La F1, dicen, es el pináculo del automovilismo, utilizando los medios más avanzados y costosos para crear el auto de carreras. Para el 2014, la FIA introdujo una nueva generación de unidades de potencia en la F1, enormemente compleja y notoriamente difícil de dominar. El motor de combustión actual y los sistemas híbridos cuentan con una potencia de 1000 hp, pero siguen siendo impopulares en algunos círculos debido a la falta de ruido de escape y los costos. Quizás estas unidades son mal entendidas, ya que realmente son increíbles piezas de ingeniería.
A finales de 2013, los autos F1 eran propulsados por un motor V8 de 2.4 litros con un sistema híbrido simple. Una potencia máxima de alrededor de 850 CV era típica, aunque los motores tenían restricciones de tecnología, rpm y vida útil.
La fórmula actual que estará en servicio hasta al menos hasta 2022 hay un pequeño motor de combustión interna: un V6 de 1.600 cc turboalimentado y con inyección directa de combustible que se mantienen a raya por el límite de flujo de combustible y un Límite máximo de revoluciones de solo 15.000 rpm.
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| gráfico f1 híbrido actual V6 1.6...menos RPM y más Hp que con los antiguos V8 2.4 |
Aliados al motor de combustión hay dos sistemas híbridos, uno recupera la energía cinética del automóvil al frenar (ERS-K) y otro recupera la energía cinética del turbocompresor, aunque en el típico lenguaje F1 confuso, esta es una recuperación de calor y el apodo aplicado es H , por lo que esto se denomina ERS-H.
Combinadas, estas tecnologías permiten que un piloto de F1 tenga alrededor de 1000 hp en el pedal cuando sea necesario alrededor de una vuelta, con un poco más disponible para calificar. A pesar de esta gran producción, el auto de carrera quema solo 110 kg de combustible en la carrera (menos de 135 litros), un tercio menos que con el último de los V8.
En términos de potencia, el sistema ERS está limitado a 161 CV (120 kW), por lo que el motor V6 produce casi 850 CV a pesar de su escaso suministro de combustible.
Mediante la aplicación de una regulación del flujo de combustible simplemente no hay combustible disponible ni se puede girar más allá de las 12,500 rpm.
Para 2014, los fabricantes tuvieron que averiguar cómo hacer que el motor produzca potencia con escasez de combustible. Además, la composición química del combustible también estaba restringida, por lo que tampoco era posible fabricar combustible para cohetes, como tuvo tanto éxito con los turbos de principios de los años ochenta. La mayoría de los fabricantes jugaron con aditivos legales para reducir este efecto, uno de los cuales fue el ferroceno, un compuesto a base de hierro que literalmente hizo que el interior del tubo de escape se vea rojo óxido.
Mercedes, mientras tanto, había encontrado una pequeña bala de plata: encendido pre-cámara. En una cámara de combustión normal, la bujía enciende la mezcla de combustible / aire y la llama creada se extiende hacia el borde de la cámara, quemando toda la mezcla de combustible y aire en el proceso. Esto está bien cuando hay suficiente combustible para mezclar en la proporción correcta en toda la cámara de combustión. Cuando no es difícil conseguir la combustión completa.
El truco de Mercedes divide la mezcla de combustible / aire en dos lugares; La cámara de combustión principal tiene una mezcla débil de combustible / aire, pero una mezcla más rica se mantiene dentro de una pequeña cámara alrededor de la bujía. Con esta configuración previa a la cámara, inicialmente se enciende la rica mezcla. A medida que esto se expande, se dirige a través de pequeños orificios entre la precámara y la cámara de combustión que se encuentra debajo, estos chorros de llama encienden completamente incluso la mezcla débil para una combustión completa.
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| Tecnología híbrida de combustión F1 y uno de los secretos de Mercedes... |
Con esta tecnología previa a la cámara, Mercedes tuvo el salto sobre la oposición en 2014, les tomó tiempo a sus rivales ponerse al día y han mantenido la ventaja hasta 2019.
En términos de"empaquetar"el motor de combustión, los sistemas turbo e híbridos, hay dos diseños básicos. Las reglas ya definen las posiciones de los pernos de montaje del motor, el ángulo "V" y el tamaño y espacio máximo del pistón. Restringido por la arquitectura básica del motor, solo la libertad de la ubicación de un solo turbo por encima del motor ya lo largo de su línea central estaba disponible. Tenía sentido empaquetar el turbo en la parte trasera del motor, manteniendo el calor de la turbina alejado del pleno de entrada y del área del tanque de combustible en la parte delantera del motor. Aunque esto dio algunos dolores de cabeza para enrutar las tuberías de enfriamiento desde el compresor al intercooler en el sidepod.
Adoptar un enfoque no convencional era el mantra de Mercedes, por lo que desarrollaron una configuración única. Deseando una instalación compacta del intercooler de un turbo montado en la parte delantera y el impacto térmico reducido de un turbo montado en la parte trasera, utilizaron ambos. El conjunto de turbo convencional está dividido, la turbina impulsada por escape caliente en la parte trasera del motor y el compresor más frío en la parte delantera cerca de los postes laterales. Las dos partes unidas por un eje largo que atraviesa la "V" del motor. Este eje sería la razón clave para no adoptar este enfoque, la diferencia en la aceleración hacia arriba y hacia abajo de las dos unidades separadas, crea enormes cargas torsionales en el eje de conexión. Esto significaba que el eje era muy rígido y pesado para transferir las cargas. La ruta que tomó Mercedes fue ejecutar un eje flexible, el giro a lo largo de su eje tomó la diferencia en la inercia de los dos impulsores. Renault y Ferrari comenzaron y retuvieron los turbos convencionales montados en la parte trasera, mientras que Honda se unió a una solución más parecida a Mercedes, que luego se convirtió en algo mucho más cercano al diseño de turbo dividido inicial de Mercedes.
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| Hybrid F1 turbo tech con ambos sistemas otra de las diferencias de Mercedes... |
Junto con la colocación del turbo, la refrigeración por aire de carga se divide entre los equipos. A medida que el turbocompresor presuriza el aire, el aire se calienta. Los equipos querrán que entre aire densa más frío a la cámara de combustión, por lo que el aire deberá pasar a través de un intercambiador de calor para enfriarlo. Para esto se usa un intercooler, se emplean dos tipos en F1. La mayoría de las personas reconocerán el intercooler aire-aire, trabajando como un radiador, el aire comprimido caliente dentro del núcleo se enfría por el aire ambiente más frío que pasa al exterior. Estos son simples y livianos, pero ocupan mucho espacio dentro de los laterales, lo que es malo para la aerodinámica más importante del automóvil. Algunos equipos han ejecutado un tipo diferente de intercooler, un tipo de agua a aire. Ahora el aire comprimido dentro del núcleo es enfriado por agua afuera. Esto da un poco menos de enfriamiento, pero es más consistente, ya que está menos afectado por la velocidad de los autos (ya que hay menos aire que pasa a través del sidepod) especialmente en los momentos críticos antes del inicio de la carrera. Sin embargo, el agua en la camisa alrededor del refrigerador intermedio necesita enfriamiento en un radiador de agua separado. Esto lo convierte en una configuración más pesada y compleja, pero el radiador de agua ocupa menos espacio en el sidepod, por lo que es una ganancia aerodinámica sobre la configuración aire-aire.
Solo Ferrari y Mercedes han empleado continuamente el sistema de agua a aire, aunque Lotus ejecutó la configuración durante un año en 2014. Su mayor rival, Red Bull, es capaz de mantener un pequeño sidepod a pesar de un gran intercooler aire-aire en cada sidepod
La parte eléctrica de los motores....
Los motores térmicos V6 con 2 auxiliares que son:
1) el MGU-K (Motor Generator Unit-Kinetic) - En los autos F1, un motor eléctrico está conectado al motor. Durante el frenado, este motor recupera la energía que se pierde en el calor. Una buena parte de esta energía térmica se convierte en energía cinética y, finalmente, se almacena en las baterías. La MGU-K puede funcionar en ambas direcciones: para recuperar o suministrar energía.
Esa energía almacenada ahora se usa para ayudar al motor de gasolina V6. El motor eléctrico MGU-K está conectado al cigüeñal a través de los engranajes de sincronización. Ayuda a girar el cigüeñal, por lo tanto, produce más potencia general. El MGU-K está conectado directamente a las ruedas traseras.
2) el MGU-H (Motor Generator Unit-Heat) -MGU-H es la unidad que está conectada al turbocompresor. En un auto F1, el MGU-H funciona como el MGU-K, lo que significa que funciona en ambos sentidos. Puede recuperar energía del turbo, almacenarlo y luego usarlo para hacer girar el compresor. Si miras un turbocompresor, encontrarás una turbina en un extremo y un compresor en el otro. Los gases de escape se utilizan para hacer girar la turbina, que hace girar el compresor. El MGU-H está ubicado entre los dos. Entonces, cuando los gases calientes hacen girar la turbina, también produce electricidad que se almacena en la batería. Y cuando el automóvil acelera, la electricidad se utiliza para hacer girar el compresor, lo que proporciona energía inmediata. No hay turbo lag. La aplicación de energía es inmediata
Los MGU son motores eléctricos de CA sin escobillas de imán permanente. Alimentarán el automóvil mientras despliega la energía almacenada, o puede funcionar como un generador para devolver energía a la batería. La batería es un paquete de células de iones de litio, que son capaces de desplegar o almacenar rápidamente mucha energía en la MGU. En medio de estos dos está la unidad de Control Electrónico, que convierte la corriente alterna eléctrica de la MGU a la CC de la batería.
El ciclo de la electricidad a través de cada uno de estos dispositivos crea calor, por lo que cada elemento requiere refrigeración líquida, el fluido dieléctrico obligatorio de la FIA para la batería, para evitar el riesgo de descarga eléctrica en caso de daños, mientras que el agua / glicol más eficiente se usa generalmente para la MGU y CE. Por lo tanto, ambos sistemas de enfriamiento necesitan bombas y radiadores para empaquetarse dentro del compartimento del motor.
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| Sistema eléctrico híbrido F1 |
Las reglas restringen el potencial del ERS-K. En el modo motor, solo puede entregar los 161 CV, mientras que el modo generador solo puede ahorrar 2 mJ de energía a la batería. Esto significa que el motor solo tiene la energía para unos 33 segundos de impulso alrededor de una vuelta. Aunque puede almacenar hasta 4 mJ de energía en la batería, se puede guardar y desplegar el valor de una vuelta de recuperación como un impulso doble en una vuelta.
Si ERS-K puede entenderse por sus modos más simples de motor y generador, el ERS-H es mucho más complejo ya que está conectado directamente al turbo, por lo que la unidad gira a una velocidad de hasta 125.000 rpm (las rpm máximas para el turbo), un gran desafío de ingeniería en sí mismo.
Como motor, la MGU puede ayudar a hacer girar el turbo, pero no a generar impulso cuando se acelera, como si fuera un sobrealimentador eléctrico. En cambio, el motor puede mantener altas las rpm del turbo cuando está fuera del acelerador para actuar como un Sistema Anti Lag (ALS). Hacer esto toma energía de la batería, alejándola de otros usos potenciales, pero dada la falta de combustible disponible, esto sigue siendo atractivo, ya que las estrategias normales de ALS con hambre de combustible queman combustible en el escape para mantener el turbo girando.
En modo generador, el ERS-H puede usarse de varias maneras; algunos simples, otros más complejos y algunos probablemente aún secretos.
En un turbo típico, existe el problema de que el turbo crea demasiado impulso, ya que la presión de escape hace que el turbo gire demasiado rápido a toda velocidad. Esto está controlado por una válvula de escape llamada válvula de descarga, que libera la presión de escape, reduce la velocidad del turbo y descarga el exceso de gases de escape en un tubo de escape separado. Este sistema funciona bien, pero la energía en los gases de escape se desperdicia, por lo que F1 permite que la MGU actúe en su modo generador para reducir la velocidad del turbo, creando electricidad a medida que lo hace.
A diferencia del ERS-K, no hay un límite de la cantidad de energía que se puede recuperar de la MGU. La batería tendrá capacidad tanto para los 2mJ del ERS-K como para el ERS-H. Por lo tanto, cuanto más puedan usarlo, más podrán hacer otras tareas de "motor" con la energía recuperada. El uso obvio para esto es mantener el acelerador girando con el MGU-H turbo. Pero las reglas permiten que el ERS-K se alimente de la energía recuperada del Turbo. Por lo tanto, cuanto más puedan recuperar los equipos la energía turbo, más podrán redirigirla al ERS-K y extender el impulso de 161 CV.
La mayoría de los equipos comenzaron 2014 (y para el debut de Honda en 2015) con turbo de tamaño correcto para el funcionamiento convencional del motor. De nuevo, fue Mercedes quien se dio cuenta de que había una ganancia aquí. Incluso en 2014, Mercedes tenía un turbocompresor del tamaño de un plato en la parte delantera de su motor. Un turbo de gran tamaño podría ser útil, incluso si no fuera necesario para el "impulso" adicional que creó, pero un turbo más grande necesitaría más tiempo abierto de "desperdicio" para evitar sobrealimentar el motor. Por lo tanto, la MGU podría girar durante períodos más largos y reunir efectivamente más energía; incluso si el efecto de contrapresión del turbo pudiera dificultar la potencia máxima, la energía reutilizable obtenida podría usarse en otros lugares alrededor de la pista para tiempos de vuelta más rápidos. Una estrategia utilizada es a plena potencia en las rectas, la energía recuperada del turbo se enruta directamente en el MGU-K para el impulso adicional de 161 CV.
En 2014 Ferrari se perdió este truco. Incluso tenía una compuerta de desechos diseñada con más flujo pasante para reducir la contrapresión, pensando que la potencia de combustión era más importante que la recuperación de energía. Pronto reconsideró esta estrategia y para 2015 la estrategia Wastegate y ERS-H se parecía mucho más al Mercedes. Honda también se perdió la estrategia de Mercedes y volvió a ingresar a la F1 en 2015 con un motor diseñado para estar muy bien empaquetado. El turbo era de tamaño insuficiente para caber dentro de la "V" del motor, perjudicando así su estrategia ERS-H. Honda, como la mayoría de los fabricantes, se tomó el tiempo para madurar el diseño MGU-H, las altas RPM y el estrés por calor que sufre lo convirtieron en uno de los aspectos más difíciles de dominar ERS.
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| Air intercooler |
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| Water intercooler |
Esto ha llegado al punto en el que, en la mayoría de las pistas, los equipos tienen suficiente energía desplegable para usar el impulso de 161 CV para casi toda la vuelta donde se puede usar, mucho más allá del despliegue ERS-K de 33 segundos.
Este despliegue de energía ya no es un simple botón en el volante como se usaba con la antigua configuración KERS (2009-2013), sino que El software de ECU del equipo decide cuándo aplicar el impulso ERS. El conductor puede cambiar entre diferentes mapas que brindan potencia ERS con solo presionar el pedal del acelerador.
Al tener una producción regular de más de 1000 hp, con su escaso suministro de combustible y solo tres unidades de potencia que duran una temporada completa de más de 20 carreras, realmente son el pináculo de la tecnología. Mirando hacia el futuro, la F1 tiene una decisión estratégica sobre la división del poder de combustión en energía eléctrica. Si bien es poco probable que se pase completamente eléctrico en el futuro previsible, el final del camino para los motores de combustión podría estar a la vista. F1, como siempre lo ha hecho, debe reflejar el mundo cambiante en el que vive. Estas unidades de potencia actuales son un paso en el camino hacia el futuro.
