Un vistazo técnico a los nuevos motores V6 de la Fórmula 1 para 2014

La temporada próxima, ya lo sabes, toca un gran cambio en la Fórmula 1, con la llegada de los nuevos motores V6 de 1,6 litros sobrealimentados. Vamos a darle un vistazo general a la nueva configuración de las motorizaciones que están por llegar, y de las que están apareciendo ya los primeros ejemplares.

Y de lo primero que tenemos que hablar es del reglamento técnico que ha propuesto la FIA para estos nuevos propulsores. Obsesionados por dos factores, el de costes y el de igualdad entre fabricantes, la Federación ha buscado por todos los medios limitar las variables disponibles que los ingenieros tendrán en sus manos de cara a desarrollar estas nuevas motorizaciones.

Coartar la libertad a nivel de técnica en los motores es algo que llevamos viendo años ya, y es que desde que se congeló la evolución de los V8 2,4 que tenemos ahora mismo en las parrillas, hemos visto como prácticamente todas las mecánicas ofrecían un rendimiento muy similar, destacando las prestaciones de los coches en otros puntos, como la aerodinámica.

De cara a 2014, la FIA ha planteado el uso de motores V6, con una cilindrada fijada a menos de 1,6 litros, con un diámetro de pistones también fijo, como también lo es la altura específica del centro de giro del cigüeñal, el número de válvulas, o el régimen máximo de revoluciones (15.000 rpm).

También se han fijado otros parámetros, tales como el consumo específico máximo de combustible, en 100 kg/h, aunque, eso sí, se ha abierto la mano en el uso de ciertos materiales exóticos, como el magnesio, para algunos elementos auxiliares del motor. El bloque y la culata deben ser, en todo caso, de aleaciones de acero o de aluminio, obviandose el uso de materiales compuestos o extraños en estos componentes. Los turbocompresores, para más INRI, están obligados a contar con una geometría fija, ser únicos, y tener la salida de escape en una posición fija, soltando los gases a través de una ventana dimensional que los localiza en la parte más posterior del vehículo, a fin de evitar el uso de efectos aerodinámicos asociados a los mismos.

Con toda esta lista de elementos predefinidos por reglamento, parece complicado que los ingenieros den rienda suelta a su imaginación, aunque la realidad es que, fijados estos parámetros, aún caben muchas variables para crear un motor, por ejemplo con la instalación de elementos auxiliares, elección del diseño de la cámara de combustión, etcétera.

Pero, ¿qué morfología básica nos vamos a encontrar? ¿Dónde estarán los puntos más divergentes entre los distintos fabricantes?

Lo primero que hemos de esperar es que muchos de estos motores no girarán por encima de las 12.000 revoluciones, tal vez 13.000. La eficiencia energética, con un límite de revoluciones y con un número y diámetro de pistones determinado, va a estar determinada por la fricción generada. Cuanto más rápido sea el giro del motor, más potencia se pierde en forma de calor, y menos eficiente es el motor. Por ello, es muy posible que casi todos los fabricantes opten por buscar una curva de par y potencia más estilo turbo, es decir concentradas algo más abajo del límite legal de revoluciones.

Los motores contarán con dos tecnologías de regeneración energética. Por un lado, dispondrán de un generador asociado a la caja de cambios (como el actual del KERS) que se encargará de, en retenciones y frenadas, generar electricidad. Ésta se almacenará a su vez en baterías o capacitadores para aplicarla en aceleración.

Pero a este sistema se le agregará otro más avanzado que, por fin, tiene muchos visos de pasar a los coches de producción a medio plazo. Se trata de los turbocompresores con motor-generador eléctrico integrado. La idea es intercalar entre la turbina impulsora y la impulsada un motor eléctrico. Estos turbos ya se estudiaron para aplicarlos en coches de calle, como el Nissan GT-R, pero todavía no han llegado a la producción seriada (aunque algunos proveedores ya los venden).

Como bien sabrás, y si no te lo explicamos ahora, el principio de funcionamiento de un turbocompresor parte de que los gases de escape del motor. Éstos salen a alta temperatura y presión del mismo y son los que hacen girar el turbo. Estos gases impulsan una turbina, la impulsora, que gana velocidad gracias a esta energía que, de otra manera, se perdería por el tubo de escape.

En un turbocompresor normal, el giro de la turbina impulsora está directamente conectado con el giro de la turbina impulsada. Esta turbina lo que hace es, aprovechando el giro que le da su hermana, impulsar el aire de admisión y comprimirlo. Al hacer esto, el aire atmosférico gana densidad, y se logra compactar más, con lo que, para una determinada cilindrada del motor, se logra meter más cantidad de oxígeno. Cuanto más oxígeno haya, más gasolina se podrá quemar con él, por lo que se podrá lograr una combustión más potente.

Pero en los nuevos motores turbo de la Fórmula 1 las cosas no van a ir así de manera tan directa. Lo que ocurrirá es que el giro de ambas turbinas del turbocompresor tendrá un elemento intermedio variable, en forma de motor-generador eléctrico.

Cuando en un coche turbo normal pisas el acelerador a fondo, el motor primero tiene que ganar revoluciones poco a poco, para generar una masa de gases de escape, que aceleren el turbocompresor, hasta que este logre comprimir la mezcla y generar ese extra de potencia. Es el efecto que conocemos como lag, y que se suele reducir a base de usar turbinas de baja inercia, de geometría variable o multi entrada.

En los nuevos Fórmula 1 lo que va a ocurrir es que, cuando el piloto pise a fondo el acelerador, el motor eléctrico intermedio que se sitúa entre la turbina impulsora y la impulsada se encargará de acelerar el citado turbo.

Al acelerarlo electricamente, el turbo generará sobrepresión para el motor de manera inmediata, tan pronto como el conductor pise el pedal de acelerador, con lo que el fenómeno del lag desaparecerá completamente.

Es más, la energía eléctrica que impulsará a la turbina será la almacenada en las baterías del coche, tomada de la regeneración en frenada o de otros aprovechamientos de energía que de otra manera se perderían.

¿A qué otros aprovechamientos me refiero? Pues bien, cambiemos de supuesto: el conductor frena el vehículo ahora para entrar a una curva. Como bien sabes, en un coche turbo normal, esto implica que los gases de escape sigan empujando la turbina. Para evitar que el turbo, con su presión, siga empujando a los cilindros, lo que se hace en los coches de calle es abrir una válvula de descarga, que lanza el aire ya comprimido a la atmósfera (o al pulmón de admisión, de acuerdo con las actuales normas de homologación).

Pero en los nuevos Fórmula 1 no será así. El turbo seguirá ofreciendo resistencia a los gases de escape, y el giro de la turbina impulsora se aprovechará a base de generar electricidad a través del motor que antes te hemos comentado, actuando éste como generador.

Lo mejor de esta técnica es que, una vez bien optimizada, podrá tener una aplicación directa en coches de calle. Es algo que llevamos esperando una década, pero en lo que todavía no se ha invertido dinero suficiente como para optimizarlo.

Por otro lado, los nuevos motores también incorporarán otras novedades, como la inyección directa de gasolina, pero aquí el camino será inverso. Comentaba la gente de Renault que el programa de F1 se aprovechará de los conocimientos creados en los motores de calle, lo que nos lleva a reflexionar sobre el patético estado reglamentario de la categoría que debería ser la punta de lanza tecnológica del mundo del automóvil, y que tendría que haber desarrollado la inyección directa de gasolina a principios de los años noventa. El reglamento no dejó que fuera así, y fue Audi en Le Mans la que validó en competición esta tecnología.

Curiosamente, el uso de la inyección directa en un motor de competición va a ser, además, algo más complejo que en un coche de calle. Y es que en los motores de calle se puede trabajar con mezclas estratificadas, o emplear la gasolina como elemento para refrigerar la cabeza del pistón y trabajar con avances de encendido más radicales.

En un motor de competición de F1, el acelerador está pisado a fondo entre un 70 y un 80% del tiempo total por carrera, se trabaja con más presión media en la cámara de combustión, y con una temperatura superior. Esto hará que refrigerar con combustible sea complicado, algo que se convertirá en imposible debido al flujo máximo del mismo que se puede inyectar debido al límite establecido por la FIA.

Por último, daremos luz sobre algunos aspectos curiosos. Por ejemplo, nos imaginamos que todos los equipos correrán con un único intercooler, para refrigerar el aire de admisión, alimentado por una toma de aire integrada en la propia de admisión que se sitúa sobre el casco del piloto. Pero puede que alguien nos sorprenda con alguna idea distinta.

El uso de un único turbocompresor nos anima a pensar en un solo refrigerador, para aires que rondarán los 150 grados centígrados, trabajando con sobrepresiones de alimentación del rango de tres bares (piensa que un motor turbo de calle rara vez pasa de 1,2 bares de sobrepresión.

El uso de un único turbocompresor por reglamento da lugar a varias posiciones posibles. Una idea sería colocar el turbo entre la bancada de la uve del motor, que tendría la zona de escape hacia adentro, al revés de lo típico. Esta solución la emplea el R18 de Audi en Le Mans, y ya se usó en carreras de F1 hace años, pero eleva el centro de gravedad del motor, y lo hace funcionar más caliente.

Renault, en vista de las fotografías que ha facilitado de su mecánica, coloca el turbocompresor tras el motor. Esto lo aleja de la salida de gases de escape del motor, que quedan por la parte externa, como hasta ahora. Cuanto más lejos esté el turbo de las válvulas de escape, más pronunciado es el lag, y menos energía de escape se aprovecha, pero como en estos motores el lag no será problema por el generador eléctrico integrado, y se usará, además, un recubrimiento especial en los colectores de escape para evitar pérdidas de calor y energía, parece que la solución vista en Renault será la más usada por todos los equipos.

Seguro, en todo caso, que las marcas se guardarán alguna sorpresa de última hora. Y es que no podemos descartar que alguien se anime a generar electricidad con el calor restante de los gases de escape, no aprovechado por los turbocompresores, algo que el reglamento, a priori, permitiría.

Sea como sea, desde el punto de vista de la ingeniería, 2014 será un año interesante, en el que descubrir nuevas ideas y detalles. Y estaremos aquí para contártelo.

Artículo originalmente publicado en Autoblog