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Así funcionan, al menos hasta 2021, los motores V6 de la Fórmula 1

V6 Turbo Híbridos

Finalizados los tests en el Circuit de Barcelona-Catalunya, es hora de hacerse una ligera idea del panorama que encontraremos el próximo 25 de marzo en el GP de Australia, la gran primera cita del calendario de Fórmula 1 de 2018. Las primeras hipótesis apuntan al dominio de tres equipos: Mercedes, Ferrari y Red Bull, aparentemente en ese orden. Predecir qué equipo les sigue es difícil, aunque todo apunta a Renault, teniendo en cuenta el descafeinado test realizado por Williams y Force India, ambos motorizados por Mercedes.

La gran sorpresa ha sido Haas que ha sabido sacar provecho de la buena unidad de potencia de Ferrari, a lo que se puede sumar a un decente chasis resultado de la gran inyección económica recibida este año, algo que no se puede decir de Alfa Romeo Sauber, equipo que ha realizado una tímida pretemporada con un monoplaza en general bastante modesto.

El equipo italiano Toro Rosso en alianza con Honda ha sorprendido por ser uno de los equipos que más giros ha realizado en el circuito de Barcelona, demostrando un gran paso adelante en fiabilidad. No obstante, no se les espera luchar por algo más que acabar las carreras sin contratiempo mecánicos.

“Creo que estar entre los cuatro primeros es definitivamente el objetivo para nosotros” asegura Fernando Alonso

Mclaren ha tenido unos tests repletos de sobresaltos, que ponen en duda la correcta adaptación del motor galo al chasis inglés. No se les espera en la lucha por el mundial, ni tan siquiera por podios, puesto que la unidad de potencia francesa ha demostrado no estar a la altura de los motores Mercedes o Ferrari, pero pelearán por ser el primer equipo del resto, como bien afirma Fernando Alonso. El motor tiene ciertas carencias de fiabilidad que deben ser reparadas y, para ello, el rendimiento se verá comprometido, por lo que tenemos como resultado un motor con unos 50 o 60 CV menos que la competencia directa.

Tener un motor potente y fiable es una de las claves principales en Fórmula 1. El cambio de reglamento llevado a cabo en 2014 introdujo un nuevo concepto de motor. Se trataba de conseguir unidades de potencia relativamente baratas y eficientes con unas prestaciones iguales o mejores a las de los V10 y V8 de antaño. El resultado ha sido unos motores V6 turbo híbridos tremendamente sofisticados y carentes de aquel sonido tan característico que ponía la piel de gallina.

Características generales de los motores V6 turbo híbridos

Las unidades de potencia actuales que montan los monoplazas son motores V6 turbo híbridos 1.6 litros. Están limitados a 15.000 rpm, tienen entre 900 y 950 CV y un peso total de 145 kg. En comparación con los motores del pasado, estos son realmente eficientes, consumiendo de media 34 litros a los 100 kilómetros con un depósito máximo estipulado por reglamento de no más 105 litros.

Aunque comúnmente llamamos a estos V6 como motores, esto es erróneo. Para denominarlos correctamente, debemos referirnos a ellos como unidades de potencia, por el hecho de que en estos motores es necesario diferenciar entre el motor de combustión interna, o ICE (Internal Combustion Engine), y la parte eléctrica formada por dos generadores eléctricos. A esta parte eléctrica nos referiremos como ERS (Energy Recovery System), y todos sus componentes construyen el sistema de recuperación de energía. El ICE entrega de 750 a 800 CV según la escudería, mientras que la parte eléctrica o ERS ofrece sobre 160 CV.

motores V6

Para entender correctamente el funcionamiento de cada uno de los elementos de la unidad de potencia, dividiremos su estructura en seis partes fundamentales.

ICE o Internal Combustion Engine

Se trata del motor de combustión interna tradicional y del que ya hemos hablado. Es un propulsor V6 de 1.600 centímetros cúbicos y limitado a 15.000 revoluciones por minuto. Durante la temporada que nos ocupa, los equipos deberán completar el campeonato con únicamente tres motores de combustión, MGU-H y turbo, pero dos MGU-K, baterías y centralitas. Todas y cada una de estas partes se describen a continuación con detalle, y en conjunto, completan lo que conocemos como unidades de potencia.

Turbo

El turbocompresor es una de las partes novedosas que componen la unidad de potencia, ya que hasta 2013 los motores V12, V10 y V8 eran atmosféricos. Recordemos que el turbo coexistió en la F1 hasta que fue prohibido en la década de los 90 y principios de los 2000. El turbo está limitado a 100.000 rpm y tiene el enorme papel de sobrealimentar al motor.

Explicado de forma sencilla, los gases resultantes de la combustión son recogidos y utilizados para mover una primera turbina. Las aspas de la turbina hacen girar al eje que se conecta mecánicamente con el compresor. Éste aire comprimido pasa por el “intercooler” y enfría el fluído antes de llegar al interior de los cilindros los pistones. El resultado es una mayor entrega de potencia, dado que el aire, a menor temperatura, provoca un mejor proceso de combustión.

Este procedimiento ocurre de forma continua y sucesiva en las unidades de potencia de estos motores V6 turbo con hibridación y es extremadamente eficiente ya que, en vez de desperdiciar los gases quemados que se han obtenido en la combustión, se aprovecha en este complejo procedimiento.

Centralita o ECU (Electronic Control Unit)

La centralita es la encargada de controlar todos los parámetros del monoplaza. El piloto, gracias al inmenso número de botones que tiene el volante, es capaz de variar una gran cantidad de parámetros relacionados con el motor, como por ejemplo, elegir en cada momento el tipo de mapa motor que quiere utilizar, y así configurar la cantidad de energía que quiere usar en cada tramo de la carrera.

Batería o ES (Energy Store)

Son baterías encargadas de almacenar o transferir la energía generada. Puede ser utilizada hasta un máximo de 33 segundos por vuelta en función del tipo de conducción llevado a cabo por el piloto en cuestión. Estas baterías no pueden superar los 4 Megajulios de carga y el conjunto de baterías y sus diversos accesorios no puede exceder los 20/25 kilogramos. 

MGU-K o Motor Generator Unit-Kinetic

El MGU-K recuerda al famoso KERS (Kinetic Energy Recovery System) utilizado en años anteriores, y no es para menos, ya que este MGU-K es una versión mejorada del KERS. Algunos datos interesantes al respecto son los siguientes: el peso máximo del MGU-K no puede superar los 7 kilogramos y la velocidad de giro está limitada a 50.000 rpm.

En pocas palabras, el MGU-K aprovechará la energía cinética generada en la frenada y la convertirá en energía eléctrica. Este componente del motor está acoplado al cigueñal del motor ICE y puede desempeñar dos papeles: o bien funciona como motor, aprovechando su velocidad de giro para aportar más energía y por tanto obtener una potencia mayor, o bien actúa como recuperador. Para el primer caso, la energía se transfiere de las baterías al MGU-K y de este al motor, siendo válida una transferencia máxima de 4 megajulios por vuelta, según exige el reglamento. Para el segundo caso, MGU-K actuando como recuperador, el proceso de transferencia es inverso y solo se le permite ceder a las baterías un máximo de 2 megajulios por vuelta.

MGU-H o Motor Generator Unit-Heat

Se trata de un componente acoplado al eje de las turbinas del turbo, y convierte la energía térmica de los gases de escape (de ahí la palabra inglesa “heat”, calor) en energía eléctrica. Con el reglamento en mano, el MGU-H no puede sobrepasar los 4 kilogramos y su velocidad de giro estará limitada a 145.000 rpm.

Este elemento es particularmente interesante, ya que servirá de ayuda a las baterías, MGU-K y al motor. Será el piloto a través del volante quien decida en cada momento cómo quiere que actúe el MGU-H. Las posibilidades son las siguientes: el MGU-H puede actuar como generador de energía, recargargando las baterías mientras usan la energía ya almacenada en las mismas para alimentar el MGU-K y obtener una potencia extra que complementará a la ofrecida por el motor ICE o por el contrario, el MGU-H puede transferir la energía directamente a la MGU-K para alimentar el motor. Como hemos comentado, el MGU-H se conecta al turbocompresor del motor a través de un eje, y esto es importante, puesto que el MGU-H interviene en la velocidad de giro del turbo.

En este caso, y a diferencia del MGU-K, la FIA no limita por reglamento la cantidad de energía que puede ser recuperada con el MGU-H.

motores V6

Visto cada uno de los elementos y echando la vista atrás, es necesario comentar que el actual ERS, el cual lo componen las baterías, el MGU-K y el MGU-H, pesa un total de 36 kilogramos aproximadamente mientras que el antiguo KERS pesaba en su día la friolera de 100 kilogramos. Para colmo, el actual ERS además de pesar menos, ofrece alrededor de 160 cv frente a los 82 cv que generaba el KERS. Es indudable que el paso adelante que se ha realizado en este aspecto es brutal.

El ERS en su conjunto es más liviano y ofrece más potencia que el antiguo KERS

Para completar la información que acabamos de leer y aprovechando los test realizado en el Circuit de Barcelona-Catalunya, vamos a ver cómo actúa cada uno de los componentes de la unidad de potencia que conforman los V6 de la Formula 1 en 4 fases concretas y cotidianas en las que se encuentra un piloto. Para ello, diferenciaremos entre aceleración en plena recta, frenada, salida de frenada y aceleración, y por último en la fase de adelantamiento.

Aceleración en recta

Supongamos que un monoplaza se encuentra acelerando en la recta principal del circuito. En esta situación y recordando toda la información vista anteriormente, el motor ICE trabajará a pleno rendimiento, inyectándose combustible de forma continua para llevar a cabo el proceso de combustión y transformar esa energía en energía mecánica. Mientras tanto, el turbo girará a una velocidad que rondará las 100.000 rpm y paralelamente a todo este proceso, el MGU-H generará energía eléctrica, almacenándola en las baterías y el MGU-K actuará como motor entregando la energía disponible al ICE y conseguir ese extra de potencia.

Frenada

Cuando el coche frena, el sistema de recuperación de energía se activa, es decir, el MGU-K cambiará de rol, y en este caso recupera energía de la frenada y la almacena en las baterías. Esta fase y la siguiente son de real importancia, puesto que la pérdida de velocidad acarrera consigo una bajada brusca en la velocidad de giro del turbo.

Salida de frenada y aceleración

Una vez acaba la fase de frenada, toca acelerar de nuevo. El ICE vuelve a funcionar, accionándose otra vez la inyección de combustible. Es necesario recuperar la velocidad de giro del turbo, algo que no ocurre de forma inminente, es decir, hay un proceso de “lag” hasta que el turbo vuelve a girar a su velocidad normal de trabajo. Para ello, el MGU-H deja de interpretar su papel de generador de energía y ayuda al turbo a recuperar la velocidad de giro mediante los gases de escape generados durante la combustión, de esta forma el “lag” es lo menos prolongado en el tiempo posible.

Adelantamiento

La última de las fases es la de adelantamiento. Es vital sacar el provecho total de los propulsores, es decir, del motor de combustión interna ICE y de la energía eléctrica para alcanzar la velocidad máxima. En este punto el ICE trabaja al máximo, el MGU-K actuará como motor dando al ICE ese extra de potencia, y lo hará absorbiendo la energía que directamente el MGU-H le proporciona, sin olvidar que las baterías también se estarían descargando a máxima velocidad en esta fase.

motores V6

Visto todo esto, se entiende que los motores V6 turbo híbridos sean tan difíciles de implementar en los monoplazas. Se trata de unidades de potencia realmente sofisticadas, difíciles de entender si se quiere entrar en detalle, y este no es más que un ejemplo más de que la Fórmula 1 es la élite en cuanto a investigación, diseño e innovación se refiere. Los ingenieros y mecánicos, así como todos los encargados de trabajar en el desarrollo de las unidades de potencia, deben dar con la tecla en cada momento. Un mal ajuste puede llevarte a la gloria o a la miseria, es decir, ser un equipo arrollador cuatro veces campeón del mundo como Mercedes, o sufrir durante tres temporadas consecutivas el amargo sabor de correr con un motor poco fiable y de segunda división, como ya le ocurrió a Honda.

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Sobre el Autor

Angel Moreno

Casi ingeniero aeroespacial enamorado de la aeronáutica y del mundo del motor en general, aunque mi mayor interés es la Fórmula 1. Porque un avión y un monoplaza tienen más similitudes de las que puedes llegar a pensar.

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