LA REFRIGERACIÓN DE UN MOTOR DE F1

Dicen que una mentira repetida mil veces se convierte en una verdad. Es cierto pero a veces sucede lo mismo con un concepto mal conocido que ha fuerza de repetirlo crees que también es verdad. Eso me ha sucedido hace poco con la refrigeración del motor. Una mala interpretación de un artículo me llevó a creer que solo estaba refrigerado por aceite pero no es cierto, es mucho más compleja e intervienen dos sistemas distintos que hacen una función global. Hoy quiero subsanar ese fallo y os quiero mostrar realmente cómo se refrigera un motor de F1.

Como ya sabéis, los motores de combustión interna distan mucho de ser eficientes en la conversión de energía química en potencia mecánica. ¿Sabéis cuál es el motor de este tipo más eficiente que el hombre ha fabricado nunca? Pues los nuevos V6 turbo híbridos que usa la F1 actualmente. Son los mejores aunque solo pueden aprovechar el 38% de esa energía.  El resto se pierde mayoritariamente en forma de calor tanto de la combustión como por fricción, disminuyendo el rendimiento del motor debido al rozamiento interno se sus piezas. Para evitar esto, los ingenieros  diseñan sus motores de forma que puedan bajar la temperatura  usando dos sistemas bien distintos, por un lado el sistema de refrigeración por aceite y otro por agua. Vamos al lío.

REFRIGERACIÓN POR ACEITE.

Este sistema es el encargado de enfriar la parte inferior del motor y sus componentes internos usando el propio aceite del motor como elemento refrigerante. Esta tecnología también se puede encontrar en los coches de calle pero son muy pocos y selectos los coches que lo utilizan. Básicamente, en estos sistemas se aumenta la cantidad de aceite del carter motor y se hace circular a través de un radiador de dimensión adecuada antes de pasar a lubricar y refrigerar el motor.
Dentro del motor hay una serie de piezas que necesitan lubricación para el perfecto funcionamiento del mismo. De todas ellas destacaremos el cigüeñal, distribución del motor y los cilindros. Estas piezas formal el corazón del F1 y es necesario que se mantengan dentro de un rango de temperaturas óptimos y que tengan un bajo coeficiente de rozamiento para evitar el desgaste y el sobrecalentamiento que se genera por el continuo roce de las piezas. ¿Cómo conseguir este objetivo de enfriamiento? Bien, vamos a conocer sus componentes.

El sistema de refrigeración lo forman los siguientes elementos:

1-      Bomba de aceite.

2-      Depósito exterior de aceite.

3-      Radiador.

4-      Circuito de lubricación.

5-      Aceite.

6-      Filtros.

La función de la bomba de aceite es bombear en el motor aceite frío que se va distribuyendo a través de numerosas galerías dentro de las piezas de fundición que forma el bloque motor. Como veremos posteriormente también hay otra red de galerías para la circulación del agua, pero lo veremos luego. El aceite está circulando constantemente y va enfriado las piezas claves, eso sí, haciendo su función principal que es la de actuar como lubricante. Hay determinadas partes del motor donde el aceite, en condiciones normales tiene difícil acceso. Para esas zonas se utilizan métodos especiales. Por ejemplo se pulveriza aceite a presión bajo las coronas de pistón solo y exclusivamente para ayudar a enfriarlo. En este caso la lubricación no es el papel principal. Esta refrigeración de los pistones no es propia solo de la F1. Los motores de combustión interna y especialmente los motores diesel también utilizan un inyector de chorro pulverizado de aceite y los sitúa en cada uno de los cilindros del motor.

Una vez que el aceite ha completado es el trabajo de refrigeración / lubricación de las piezas en movimiento es necesario que drenen para volver a ser utilizado. Antes de ser reutilizado tiene que volver a tener una serie de características que han perdido en su tránsito dentro del motor. Por un lado, se han mezclado con el aire que hay dentro y se han originado burbujas. Por otro lado, el continuo roce interno hace que se vayan desgastando los materiales y  dejan impurezas metálicas en el aceite que habrá que filtrar para evitar que puedan obstruir alguna válvula y por último ha ganado temperatura que debe de ser reducida para evitar el sobrecalentamiento y ganar capacidad de refrigeración. Estos factores hacen necesario que el aceite tenga que ser de nuevo  desaireado y enfriado antes de ser filtrado para iniciar el ciclo.
Por tanto el aceite va cayendo al fondo del motor donde hay unas ranuras en la bandeja del sumidero donde se sitúa un colector que lo recogerá. Mediante unas bombas de barrido situadas a lo largo del lado derecho del motor que son  movidas por un engranaje sin fin que viene de la parte delantera del cigüeñal, van extrayendo el aceite de la base del carter.

 

Tren alternativo y carter.

Esta configuración es común a los coches de carreras y es conocido como un sumidero seco o carter seco. Este sistema, literalmente, mantiene el carter del motor seco y las acumulaciones de aceite son muy pequeñas, lo que da una ventaja adicional, reducir el centro de gravedad del motor y reducir su peso en vacío, evitando la resistencia que pueda ocasionar  el aceite en el movimiento del eje del cigüeñal al gira, liberándose por tanto más potencia. Hay que tener en cuenta un aspecto importante, no es posible crear motores que giren a tan altas revoluciones con un sistema de carter húmedo, el  utilizado por los coches de calle.

Así pues, el ciclo completo es el siguiente: el aceite se bombea a altas presiones, a continuación, después de circular por las piezas móviles es dirigido al carter del motor. A medida que se va almacenando en el fondo es extraído del interior por una o más bombas para depositarse en un depósito externo, siendo filtrado antes de llegar a él.
Recirculación de aceite
Una vez recogido por la bomba de recuperación, el aceite está a una temperatura de unos 90º C y lleno de burbujas de aire. Estas burbujas se dirigen directamente a la parte superior del depósito de aceite montado entre el motor y monocasco. Es importante eliminarlas ya que el aceite pierde eficacia tanto en la lubricación como de refrigeración.

El aceite se bombea en el tanque desde la parte superior por dos motivos diferentes, por una lado eliminar las burbujas de aire, introduciendo el líquido de forma tangente a la pared del depósito para crear un pequeño remolino superior facilitando la reducción  del aire ya que las burbujas siempre estarán próximas a la superficie  y por otro lado  permitir que el aceite empiece a enfriar. Como sabemos, tanto los líquidos como los gases tienden a subir cuando están calientes y a bajar cuando se enfrían. Por este procedimiento tan simple el aceite más frío precipitará a la parte inferior del depósito y en ese punto se tomará para continuar su viaje.
Los depósitos tienen una estructura más compleja de lo que parece. Cuentan con un orificio de ventilación, otro de purga y su propio sensor de temperatura y cuenta con una estructura interna formada por celdas que eviten que el aceite sea batido por los continuos movimientos del coche.

El ciclo se completa cuando sale el aceite  del tanque para dirigirse al radiador. Después del enfriado el líquido pasa a las tuberías que lo conducen a la bomba de aceite  que se encarga de iniciar el ciclo. Esta bomba  está montada en el lateral del motor y suministra una tasa de flujo de alrededor de 4-5bar. Todo el sistema sólo puede contener un 4-5 litros de aceite. Como el aceite se encuentra normalmente a temperaturas mucho más elevadas que el agua (en torno a los 150°C), resulta que esta diferencia con la temperatura ambiente triplica el rendimiento, permitiendo una menor superficie en los radiadores.
La temperatura óptima del aceite ronda los 100º, lo suficientemente caliente para mantenerse diluido para mejorar la lubricación. Eliminar 50ºC del interior del motor es muy importante para la integridad del mismo.

Bien, una vez repasada la primera parte y antes de iniciar la segunda  sería conveniente enseñaros los elementos que forman la parte superior del motor y así comprenderéis  mejor por dónde circula el liquido refrigerante.  Para ello os mostraré esta imagen donde se pueden ver localizar todos los elementos que forman un motor de combustión interna.

Todas las piezas son importantes pero vamos a centrar la mirada en dos, el bloque motor  y la culata.

El bloque del motor es la pieza más grande y compleja en cuanto a su fabricación de todas las que conforman el motor. Es un solo bloque de hierro o aluminio fundido  y tiene como función alojar el tren alternativo,  las bielas, los pistones y el cigüeñal que también le da puntos de apoyo. Como sabéis el cilindro es el recinto por donde se desplaza un pistón. Su diámetro, junto con la carrera del pistón, determina la cilindrada del motor.
En la mayoría de los motores, el cilindro tiene una doble envoltura, la "camisa" que es otro tubo cilíndrico colocado en el bloque del motor y tiene como finalidad facilitar la circulación de agua alrededor del cilindro y poder enfriarlo.
El bloque tiene conexiones y aperturas a través de las cuales varios dispositivos adicionales son controlados a través de la rotación del cigüeñal, como puede ser la bomba de agua, la pieza que hoy nos interesa, bomba de combustible, aceite y distribuidor (en los vehículos que los poseen).

Para cerrar las cámaras de combustión es necesaria la culata o tapa del bloque de cilindros. Es la parte superior de un motor de combustión interna. Esta Pieza contiene las válvulas y el tren de balancines que las accionan para permitir la entrada y salida de gases a la cámara de combustión y en consecuencia también los orificios o lumbreras de conducción de dichos gases. La culata es una pieza fabricada en un solo bloque de fundición en hierro, aluminio o de alguna aleación ligera también y se une al bloque motor mediante tornillos y una junta, la famosa junta de culata. Su interior es hueco para facilitar la circulación del agua  y se construye con estos elementos porque el sistema de enfriamiento debe ser rápido ya que es la pieza que mayor temperatura alcanza.

Bien, una vez que tenemos claros todos estos conceptos, el resto es pan comido.

REFRIGERACIÓN POR AGUA.

Este sistema es el encargado de enfriar el bloque motor y la parte superior del motor. Consiste en un circuito de agua (líquido refrigerante)  que pasa por el interior del bloque y culata, en contacto directo con las paredes de las camisas y cámaras de combustión del motor para  absorber el calor radiado y poder refrigerarlo. Como hemos visto estas piezas se diseñan y fabrican huecas, de forma que el líquido refrigerante pueda circular bien por ellas.

Una vez que el agua está caliente hay que extraerla del motor para mandarla a los radiadores. De eso se encarga la bomba de agua. Este es el sistema más utilizado desde hace muchos años, ofrece una refrigeración más eficaz con un volumen de agua menor, ya que, debido a las grandes revoluciones que alcanzan hoy día los motores, necesitan una evacuación más rápida de calor, lo cual se consigue forzando la circulación de agua por el interior de los mismos.
Este sistema tiene una bomba centrífuga intercalada en el circuito de refrigeración que es accionada por el propio motor. La bomba centrífuga activa la circulación del agua en su recorrido con una velocidad proporcional a la marcha del motor.
Un ciclo completo sería el siguiente. La bomba aspira el agua refrigerada de la parte baja del radiador y la impulsa al interior del bloque a través de los huecos que rodean las camisas y cámaras de combustión. El refrigerante sale por la parte superior de la culata y se dirige otra vez al radiador por su parte alta, donde es enfriada nuevamente a su paso por los paneles de refrigeración para volver a iniciar el ciclo.
En un F1, el agua se mantiene en el circuito a una temperatura de 110 a 120 ºC, con una diferencia entre la entrada y la salida de 15 ºC, controlada por medio de una válvula de paso (termostato) que mantiene la temperatura ideal de funcionamiento sin grandes cambios bruscos en el interior de los cilindros, que podría dar lugar a dilataciones y contracciones de los materiales.

Bueno amigos, aquí lo dejo. Os debía una rectificación en toda regla y aquí la tenéis. Como vemos el sistema en si no es “demasiado” complejo pero tiene una importancia vital. Este artículo junto al dedicado a los radiadores creo que será suficiente para comprender bastante bien como funciona la refrigeración de un F1. Eso he intentado esperando haberlo conseguido, pero eso será otra historia.

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