¿Por qué los automóviles de Fórmula 1 usan motores con muchos cilindros volumétricamente pequeños?

¿Cuál es el beneficio de la Fórmula 1 que usa motores como un 3.0L V8 o un 2.4L V8?

Leí esta discusión de Reddit sobre por qué no es práctico poner motores pequeños de muchos cilindros en autos de producción. Costo principalmente, debido a los muchos componentes adicionales y de mayor calidad que deben incluirse.

Solo porque los equipos de carrera pueden permitirse producir motores como ese, ¿cuál es el beneficio de usar estos motores en lugar de motores de 6 u 8 cilindros con mayor cilindrada?

La respuesta a por qué los equipos de F1 usan cierto desplazamiento del motor y conteo de cilindros no es técnico; se rige por las reglas del deporte.

Puedes ver la historia de los motores de F1 aquí . De la misma fuente, para 2014/2015:

Turbos individuales de 1.6 litros y seis cilindros con recuperación de energía y restricciones de combustible para reemplazar los V8 de 2.4 litros normalmente aspirados, la eficiencia del combustible aumentará en un 35%, la potencia de los sistemas de recuperación de energía se duplicará, la potencia general se mantendrá en aproximadamente 750 CV. )

Los motores de autos de carrera y de alto rendimiento a menudo tienen un mayor número de cilindros en relación con la capacidad general, en comparación con los motores diseñados para optimizar el costo y la confiabilidad sobre el rendimiento final.

Las razones por las que los motores de múltiples cilindros producen más potencia para la misma capacidad cúbica son:

1. Diámetro más pequeño x carrera = pistones más pequeños + bielas más pequeñas + cigüeñal más ligero = menos masa para acelerar en cada carrera = aceleración más rápida / RPM máximas más altas = más potencia = mayor velocidad máxima + aceleración más rápida.
2. Más cilindros = más válvulas = mayor tasa de rendimiento de combustible = mayor potencia de salida.

Las desventajas de los motores de varios cilindros incluyen:

1. Mayor complejidad de fabricación.
2. Mayor gasto.
3. Mayor dificultad de servicio e intervalos más cortos entre servicios.
4. Mayor complejidad y dificultad para configurar y ajustar el motor para optimizar el rendimiento.
5. Fiabilidad y robustez reducidas.

Hoy en día, hay regulaciones de confiabilidad bastante estrictas en la Fórmula 1 y hay penalidades para los equipos que tienen que reemplazar demasiados motores en una temporada para controlar los costos, pero como principio general, el motor ideal para autos de carrera es uno que se desintegra inmediatamente después de cruzar el motor. ¡línea de meta!

Por supuesto, es imposible diseñar un motor que sea preciso, pero históricamente encontrará que los motores de carreras son extremadamente fuertes cuando se usan dentro de su envoltura de diseño prevista (por ejemplo, reconstrucción completa cada pocas docenas de millas, desechados después de unos pocos miles de millas) pero tienden a explotar arriba espectacularmente si exceden el sobre por una pequeña cantidad. (p. ej. si está bajo mantenimiento, exceso de velocidad, etc.)

La razón de esto es una combinación de ahorro de peso + tratar de extraer la potencia de salida máxima absoluta y también el resultado del compromiso entre esos dos objetivos y la confiabilidad. El éxito de los autos de carrera puede depender de los márgenes más pequeños. Si su automóvil es consistentemente 0.1 de segundo más rápido que su rival más cercano en una pista en particular, entonces eso equivale a una ventaja de 5 segundos al final de una carrera de 50 vueltas. Es por eso que los diseñadores de autos de carreras intentarán usar cualquier medio posible disponible para que sus autos sean un poco más rápidos.

El peso también es increíblemente importante en un auto de carreras. Puede pensar que ahorrar 1 gramo de peso en un componente no haría ninguna diferencia, pero si puede ahorrar 1 gramo en cada uno de los 1000 componentes de un automóvil, entonces ha ahorrado un total de 1 kilogramo, que en una carrera ligera coche, puede hacer un aumento de rendimiento medible. En un automóvil de carreras, un motor V16 puede ser más costoso, más complicado y menos confiable que el V8 de la misma capacidad, pero todas las demás cosas son iguales, si pesa un 2% menos y produce un 2% más de potencia y sigue siendo lo suficientemente confiable para terminar las carreras, y el equipo tiene el presupuesto para construirlo y ejecutarlo, luego (si las regulaciones lo permiten) lo van a usar.

El motor no es el único componente en un automóvil de carreras, pero es uno de los más importantes para determinar el rendimiento final del automóvil. En la Fórmula 1, el costo agregado y la complejidad de los motores de múltiples cilindros son muy superiores a su ventaja de rendimiento sobre una misma capacidad, por ejemplo, la recta 4.

En la Fórmula 1 moderna hay muchas regulaciones complejas, que rigen el diseño del motor, la confiabilidad, la recuperación de energía, el consumo de combustible, el peso total de los automóviles, etc., y la cantidad de cilindros y el diseño permitidos a veces pueden definirse por la regulación en lugar del rendimiento, pero en en general, un motor de muchos cilindros bien diseñado y construido tendrá un rendimiento de la misma capacidad, pero con menos cilindros.

Además de la respuesta de @Andrew Kerr: para una capacidad de motor dada, agregar más cilindros aumenta la potencia máxima.
Pero también aumenta las pérdidas en varias áreas:

• Más partes móviles significa más fricción.
• cilindros más pequeños significa que la proporción de volumen versus área de pared disminuye, por lo que aumentan las pérdidas de calor.
• Existe una posible pérdida de fiabilidad en las piezas móviles adicionales.
• más cilindros a menudo también significa un bloque de motor más largo, lo que dificulta la construcción de un bloque que no se flexione cuando se usa como parte estructural (como es habitual en la Fórmula 1).
• Con más de 12 cilindros, se hace difícil construir un cigüeñal que sea lo suficientemente fuerte. Algunos motores de 8 cilindros en línea usaban un engranaje en el medio del cigüeñal para transmitir potencia al embrague y la caja de cambios.

Esto significa que hay un número óptimo de cilindros para una capacidad dada. En 1989, la Fórmula 1 prohibió los motores turboalimentados y exigió un motor de 3.5 litros con aspiración natural. El número de cilindros se limitó a 12.
Varios fabricantes utilizaron computadoras para encontrar el número óptimo de cilindros y construyeron motores V10. Resulta que, a esa capacidad, un V12 sería menos potente que un V10.

Ah, y la razón # 1 para no usar motores de muchos cilindros en autos pequeños: el consumo de combustible aumenta con la cantidad de cilindros.

Y específicamente a la última parte de la pregunta:

Solo porque los equipos de carrera pueden permitirse producir motores como ese, ¿cuál es el beneficio de usar estos motores en lugar de motores de 6 u 8 cilindros con mayor cilindrada ?

La Fórmula Uno y otras clases de carrera tienen un límite estricto de desplazamiento. Esto se hace para limitar la potencia del motor, lo que se hace para mantener el rendimiento por debajo de los límites de diseño de los circuitos que usan (cuanto más rápido es un auto de carrera, más grande es necesario para hacer las áreas de escorrentía).