En este artículo, que finalmente nos hemos visto obligados a dividir en partes, pretendemos dar
luz sobre los cambios en cuanto a la motorización que se advienen en la F1 para
el año que viene, no obstante, vamos a aprovechar la oportunidad para ir un
paso más allá y vamos a explicar desde las partes de un motor ( obviamente de
gasolina y cuatro tiempos como el de los F1) , pasando por su funcionamiento
para acabar explicando en qué consiste la turboalimentación y los cambios
normativos que nos deparará el año que viene, así que, cójanse que viene curva…
En este primer capítulos nos centraremos en el funcionamiento de un motor, sus partes básicas y el ciclo de un motor de 4 tiempos, dando algunas pinceladas de las diferencias entre los motores de un coche de calle y los usados en la F1, dejando para el siguiente artículo la explicación del Turbo y el apartado correspondiente a la normativa en el mundial de la competición reina del automovilismo, empecemos.
Obviamente, lo primero que ha de
quedar claro es que un motor de
explosión se basa en la transformación de la energía química (combustible) en
energía cinética (movimiento), esto se produce mediante una reacción química
que consiste en la combustión/explosión de una mezcla de aire-combustible que
libera una fuerza que se acaba transformando en un movimiento rotatorio que se
transmite a las ruedas.
Dicho lo anterior nos gustaría, de
forma sucinta y sin entrar en exceso en detalles ni en los pormenores de los elementos
y funcionamiento de un motor, plasmar las tres partes fundamentales de un motor
de combustión interna, es decir, la culata, el bloque y el cárter, obviamente
esto es común en cualquier motor de gasolina, tanto en nuestros coches como en
un F1, si bien, los materiales y la resistencias de estos variaran obviamente.
LA CULATA.
La culata constituye una pieza de
hierro fundido o de aluminio en algunos casos, que se encuentra fijada encima
del bloque del motor. Tiene como principal funcional servir de “tapa” o sellar,
la parte superior del conjunto de los cilindros para evitar de esta forma pérdidas
de compresión y salida inapropiada de los gases de escape.
En la culata se encuentran
situadas las válvulas de admisión y escape, así como las bujías. Además, cuenta con dos conductos internos, uno
se encarga del sistema de admisión y otro de escape. Por último cuenta con un
conducto que permite la circulación de agua para una correcta refrigeración de
los componentes.
La culata se encuentra unida al
bloque del motor mediante tornillos, garantizando así un sellaje hermético, que
se complemente con una pieza metálica colocada entre la culata y el bloque
llamada “junta de culata”.
Obviamente los F1 al ser motores
en V poseen dos culatas.
EL BLOQUE.
En este están ubicados los
cilindros, en sus respectivas camisas, que son las cavidades practicadas en el
propio bloque, por cuyo interior se desplazan los pistones en su movimiento
ascendente y descendente. La cantidad de cilindros que pueden contener un motor
es variable, así como su disposición, por ejemplo en la F1 actualmente nos
encontramos con motores V8 , es decir, cuentan con ocho cilindros, mientras que
el año que viene el número se reducirá a 6. Mientras que su colocación es en V,
pero todo eso lo veremos en el apartado correspondiente a los cambios de
reglamento para el próximo año.
EL CÁRTER.
Es el lugar donde se deposita el
aceite lubricante que permite lubricar el cigüeñal, los pistones, el árbol de
levas y otros mecanismos móviles del motor.
Durante el tiempo de
funcionamiento del motor una bomba de aceite extrae el lubricante del cárter y
lo envía a los mecanismos que requieren lubricación.
Llegados a este punto hemos de
hacer una parada obligatoria para centrarnos en el sistema de lubricación de un
coche de Fórmula 1, si bien, antes de ello realizaremos una pequeña explicación
previa sobre como obtener la máxima eficiencia de un motor.
Como ya dijimos, un motor de
explosión se basa en la transformación de la energía química (combustible) en
energía cinética (movimiento). A esta transformación hemos de adicionar una
parte de energía en forma de pérdidas por el calor producido en la reacción,
así pues, según la ley de la conservación de la energía:
Energía Combustión= Energía
Cinética + Energía Térmica
Para lograr una mayor eficiencia
del motor será requisito necesario minimizar la energía térmica. La parte de la
energía térmica que surge del rozamiento de las partes móviles del motor es la
que va a minimizar el sistema de lubricación, que dicho sea de paso, es lo que
nos ha traído hasta aquí.
Un motor de F1 suele contener
alrededor de 10 litros de aceite, de los cuales unos 7 se encuentran en los
cilindros y el cigüeñal en todo momento.
El sistema de lubricación que
utilizan los coches de Fórmula 1 se denomina “lubricación por cárter seco”, y ahora mismo posiblemente te
preguntas de qué estamos hablando, bueno paciencia, que vamos a ello.
Este sistema es complejo, pesado,
tiene más pérdidas mecánicas y la fiabilidad es menor que la de un sistema de
cárter húmedo convencional, si bien, no nos hemos vueltos locos, es el único
que puede garantizar el buen funcionamiento, lubricación y refrigeración de un
motor de altas prestaciones, ¿ por qué? Veámoslo.
El sistema de cárter húmedo
consiste en que este mismo ejerce de depósito de lubricante, donde el lubricante
se bombea a partir del depósito por un tubo de absorción y es suministrado al
motor bajo presión. Esto se repite mientras que el motor está encendido.
Así pues, en este artilugio, el
lubricante se almacena en el depósito sin presión alguna permitiendo que se
mueva libremente, lo cual en tu coche y en el mío no es problema alguno, ya que
la fuerza más grande que existe es la gravedad, muy por encima de las fuerzas
longitudinales y laterales que pueden aparecer en las curvas, al acelerar o al
frenar, por muy Alonso que te creas esto es así “muchacho”, no esperes con tu “Forito” o “Peugotito”
superar la barrera del sonido. En cambio, en la F1 las fuerzas longitudinales y
laterales son muy superiores a las de la gravedad, en muchas ocasiones la
cuadruplican o quintuplican, por lo que en dichos momentos el lubricante
permanecería almacenado en alguna de las paredes del depósito, dejando así la
boca de la bomba “al aire” y al motor sin lubricar, lo cual, obviamente, no
puede suceder.
El sistema de cárter seco,
como su nombre indica, mantiene el cárter sin grandes acumulaciones de
lubricante. En este sistema, el depósito es externo al motor y presurizado. De
la misma forma que en el sistema convencional, el lubricante se bombea a altas
presiones desde el depósito hasta el bloque motor, los árboles de levas y parte
baja de los pistones donde ejerce su función de lubricar y refrigerar. Una vez
ha circulado por dichas partes, se dirige al cárter. Una vez llega, es
absorbido por una bomba de varias etapas, refrigerado y filtrado se envía
nuevamente al depósito y listo para iniciar otro ciclo, es decir, en los sistemas
de cárter seco, a diferencia de los húmedos, el lubricante siempre está
sometido a presión, para así burlar las fuerzas G y evitar que el motor deje de
estar en algunos momentos sin lubricar.
En los monoplazas actuales de
Fórmula 1 el depósito suele ser estrecho y alto y va situado delante del
motor, es decir, detrás del piloto.
Una vez explicados estos tres
elementos básicos estructurales vamos a señalar alguna de las diferencias
claves respecto de los elementos que podrías encontrar en tu coche de calle y
los de F1, obviamente, son totalmente diferentes, pero el funcionamiento en la
mayoría de los casos es el mismo, así que sino recuerdas cuales son las piezas
básicas de un motor, deberías repasarlas antes de continuar.
1.- Filtro de aire.- Su
función es extraer el polvo y otras partículas para limpiar lo más posible el
aire que recibe el sistema de admisión, antes de que la mezcla aire-combustible
pase al interior de la cámara de combustión de los cilindros del motor.
2.- Carburador/ inyector de
gasolina/bomba de gasolina.- Sí sí,
carburador, pone carburador, no me he vuelto loco, soy consciente de a día de
hoy en los motores de gasolina no se
usa, y menos en la F1, pero me temo que mucha gente no sabe esto. La función de
esta reliquia es mezclar el combustible con el aire en una proporción de
1:10000 para proporcionar al motor la energía necesaria para su funcionamiento.
Esta mezcla la efectúa el carburador en el interior de un tubo con un
estrechamiento practicado al efecto, donde se pulveriza la gasolina por efecto
venturi. Una bomba mecánica, provista con un diafragma de goma o sintético, se
encarga de bombear desde el tanque principal la gasolina para mantener siempre
llena una pequeña cuba desde donde le llega el combustible al carburador.
Pero bueno como hemos dicho, hoy
día ya no existen los carburadores, sino que han sido sustituidos por los
inyectores de gasolina. Este inyector se encarga de forma electrónica de lograr
que la pulverización de la gasolina en cada cilindro se realice en la cantidad
realmente requerida en cada momento preciosa. ( OJO, los inyectores de gasolina
no guardan ninguna relación con los inyectores o bomba de inyección que emplean
los motores diesel, cuyo funcionamiento es completamente diferente.)
Ahora, centrémonos en como se
realiza todo esto en un F1.
La tarea del sistema de
combustible del motor es recoger el combustible desde el depósito del
combustible y entregarlo al motor en el que se pulveriza en las trompetas para
mezclar con el aire en el camino hacia el cilindro., donde se mezcla el aire
con el combustible donde la misma es encendida. El combustible debe ser
entregado a los inyectores a la presión correcta por lo que la cantidad
inyectada se puede dosificar con precisión.
El sistema de combustible se
inicia en el tanque o depósito de combustible, que se encarga de almacenar los
160 KG de combustible / 230 litros necesarios para un GP.
Los depósitos van montados en el
monocasco, entre la espalda del piloto y el motor, debiendo cumplir unas
estrictas normas de la FIA. De hecho, a día de hoy únicamente existe un
proveedor aprobado por la federación, ATL.
Los depósitos son realizados en
un tejido de Kevlar recubierto de goma a prueba de balas. En su interior hay
una serie de compartimentos y un sistema que se encarga de bombear el
combustible hacia el motor.
Este sistema de compartimentos es
necesario, puesto que cuando el depósito no está lleno el combustible tiende a
moverse a consecuencias de la fuerzas G a las que le somete el monoplaza, por
lo que habría momentos dejarían en vacío la bomba de combustible y no habría
suministro de gasolina. Además, el movimiento del combustible alteraría la
relación de pesos del monoplaza. Por eso, son necesarios estos pequeños
compartimentos, con puertas que sólo dejan pasar el combustible en una
dirección.
Para evitar que la bomba se quede
sin combustible que bombear, a medida que el depósito se va vaciando, el
combustible se va dirigiendo hacia un compartimento situado en el fondo y parte
trasera del depósito, lugar donde radica la bomba. Es decir, a medida que se
vacía el depósito, las fuerzas que se provocan por las aceleraciones del
monoplaza hacen que el depósito se vaya distribuyendo hacía atrás y hacía
abajo, mientras que en las frenadas, el sentido único de apertura de las
puertecitas impide que este vaya hacia delante.
El sistema de bombeo se encarga
de recoger el combustible y enviarlo al motor. En el último compartimento el
combustible también está en movimiento, y el sistema no puede quedarse en
ningún momento en vacío para que el motor no ratee. Dentro de este
compartimiento hay dos o tres pequeñas bombas eléctricas de baja presión que
envían el combustible a un colector. El colector tiene capacidad para un par de
litros de combustible. Los sensores detectan si las bombas eléctricas no envían
combustible al colector, por lo que el equipo sabrá que el coche irremediablemente
en unos 30 segundos se va a detener. Por tanto, la bomba de combustible recoge
el combustible del colector y la envía a una alta presión, limitada a 100
bares, a los inyectores. Obviamente la cantidad de combustible que suministra
la bomba es proporcional al régimen de giro del motor ( Revoluciones por
minuto).
Respecto de los inyectores de
combustible, cuentan con válvulas de solenoide electro-mecánicos de precisión
controlada por la ECU ( Unidad de Control Electrónico Estándar). El Hardware y
Software de control ECU es común a todos
los motores de F1 a día de hoy ( Desarrollada por Mclaren por cierto), pero las
calibraciones son libres dentro del rango permitido por la FIA. El combustible
es entregado cuando el solenoide se energiza, entregándolo a alta presión en el
ciclo de admisión, para conseguir un llenado óptimo del cilindro y la
preparación de la mezcla, en última instancia, en la proporción más eficiente
posible para el rendimiento del motor.
Ilustremos la cuestión con el siguiente video:
Como posteriormente veremos este
tipo de motores utilizan un sistema de inyección indirecta, y por tanto los
inyectores pulverizan el combustible sobre las trompetas de admisión. Esa
especie de nubecita que se puede apreciar es por las altas presiones a la que la misma es inyectada, pero no os
quepa duda de que no se desperdicia nada de combustible. El sistema de utiliza
porque de esta forma, pulverizar sobre las trompetas, se consigue homogeneizar
la mezcla y se aumenta el rendimiento volumétrica. Si se usaran colectores como
en los coches de calle, parte de la gasolina queda impregnada en el propio
colector, además el aire que pasa rozando el colector dada la fricción pierde
velocidad, de la forma que vemos en el video la mezcla aire-combustible es
mucho más homogénea y por tanto el rendimiento es mejor.
La función de las trompetas de
admisión es aumentar la velocidad de los gases aspirados y la cantidad.
3.- Distribuidor.- Se
encarga de proporcionar a las bujías de todos los cilindros del motor las
cargas de alto voltaje o tensión eléctricas para que estas puedan producir la
chispa que da lugar a la combustión. Se encuentra acoplado sincrónicamente con
el cigüeñal del motor de forma tal que al rotar cada bujía recibe en el momento
justo la carga eléctrica necesaria para provocar la chispa que enciende la
mezcla aire-combustible dentro de la cámara de combustible de cada pistón.
4.- Filtro de aceite.- Recoge cualquier basura o impureza que
pueda contener el aceite lubricante antes de pasar al sistema de lubricación
del motor.
5.- Cables de alta tensión de las bujías.- Son los cables
que conducen la carga de alta tensión o voltaje desde el distribuidor hasta
cada bujía para que la chispa se produzca en el momento adecuado.
6.- Bujía.- Electrodo recubierto con un material aislante
de cerámica. En su extremo superior se conecta uno de los cables de alta
tensión o voltaje procedentes del distribuidor, por donde recibe una carga eléctrica
de entre 15 mil y 20 mil volt aproximadamente. En el otro extremo la bujía
posee una rosca metálica para ajustarla en la culata y un electrodo que queda
situado dentro de la cámara de combustión.
La función de la bujía es hacer saltar en el electrodo una chispa eléctrica dentro de la cámara de combustión del cilindro cuando recibe la carga de alta tensión procedente de la bobina de ignición y del distribuidor. En el momento justo, la chispa provoca la explosión de la mezcla aire-combustible que pone en movimiento a los pistones. Cada motor requiere una bujía por cada cilindro que contenga su bloque.
La función de la bujía es hacer saltar en el electrodo una chispa eléctrica dentro de la cámara de combustión del cilindro cuando recibe la carga de alta tensión procedente de la bobina de ignición y del distribuidor. En el momento justo, la chispa provoca la explosión de la mezcla aire-combustible que pone en movimiento a los pistones. Cada motor requiere una bujía por cada cilindro que contenga su bloque.
7.- Válvula de escape.- Pieza metálica en forma de clavo grande
con una gran cabeza, cuya misión es permitir la expulsión al medio ambiente de los
gases de escape que se generan dentro del cilindro del motor después que se
quema la mezcla aire-combustible en durante el tiempo de explosión.
8.- Válvula de admisión.- Válvula idéntica a la de escape, que normalmente se encuentra junto a aquella. Se abre en el momento adecuado para permitir que la mezcla aire-combustible procedente del carburador, penetre en la cámara de combustión del motor para que se efectúe el tiempo de admisión.
8.- Válvula de admisión.- Válvula idéntica a la de escape, que normalmente se encuentra junto a aquella. Se abre en el momento adecuado para permitir que la mezcla aire-combustible procedente del carburador, penetre en la cámara de combustión del motor para que se efectúe el tiempo de admisión.
En la Fórmula 1 el límite es de 4
válvulas por cilindro, dos de admisión y dos de escape.
En los motores que se utilizan actualmente en automoción, las levas abren las válvulas venciendo la resistencia que ofrecen los muelles de válvula, que son los que las cierran, pero en F1 se emplean desde hace décadas sistemas neumáticos para cerrar las válvulas desde que Renault lo empleara por primera vez en sus V6 Turbo. El motivo, son los problemas de resonancia y fatiga en los muelles a las altas revoluciones a las que gira el motor de un F1. Por esto se utiliza una “bolsa” llena de nitrógeno gaseoso a presión para cerrar las válvulas, y para compensar las inevitables pérdidas de presión, los F1 tienen una pequeña bombona de nitrógeno en el pontón lateral. En ocasiones, cuando las fugas de gas eran excesivas, un mecánico recargaba la bombona de gas aprovechando las paradas en boxes.
En los motores que se utilizan actualmente en automoción, las levas abren las válvulas venciendo la resistencia que ofrecen los muelles de válvula, que son los que las cierran, pero en F1 se emplean desde hace décadas sistemas neumáticos para cerrar las válvulas desde que Renault lo empleara por primera vez en sus V6 Turbo. El motivo, son los problemas de resonancia y fatiga en los muelles a las altas revoluciones a las que gira el motor de un F1. Por esto se utiliza una “bolsa” llena de nitrógeno gaseoso a presión para cerrar las válvulas, y para compensar las inevitables pérdidas de presión, los F1 tienen una pequeña bombona de nitrógeno en el pontón lateral. En ocasiones, cuando las fugas de gas eran excesivas, un mecánico recargaba la bombona de gas aprovechando las paradas en boxes.
Explicar también que existen
distintos tipos de válvulas. Usualmente en nuestros coches se utilizan las
válvulas de mariposa, pero en los motores de alto rendimiento este sistema es
sustituido por las válvulas de guillotina. Se componen simplemente de una
plancha con unos agujeros del mismo tamaño que los conductos de admisión, la
cual se desplaza cubriendo total o parcialmente el conducto de admisión. Su uso
no es excesivamente bueno a cargas parciales, pero dado el constante uso del
acelerador “a fondo” o casi a fondo en la F1 este tipo de válvulas de
guillotina da mucho mejor resultado.
9.- Cilindro, pistón, biela, cigüeñal.-
El lugar donde se produce la combustión es el cilindro, dentro del cual se sitúan
los pistones que son unos émbolos que se
ajustan a las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos o
anillos. Efectúan un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el
cilindro, en este caso la mezcla aire/combustible a modificar su presión y
volumen.
El pistón está conectado a la
biela, la cual a su vez se encuentra conectada al cigüeñal, que no es más que
un eje acodado, con varios puntos de apoyo sobre una bancada integrada en la
parte superior del cárter y que queda cubierto por el propio bloque del motor,
lo que le permite girar suavemente. Se encarga de transformar el movimiento
alternativo del cilindro/biela a un movimiento rotativo, mediante unas
manivelas que llevan fijadas los cojinetes de las bielas que transmiten al
cigüeñal la fuerza desarrollada por los pistones durante el tiempo de explosión.
10.- Árbol de levas.- Es
un eje similar al cigüeñal, pero de un diámetro mucho menor, compuesto por
tantas levas como válvulas de admisión y escape tenga el motor. Encima de cada
leva se apoya una varilla empujadora metálica, cuyo movimiento alternativo se
transmite a los balancines que abren y cierran las válvulas de admisión. Si
bien se ha de tener en cuenta que en los Fórmula 1 cuentan con doble árbol de
levas ( como la mayoría de coches de calle de hoy día ), es decir, uno para el
escape y otro para la admisión, perfectamente sincronizados por medio de dos
engranajes accionados por el cigüeñal.
En los DOHV ( Válvulas dobles en la culata / Doble Árbol de levas) los árboles están colocados encima de la culata y actúan directamente sobre las válvulas sin necesidad de incluir ningún otro tipo de mecanismo como las varillas de empuje y los balancines.
En los DOHV ( Válvulas dobles en la culata / Doble Árbol de levas) los árboles están colocados encima de la culata y actúan directamente sobre las válvulas sin necesidad de incluir ningún otro tipo de mecanismo como las varillas de empuje y los balancines.
11.- Motor de arranque.- http://reflexionesenboxes.blogspot.com.es/search/label/F%C3%B3rmula%201
Esto ya lo explicamos en su día así que…
Bueno, como ya hemos dicho faltan
muchas partes del motor y muchas explicaciones por dar, pero necesitaríamos un
manual entero para poder explicar el funcionamiento de un motor y sus partes y
tampoco es lo que pretendíamos realizar con este artículo.
Veamos a continuación los el
ciclo de un motor de cuatro tiempos para poder por fin comprender el
funcionamiento de los turbos y lo que va a suponer su vuelta a la Fórmula 1.
Obviamente este tipo de motores
componen su ciclo de 4 tiempos, admisión, comprensión, explosión y escape.
Primer tiempo; Admisión;
El ciclo comienza con el vacio
que ejercen los pistones en su movimiento descendiente, como cuando cogemos una
jeringuilla y tiramos de ella, es decir, se crea un vacio dentro del cilindro,
a medida que el pistón desciende, ya sea por la fuerza del motor de arranque o
bien por la propia inercia que le proporciona el volante de inercia una vez el
coche está en marcha. Por tanto en ese momento el pistón pasa del PMS ( Punto
muerto superior)al PMI ( Punto Muerto Inferior). En ese recorrido se ha
producido la apertura de las válvulas de admisión y la mezcla de aire
combustible entra en el cilindro.
Por normativa, el motor de F1 del
2014 tendrá el 75% de la inyección directa, es decir, inyectando combustible y
aire por separado dentro de la cámara de combustión ( cilindro ) y un 25 %
indirecta, el carburante es inyectado en el colector de admisión, donde se
inicia la mezcla aire-combustible antes de entrar en el cilindro.
Recordar que los motores de la F1
de hoy día únicamente utilizan la inyección indirecta.
Segundo tiempo; Comprensión
Una vez el pistón alcanza el PMI,
el árbol de levas que gira sincrónicamente con el cigüeñal y que ha mantenido
abiertas las válvulas de admisión para que la mezcla entre en el cilindro, las
cierra. En ese momento el pistón comienza a subir comprimiendo la mezcla de
aire-combustible.
Tercer tiempo, Explosión
Una vez que el cilindro alcanza
el PMS y la mezcla ha alcanzado el máximo de comprensión, salta una chispa eléctrica
en el electrodo de la bujía, que inflama la mezcla y hace que explote. La
fuerza de la explosión obliga al pistón a bajar bruscamente y ese movimiento rectilíneo
se transmite por medio de la biela al cigüeñal, donde se convierte en
movimiento giratorio y de trabajo útil.
Cuarto tiempo, Escape
El pistón, que se encuentra ahora
de nuevo en el PMI después del tiempo anterior , comienza a subir. El árbol de
levas que se mantiene girando sincrónicamente con el cigüeñal abre en ese
momento las válvulas de escape y los gases acumulados dentro del cilindro
producidos por la explosión, son arrastrados por el movimiento hacia arriba del
pistón, atraviesan la válvula de escape y salen por los sistemas de escapes.
Para que se de este movimiento sincrónico es necesario que en otro cilindro se
produzca la explosión para crear la fuerza necesaria para que el cigüeñal empuje
el pistón hacia arriba.
A continuación pasaríamos a
analizar en qué consiste la turboalimentación pero dada la extensión del
artículo lo dividiremos en dos partes y tendréis que esperar hasta la próxima
entrega, no sin antes dejaros con un par de videos sobre los motores de F1, no necesariamente actuales y sus increíbles sonidos.
Sergio.
