Como funciona a ciência por trás do combustível da F1

O atual motor da Fórmula 1 é um modelo de eficiência igualado apenas, e surpreendentemente, por alguns enormes motores a diesel marítimos. Em termos de pequenos motores a gasolina, o F1 V6 está significativamente à frente de qualquer coisa encontrada na estrada ou na pista de corrida. A forma como isso é feito é inovadora e relevante, pois o futuro do motor de combustão interna vai além de algumas projeções de seu fim iminente.

Sempre houve um truísmo no projeto de motores da F1 de que o segredo do desempenho era colocar o máximo de ar possível no motor em um determinado tempo e, em seguida, adicionar a quantidade adequada de combustível e queimá-lo de forma completa e eficiente.

A obtenção do máximo de ar no motor era geralmente obtida por meio de um bom fluxo de gás e ajuste do sistema de admissão, aumentando as rotações do motor ou turbocompressor. Em termos de combustão, a proporção de ar para combustível na qual ocorre a combustão completa é conhecida como proporção estequiométrica e, no caso da gasolina, é cerca de 14,7 vezes a massa de ar para combustível. A potência máxima era geralmente produzida quando a mistura era ligeiramente rica, em outras palavras, a proporção era ligeiramente menor.

Os regulamentos introduzidos em 2014 inverteram essa filosofia, determinando que o fluxo de combustível fosse limitado a 100 kg/hora, cerca de 60% do fluxo dos motores V8 de 2,4 litros anteriores. Ao mesmo tempo, a turboalimentação foi reintroduzida e a injeção direta de combustível foi permitida. Isso levou a uma reformulação completa do projeto do motor.

O jogo agora seria ver o quanto eles poderiam operar um motor, em outras palavras, o oposto do pensamento anterior, e operar uma mistura que tivesse excesso de ar em vez de combustível.

Pode parecer uma mudança simples, mas o problema é que as misturas magras são difíceis de inflamar de forma controlada e queimam muito lentamente. O ideal é que, quando a vela de ignição dispara, ela inicia um processo de queima controlada (não uma explosão, como muitos pensam) que se espalha rapidamente da vela para o pistão e as paredes do cilindro.

Uma mistura pobre não só é difícil de acender quando necessário, mas também, como a combustão resultante é mais lenta, as temperaturas de combustão permanecem mais quentes por mais tempo, reduzindo a eficiência e aumentando a propensão à pré-ignição e a danos térmicos graves.

Os carros de F1 não precisam mais reabastecer no meio da corrida, e a composição do combustível em si também é muito diferente desde que as regras do turbo híbrido foram introduzidas em 2014

Foto de: Sutton Images

A reintrodução do turboalimentador significava que não era um problema real introduzir quantidades excessivas de ar no motor, mesmo em velocidades de motor bastante baixas, mas ainda havia o problema da ignição. A solução estava em uma modificação na vela de ignição que foi chamada de ignição passiva pré-câmara.

Esse projeto coloca uma pequena câmara, com alguns pequenos orifícios, sobre os eletrodos da vela de ignição. Essa câmara terá cerca de 2% do volume total de compressão. Quando a injeção de combustível é iniciada, uma pequena quantidade é empurrada para dentro da câmara, resultando em uma mistura localmente rica, facilmente inflamada pela faísca.

Uma vez inflamada, a mistura é ejetada pelos mesmos pequenos orifícios como um jato altamente reativo de radicais que penetram profundamente na câmara de combustão, criando uma fonte de ignição distribuída de alta energia para a mistura principal. A alta energia de ignição, aliada a vários locais de ignição, compensa a taxa de queima lenta normalmente associada à combustão pobre, resultando em uma fase de combustão otimizada e em uma grande melhoria na eficiência máxima.

O etanol, por conter oxigênio, melhora o valor antidetonante do combustível, mas, nessa concentração, talvez só elevasse a octanagem de cerca de 104 para 104,2

Outra técnica usada em um motor de F1 é fechar a válvula de admissão antes que o pistão atinja a parte inferior do seu curso, no que é chamado de ciclo Miller. Ao separar a taxa de compressão termodinâmica da taxa de compressão geométrica, a taxa de expansão excederá a taxa de compressão, permitindo um aumento na eficiência ao custo de turbulência reduzida e combustão mais lenta. No entanto, isso proporciona um ganho geral.

É claro que, embora o sistema de combustão seja projetado para extrair o máximo de energia do combustível, o próprio combustível tem uma importância de primeira ordem. Antes de 2022, os regulamentos exigiam que 5,75% do combustível fosse composto por biocomponentes.

Em geral, os fornecedores de combustível usavam isooctano ou isoocteno de origem biológica para cumprir essa regulamentação. O iso-octano tem um alto conteúdo de energia química conhecido como valor de aquecimento mais baixo (LHV), uma propriedade de importância significativa quando o fluxo de massa de combustível é limitado. O isoocteno, que tem uma ligação química dupla, contendo, portanto, menos hidrogênio, tem um LHV um pouco menor, mas melhor resistência à batida.

Em 2022, os regulamentos alteraram o requisito não específico de 5,75% de bioconteúdo para um teor específico de 10% de etanol. O etanol, por conter oxigênio, melhora o valor antidetonante do combustível, mas, nessa concentração, talvez só levasse a octanagem de cerca de 104 para 104,2; no entanto, ele tem um efeito mais significativo sobre o LHV, reduzindo-o entre 2,5% e 3%, com um efeito direto e proporcional sobre a potência do motor.

O conteúdo sustentável do combustível da F1 tem aumentado constantemente nos últimos anos e não mostra sinais de desaceleração

Foto de: Shell Motorsport

Em 2026, haverá uma mudança no motor e no combustível. O motor pode perder o pico de eficiência devido à remoção do MGU-H, o dispositivo que recupera a energia do escapamento que, de outra forma, seria perdida como calor. Além disso, o combustível deve ser sustentável e haverá um aumento na concentração de oxigenados de 10% para cerca de 20% do volume (por equivalência de etanol). Também é exigido um LHV máximo de 41megajoules/quilograma, cerca de 5% menor do que o alcançado atualmente, o que pode levar a uma redução na eficiência.

Nova guerra de combustível que está ocorrendo com a chegada da revisão de 2026 da F1

Como o limite de fluxo de combustível regulamentado mudará de fluxo de massa para fluxo de energia em 2026, o LHV em si não terá mais um impacto direto no desempenho do motor. De fato, podemos descobrir que os combustíveis com um LHV mais baixo melhoram a resistência à batida e a taxa de queima em alguns conceitos de motor. Entretanto, o LHV ainda será uma consideração importante quando um combustível for otimizado para um determinado pacote de PU/chassi.

Uma coisa é certa. Assim como a tecnologia de quatro válvulas, a injeção de combustível e os eixos de comando de válvulas passaram dos motores de corrida para os motores de produção convencionais, os recursos avançados de combustão da atual unidade de potência da F1 (bem como os combustíveis avançados) também contribuirão para aumentar a eficiência dos sistemas de transporte que dependem do motor de combustão interna.

Os avanços tecnológicos usados nos combustíveis que alimentam os carros de F1 certamente chegarão ao uso regular nas estradas

Foto de: Mark Sutton

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