LA CIENCIA DEL COMBUSTIBLE DE LA F1, CóMO FUNCIONAN LOS V6 ACTUALES
El actual motor de Fórmula 1 es un modelo de eficiencia sólo igualado, y sorprendentemente, por algunos enormes motores diésel marítimos. En términos de pequeños motores de gasolina, el V6 de F1 está significativamente por delante de cualquier otro motor de producción o de carreras. La forma en que esto se consigue es innovadora y relevante, ya que el futuro del motor de combustión interna va más allá de algunas proyecciones sobre su inminente desaparición.
En el diseño de motores de F1 siempre se ha dicho que el secreto del rendimiento consistía en introducir la mayor cantidad de aire posible en el motor en un tiempo determinado y, a continuación, añadir la cantidad adecuada de combustible y quemarlo completa y eficientemente.
Conseguir que entrara el máximo aire en el motor se conseguía generalmente mediante un buen flujo de gases y la puesta a punto del sistema de admisión, aumentando las revoluciones del motor o turboalimentándolo. En términos de combustión, la relación entre aire y combustible en la que se produce una combustión completa se conoce como relación estequiométrica, y para la gasolina es de unas 14,7 veces la masa de aire respecto al combustible. Por lo general, la potencia máxima se producía cuando la mezcla era ligeramente rica, es decir, la relación era ligeramente inferior.
La normativa introducida en 2014 dio la vuelta a esta filosofía al dictar que el flujo de combustible se limitaría a 100 kg/hora, alrededor del 60% del flujo de los anteriores motores V8 de 2,4 litros. Al mismo tiempo, se reintrodujo la turboalimentación y se permitió la inyección directa de combustible. Esto condujo a un replanteamiento completo del diseño de los motores. El juego ahora consistiría en ver hasta qué punto se podía hacer funcionar un motor pobre, en otras palabras, lo contrario de lo que se pensaba antes, y hacer funcionar una mezcla que tuviera exceso de aire en lugar de combustible.
Puede parecer un cambio sencillo, pero el problema es que las mezclas pobres son difíciles de encender de forma controlada y arden muy lentamente. Idealmente, cuando la bujía se enciende, inicia un proceso de combustión controlada (no una explosión como muchos piensan) que se propaga rápidamente desde la bujía hasta el pistón y las paredes del cilindro.
Una mezcla pobre no sólo es difícil de encender cuando es necesario, sino que, como la combustión es más lenta, las temperaturas de combustión permanecen calientes durante más tiempo, lo que reduce la eficiencia y aumenta la propensión al preencendido y a graves daños térmicos.
Los coches de F1 ya no necesitan repostar a mitad de carrera, y la composición del combustible en sí es muy diferente desde que se introdujeron las reglas turbo híbridas en 2014 también
Foto: Sutton Images
La reintroducción de la turboalimentación significaba que no era un verdadero problema introducir cantidades excesivas de aire en el motor, incluso a regímenes bastante bajos, pero quedaba el problema de encenderlo. La solución residía en una modificación de la bujía que se denominó encendido pasivo de precámara.
Este diseño coloca una pequeña cámara, con unos pequeños orificios, sobre los electrodos de la bujía. Esta cámara representa alrededor del 2% del volumen total de compresión. Cuando se inicia la inyección de combustible, se introduce una pequeña cantidad en la cámara, lo que da lugar a una mezcla localmente rica que se enciende fácilmente con la chispa.
Una vez encendida, la mezcla es expulsada a través de los mismos pequeños orificios como un chorro altamente reactivo de radicales que penetra profundamente en la cámara de combustión, creando una fuente de ignición distribuida de alta energía a la mezcla principal. La alta energía de ignición, unida a los múltiples puntos de ignición, compensa la lenta velocidad de combustión normalmente asociada a la combustión pobre, lo que da como resultado una optimización de las fases de combustión y una gran mejora de la eficiencia máxima.
El etanol, al contener oxígeno, mejora el valor antidetonante del combustible, pero en esta concentración sólo aumentaría el octanaje de 104 a 104,2 octanos.
Otra técnica utilizada en un motor de F1 es cerrar la válvula de admisión antes de que el pistón llegue al final de su carrera en lo que se denomina ciclo Miller. Al separar la relación de compresión termodinámica de la geométrica, la relación de expansión superará a la de compresión, lo que permitirá aumentar la eficiencia a costa de reducir las turbulencias y ralentizar la combustión. No obstante, proporciona una ganancia global.
Por supuesto, aunque el sistema de combustión está diseñado para extraer la máxima energía del combustible, el propio combustible tiene una importancia de primer orden. Antes de 2022, la normativa exigía que el 5,75% del combustible contuviera biocomponentes.
En general, los proveedores de combustible utilizaban un iso-octano o iso-octeno bio-derivado para cumplir esta normativa. El iso-octano tiene un alto contenido de energía química conocido como valor calorífico inferior (VCI), una propiedad de gran importancia cuando el flujo de masa de combustible es limitado. El isoocteno, que tiene un doble enlace químico, por lo que contiene menos hidrógeno, tiene un VCM ligeramente inferior, pero una mayor resistencia al golpeteo.
En 2022, la normativa cambió el requisito no específico del 5,75% de contenido biológico por un contenido específico del 10% de etanol. El etanol, al contener oxígeno, mejora el valor antidetonante del combustible, pero en esta concentración quizá sólo llevaría el octanaje de alrededor de 104 a 104,2; sin embargo, tiene un efecto más significativo en el LHV, reduciéndolo entre un 2,5% y un 3%, con un efecto directo y proporcional en la potencia del motor.
El contenido sostenible del combustible de F1 ha aumentado de forma constante en los últimos años y no muestra signos de desaceleración.
Foto: Shell Motorsport
En 2026 habrá un cambio en el motor y el combustible. El motor puede perder su máxima eficiencia debido a la eliminación del MGU-H, el dispositivo que recupera la energía de los gases de escape que, de otro modo, se perdería en forma de calor. Además, el combustible debe ser sostenible y verá aumentar la concentración de oxigenados del 10% a alrededor del 20% en volumen (por equivalencia de etanol). También se exige un VHL máximo de 41 megajulios/kilogramo, alrededor de un 5% inferior al actual, lo que puede reducir la eficiencia.
Dado que el límite de flujo de combustible regulado cambiará de flujo másico a flujo energético en 2026, el VHL en sí ya no tendrá un impacto directo en el rendimiento del motor. De hecho, es posible que los combustibles con un VHL más bajo mejoren la resistencia a los golpes y la velocidad de combustión en algunos conceptos de motor. Sin embargo, el VHL seguirá siendo un factor importante a la hora de optimizar un combustible para un determinado conjunto Unidad de potencia/chasis.
Una cosa es muy cierta. Del mismo modo que la tecnología de cuatro válvulas, la inyección de combustible y los árboles de levas en cabeza han pasado de los motores de competición a los motores de producción convencionales, las características avanzadas de combustión de la actual unidad de potencia de F1 (así como los combustibles avanzados) contribuirán a aumentar la eficiencia de los sistemas de transporte que dependen del motor de combustión interna.
Los avances tecnológicos utilizados en los carburantes de los coches de F1 llegarán sin duda a la carretera.
Foto: Mark Sutton
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