energía se extiende más allá del límite a máximo régimen.

Otro de los conceptos vitales a la hora de analizar las principales arquitecturas de los fabricantes y como parte del encanto de las plantas de energía se basa en la tan usada ‘eficiencia‘. Los principales motoristas junto con sus suministradores de equipo técnico deben desarrollar una tecnología de vanguardia que equilibre el máximo rendimiento en todo momento por parte del propulsor endotérmico y sistemas híbridos con ahorro de carburante dentro de los límites establecidos que marca la normativa en este aspecto y que la nueva aerodinámica ha obligado a crecer en 5kg debido a ese 10% extra de drag que tanto los neumáticos como los monoplazas más anchos así como el incremento entre un 25-30% de carga aerodinámica: 105kg en carrera mientras que se mantienen los 100kg/h de flujo de combustible.

Gráficos con los datos de consumo aportados por Renault hasta el Gran Premio de Malasia durante la temporada 2016 y 2017.

La introducción de la nueva reglamentación ha ido condimentada este año por luchas en los despachos gracias a varias directivas técnicas que se han ido arrastrando desde el curso pasado. La Fórmula 1 también es política y mientras se discutía acaloradamente acerca de un nuevo mecanismo de suspensión hidráulica desarrollado por Mercedes y copiado por todos fue emanando un nuevo tema de conversación: la quema de aceite en el carburante de los monoplazas. Como parte de la nueva normativa de 2014, el consumo de combustible se restringió a 100kg en carrera (este año 105kg) y el flujo de combustible instantáneo se limitó a 100kg/h. Esto significaba que los equipos quedaban totalmente atados de pies y manos si querían introducir mayor cantidad de gasolina.

No obstante, la máxima categoría del automovilismo mundial es una lucha constante de desarrollo y rendimiento y un medio para hacerlo es quemar más hidrocarburos. La gasolina es una fuente de petróleo, pero también lo es el aceite que circula a través del motor. La opción pasa por quemar algo de aceite obteniendo algo de energía extra, por lo que dicha elección ha resultado ser bastante atractiva aunque difícil de conseguir una legalidad en las formas. El aceite y los motores modernos no son como los de un coche de hace un par de décadas que necesitaban de un humo azul reabastecido para poder circular. Incluso con el uso de un alto nivel de aceite quemado sería indetectable a ojos y nariz humanas. Las normas no dan pie a ningún método de inyección de aceite en la cámara de combustión, ni de ningún medio para alterar la proporción de aceite quemado durante la clasificación y/o carrera.

El sistema de aceite en un monoplaza es bastante típico en un coche de carreras, el aceite circula a presión por una bomba y pasa a través de galerías hasta los cojinetes y superficies calientes, donde es lubricado y enfriado. Posteriormente, el aceite pasa por el sumidero del motor para la recirculación. Un Fórmula 1 utiliza un cárter seco, no hay un tanque profundo que contenga el aceite como en un coche de calle, ya que sería perjudicial para la aerodinámica y el centro de gravedad de los coches mientras que todo el aceite iría diseminándose alrededor del interior de la carrocería. Por lo que el cárter es la mejor opción ya que el aceite es bombeado a diversas zonas del motor. Estas bombas pasan el aceite a través de un separador de aire, encargado de eliminar las burbujas de aire del aceite para luego almacenar el aceite en el depósito de aceite colocado en la parte posterior del motor, antes de ser enfriado y recirculado. Cualquier vapor de aceite o exceso de presión en el cárter debe ser enviado a la cámara plénum o cámara de admisión, donde las trompetas de admisión de aire están situadas. Normalmente se añade también un tanque de aceite auxiliar al sistema con el fin de recargar las cantidades pequeñas que circulan a gran velocidad a través del sistema principal del aceite Entre 3 y 5 litros se pueden almacenar en este tanque de reserva y que puede ir utilizándose de carrera con un simple botón en el volante.

El vacío dentro del cárter, entre el sumidero y los pistones, funciona mejor con una presión controlada, de modo que las bombas de barrido también pueden trabajar para purgar un ligero vacío. La presión del cárter también ayuda a controlar el aceite en las paredes del cilindro, evitando que el aceite pase demasiado por encima del anillo de control del aceite en el pistón. Para controlar esta presión, se permite a los equipos otro respiradero del cárter en la cámara plénum, pero este by-pass es controlado por una válvula solenoide bajo el control de la ECU. Con las bombas de barrido y el respiradero controlado por un solenoide, los equipos tienen la capacidad de controlar por donde entra el aceite a la cámara de combustión si a través del plénum o a través del pistón.

Por tanto, el control y las condiciones para quemar aceite a propósito solo estaban a un vistazo en el reglamento y cualquier cosa en Fórmula 1 es explotado hasta nueva orden. Por todo esto, si un motorista dispone de un mapa de rendimiento del motor que incluyese la presión del cárter como un parámetro, entonces el solenoide puede ser regulado legalmente para alterar el nivel de quema de aceite. Ya de por sí, el motor actual quema una gran cantidad de aceite: entre 3 y 5 litros aproximadamente se puede utilizar durante una carrera. Este consumo ha aumentado en torno a 3 litros desde que los V8 atmosféricos dejaron de utilizarse, por lo que las sospechas en este campo son claras.

Por lo que la FIA se ha visto obligada a emitir una directiva técnica para monitorizar los niveles de aceite utilizados y evitar cualquier despilfarro, pese a que es imposible separar la quema de carburante y combustible tanto en carrera como en clasificación. Esta directiva técnica dicta que el consumo de aceite cada 100km sea de 1,2 litros hasta el Gran Premio de Bélgica de 2017, disminuyendo hasta los 0,9 litros a partir del Gran Premio de Monza y dejando el listón en 0,6 litros para la temporada 2018 cuando el consumo medio de los equipos estaba en torno a los 1,5l/100km.

Mercedes-Benz M08 EQ Power+

Mercedes W08 EQ Power+

La cuarta versión de la generación del propulsor que hasta ahora ha dominado con mano de hierro el mundial de Fórmula 1 desde que dio comienzo la era turbo híbrida centra sus mejoras en la eficiencia con más cambios internos que visuales. Con el cuarto año del vigente reglamento técnico de motores, el tren de transmisión ha llegado al punto óptimo en cuestiones de energía eléctrica salvando las restricciones ahora impuestas por la Federación Internacional en términos de peso mínimo en piezas como los pistones, bielas, cojinetes, MGU-K, MGU-H y medidas mínimas en cigüeñal y muñones, por lo que los fabricantes más punteros tratan de sacar beneficios de la parte endotérmica tanto en combustión como grupo turbocompresor aprovechando al máximo la libertad dada gracias a la supresión del antiguo sistema de tokens, pese a la limitación en el número (4) de unidades disponibles durante el año.

Si algo funciona bien, no lo cambies. Esa debe ser la premisa de Mercedes que afronta la temporada 2017 con un propulsor cuya modificación visual más destacada es el cambio en la denominación, pasando de PU106C Hybrid a M08 EQ Power+. La refrigeración es un aspecto en el que la marca de la estrella ha trabajado bastante en los últimos años, por esta razón, continúa siendo un punto importante en esta nueva iteración que cuenta con distintos radiadores sembrados a lo largo y ancho de la unidad y que además sufren ligeras actualizaciones para adecuarse al nuevo cuerpo aerodinámico del monoplaza en un intento por exprimir la refrigeración y aerodinámica que ofrece el reglamento técnico, como es el caso los escapes (marrón claro) de las válvulas de descarga, las cuales se estrechan y se fabrican con impresoras 3D para facilitar su escasa anchura justo en los laterales del escape principal y no debajo del mismo como la temporada pasada, en orden de aprovechar los gases de escape de forma más óptima en el Monkey Seat.

Asimetría de refrigeración en ambos pontones con un radiador de aire (naranja), encargado de nutrir al intercooler aire/agua de la temperatura óptima de funcionamiento, en el pontón izquierdo, aunque con espacio suficiente para albergar un intercambiador de calor (verde oscuro) para el ERS-K en la parte inferior. Este radiador en color naranja se inclina sobre la horizontal para permitir una doble función: además de enfriar el intercooler, se destina a optimizar la temperatura de la electrónica escondida bajo carcasas en los pontones.

Exteriormente, la toma de admisión del motor es una de las que más llama la atención desde su concepción no solo por su inclinación con fines microaerodinámicos relacionados con la interacción entre flujo aerodinámico y casco del piloto, sino por su volumen y triple división para: admisión del motor (azul) como los conductos responsables de facilitar aire frío (verde agua) al intercambiador del ERS-H y ERS-K (verde oscuro).

Por último, cabe destacar que la directiva técnica de la FIA concerniente a la limitación de 0,9 litros/100km ha sido evitada de una forma bastante inteligente para lo que resta de temporada por el motorista alemán, ya que regla aplicaba 1,2 litros/100km para los motores que se introduzcan antes del Gran Premio de Italia y 0,9l/100km para aquellos que lo hagan a partir de Monza, y los germanos introdujeron su última iteración antes de esta cita, por lo que podrán seguir empleando un motor que consume mayor cantidad de aceite a diferencia del resto de participantes del Campeonato quienes están pendientes aún de colocar nuevos motores de aquí a final de año, siempre y cuando los alemanes no rompan ningún motor y rueden con los ya utilizados hasta ahora.

Williams FW40

Si en Mercedes no varían las arquitecturas de sus unidades de potencia, sus clientes aún menos al estar sujetos a las directrices de su suministrador. Tanto Williams como Force India, los 2 únicos clientes este año de la marca de la estrella, continúan adoptando la misma filosofía de motor y refrigeración.

En el caso de los chicos de Grove mantiene su especificación de intercooler aire/aire (cian) en el pontón izquierdo alimentando con aire frío (unos 90ºC) un plénum (amarillo) que además es manejado para enfriar el MGU-K. En lo que respecta a refrigeración, este año sí incorpora dos pequeños radiadores (conductos en verde agua y radiadores en verde oscuro) aprovechando la estructura antivuelco tipo Mercedes con 3 canalizaciones como ya la inmensa mayoría de escuadras implementan en sus unidades en búsqueda de mejorar los niveles de temperatura interna, para así compensar el mayor peso con pontones más reducidos que beneficie a la aerodinámica (más downforce y menos drag).

Asimismo, permanecen prácticamente intactos los intercambiadores de calor de la electrónica (verde en pontón izquierdo), así como del motor, aceite (verde oscuro en la zona alta del pontón derecho), ERS y caja de cambios (verde más oscuro en la zona baja), únicamente con leves cambios en manguitos de refrigeración.

Force India VJM10

El equipo con base en Silverstone también se sirve de la nueva actualización del motor Mercedes. A diferencia de Williams, el VJM10 continúa colocando únicamente el intercooler aire/aire en el pontón izquierdo sin ningún radiador adicional, aunque cierta parte del aire empleado para enfriar el aire comprimido utilizado en la mezcla se consume en rebajar la temperatura del MGU-K en la cara izquierda del propulsor.

Gozando de una unidad altamente fiable, con unos niveles de refrigeración excelentes que permiten montar cubiertas motor notablemente estrechas, y bordeando el plano de las unidades de potencia, Force India ha tenido que lidiar con un problema bastante importante esta temporada y que viene de la mano con la nueva reglamentación. Como cliente de Mercedes, ellos deberán adecuar tanto motor como caja de cambios en el diseño de sus bólidos. La marca de la estrella este año ha incrementado en 12 centímetros de la longitud de una carcasa de la caja de cambios más reforzada para poder pasar los crash test posteriores, siendo más alta en la zaga de la misma, para aumentar la batalla del W08 repercutiendo directamente en sus clientes que han acomodado estos cambios de la mejor forma posible.

Mientras que Williams consigue una distancia entre ejes de las menores de la parrilla, (disminuyendo 44mm la de 2016 y por 3760mm de Mercedes y 3691mm de Force India), la escuadra con base en Silverstone ha ampliado su batalla en más de 20 centímetros, lo cual supone una desventaja en términos aerodinámicos dada su filosofía de poco drag en sus diseños.

A todo esto se le han sumado serios problemas de sobrecalentamiento en los pontones con, incluso, zonas de la carrocería con ligeras abrasiones y cuerpo derretido, durante los primeros compases de la temporada que se han ido solventando durante la campaña con una caja de cambios 5kg más ligera y nuevos radiadores que les ha permitido no solo exprimir la aerodinámica en relación al tamaño de la carrocería sino también jugar con mayor lastre.

Ferrari 062

Ferrari SF70H

Con una arquitectura ya bien definida de su unidad de potencia, Ferrari, al igual que Mercedes, se ha dedicado esta temporada a refinar su grupo propulsor aprovechando la abolición del tedioso sistema de tokens. 2015 supuso un paso adelante en cuestiones de eficiencia y prestaciones. En Maranello han comprendido rápidamente que copiar el diseño de Mercedes era imposible, por lo que decidieron apostar por una idea que si bien no era la mejor, pero tenía sus ventajas con mucho margen de mejora y que en 2017 están dando sus frutos.

Una vez alcanzadas las cotas de rendimiento de la casa germana, el motorista italiano ha optimizado la denominada Ferrari 062 con numerosos cambios tanto en refrigeración como en términos de combustión. Lo primero que llama la atención visualmente hablando es el incremento en el tamaño de la toma principal de admisión (azul), así como el desplazamiento y modificación de la cámara plénum (amarillo) y el abandono del intercooler aire/aire que conectaba posteriormente con el aire/agua colocado en la parte posterior junto al tanque de aceite. En su lugar, se mantiene el intercooler aire/agua que ahora se dispone en la parte posterior (cian) acortando el recorrido de aire que mejora el ciclo frío de la combustión, distancia entre ejes y centro de gravedad, así como aerodinámica en la carrocería.

También se ha incluido un pequeño radiador (verde muy oscuro) de refrigeración de aceite y ERS en la parte posterior de intercooler para la caja de cambios, MGU-H y turbo, albergando espacio suficiente en el pontón derecho para un radiador de aire (verde oscuro) que enfríe la chaqueta de agua del intercambiado de calor.

Internamente, las mayores tensiones a las que se someten los diversos elementos del motor de combustión este año, ya que pasan de 5 a 4 unidades por temporada, además de la evolución de la tecnología TJI que suministra Mahle a los italianos, hacen que la presión de la cámara de combustión alcance los 400 bares con un aumento apreciable de temperatura capaz de poner en tensión la fiabilidad de la unidad de potencia. Ferrari ha decidido ir un paso más allá apostando con pistones fabricados en aleación de acero en lugar de aluminio, que si bien tienen un peso significativamente mayor, tienen una mayor capacidad de soportar deformaciones y propiedades térmicas. No obstante, este incremento de peso se ve reducido por el uso de nuevos materiales gracias a la impresión 3D utilizadas para el prototipado rápido de piezas de plástico que se diseñan para el modelo de túnel de viento y que fabrica panales de esta aleación en lugar de superficies completas gracias a lo cual es posible tener valores de rigidez y resistencia a temperaturas más altas que las de aluminio, disminuyendo ostensiblemente el peso.

En última instancia, Ferrari ha rediseñado al completo la unidad que contiene tanto la batería de almacenamiento de energía así como los controles de la centralita electrónica del MGU-K y MGU-H ya que, por un lado, se ha trabajado en mejorar ambos generadores de energía eléctrica, y por otro lado, ahora dicha unidad es parte de la célula de supervivencia, estando obligada también a formar parte de los crash test. Por esta razón, los chicos de Maranello ahora emplean una unidad más alta y estrecha en comparación con la versión anterior.

Sauber C36

En 2017, el tren de transmisión en la especificación del Gran Premio de Abu Dhabi 2016 será utilizada por los chicos de Hinwil para asegurar una estabilidad en términos de rendimiento ya conocido, refrigeración, aerodinámica y sobre todo económica que Sauber lleva arrastrando varias temporadas. Pese a que en 2018 la escuadra suiza sí utilizará la unidad de potencia Ferrari más actualizada, el C36 se queda muy atrás en actualizaciones tanto de hardware como de software por parte de su motorista, al contar con un propulsor obsoleto que además deberá durar una carrera más de media.

Con todo esto, Sauber ha realizado durante el invierno un trabajo importante en materia de refrigeración, para permitir adecuar y exprimir la aerodinámica de los pontones y carrocería, con un nuevo par de radiadores más grandes (verde muy oscuro) sobre el costado de la cámara plénum y que nacen de una toma de admisión tipo Mercedes con 3 canales notablemente grandes en una estructura principal antivuelco más retrasada e inusual así como nuevos enfriadores de variado tamaño sobre los pontones, con el radiador del motor ganando más espacio (verde oscuro) sobre el de la electrónica (verde). El resto de componentes se mantiene exactamente igual que en la temporada pasada, con doble intercooler (aire/aire en la parte posterior y aire/agua en la anterior) conectados entre sí y turbocompresor en la parte posterior del motor enclaustrado en la carcasa de la caja de cambios.

Renault R.E.17

Red Bull RB13

La cuarta generación denominada R.E.17 que comenzó como la Energy F1 2014 se instala este año en 3 equipos: en la propia escudería Renault, Red Bull y Toro Rosso que vuelve a las filas de la marca del rombo por un año para montar motores Honda en favor de McLaren, que se incorpora a las filas del motorista francés. Con un gran paso adelante la temporada pasada, llegando a estar muy a la par del rendimiento ofrecido por Ferrari aunque lejos aún de Mercedes, Renault pierde comba y fiabilidad en esta nueva temporada con la nueva reglamentación que bien sugiere el poco dominio que han alcanzado los de Viry-Châtillon en los 4 años que llevamos de tecnología híbrida.

Pese a no disponer de imágenes claras de la arquitectura de Renault y Toro Rosso, se puede comentar que mantienen una filosofía similares a años anteriores y que, al igual que Red Bull, disfruta del turbo en la zona posterior del V6 con doble intercooler aire/aire de mayor tamaño en la zona baja de ambos pontones (cian) e intercambiadores de calor en la zona alta (verde). Las únicas medidas distintas del R.E.17 respecto del R.S.17, STR12 y RB13 en comparación con su predecesor son, además de las evoluciones en motor, admisión (azul) y plénum (amarillo), manguitos (morado) situadas en laterales distintos del radiador tipo aire/aire y conductos de refrigeración (verde agua) más optimizados del ERS y caja de cambios (verde oscuro) justo encima del turbo en la parte posterior.

Honda RA617H

McLaren Honda MCL32

Tercera iteración de la unidad de potencia Honda a espaldas del McLaren. Con un segundo año más prometedor a finales de temporada que lo visto en el primer curso, se esperaba un progreso importante por parte del fabricante japonés una vez eliminado el sistema de tokens del reglamento técnico que les permitiese luchar de tú a tú por cosas más importantes en parrilla, aunque les faltase un trecho importante respecto a sus rivales de cabeza.

Con todo sobre la mesa, desde el primer día de pretemporada, el binomio anglosajón se ha visto en la misma tesitura que la acontencida en 2015 tras un cambio profundo de arquitectura y de la que no son capaces de salir viendo como, finalmente, McLaren dejará de montar motores Honda en 2018 para llevar Renault en vísperas de la nueva normativa de propulsores en 2021, que quizá les anime a fabricar su propia unidad al preveerse más simple en tecnología. Será Toro Rosso quien sea suministrado por los japoneses a partir del próximo año siendo Red Bull quien observe con lupa el progreso por si en un futuro próximo desea montar estos motores con exclusividad en los servicios prestados, deshaciéndose de Renault, con quienes cuentan con una relación difícil desde la introducción de los motores turbo híbridos.

Con diversos problemas en la parte híbrida, que incluye tanto MGU-H como MGU-K a nivel a hardware y software constantes, así como en la parte endotérmica con numerosos problemas en la introducción de la tecnología CVCC (similar a la TJI patentada por Mahle), Honda ha ido introduciendo ‘Spec’s a lo largo del año para alcanzar los niveles esperados tanto de rendimiento como de fiabilidad que, debido a problemas que están sufriendo en las simulaciones de los bancos de prueba en Sakura por las enormes fuerzas no esperadas que la nueva reglamentación aerodinámica ofrece, no están resultados lo suficientemente buenos como cabría esperar, pese a contar incluso con la ayuda de Ilmor que tan buenos resultados ha cosechado con Renault y Mercedes en el pasado.

Entrando de lleno en plano mecánico, a nivel visual se han experimentado muchísimos cambios en el propulsor denominado RA617H con una profunda revisión a nivel de combustión con cámara plénum (amarillo) mucho más pequeña y baja que reduce el centro de gravedad, así como la refrigeración (verde muy oscuro) del aceite del turbo, caja de cambios y MGU-H que ahora puede aprovechar mejor el espacio en la carrocería. Toma de admisión (azul oscuro) también actualizada jugando con el flujo de aire, recolocación del intercooler aire/aire (cian) en el pontón izquierdo para acortar el ciclo de frío con la consecuente reorganización de radiadores del motor (verde oscuro), electrónica (verde) y MGU-K, así como mangueras (morado) de un turbocompresor (azul y naranja) que por fin ha salido fuera la V para mejorar el ratio de compresión que otorgue al MCL32 un mejor rendimiento y eficiencia.

NOTA: Este artículo está realizado en la fecha de publicación del mismo, con un cuarto de la temporada por disputar y sin que todos los motoristas hayan introducido sus actualizaciones en los motores, por lo que irá actualizándose progresivamente con las novedades que se vayan encontrando.

NOTA 2: Todos los datos ofrecidos son aproximaciones ofrecidas por los suministradores citados, en ningún caso son datos totalmente concretos sobre los motoristas.

Fuentes: Racecar Engineering, Auto Motor und Sport, Sutton Images, f1icom, @ScarbsTech, Renault, Motorsport IT, f1technical.