How Design Formula One

Novedades F1 2014


 Novedades 2014 y Prestaciones del Motor F1 del 2014

Fórmula 1 de 2014    Novedades técnicas

jasf1961-Wordpress Formula Uno 2014

jasf1961-Wordpress Formula Uno 2014

Caja de cambios: pasan de 7 a 8 marchas. The number of forward gear ratios must be 8.

Peso mínimo del coche: (coche + piloto) se incrementa de 642 kg a 685 kg. The weight of the car, without fuel, must not be less than 685 kg at all times during the Event. The weight applied on the front and rear wheels must not be less than 311kg and 366kg respectively at all times during the qualifying practice session.

Escapes: un solo tubo de escape, que estará en el centro y que tendrá un ángulo menor de 10º para evitar el efecto aerodinámico. Además, no se podrá colocar carrocería detrás del tubo de escape.

Alerón delantero: se reduce su anchura de 1.800 mm a 1650 mm.

Alerón trasero: la aleta principal será menos profunda y se elimina el ala inferior, que va a la altura de la luz.

Materiales: Se prohíben, en general, los caros:

a) Magnesium based alloys.

b) Metal Matrix Composites (MMC’s).

c) Intermetallic materials.

d) Alloys containing more than 5% by weight of Iridium or Rhenium.

e) Copper based alloys containing more than 2.75% Beryllium.

f) Any other alloy class containing more than 0.25% Beryllium.

g) Tungsten base alloys.

h) Ceramics and ceramic matrix composites

Se permiten, en general, los habituales en turismos: iron based alloy (aleaciones de acero) y Aluminium, Iron, Nickel, Cobalt or Titanium en válvulas, ya que sufren mucho.

Motor : El Renault Energy F1 suministrará alrededor de 600 CV.

  • 6 cilindros  1600 cc        V6  a  90º
  • Límite de revoluciones:  n = 15.000 rpm
  • Diámetro Máximo Pistón:  Dp = 80 mm
  • Número de válvulas: 4 por cilindro, 2 de admisión y 2 de escape
  • Inyección directa:  Presión <  500 bar
  • Límite del consumo de combustible:  ṁc < 100 kg/h
  • TurboCompresor: Único turbo de geometría NO Variable, presión ilimitada.
  • Altura del cigüeñal: 90 mm
  • Puntos fijos de montaje con el cockpit y la caja de cambios, mediante 12 tornillos M12. Power unit mountings may only comprise six M12 studs for connection to the survival cell and six M12 studs for connection to the transmission.

En 2014 cada equipo dispondrá de 5 unidades de estos motores por monoplaza. A partir de ese número, cualquier cambio de propulsor llevará sanción asociada. Por tanto, los motores deberán cubrir más kilómetros que los actuales así que la fiabilidad será todavía más importante. Los motores ofrecerán un par motor superior, especialmente en la salida de las curvas: coches con más potencia que adherencia en las salidas de las curvas.

Los pilotos tendrán que gestionar, además de Neumáticos, DRS,  Reparto Frenada, Mapa Motor, Bloqueo del Diferencial, Radio y otros botones/reguladores cuya función no consigo memorizar… el consumo de combustible y el nuevo ERS que dura 33 segundos cada vuelta (el KERS 2013 dura 7 segundos). Se rumorea que Ecclestone y la FIA quieren que, en las rectas, entre botón y botón firmen fotos para repartirlas como autógrafos, por bien del espectáculo… (los pilotos se defienden : con guantes las firmas salen mal). Ya veremos.

 

MGU: Motor Generator Unit. Es un motor/alternador eléctrico.

El grupo motor, Power Unit, de 2014 alberga dos MGU.

Cuando el piloto NO acelera o frena (retiene con el motor), el MGU funciona como alternador conviertiendo la energía mecánica en energía eléctrica, frenando el monoplaza.

Cuando el piloto acelera y lo activa pulsando un botón: funciona a modo de motor eléctrico, el MGU convierte la energía eléctrica en energía mecánica.

La energía recuperada (cinética de los gases de escape y/o la energía mecánica del cigüeñal) pueden consumirse inmediatamente o bien utilizarse para cargar el Energy Store.

 

El concepto de motor tal como lo conocemos hoy en día (Motor de Combustión Interna Alternativo, MCIA) se queda obsoleto y pasamos a un conjunto llamado Power Unit, PU, que está compuesto por:

Power Unit = Motor de Combustión Interna Alternativo + Energy Recovery System

PU : The internal combustion engine, complete with its ancillaries, any energy recovery system and all actuation systems necessary to make them function at all times.

The overall weight of the power unit must be a minimum of 145 kg.

 

 ERS: Energy Recovery System. Es el sistema de recuperación de energía

Además de sistemas electrónicos de alimentación y control, está compuesto por:

Energy Recovery System = Energy Store + Kinetic Motor Generator Unit + Heat Motor Generator Unit

 ES: Es el almacén de energía, Energy Store, baterías.

MGU-K (recuperación de la energía en el cigüeñal durante la frenada/retención del motor, es un KERS).

 MGU-H (Es un alternador solidario con el turbocompresor para la recuperación de energía del escape).

 

MGU-K (recuperación de la energía en el cigüeñal durante la frenada/retención del motor, es un KERS).

Está conectado al cigüeñal del motor y es capaz de:

recuperar energía                       Ẇinput        <    1.000 kw                                  <   1.360 CV                                   según el reglamento.

Suministrar energía                   Ẇoutput     <  120 kW x 33 s/Lap                  <  163 CV x 33 s/Lap                según el reglamento.

El MGU-K es un sistema KERS conectado al cigüeñal. Su funcionamiento responde a la recuperación de energía en fases de retención y frenada, permitiendo aumentar la potencia del conjunto moto propulsor a través de un extra de 163 CV, durante 33 segundos cada vuelta.

The Kinetic Motor Generator Unit, MGU-K, is the electrical machine mechanically linked to the drive train as part of the ERS. The MGUK must be solely and permanently mechanically linked to the powertrain before the main clutch. This mechanical link must be of fixed speed ratio to the engine crankshaft.

 

MGU-H (Es un alternador solidario con el turbocompresor para la recuperación de energía del escape).

Es un alternador, conectado solidariamente al eje del turbocompresor, que absorbe parte de la potencia del eje de la turbina para recuperar la energía de los gases de escape y la transforma en electricidad.

La energía del turbo se utiliza para accionar el compresor y el MGU-H, ya que los tres son solidarios:

Los gases de escape salen a alta Temperatura y velocidad y hacen girar la turbina a nturbo = 125000 rpm y   diámetro turbo ∅ < 50 mm

Parte de la potencia la utiliza el compresor en aumentar   P,  ρ, T   ( P = ρ R T ,   lo que interesa es aumentar ρ del aire de la admisión, la T sube pero interesa bajarla: intercooler si lo permitiera la FIA).

El resto de potencia la utiliza el alternador MGU-H para generar electricidad, que:

  •  (NO acelerando) se almacena en la batería ES
  •  (acelerando + ¿botón?) se manda al motor/alternador MGU-K que actúa como motor eléctrico

La tardía respuesta del turbo, sobre todo a bajas rpm, es un problema. De esta forma se independiza la recuperación de energía de su aprovechamiento, es decir, el input y el output son independientes y por tanto, la respuesta al acelerador debe ser inmediata, por lo menos en teoría.

The Heat Motor Generator Unit, MGU-H, is the electrical machine linked to the exhaust turbine of a pressure charging system as part of the ERS. The MGU-H must be solely mechanically linked to the exhaust turbine of a pressure charging system. This mechanical link must be of fixed speed ratio to the exhaust turbine and may be clutched.

The rotational speed of the MGU-H may not exceed 125,000rpm.

Pressure charging may only be effected by the use of a sole single stage compressor linked to a sole single stage exhaust turbine by a shaft assembly parallel to the engine crankshaft and within 25mm of the car centre line. The shaft must be designed so as to ensure that the shaft assembly, the compressor and the turbine always rotate about a common axis and at the same angular velocity, an electrical motor generator (MGU-H) may be directly coupled to it.

jasf1961-Wordpress Formula Uno 2014 Power Unit Energy Flow

jasf1961-Wordpress Formula Uno 2014 Power Unit Energy Flow

Prestaciones del Motor F1 del 2014 según  F1_TECHNICAL_REGULATIONS_-_Published_on_20.07

Prestaciones del Motor F1 del 2014 según  2014-F1-TECHNICAL-REGULATIONS-11121  (Actualización)

La relación del compresor ε apenas cambia (1,51 a 1,53) al cambiar las rpm de 8.000 a 15.000, obteniendo una presión de admisión de 180.000 Pa    ≈ 1,8 bar       con una densidad del aire en la admisión de  ρadm ≈ 1,8 kg/m3

jasf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Datos Formula One 2014

jasf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Datos Formula One 2014

 

jasf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Prestaciones Formula One 2014

jasf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Prestaciones Formula One 2014
jasf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Prestaciones Formula One 2014 a 10.500rpm

jasf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Prestaciones Formula One 2014 a 10.500rpm

El consumo de combustible es menor de los 100 Kg/hora como estipula el reglamento la FIA.

Para 15.000 rpm el depósito de combustible debe ser de 130 kg ≈ 176 litros

Para 11.000 rpm, media en carrera, el depósito de combustible debe ser de 98 kg ≈ 132 litros

asf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Prestaciones Formula One 2014 según rpm

asf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Prestaciones Formula One 2014 según rpm

 

jasf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Prestaciones Formula One 2014 gráficos

jasf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Prestaciones Formula One 2014 gráficos

jasf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Prestaciones Formula One 2014 ecuaciones

jasf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Prestaciones Formula One 2014 ecuaciones

jasf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Par Motor Formula One 2014 a 10.500 rpm

jasf1961-Wordpress Motor MCIA MEC Par Motor Formula One 2014 a 10.500 rpm

Análisis CFD del monoplaza 2014:

F1 CFD 2014

F1 CFD 2014

Hacemos simulaciones para v = 40 – 50 – 65 – 75 – 85 m/s. Para cada velocidad nos marcamos unos objetivos de valores totales de FD y FL, que hemos calculado en función del consumo de combustible, potencia del motor, coeficiente de rozamiento μ, fuerzas G en curvas y frenadas.                                  jasf1961@wordpress.com

Anotamos los valores de Drag Force FD, Lift Force FL y área proyectada Axz (aeronáutica) o Ayz (mecánica), para cada zona: alerones, ruedas y bodywork y calculamos los coeficientes respectivos CD y CL y su relación Ea = FL / FD = CL / CD, para cada una de las velocidades de la simulación.

Luego sumamos los valores parciales de cada componente para obtener los totales.

La gráfica de conos muestra FD y FL para cada componente: alerones, ruedas (Wheel Front y Wheel Rear), BodyWork

F1 CFD 2014 Resultados

F1 CFD 2014 Resultados

A partir de aquí solo anotamos los resultados de todo el monoplaza sin analizar los elementos (alerones, ruedas, etc) por separado. Utilizaremos la nomenclatura de la mecánica : el área Ayz, los coeficientes Down CY, Drag CX.

El análisis lo hacemos con el DRS cerrado y para el DRS abierto restamos las diferencias ΔFL y ΔFD obtenidas del CFD de los alerones traseros (ver Alerones):

F1 CFD 2014 Comparativa Alerones

F1 CFD 2014 Comparativa Alerones

Con el CFD también analizamos el flujo másico de la admisión y del escape, este último función de la temperatura:

esc = 0,395 kg/s   a   T =916 K   a  alta  velocidad

F1 CFD 2014 Temperatura Escape

F1 CFD 2014 Temperatura Escape

F1 2014 Motor Renault

F1 2014 Motor Renault

F1 2014 Motor

F1 2014 Motor

 

F1 2014 Motor Mercedes 3D

F1 2014 Motor Mercedes 3D

 

Renault’s turbocharged V-6 engine for the 2014 Formula One season

Renault’s turbocharged V-6 engine for the 2014 Formula One season

 

jasf1961-Wordpress F1 2014 Diseño para CFD

jasf1961-Wordpress F1 2014 Diseño para CFD

El consumo de combustible es menor de los 100 Kg/hora como estipula el reglamento la FIA.

Para 15.000 rpm el depósito de combustible debe ser de 130 kg ≈ 176 litros

Para 11.000 rpm, media en carrera, el depósito de combustible debe ser de 98 kg ≈ 132 litros

MGU-K (recuperación de la energía en el cigüeñal durante la frenada/retención del motor, es un KERS).

Está conectado al cigüeñal del motor y es capaz de recuperar y suministrar energía.

The maximum torque of the MGU-K may not exceed 200Nm. The rotational speed of the MGU-K may not exceed 50.000rpm.

Ẇinput  < M ⍵ < 200 Nm * 50.000 rpm * 2 * 3,14 /60 < 1.046.666 w  ≈ 1.000 kw = 1 Mw        jasf1961@wordpress.com

Recuperación de energía:                          

En un circuito con valores medios de 15 curvas por vuelta y 3 frenadas por vuelta a velocidad media de

v = 250 Km/hora ≈ 70 m/s  la fuerza de frenado de las ruedas traseras es de ≈ 10.000 N (ver gráfico)

a) v = 250 Km/hora ≈ 70 m/s  =>   Ẇinput = F v = 10.000 * 70 = 700.000 w = 700 kw   < 1.000 kw    OK

b) v = 317 Km/hora ≈ 88 m/s  =>  Ẇinput = F v = 14.400 * 88 = 1.270.000 w = 1.270 kw            > 1.000 kw    OK (incumpliría la norma de la FIA)

Aparte del reparto de frenada, el MGU-K (KERS) debe diseñarse para que no bloquee las ruedas traseras, ya que si se diseña para el caso b) Ffre = 14.400 N, además de incumplir el reglamento de la FIA, entonces bloquearía las ruedas traseras en el caso a).

Winputfrenada < 2 MJ / lap < 2.000 kJ / lap            =>     para   a) v = 250 Km/hora ≈ 70 m/s  =>            Ẇinput = 700 kw

t = W / Ẇ = 2.000 kJ / 700 kw = 2,8 s       frenando en cada vuelta para cargar el ERS

y si hay ≈ 3 frenadas por vuelta       =>     tfrenada = 0,9 s en cada frenada.

Pero las frenadas pueden ser más breves y aunque el MGU-H también ayude a cargar el ERS, habrá que diseñarlo al límite, por si acaso (es mejor que sobre energía recuperada a que falte).

α = ⍵ / t = 50.000 rpm * 2 * 3,14 /60 / 2,8 s = 1.869 rd/s2

I = M / α = 200 Nm / 1.869 rd/s2 = 0.10 kg m2

Si hicierámos el MGU-H KERS cinético con un disco macizo:

I = ½ m R2  =>      si         m ↧     =>      R ↥

Para  m = 5 kg      =>      R = 0,200 m = 200 mm                        monstruoso

Para  m = 10 kg    =>      R = 0,141 m = 141 mm                        demasiado grande para un Fórmula 1

y además no aprovecharía la electricidad del MGU-H

Si hacemos el MGU-H KERS alternador/motor eléctrico:

The maximum peak voltage on the car must never exceed 1000V.

Ẇ = V I         =>      I = Ẇ / V = 700.000 w / 1000 v = 700 A

Suministro de energía:

Ẇoutput < 4 MJ / lap < 4.000 kJ / 33 s     ≈        120 kW       =         163 CV  (durante 33 segundos por vuelta)

4 comentarios

  1. El calculo que me habían hecho daba unos potenciales 625cv
    En este caso, el mayor handicap para aumentar la potencia, está, si no me equivoco, en el límite de flujo de combustible (100Kg/h)
    Vistos tus calculos de consumo, y visto que en carrera no se pueden consumir más de 100Kg de combustible, creo que vamos a ver motores que funcionarán a bajas RPM. 11.000-12.000 como mucho.

    Un apunte que no te he leido:
    Habrá 8 marchas, que serán FIJAS para todo el año (solo es posible un cambio en la relación en 2014)
    Para 2015, ese cambio no es posible, y la relación de 8 marchas será para toda la temporada.

    12 diciembre, 2013 en 23:28

  2. Reblogueó esto en El Abuelo F1y comentado:
    Para los amantes de los numeros.. os dejo este artículo de JASF1971, sobre la F1 que nos viene.

    AVISO: No es texto sencillo de leer… y contiene matemáticas.

    12 diciembre, 2013 en 23:32

  3. Dejo este comentario tras leer hoy varios datos que me han sorprendido

    1º: Mercedes busca conseguir un rendimiento termico del 40%
    2º: El motor V8 de 2013 tenía un rendimiento del 30%
    3º: 700cv es la cifra que dan para el motor Mercedes desde alemania

    PD: Flujo de energía.
    El ERS-K puede usarse 33s usando las baterias.. y toda su potencia, 120Kw
    Puede usarse durante 66s usando las baterías.. y la mitad de potencia.

    En algunos circuitos, puede usarse el ERS-K durante la vuelta, siempre que el acelerador esté al 100%
    Ejemplo, Montmeló. El acelerado se usa al 100% durante el 57% de la vuelta. Unos 49s.
    Usando el ERS-K a 110cv, se puede usar durante esos 49s.

    Aparte, puede usarse energía adicional del ERS-H sin limite.. lo que permitiría más tiempo de uso del ERS-K

    7 febrero, 2014 en 3:48

  4. Antonio

    No sé si serán 33 s a plena potencia (120kw) ó 66 s de 60 kw. En el videojuego de F1 del 2012 que tengo es a plena potencia, unos 7 s.
    En cualquier caso:
    el MGU-H (Es un alternador solidario con el turbocompresor para la recuperación de energía del escape),
    que carga las baterias, al igual que
    el MGU-K (recuperación de la energía en el cigüeñal durante la frenada/retención del motor, es un KERS).
    pero no afecta a la norma de la FIA del máximo almacenamiento permitido.
    Quiero decir que en las curvas no necesitas más potencia de la que te ofrece el motor (vas sobrado) y acelerando, aunque estés a tope 60 s por vuelta, en 1ª y 2ª también vas sobrado (patinarían las ruedas). Es decir cuando quieres que el coche corra a tope (para acercarte a otro en una recta o adelantarlo) te interesa tener cuanta más potencia disponible mejor.
    En el 2012 y 2013 tenías kers durante 7 s (hablo de cabeza) y en el videojuego notas el empuje pero te gustaría tener más.
    Ahora el motor al ser más pequeño y a menos revoluciones, tendrá menos potencia y para aumentarla se usa este kers,
    En definitiva se trata de tener motores de potencia parecida con menor consumo y eliminando la tardía respuesta de los turbo, que si bien en motores diesel utilitarios no complica la conducción, si lo hace en los motores de gasolina y más en los deportivos ( el renault 5 copa turbo, por ejemplo, llegabas a un semáforo frenando y el cabrón del turbo entraba en acción y te estampanabas con el coche de adelante).
    Decia un expiloto de F1 (Fitipaldi o similar) que lo ideal será un motor con la potencia del turbo y la facilidad de conducción del atmosférico.

    Saludos

    10 marzo, 2014 en 16:06

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