4 de febrer de 2014

1988 vs 2014. Motors Déjà vu?

L'última temporada on va ser permesa la tecnologia turbo pels motors en la fórmula 1 va ser la 1988. Aquell any es permetia córrer amb motors turbo o atmosfèrics amb diferents paràmetres per a compensar el rendiment. Ara, després de 25 anys de motors atmosfèrics, torna l’era turbo. Aquest any però, no hi haurà la convivència de motors turbo i atmosfèrics, ja que els segons han estat prohibits. Es pot trobar una petita descripció de la tecnologia turbo i del motor de combustió interna pel 2014 en el nostre article (http://www.formula1encatala.com/2014/02/les-unitats-de-potencia-2014.html).

S'ha parlat molt sobre l’eficiència de les unitats de potència, en especial amb la introducció de la tecnologia de recuperació d'energia mitjançant els sistemes MGU-K (ERS) i MGU-H. Però, el cor de tot continua sent el motor de combustió interna (ICE).

L'objectiu daquest article serà comparar les normatives pel que fa al motor de combustió interna dels anys 1988 i 2014. A més a més, tractarem amb dos casos reals per tal de treure conclusions. Els motors elegits han estat l’HONDA RA168E i el Renault Energy F1.

Honda RA168E (superior). Renault Energy F1 (inferior). Font: Viquipèdia i Renault Sport
La raó per haver seleccionat l’Honda és que va guanyar 15 de les 16 curses sent un motor turbo. Pel que fa al Renault, les raons són molt més terrenals, ja que és el fabricant que ha publicat més informació sobre el motor del 2014. Cal tenir en compte que les informacions sobre les capacitats del motor Renault poden ser conservatives, ja que el fabricant no vol revelar el seu potencial.

En la següent taula es poden observar les comparacions de les principals característiques. Les dades entre parèntesis es refereixen a la normativa vigent en el seu moment, és a dir, eren els valors obligats. 

  • Cilindrada. Les cilindrades són molt similars diferint només de 0.1 litres. No és un paràmetre comparatiu de rellevància. 
  • Nombre de cilindres. El mateix: 6. Actualment és una obligació, però us preguntareu perquè no utilitzaven més l’any 1988. Si volguéssim més de 6 cilindres per a una cilindrada de només 1.5 litres, els pistons serien massa petits i no podrien suportar les sol·licitacions ni mecàniques ni tèrmiques.
  • Angle V motor. Normalment, angles més grans baixen el centre de gravetat, augmentant la maniobrabilitat del vehicle, però redueixen la fiabilitat, ja que augmenten les vibracions. Un exemple dramàtic va ser el motor Renault RS24 usat en el Benetton 2001 que tenia un angle de 111º però cap mena de fiabilitat. En la nova normativa, les bancades han de formar 90º. En el passat, aquest valor hauria estat un problema a causa de l'impossibilitat de produir coixinets i peces mòbils que suportessin aquests valors amb un pes acceptable.
  • Pes. Aquests és un dels paràmetres on el pas del temps ha tingut més impacte pels avenços en la tecnologia dels materials: al·leacions més lleugeres i resistents. Actualment, el pes mínim de tota la unitat de potència (ICE, MGU-H/K i bateries) és igual al que pesava només el motor de combustió l’any 1988. Per exemple, el bloc motor l'any 1988 era d'acer i actualment és d'una al·leació d'alumini, que és quasi tres vegades més lleugera.
  • Injecció. La injecció indirecta es fa fora del bloc motor, és a dir, a l'admissió. La benzina es mescla amb l'aire i acaba entrant a la cambra d'admissió mentre la vàlvula d'admissió està oberta. Aquest sistema treballa amb baixes pressions (màxim 8 bar). En canvi, en la directa, s’injecta directament  a alta pressió dins la cambra de combustió i la mescla amb l’aire s’efectua només dins dels cilindres. El segon sistema redueix els consums de combustible i permet obtenir més potència, ja que es pot controlar acuradament quan i quanta benzina injectar. A més a més, tot i que és secundari en les carreres, també es podrien reduir dràsticament les emissions contaminants del motor.
  • Turbo. Més turbos s’usen, més petits poden ser. Els turbos petits tenen menys inèrcia i poden accelerar més ràpid, reduint el fenomen del turbo lag. És raonable pensar que pel 2014 la FIA obliga a usar un sol turbo ja que el fenomen del turbo lag  es pot resoldre parcialment amb el MGU-H.
  • Pressió turbo. Més es comprimeix l'aire, més combustible es pot injectar durant la mateixa unitat de temps. El preu a pagar és que l'aire es calenta i s'ha de refredar a través d'un radiador anomenat intercooler. Idealment, voldríem que el turbo comprimís el màxim possible sempre que tinguéssim espai per fer un intercooler prou gros per a refredar l'aire. Per exemple, l'any 1987 es van arribar a pressions de 4 bar. L'any 1988 la FIA va limitar la pressió de compressió a 2.5 bar per a reduir la potència dels monstres turbo. Actualment, no hi ha cap regulació directa pel que fa a aquesta pressió. Però com hi ha un flux màxim de combustible i la relació aire combustible és fixa, no té sentit comprimir massa l'aire, ja que no disposem de tot el combustible que voldríem injectar.
  • Consum. El límit de combustible que es pot emprar durant una carrera és un 20% inferior actualment. Recordem que actualment hi ha la unitat MGU-K (ERS), fent que per a una mateixa potència es necessiti menys combustible.
  • Flux màxim combustible. La tecnologia de 1988 no permetia fixar cap límit al flux de combustible, simplement perquè no hi havien caudalímetres capaços de mesurar aquesta magnitud. De fet, actualment hi ha polèmica sobre la capacitat dels elements de mesura que proporciona la FIA per assegurar aquesta norma. Recordem també que aquest límit de combustible estableix un límit implícit en la pressió del turbo.
  • Potència. Al cap i a la fi, és el que més ens importa, no? Per ara sabem el nombre cert de cavalls de l’any 1988 i només una especulació pel 2014. Cal tenir en compte però que les normatives de combustible de l’any 1988 eren molt més laxes, permetent components que actualment estan prohibits o estrictament regulats. Tenint en compte això, la potència no és directament extrapolable però sembla que els números són similars.
Ara és la vostra ocasió per a treure conclusions. Personalment crec que l’únic que canvia radicalment per l’ICE ha estat el pes. Pel que fa a potència i consums els números són molt similars tenint en compte que les normatives per a elements com el combustible són molt més estrictes actualment. La gran eficiència que presumeixen a la FIA no s’obté pel motor de combustió però pels motors elèctrics MGU-K i H.


Bibliografia:

Article tècnic Honda: Honda Formula One Turbo-charged V-6 1.5L Engine. SAE paper 890877. 1989 Society of Automotive Engineers, Inc

Recull reglament tècnic FISA-FIA: http://somersf1.blogspot.it/p/fia-formula-one-technical-regulations.html

Exemple injecció indirecte als 40 segons: http://www.youtube.com/watch?v=Eo-9Io41bt8

1 de febrer de 2014

Les unitats de potència 2014

El canvi més gran per aquesta temporada en termes d'enginyeria seran les noves unitats de potència. Sí, dic unitats de potència i no motor perquè la cosa sha complicat una mica.

Aquest any la propulsió es dura a  terme mitjançant tres motors:

Components del Renault Energy F1 2014. Font: Renault Sport

Internal combustion Engine :ICE (motor de combustió interna)

És el motor de tota la vida: consumeix benzina per a generar energia (potència) en forma de parell (força). Es creu que en la configuració 2014 podrien entregar al voltant de 600 cavalls. Les principal novetats d'aquest any són:

  • Reducció cilindres i cilindrada. Passem de motors de 8 cilindres i 2400 c.c. a 6 cilindres i 1600 c.c. La conseqüència és una pèrdua de potència i reducció dels consums de combustible.
  • Reducció règim. Els motors són més lents. Passem d´una limitació de 18000 rpm a 15000. La potència del motor és directament proporcional al règim de gir màxim, així que aquesta reducció comporta una pèrdua de potència.
  • Introducció del turbo. Els últims 25 anys, els motors han estat atmosfèrics, és a dir, laire que entrava al motor era a pressió aproximadament atmosfèrica. A partir daquest any es podrà usar un turbo que té com a objectiu comprimir laire mitjançant un compressor. Lenergia necessària per a fer girar aquest compressor sobté dels gasos d´escapament que fan girar una turbina solidària al compressor. Aquesta compressió permet introduir més aire en la mateixa unitat de temps, permetent cremar més combustible ja que la relació entre aire i combustible és fixe (funció de la cartografia motor). El seu problema principal és que quant hi han pocs gasos d´escapament, a baixes voltes, la turbina no gira i el motor pateix turbo lag, un retard en la entrega de potència. La conseqüència daquest turbo és leliminació del soroll agut, el retard en lacceleració però un augment de potència. 
  • Limitació combustible. Aquest any la quantitat de combustible màxima és de 100 kg per carrera i un flux màxim de combustible de 100 kg/hora. La limitació de combustible reduirà la potencia i el pilot/equip hauran de gestir el consum. 
Motor Generator Unit Heat: MGU-H (unitat de motor generador tèrmic)

Tecnologia totalment nova aquest any. El turbo està connectat a un motor alimentat per unes bateries. Quant el cotxe es troba a baixes voltes el motor fa girar el compressor evitant el turbo lag. Quant el turbo va ràpid, el motor és un generador que carrega les seves bateries. Cal tenir en compte que el repte és la velocitat ja que un turbo a règim màxim excedeix les 100 000 rpm.

Motor Generator  Unit Kinetic:  MGU-K (unitat de motor generador cinètica)

Aquest és una evolució del KERS de l´any passat, que ara es diu ERS. Per una quantitat de temps determinada, mitjançant una limitació d'emmagatzemament d'energia, 120 kW (160 Cavalls) de potència  safegiran a la potència del motor de combustió interna. Aquest any, aquesta energia no ve controlada per el pilot però és part del mapa motor. En cas de frenada, el motoret funcionarà con a generador i carregarà les bateries produint un comportament diferent en frenada degut a la resitència adicional, cambiant l'estil de pilotatge.

Un exemple de com es podria usar la tecnologia en la recta principal del Circuit de Catalunya:

El cotxe entra a la recta del circuit sortint de la vella New Holland. En aquell moment el pilot va gas a fons. La centraleta de motor descarrega energia des de la MGU-K. En aquell moment el vehicle ofereix la potencia completa de 760 Cv (600 del ICE més 160 del ERS). El flux de combustible que arriva al motor és de 100 Kg/h. Mentre, el turbo està girant a màxima velocitat (més de 100 000 rpm) i s'aprofita per carregar les bateries del MGU-H. A 75 metres de la corba Elf, el pilot frena. En aquell moment el MGU-K es converteix en generador i carrega les seves bateries. Per evitar que el turbo perdi massa velocitat el MGU-H es converteix en motor. Quan el pilot torna a accelerar el turbo té velocitat i la resposta de potencia és immediata.

Aquesta nova tecnologia i normes imposen un repte estratègic important. Hi ha lopinió generalitzada que el control de la potència serà tot automàtic i que un bon pilot no tindrà loportunitat de demostrar les seves capacitats. El fet és que s'haurà de canviar l'estil de pilotatge: al sortir d'una corba el pilot disposarà quasi immediatament de més parell gracies a l'eliminació del turbo lag amb el MGU-H.

El proper article sobre la tecnologia del motor parlarà sobre la comparació de lúltim any en que es va córrer amb turbos (1988) i la tecnologia actual. Han passat 25 anys però en termes de prestacions estem més a prop del que ens podríem imaginar.

Imatge del Renault Energy F1 2014. Font: Renault Sport


Abans d'acabar però us deixo amb un links interessants:

Explicació del Renault energy F1 per Scarbs:
http://www.youtube.com/watch?v=4vIjJg0lXgc&list=TLqGiCmHnwori4QzaRb2W-DZUGWd0ZqvqF

Review del Renault energy F1:
http://www.electric-vehiclenews.com/2014/01/close-look-at-2014-f1-spec-renault.html?utm_source=feedburner&utm_medium=email&utm_campaign=Feed%3A+blogspot%2FpEcq+%28Electric+Vehicle+News%29

Article de Race Car Engineering:
http://www.racecar-engineering.com/articles/f1/2014-f1-the-power-unit-explained/