Si tuviéramos que destacar entre todos estos cambios el que más está afectando al comportamiento de los coches nadie tendría la menor duda, la unidad de potencia, pero no sólo en lo que a su funcionamiento y prestaciones se refiere, hay otro aspecto que está volviendo loco a más de uno, ingenieros con mucho prestigio incluidos, y es su refrigeración. Al hilo de la noticia sobre la utilización por parte del equipo Ferrari de un “nuevo” sistema de refrigeración para su F14 T, queremos repasar con este artículo cuáles son los entresijos de éste elemento y, de camino, analizaremos cómo funcionan los sistemas de refrigeración de los F1. Amigos lectores, abróchense el cinturón que arrancamos.
Para ponernos en situación sería conveniente explicar qué es un sistema de refrigeración. Pues bien, los motores de combustión interna distan mucho en la actualidad de ser eficientes a la hora de convertir la energía química en potencia mecánica. Hasta en los propulsores más avanzados, como sería el caso de los usados en la F1, nunca se alcanza el 100% de eficacia. Parte de la energía creada por la combustión se pierde por varios factores, pero sobre todo en forma de calor generado por la combustión, llegando incluso a alcanzar temperaturas superior a 2000ºC, y por la fricción producida por el rozamiento interno de sus piezas, algo que siempre existe a pesar de que se usen los mejores lubricantes del mundo. Esto genera una pérdida de rendimiento de hasta el 70% de ahí que la FIA haya querido dar un cambio radical en esta política de “despilfarro” y haya obligado a todos instalar en sus máquinas, tecnología suficiente para “recuperar” parte de esa energía perdida y sacarle provecho. De ahí el nacimiento del ERS.
Mantener un motor durante casi dos horas perfectamente refrigerado y lubricado cuando, en la actualidad, es capaz de girar a regímenes de hasta 15.000 rpm, con dos dispositivos que se dedican a recuperar esa energía perdida y que también alcanzan temperaturas de trabajo muy altas, es sumamente complicado. ¿Cómo hacerlo? De esa tarea se encarga el sistema de refrigeración mediante líquido refrigerante o por aire.
Conseguir que todas las piezas se mantengan dentro de un rango de temperaturas de trabajo óptimas es fundamental para la integridad de cualquier máquina. ¿Por qué? La respuesta es sencilla si lo vemos con un ejemplo. Vamos a imaginarnos que por algún problema la refrigeración no es la adecuada. Como hemos visto, a pleno rendimiento se llegan a alcanzar temperaturas muy altas. La estructura del motor es metálica y como metal que es, sus propiedades se ven afectadas por el calor. Todo el proceso surge como una cascada, una cosa conduce a la otra. Lo primero que produce el calor es la dilatación de algunas piezas junto con una bajada de la capacidad de lubricación del aceite al reducirse su viscosidad, es decir, se hace más fluido.
Al aumentar de tamaño, las piezas dejan de encajar a la perfección. Esto genera tres cosas, por un lado se produce un aumento de la fricción entre los distintos componentes que forman el motor que traerá como consecuencia un aumento de la temperatura y lo más importante, el continuo rozamiento termina creando un desgaste excesivo. Pero la cosa no termina ahí, como la temperatura sigue creciendo las piezas empiezan a deformarse más y mas, puede llegar a encenderse la mezcla combustible antes de tiempo o producir agarrotamiento que complicará aún más la historia. El final, se acaba con una fumarola de esas tan bonitas que hacen época.
Evitar que un motor llegue a colapsar de esta forma es de vital importancia para los ingenieros ya que les da la suficiente información para solventar posibles problemas de diseño o por taras en la fabricación de componentes. Sólo recordaros una cosa, si no se detiene el coche en estas circunstancias, se pueden llegar a fundir literalmente ciertas partes de su estructura y en esas circunstancias pocos datos se pueden sacar.
Pero no sólo trabajar a temperaturas altas afecta al motor, si lo hacen por debajo de la normalidad también acarrea consecuencias. Este caso es más difícil de ver en la F1 ya que todos trabajan evitando los picos máximos dentro de una aerodinámica lo más comprimida posible, con pontones pequeños, etc. Tiene que suceder unas condiciones de temperaturas extremas para que eso ocurra aunque tendría una fácil solución. Alguna que otra vez se ha visto, con tapar una zona del radiador con cinta de carrocero y se solventa el problema.
Si el motor trabaja por debajo de su temperatura óptima, se aumenta el consumo de aceite y el desgaste de las piezas. Los ingenieros saben de la dilatación de los componentes y cuentan con ese factor a la hora de diseñar las piezas. Al no dilatarse lo suficiente, hay holguras que generan el desgaste, se reduce la potencia por falta de temperatura para una combustión eficiente, se producen incrustaciones de carbón en válvulas, bujías y pistones.
Bien llegados a este punto, habrá que analizar qué sistemas se usan el la F1.
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
Realmente existen varios sistemas dependiendo del método utilizado para enfriar los elementos. Los hay que usan una bomba para hacer circular agua, aceite o las dos cosas a la vez como pasa en los F1. También encontramos los que sólo usan el aire que incide de manera directa sobre el objeto o lo fuerzan para que llegue más cantidad gracias a un ventilador y por último están los mixtos, que usan una combinación de los dos. Generalmente todos los coches utilizan varios sistemas de manera simultánea para mejorar la efectividad. Incluso la propia gasolina puede servir de refrigerante un instante antes de su combustión.
En la F1 podemos ver todos los sistemas antes descritos. Veámoslos con algunos ejemplos.
El método más habitual es la refrigeración por agua y aceite. Para ello se utilizan dos circuitos independientes para conseguir bajar la temperatura en diferentes partes del motor.
- Aceite. Con este sistema los ingenieros usan el propio aceite para la lubricación del motor como elemento refrigerante principal de sus componentes internos. Esta tecnología también se puede encontrar en los coches de calle pero son muy pocos y selectos los coches que lo utilizan. Pare ello es necesario aumenta la cantidad de aceite en el carter. Cuando está caliente se extrae del motor gracias a una bomba, se filtra para eliminar impurezas, se le quitan las burbujas de aire que pueda tener y se envía a un radiador que lo enfría. Una vez que ha bajado su temperatura, el aceite se bombea de nuevo al interior para ser canalizado a través de las numerosas galerías que hay dentro de las piezas de fundición y llegar a las partes más críticas del motor como son el cigüeñal, el tren de válvulas y los cilindros para lubricarlos, enfriarlos e iniciar de nuevo el ciclo.
- Agua. Realmente no se usa este elemento como tal, siendo un líquido refrigerante el encargado de hacerlo que es una mezcla de agua con otros productos químicos que mejora la eficacia del sistema de refrigeración al aumentar el punto de ebullición a casi 120º. El sistema es muy similar al usado con el aceite pero en este caso se encarga de bajar la temperatura de la parte superior del motor. El líquido frío circula a través de las cavidades en el bloque motor, la culata recogiendo el calor producido por la combustión y se envía a un radiador para enfriar. También se utiliza para refrigerar baterías del ERS, centralitas, etc.
Como hemos visto, los dos sistemas combinados consiguen mantener la temperatura del motor optima enfriando por un lado la base y los componentes internos con aceite y el agua (liquido refrigerante) la parte superior.
La pieza clave de todo este proceso es el radiador. Es el encargado de enfriar los dos líquidos, eso sí, por separado, gracias al aire que choca contra su superficie metálica. Esta pieza esta formada por dos depósitos, uno superior y otro inferior, y su posición suele estar ubicada en los laterales del monoplaza como vemos en la imagen superior. Ambos están unidos entre si por una serie de finos tubos rodeados por numerosas aletas de refrigeración, o como se usa en la F1, una serie de paneles en forma de nidos de abeja ya que tiene una mayor superficie donde poder disipar el calor. Los fluidos que se pretenden refrigerar circulan por la parte externa de los nidos, y el aire que pasa por el interior de los orificios y así lo refrigera.
Este sistema tiene un alto costo de fabricación, pero no hay problema, en este mundo de la alta competición hay dinero de sobra, aunque cada día menos. Tanto los tubos y aletas como los paneles se fabrican normalmente de aleaciones que sean ligeras (sobre todo de aluminio). Se usa el metal por ser los materiales que mayor conductibilidad térmica tienen. ¿Qué quiere decir esto? Pues que son materiales que transmiten muy bien el calor. Por eso los utensilios de cocina son metálicos y no de madera. Así, se pueden calentar y enfriar con mucha velocidad, facilitando en este caso la rápida evacuación de color a la atmósfera.
Normalmente, cada elemento a enfriar usa un circuito independiente para ello. Esto hace que dentro de cada pontón lateral encontramos varios núcleos de radiadores y cada uno sirve para un elemento diferente como puede ser el aceite del motor, el agua de refrigeración del motor o el del ERS. A todo eso hay que añadirle a partir de ahora el intercooler.
Radiador de triple núcleo
Vamos al siguiente. Ahora le toca el turno al sistema por aire y ahí tenemos algunos casos. Muchos estaréis acostumbrados a ver las aberturas que se colocan en la punta de los morros. Su función es refrescar el habitáculo del piloto y lo hace de forma directa. Otro ejemplo sería la boca de tiburón del F138 pero últimamente se ha puesto de moda uno que es un poco chapucero pero estaba sirviendo para disminuir los problemas de sobrecalentamiento del RB10. ¿Les suena?
La utilización de ventiladores para forzar la refrigeración es menos frecuente en la F1 actual pero también hay casos. Esta vez utilizaremos un caso que nos servirá para descubrir cómo funciona el sistema mixto. En la siguiente imagen vemos sin ropa al RB5. Podemos ver como el coche monta un sistema de radiadores pero en medio hay un ventilador. Lo opción más normal es que en momentos de sobrecalentamiento se active y fuerza la refrigeración pero puede ser que en el caso del RB5 siempre permaneciera activado. Es útil ya que se necesita unos pontones de menor tamaño que mejorará la aerodinámica pero tiene como lastre el peso y un fallo en el ventilador deja tirado al coche en un minuto. El sistema mixto es el usado en los coches de calle.
Bien, llegados a este punto vamos a entrar a analizar el elemento que tanto ha dado que hablar en esta pretemporada, el intercambiador de calor del F14 T. Para saber por qué han decidido optar por este método sería conveniente saber cuál es el principal problema al usar los radiadores.
Como imaginan, el gran problema es la resistencia que ofrecen al avance del coche. Tanto la refrigeración como las ruedas son dos de los elementos que más resistencia aerodinámica (drag) producen en los F1, de ahí que se dedique mucho tiempo y dinero en mejorarlo. Sobre las ruedes no se puede actuar por normativa así que los equipos centran sus esfuerzos en diseñar y colocar los radiadores de forma que sean lo más eficientes posibles y que, a su vez, generen la menor resistencia posible. Pero esto, en la práctica, es un auténtico galimatías.
Si tienen un propulsor, unos elementos mecánicos y electrónicos que generan mucho calor tendrán que refrigerarlo y para eso no hay muchas opciones. Se puede aumentar la superficie donde se produce el intercambio de calor, es decir, pones unos radiadores más grandes o fuerzas que circule más aire sobre ellos aumentado la abertura de los pontones. Otra opción es usar un ventilador. No hay más. Actuar sobre estos dos casos perjudica el rendimiento del coche ya que lo hacer menos eficiente aerodinámicamente hablando o introduces un consumo energético más, añades un factor más de riego de avería y aumentas el peso del conjunto.
Los equipos siempre han buscados soluciones a estos problemas y utilizan dos métodos para conseguir mejorar la eficiencia. La opción más habitual es hacer un radiador con poco grosor de pared y una gran superficie radiante que se coloca inclinado, tanto horizontal como verticalmente para dar al coche un perfil aerodinámico más eficiente pero por mucho que se quiera, el aire que entra por el pontón incidirá más y mejor en la parte del radiador cercana a la entrada que en las más alejada de ella disminuyendo la eficiencia.
Otro sistema es hacer la pared más gruesa, menor superficie radiante y colocarlo de manera vertical para que incida el aire que entra por los pontones mejor y por igual en toda la superficie. Este método perjudica más la aerodinámica pero es más eficiente en la disipación del calor.
Sin embargo, lo que más ha llamado la atención del nuevo F14 T de la escudería italiana es la utilización de entradas de aire muy pequeñas, todo ello sin sufrir demasiados problemas con la temperatura del V6 Turbo de Maranello. Recordemos que precisamente este es el principal caballo de batalla que se están encontrando los equipos. Ferrari ha reducido alrededor de un 15% el tamaño de dichos agujeros y aun así no está sufriendo problemas de refrigeración como sí lo están teniendo otros equipos. ¿Cuál es el secreto?
Al parecer, Ferrari se encuentra utilizando unos nuevos intercambiadores de calor especiales en lugar de los radiadores habituales. Pero ¿qué es un intercambiador? Pues realmente es un tipo de radiador. Un intercambiador típico es el radiador de cualquier motor de automóvil. Pero, entonces ¿qué tiene de especial el usado por Ferrari? El secreto está en la geometría. Veámoslo.
Hemos visto con anterioridad la estructura de un radiador convencional. Es un panel más o menos grande y lleno de pequeños tubos que tienen en sus extremos unas aberturas en forma de panal donde pasa el aire cuando el coche está circulando. El líquido, a elevada temperatura, circula por el interior y va calentando las paredes metálicas del radiador que es enfriada inmediatamente gracias a que el aire, que pasa por las aberturas, choca con la pared externa y la enfría. En el proceso, el líquido refrigerante y el aceite van cediendo el calor excesivo poco a poco a medida que va circulando desde un extremo del radiador al otro. Esa es la norma, aunque en la actualidad podemos ver distintos tipos como en la imagen de abajo.
¿Cómo actúa el intercambiador de Ferrari? Por norma, todos los equipos buscan tener mucha superficie en el intercambiador y eso sólo se consigue de dos formas. Una opción es la del caso anterior: muchas aberturas que creaban un sin fin de pequeños tubos donde se realizaba el intercambio de calor por irradiación. La segunda opción es reducir el número de pequeñas aberturas pero los tubos por donde circula el aire sean más largos. Tan sencillo y tan difícil.
Los microtubos, aparentemente de titanio, permiten una mejor refrigeración con una menor área de exposición, un 30% menos de la superficie necesaria para la refrigeración algo que ayuda a reducir el tamaño de las entradas de aire de los pontones y por tanto mejorar la eficiencia aerodinámica del F14 T.
Antes de nada solo quiero comentar una cosa que puede sorprender a más de uno, este sistema de nuevo tiene bien poco. Es un método muy común en la industria por ser muy compacto. En F1 solo hay un precedente. Habría que retroceder hasta finales de los años setenta, concretamente a la pretemporada de 1978 donde se montó en el Brabham BT46 diseñado por Gordon Murray. En aquella ocasión el sistema no consiguió refrigerar convenientemente el Alfa 12 cilindros boxer y se abandonó antes del inicio de la temporada.
Al disminuir el número de panales mejora la aerodinámica ya que los tubos pueden colocarse de forma vertical, curvarse, etc y acoplarse a la perfección a la carrocería. Veamos un esquema del mecanismo y se entenderá más fácil.
En la imagen vemos como en un lado tenemos una válvula por donde entra el elemento que queremos refrigerar con el intercambiador. Ese fluido, aceite, aire o lo que sea entra al sistema con una temperatura elevada por la zona más alejada a la entrada de aire y se pone en contacto con las paredes de los tubos que hay en el interior. Como imaginaréis está hermético para que no se produzcan fugas. Dichos tubos se calientan. Por el lateral empieza a entrar el aire frío que sirve de refrigerante. A lo largó del tránsito del aire por el tubo este se va calentado cada vez más hasta abandonar el sistema. A su vez, el líquido que se quiere enfriar va pasando por el interior del intercambiador hasta salir refrigerado por otra válvula situada en el otro extremo, justo por la zona donde entra el aire.
Como todo en la vida, nada es negro o blanco, siempre hay matices. Analizando el sistema, viendo el tiempo que lleva en el mercado, si a estas alturas de la película no está generalizado su uso es porque milagroso no es. Efectivamente, tiene sus inconvenientes. El principal, su menor eficiencia a la hora de refrigerar los fluidos en comparación con el radiador convencional pero no es el único, el excesivo peso es el segundo punto negativo. Tener un elemento tan compacto y pesado en una posición tan externa y relativamente alta en el coche tiene que generar un desequilibrio importante en el centro de gravedad del monoplaza y si por él transita líquido, aún peor.
¿Para qué se utiliza? La gran pregunta. Hay tres opciones. La primera sería para enfría el motor. La segunda, para los equipos auxiliares del ERS como son las baterías, etc y por último como intercooler. Viendo por la imagen la colocación del intercambiador resulta extraño que esté situado en la posición más externa del pontón. Si pesa mucho, desequilibra el centro de gravedad y es menos eficiente. Lo más lógico sería pensar que se situara justo en la parte más interna del pontón. Recibiría más aire, mejoraría la eficacia y equilibraría mejor los pesos..
Una teoría es que, posiblemente, Ferrari haya optado por montar en su F14 T un intercambiador del tipo aire-agua como paso intermedio para refrigerar el aire del motor, por tanto estaría realizando las funciones de un intercooler. Si así fuera, usaría dos dispositivos para conseguir el efecto. Por un lado tendría un intercambiador que usaría agua para enfriar el aire que va al motor. Esta pieza estaría situada en una posición más baja y ayudaría a mejorar el equilibrio del centro de gravedad del coche. El agua se calentaría como es normal y se enviaría a un segundo intercambiador, el que se ve en los pontones que utilizaría aire para enfriar esa agua.
Este método es mucho más eficiente térmicamente y al estar dividido en dos, una parte se sitúa delante del flujo de aire y la otra puede “esconderse” para beneficio aerodinámico, ahorrando espacio en los pontones y resistencia aerodinámica, pero es una simple teoría.
Realmente nada es perfecto en este mundo. Un F1 es una balanza, hay que ver los pros y los contras. El peso sería el mayor de los problemas pero si se inclina la balanza hacia el lado de los pros el resultado final será óptimo y producirá una mejora para el equipo. Un elemento como este, por si solo no te permite ganar campeonatos pero unido a otras buenas cualidades del coche si puede que lo hagan. Reducir los pontones y la superficie de refrigeración hace que baje la resistencia al avance, permitiéndote ir más rápido ya que el coche se frena menos, pero sobre todo hace que disminuya el consumo.
Si tienes más gasolina que los demás te permitirá exprimir durante más tiempo e intensidad el motor y podrás ir más rápido que los demás. De hecho, los cambio que se introducen en un mismo coche para conseguir la refrigeración máxima en circuitos donde el calor aprieta, con respecto a la refrigeración mínima puede reducir la carga aerodinámica hasta un 5%, lo que se traduce en un déficit de tiempo por vuelta de unos 0,4 segundos en un circuito promedio.
Que Ferrari se haya decidido a instalarlo hace pensar que las necesidades de refrigeración de su unidad de potencia son menores que las de sus rivales y puedan explorar otras variantes. Veremos el resultado a lo largo del campeonato, pero eso será otra historia.
