Motores em Engenharia Mecânica A Evolução do Motor na Fórmula 1 FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA Unidade Curricular: Projeto FEUP Supervisora: Teresa Duarte Monitor: José Sarilho Elaborado por: Diogo Filipe de Almeida Romano - 201404524 Luís Tiago Faria de Queirós - 201403625 Manuel Francisco Pereira Sousa Pinto - 201403772 Maria João Margarido Rodrigues - 201403821 Nelson Diogo Dias Silva - 201403589 Pedro Miguel Nascimento de Sá Pereira – 201404151 Resumo Este trabalho foi realizado no âmbito da unidade curricular Projeto FEUP, do curso de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Esta cadeira pretende promover a integração dos diferentes alunos, provenientes das mais variadas cidades e regiões e ainda desenvolver a dinâmica e a cooperação entre os mesmos. Para além disso esta unidade curricular permitiu-nos aprofundar os nossos conhecimentos relativos à realização de pósteres, relatórios científicos e apresentações, o que será muito importante ao longo de todo o curso. O principal objetivo era explicar a evolução do motor de Fórmula 1. A Fórmula 1 configura se como um importante laboratório, onde milhões de dólares são investidos anualmente em pesquisas e desenvolvimento de novas tecnologias e onde grandes ideias se convertem em soluções inovadoras. O projeto tem, então, início com uma breve explicação do que é um motor de combustão interna, bem como o seu funcionamento. De seguida, fez-se uma introdução à Fórmula 1 e a evolução do motor utilizado neste desporto automóvel. Este era o principal objetivo do relatório e como tal, fez-se uma análise específica sobre os constituintes dos motores desde 1950 até 2014 (o motor atual). Por fim, fez-se uma comparação entre os motores de Fórmula 1 e motores de carros de uso comum e diário, de forma a perceber o que torna tão potente um carro de corrida em relação ao carro normal e também a pesquisa de alguns projetos mal sucedidos, para ir de encontro à ideia da ambição desmedida que, por vezes, leva estes engenheiros mecânicos ao insucesso. Conclui-se então que os motores são parte integral da Fórmula 1 e que a incessante tentativa de melhorar o motor e torná-lo mais potente é um dos maiores desafios deste desporto. 2 Agradecimentos Gostaríamos de agradecer a todos que, de alguma forma, contribuíram para a realização deste projeto, salientando a sua importância para o sucesso do mesmo. À professora Teresa Duarte, supervisora da unidade curricular Projeto FEUP no Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica, por todas as observações, por todos conselhos e ainda por toda a sua disponibilidade que se revelaram essenciais para a elaboração deste trabalho. Ao nosso monitor José Sarilho, que sempre nos acompanhou, contribuindo com várias ideias e sugestões para o nosso relatório. 3 Índice 1. Glossário............................................................................. 5 2. Introdução………………………………………………... 7 3. O que é um motor?.............................................................. 8 3.1. O motor de combustão interna..................................... 8 3.2. Como funciona?............................................................ 9 3.3. Força motriz………………………………………… 10 4. Um pouco de História…………………………………... 11 5. Evolução do motor de Fórmula 1……………………….. 15 6. Fórmula 1 em Portugal………………………………….. 25 7. Regulamentos impostos em 2014………………………..26 8. O motor atual e o seu funcionamento…………………... 28 9. O motor de Fórmula 1 e o de um carro comum………… 30 10. Projetos mal sucedidos………………………………… 32 11. Curiosidades na Fórmula 1……………………………..34 12. Conclusões……………………………………………...35 13. Lista de referências bibliográficas……………………...36 14. Lista de imagens………………………………………..38 4 1. Glossário Cilindrada (V) Quando o êmbolo desce desde o Ponto Morto Superior (PMS) até ao Ponto Morto Inferior (PMI) varre o volume correspondente a um cilindro cuja base é a sua área circular, de diâmetro D, e a altura é o curso do êmbolo C. Este volume é denominado volume varrido ou cilindrada. A soma da cilindrada de todos os cilindros é designada cilindrada do motor. [1] V = n×C×D2×(π/4) π ≈ 3,14 n - número de cilindros do motor. C - curso do êmbolo D - diâmetro do cilindro Potência (P) Para a compreensão do conceito de potência, vamos introduzir primeiro a noção de trabalho. O trabalho (W) é uma forma de transferência de energia associada à ação de uma força ao longo de uma distância. A sua equação de definição é: W = F×d, em que F é a força aplicada e d a distância percorrida pelo ponto de aplicação da força. O conceito de potência é usado para descrever a quantidade de trabalho que foi realizado num determinado intervalo de tempo ou seja: P = W/∆t onde ∆t é o intervalo de tempo e W o trabalho. [2] 5 Binário Chama-se binário a um conjunto de duas forças paralelas, com a mesma intensidade e com sentidos opostos, aplicadas a um sistema rígido fixo por um ponto central (fulcro). As forças são aplicadas à mesma distância do fulcro. O binário pode então ser definido como sendo o esforço (através da aplicação de uma força) que tende a movimentar um determinado corpo, ou sistema rígido, em torno de um eixo de rotação. O binário motor é o binário responsável pela rotação da árvore de manivelas (cambota) do motor. No caso concreto de um motor em funcionamento tem-se o seguinte: a pressão criada devido ao processo de combustão no interior do cilindro produz uma força sobre a coroa do êmbolo. Esta força durante o tempo de expansão (tempo motor) é aplicada à biela e transmitida por esta à manivela da cambota fazendo-a rodar. Ao esforço de rotação assim criado dá-se o nome de binário motor. O binário (T) é medido por um freio dinamométrico e produto deste valor pela velocidade de rotação dá-nos a potência útil. [3] PU = (2×π×N×T)/60 → T = (60×PU)/(2πN) PU – potência útil (W) N – número de rotações por minuto (rpm) T – Binário (Nm) No Sistema Internacional o binário é expresso em Nm (Newton × metro) 6 2. Introdução A Fórmula 1 é uma das modalidades de automobilismo mais popular do mundo. É a categoria mais avançada de desporto a motor e é regulamentada pela Fédération Internationale de l'Automobile (FIA), com sede em Paris, França. O campeonato de F1 consiste numa série de corridas, conhecidas como “Grand Prix” que são normalmente realizadas em pistas ou em ruas fechadas das cidades. Sendo o prémio com maior prestígio o Grande Prémio de Mónaco, em Monte Carlo. Os resultados das sucessivas corridas são somados e definem dois campeões: os pilotos e os construtores. Este relatório foi realizado no âmbito da unidade curricular de Projecto FEUP. O tema proposto para toda a turma foi “Os Motores na Engenharia Mecânica”. Dentro deste decidimos abordar a evolução dos motores na Fórmula 1. A Fórmula 1 é, para nós um desporto que desperta muito interesse, pois para além da parte técnica do funcionamento do motor tem também um carácter lúdico associado à competição e ao desporto em si. Consideramos que seria um tema aliciante e de interesse para um público jovem. Pretendemos assim, neste trabalho abordar tópicos como: o funcionamento do motor de Fórmula 1, a sua evolução cronológica, as limitações devido as alterações dos regulamentos, o motor atualmente e algumas curiosidades do desporto. 7 3. O que é um motor? Um motor é “o que produz movimentou ou dá impulso; agente; toda a potência ou força que imprime movimento a uma máquina”. [4] Os motores podem ser de diferentes tipos existem motores térmicos, elétricos, hidráulicos e turbina a gás. Os motores utilizados em Fórmula 1 são, assim como nos restantes automóveis, motores térmicos (têm como objetivo transformar a energia calorífica do combustível em energia mecânica diretamente utilizável), mais especificamente motores de combustão interna. 3.1. O motor de combustão interna O motor de combustão interna é uma máquina térmica que transforma energia térmica em energia elétrica. A energia térmica provém assim da combustão: no caso dos motores a gasolina, como é o caso dos motores de Fórmula 1 que iremos falar posteriormente, a combustão resulta da inflamação da mistura ar/gasolina causada pela faísca emitida pela vela (neste processo liberta-se energia química). A energia térmica libertada na combustão é transferida ao fluido do motor que, por sua vez, a transmite ciclicamente aos restantes órgãos mecânicos. [5] 8 3.2. Como funciona? Os motores de combustão interna podem funcionar em 2 ou 4 tempos no caso da fórmula um estes funcionam a 4 tempos ou seja o seu funcionamento divide-se em 4 fases (admissão, compressão, explosão, escape) - Ciclo de Otto Fig. 1 Tempo de admissão: a válvula de admissão abre e a de escape mantém-se fechada, o êmbolo desce, aspirando a mistura gasosa que penetra no cilindro. No fim deste curso a válvula de admissão fecha-se Tempo de compressão: As válvulas de admissão e de escape mantêm-se fechadas. Ao subir, o êmbolo comprime a mistura na câmara de explosão. Tempo de explosão: Ambas as válvulas permanecem fechadas. O gás comprimido, ao ser inflamado por uma faísca da vela de ignição, expande-se, impelindo o êmbolo para baixo. No fim deste curso a válvula de escape abre-se. Tempo de escape: A válvula de admissão mantém-se fechada e a válvula de escape permanece aberta. O êmbolo sobe a fim de expulsar os gases resultantes da combustão. Inicia-se um novo ciclo. [6] 9 3.3 Força motriz A força motriz é originada através da impulsão dos êmbolos pela expansão dos gases (combustão). Esta força é transmitida dos êmbolos à cambota, que, juntamente com as bielas, a converte em movimento rotativo. A parte superior da biela, está fixa ao êmbolo por meio de uma cavilha que permite à biela rodar, enquanto se move para cima e para baixo, ligada ao êmbolo. A parte inferior da biela, a cabeça da biela, esta aparafusada à cambota e descreve uma trajetória circular, enquanto o pé da biela segue o movimento de vai e vem do êmbolo. [7] Fig. 2 10 4. Um pouco de História A Fórmula 1 é indiscutivelmente uma das variantes mais famosas do desporto automóvel, à escala mundial. Marcadamente caracterizada por um exercício extremo da condução, uma corrida de Fórmula 1 é um teste ao piloto e ao seu carro, onde todos os segundos contam na incessante luta para cortar a meta em primeiro lugar. Os pilotos são atletas física e psicologicamente bem preparados, que se dedicam Fig. 3 totalmente ao aperfeiçoamento da sua condução em cada troço da pista e que colocam a sua vida em risco de cada vez que iniciam uma corrida, tudo isto por estarem sob o controlo do sistema mecânico que é o carro de Fórmula 1. Este automóvel, como o conhecemos atualmente, é uma obra de engenharia que passou por um extenso desenvolvimento ao longo de várias décadas, sempre com o objetivo constante de levar o carro ao limite, explorando e investindo na melhoria do carro para este possa ser mais potente, mais aerodinâmico, mais seguro, mais veloz, entre tantas outras características. Porém, este processo esteve sempre condicionado pelos regulamentos impostos para a admissão às corridas. [8] Na prática, é assim que vemos e compreendemos a Fórmula 1. Contudo, tudo isto é o que permanece visível aos nossos olhos, quando este deporto tem um universo por muitos desconhecido, tal como a maioria dos desportos. A Fórmula 1 é um negócio. Um negócio de milhões que assenta num ciclo muito simples em que nas empresas publicitárias lutam pelos centímetros de espaço no carro e as empresas televisivas pelos direitos de transmissão das corridas. Tudo isto gera, obviamente, dinheiro, aquilo que não pode faltar para a constante melhoria do carro. Assim, prevê-se que o mundo da Fórmula 1 seja também ocupado por grandes empresários, como por exemplo Frank Williams, fundador e impulsionador da atual equipa Williams Martini Racing. [9] Fig. 4 11 Podemos sintetizar toda a História da Fórmula 1, desde o seu início até à atualidade, na seguinte sequência cronológica: • Década de 1930 - surgem os primeiros projetos para corridas de Fórmula um. Contudo, foram totalmente interrompidos pela Segunda Guerra Mundial; • 1946 - Início do desporto e reconhecimento como “Fórmula”; • 13 de maio de 1950 - dá-se a primeira corrida para o Campeonato do Mundo, em Silverstone, Inglaterra; • Década de 1950 - o motor é transferido para a parte traseira do veículo. • Década de 1960 - o chassis e a aerodinâmica do carro passam a ser os principais focos de desenvolvimento e inovação. Surge assim o Lotus 49, carro que se destacou durante grande parte desse período; • 1976 - a Tyrell produz um carro com 6 rodas, um projeto que foi abandonado pouco tempo depois; • 1977 - Introdução do turbo na Fórmula 1, pela Renault; • 1982 - Introdução de um sistema de suspensão ativa, pela Lotus, que marca o início dos progressos no controlo eletrónico do carro; • 1989 - O turbo é banido dos motores; • Década de 1990 - há uma grande preocupação com a segurança do piloto e do carro, devido a acidentes fatais como o de Ayrton Senna; • 2005 - a FIA impõe regulamentos com vista a regular o desempenho do motor, já que velocidades da ordem dos 370 km/h eram praticadas, durante as corridas, o que se revelava muito perigoso; • 2014 - Um ano em que se verificaram grandes mudanças a nível regulamentar, entre as quais se destaca a nova introdução do turbo. 12 Num desenvolvimento mais detalhado, seguem-se os seguintes parágrafos: Não se pode introduzir o tópico da história da Fórmula 1, sem antes referir qual o significado da designação. “Em Fórmula 1 (inicialmente denominada Fórmula A), o termo Fórmula refere-se a um conjunto de regras às quais todos os participantes e carros devem obedecer”1 para estarem autorizados a competir nas corridas, enquanto o número 1 se refere à categoria deste tipo de desporto automóvel, neste caso, a principal. A história deste desporto é, no seu todo, deveras extensa, portanto, enquadrado no objetivo deste trabalho, vamos apenas fazer referência a alguns dos principais momentos, com vista a relacioná-los com os progressos do motor. Os primórdios da Fórmula 1 levam-nos até à década de 1930, na qual se fizeram os primeiros projetos para corridas de condutores, mas que foram abandonados com a entrada na Segunda Guerra Mundial. Alguns anos depois, pode dizer-se que se deu o início da Fórmula 1, já que em 1946 foi reconhecida com Fórmula, ficando definida como desporto automóvel em 1948 pela FIA (International Automobile Federation). No dia 13 de maio de 1950, dá se a primeira corrida para o campeonato do Mundo, em Silverstone e com ela começam os campeonatos anuais do Fórmula 1 que se foram tornando o desporto sucessivamente mais popular. Toda a década de 50 foi marcada por um intenso domínio italiano, durante o qual marcas como Ferrari, Alfa Romeo e Maseratti viam os seus carros saírem vencedores das corridas. Um dos grandes marcos de toda a componente histórica é a invenção de transferir o motor da parte dianteira do veículo para a sua parte traseira, ideia que se deve a Jack Brabham. Posteriormente, no ano de 1958, Striling Moss, um dos nomes inconformáveis nos pilotos de Fórmula 1 Fig. 5 vence o Grand Prix da Argentina conduzindo um carro com o motor na traseira; num espaço de dois anos, Ainda assim, seguiu-se um período no qual se privilegiou o desenvolvimento do chassis e da aerodinâmica do carro, no qual a Lotus introduz um design do carro com um chassis monocoque em alumínio, considerado um dos maiores avanços tecnológicos na área. Como tal, verificou-se que, por uns anos, o motor passou para segundo plano. Até ao final da década foi o carro Lotus 49 que se destacou nas competições, tendo conquistado todos os restantes campeonatos. Fig. 6 1 A Brief History of Formula 1 - http://en.espnf1.com/f1/motorsport/story/3831.html 13 A década de 70 ficou marcada por dois acontecimentos, ambos inovadores, a seu modo. Primeiro, em 1976, a Tyrell introduz um carro com 6 rodas, uma tentativa de reduzir a área frontal do carro e obter um maior aerodinamismo, mas a produção deste carro só durou dois anos. Em segundo lugar, em 1977, ocorreu outra uma das mais importantes invenções a nível tecnológico - a criação do turbo (pela Renault). Inicialmente, esta ideia terá sido rejeitada e troçada mas, posteriormente, foi ganhando popularidade ao longo dos anos 80. Eventualmente, o turbo foi banido em 1989. Fig. 7 Podemos afirmar que um dos aspetos o qual se verifica mais progresso desde os primórdios da Fórmula 1 até à atualidade é o controlo eletrónico do carro. Este teve o seu começo assinalado quando, em 1982, a Lotus introduziu um novo sistema de suspensão ativa. Em 1984, o Grand Prix da Áustria é a primeira corrida na qual participam apenas carros com o turbo incorporado nos seus motores. Fig. 8 Nos anos 90, imperou a palavra “segurança”. Em 1992, verifica-se a primeira aparição do carro de segurança do Grand Prix de Inglaterra. Para além disso, em 1994, a propósito dos acidentes fatais de Ayrton Senna e Roland Ratzenberger, começa uma fase na Fórmula 1 que visava melhorar a segurança do veículo. Desde então, por um período de cerca de 7 anos, não houve mais nenhuma morte ao volante no desporto. No ano de 1998, são impostos novos regulamentos, tornando as pistas mais estreitas e os pneus mais sulcados. Passado algum tempo, é de destacar o ano de 2005, no qual os motores V10 de 3.0 litros, juntamente com os restantes avanços técnicos do carro, permitiam-lhe atingir velocidades de cerca de 370 km/h (atual recorde). Por isso, a FIA muda os regulamentos para motores V8 de 2.4 litros. Desde 2005 até então, não se verificaram grandes alterações técnicas no motor, apenas foi adquirida uma mentalidade com vista a minimizar custos e aumentar a durabilidade do motor ao longo das corridas. É então que ano presente, ocorrem as maiores mudanças nos regulamentos num espaço de 20 anos. De facto, em 2014, a Fórmula 1 sofreu mudanças muito significativas como uma nova introdução do turbo nos motores; além disso, este ano foi marcado pela primeira vez em que o carro se move através de energia do combustível (gasolina) e energia elétrica, tendo por isso uma componente híbrida. Iremos abordar estes pormenores mais detalhadamente, mais adiante. [10] 14 5. Evolução do motor de Fórmula 1 Como foi referido anteriormente, o motor utilizado nos monolugares de Fórmula 1 é de combustão interna a 4 tempos. Assim foi desde o início desta variante do desporto automóvel em 1950, mais precisamente no dia 13 de Maio no circuito de Silverstone em Northamptonshire, Inglaterra. Esta corrida iniciou o primeiro Campeonato Mundial de Fórmula 1. Desde então sucederam-se 60 anos de Campeonatos Mundiais da categoria, que existe ainda nos nossos dias. Neste longo período de tempo, os monolugares sofrem diversas alterações, melhoramentos e desenvolvimentos, devidos a avanços científicos e técnicos, mas também aos regulamentos impostos pela FIA (Federátion International de l'Automobile) para cada época de Grandes Prémios. Em baixo, é possível observar uma cronologia da Fórmula 1 contendo os mais importantes acontecimentos que se verificaram na história deste desporto relativos ao motor e seus associados. Fig. 9 1950-1951 Os regulamentos da primeira e segunda épocas de F1 permitiam que os motores possuíssem dois tipos de cilindradas: 1500cm3 ou 4500cm3. A primeira categoria de motores podia estar associada a um compressor, enquanto que os motores com 4500cm3 não podiam possuir este componente extra, sendo também denominados de motores “aspirados” por não utilizarem sobrealimentação. Para ambas as variantes de motores, deviam atingir no máximo 430cv às 9300rpm. Além disso, os carros não estavam sujeitos a um limite de peso. [11] Fig. 10 15 1952-1953 Os regulamentos foram alterados pela FIA para as duas temporadas que se seguiram, mantendo-se as duas variantes de motor. Contudo, nesse ano os motores com compressor deviam ter 750cm3 e os motores sem turbo deviam possuir 2000cm3. A potência que ambos deviam atingir devia ser no limite de 177cv às 7200rpm. O limite de peso do carro não era aplicável para esta temporada.[11] 1954-1960 Nas 7 temporadas seguintes, os motores com compressor mantiveram a capacidade máxima de 750cm3, contudo nenhum construtor produziu carros com este tipo de motor para o campeonato. Os motores não sobrealimentados poderam aumentar a sua capacidade até aos 2500cm3. A potência máxima para ambos os tipos era de 294cv. As restrições de peso não eram aplicáveis.[11] 1961-1965 1961 – A sobrealimentação é banida pela primeira vez na Fórmula 1. Fig. 11 Em 1961, a International Gold Cup (corrida que não fazia parte do Campeonato Mundial de F1) no circuito de Oulton Park em Cheshire, Inglaterra foi vencida por Stirling Moss o qual conduzia um Fergunson P99. Este carro possuía tracção às 4 rodas e motor frontal, sendo o último F1 a vencer uma corrida com este tipo de tracção e também o último a vencer uma corrida com motor frontal. Este mesmo motor era um Conventry Climax de 1500cm3 de 4 cilindros com potência máxima de 153cv às 7500rpm. O sucesso deste motor condicionou o seu uso na Fórmula 1, ou seja, durante as 5 temporadas seguintes, passaram a ser permitidos apenas motores com cilindrada mínima igual a 1300cm3 e máxima igual a 1500cm3. A sobrealimentação foi banida e foi imposto um limite máximo de peso do carro de 450kg. A potência dos motores variava entre 152cv e 228cv. Apesar da redução da cilindrada, em 1965 a potência retirada dos motores aumentaram quase 50%em relação a 1961 e os tempos por volta haviam melhorado em relação aos monolugares de 1960.[11] 16 1966-1969 1967 – Reintrodução da sobrealimentação na Fórmula 1 e criação do motor Cosworth DFV que tornou a F1 um desporto mais acessível. Apesar da proibição do uso de sobrealimentação no motor dos monolugares F1, este componente foi aceite e reintroduzido nesta competição em 1966, apenas 5 anos após a sua primeira proibição pelos regulamentos impostos pela FIA. Este tratou-se de uma ano de transição, já que as diversas equipas haviam sentido necessidade de adoptar a sobrealimentação acoplada ao motor do carro, pois este: - permitiria extrair um maior nível de potência do motor dependendo das suas características; - economizar combustível, o que permitiu aos contrutores a produção de motores com cilindradas inferiores aos motores aspirados que eram capazes de possuir níveis de potência equivalentes ou até superiores. Deste modo, em 1966 a capacidade dos motores aspirados foi aumentada para 3000cm3 e dos motores sobrealimentados para 1500cm3. Contudo, nesta temporada foram, ainda, utilizados monolugares com motores com 2000cm3 produzidos pela BRM e Coventry Climax. A potência permitida era de 395cv a 505cv para motores aspirados, 505cv a 905 cv para motores sobrealimentados durante a corrida. O peso mínimo do carro era de 500kg. [14] Fig. 12 Em 1967, foi introduzido um motor de produção em massa, resultado de uma parceria entre a Cosworth e a Ford, denominado Cosworth DFV (Double Four Valve). O motor havia sido idealizado por Colin Chapman, fundador da Lotus Cars e proprietário à altura da equipa de Fórmula 1 da mesma marca, com o intuito de competir com os mais prestigiados construtores da época, entre os quais: Ferrari, BRM e Weslake, a um preço relativamente económico, isto é, um custo aproximando de produção equivalente a £100,000, construído conjuntamente com a Ford. Este motor era um V8 a 90o com 2993cm3 que, nas suas diferentes variantes, produzia entre 405cv e 659cv.A exclusividade da utilização do motor pela Lotus terminaria no final da temporada de 1967, pelo que no ano seguinte o motor passaria a ser Fig. 13 fornecido abertamente a qualquer equipa interessada a um 17 preço e forma acessível em relação aos preços e exigências dos outros construtores à data, o que levou a uma época próspera para as equipas na F1. Este motor nas suas diversas actualizações e variantes foi utilizado desde 1967 até 1983 obtendo entre 153 vitórias nesse período. [11] [15] [18] 1970-1972 Durante estas duas temporadas os regulamentos alteram-se apenas no sentido de aumentar o limite de peso do carro para 530kg. Em 1972, este limite aumentou, novamente, para 550kg. Em 1971, a Lotus realizou também experiências sem sucesso no sentido de produzir um carro com tracção às 4 rodas e uma turbina Pratt & Whitney acoplada ao chassis do veículo. [11] 1973-1983 1977 – O turbo-compressor surge aplicado a um motor de Fórmula 1, o Renault V6 Gordini Turbo, que revoluciona o motor F1. Fig. 14 Fig. 15 Entre 1973 e 1980, o limite de peso aumentou para 575kg. Seguindo-se um limite de 585kg em 1981, 580kg em 1982 e 540kg em 1983. Além disso, atingiram-se novos níveis de potência, ou seja, em 1979 o motor do Ferrari 312T4 era capaz de produzir 517cv às 12000rpm contra os 365cv às 9000rpm do motor do Matra MS80 de 1969. Em 1977, a Renault foi a primeira equipa a introduzir o turbo-compressor num carro F1. O Renault RS01 com o seu motor Renault V6 Gordini Turbo era capaz de debitar 500cv d potência de um motor 1.5L. [11] 18 1984-1986 1984 – A FIA impõe que o depósito de combustível se localize entre o piloto e motor. Fig. 16 1986 – O motor BMW M12/ M13 atingiu uma potência superior a 1300cv durante a qualificação, o valor mais elevado de sempre para um motor na Fórmula 1. Para estas duas temporadas, o limite de peso aplicado manteve-se em 540kg. Contudo, em 1984, os regulamentos passaram a impor um limite de consumo de combustível de 220L/corrida até 1985, diminuíndo para 195L/corrida em 1986. O motor do Mclaren-TAG MP4/2B Turbo possuia um motor que produzia 760cv às 12000rpm, um aumento de 108% em relação ao motor do Matra MS80 de 1969. Em 1986, durantes as qualificações, o Benetton B186 era capaz de retirar mais de 1300cv do motor BMW M12. [11] “[O motor] deve ter à volta de 1400cv; não sabemos com certeza porque o dinamómetro não media para além dos 1300 cavalos-vapor.”, Paul Rosche, engenheiro responsável pelo projecto de desenvolvimento do turbo-compressor na Fórmula 1 da BMW Fig. 17 1987-1988 Em 1987, a FIA introduziu a wastegate para limitar e regular a velocidade de rotação da turbina do turbo-compressor e a pressão gerada pelo mesmo sistema, de modo a proteger o motor e o turbo. Esta válvula permitia a instalação de turbos mais pequenos que produziam o mesmo efeito de turbos de dimensões superiores, já que a wastegate permitia o controlo remoto do sistema de sobrealimentação, logo obtia-se um tempo de resposta inferior por parte do turbo, pois era de dimensões inferiores. A utilização deste sistema estava colocada em 4 bar para os motores de 1500cm3 sobrealimentados durante a qualificação em 1987. De modo a equilibrar as descrepâncias 19 de performance entre os monolugares com turbo-compressor e os que possuiam motor aspirado, a cilindrada destes últimos foi aumentada para 3500cm3. Além disso, em 1985 o limite de consumo de combustível para os carros sobrealimentados era de 155L/corrida, enquanto que os carros de motor aspirado não possuiam qualquer tipo de limitação a nível de consumo por corrida. Nesse ano, os motores turbo foram ainda limitados a 2,5 bar de pressão. Em 1987, o limite mínimo de peso era de 500kg e, em 1988, de 540kg. [11] Apesar das restrições aplicadas aos monolugares sobrealimentados, estes dominaram neste período. 1989-1994 1989 – A utilização de turbo-compressores é proíbida na Fórmula 1. Em 1989, os turbo-compressores foram, novamente, banidos da Fórmula 1 o que obrigou as equipas que possuiam carros com motores deste tipo a repensarem e projectarem de novo os seus automóveis para que estes pudessem utilizar um motor aspirado de 3500cm3. Além disso, os monolugares passaram a serem impedidos de reabastecer durante as corridas pelos regulamentos da FIA. O Mclaren-Honda RA109E 72o V10 de 1989 produzia 684cv às 13000rpm enquanto que no final da temporada de 1994, o Ferrari 043 3.5L V12 era capaz de produzir 831cv às 15800rpm, um aumento de 21%, aproximadamente. [11] Fig. 18 20 1995-2004 2002 – O motor do Williams FW24, o BMW P82, supera as 19000rpm, ao obter potência máxima às 19050rpm, um valor nunca antes alcançado. Fig. 19 Neste periodo, a capacidade dos motores F1 foi reduzida para 3000cm3. Os níveis de potência atingidos pelos motores variavam entre 659cv e 959cv. Fig. 20 Em 2004, uma nova regra foi imposta, os motores tinham de durar o fim-de-semana completo em que se realizava o Grande Prémio, sendo que a sua substituição implicaria uma penalização de 10 lugares na grelha de partida para a corrida de Domingo e no caso de esta substituição tiver sido efectuada depois da segunda qualificação, o carro partiria do último lugar da grelha. No mesmo ano, o limite de peso mínimo era de 605kg durante as sessões de treino e qualificação e de 600kg durante as restantes sessões do Grande Prémio, sendo o piloto e combustível incluídos no peso do carro. [11] 21 2005 2005 – A FIA impõe o motor V10 a 72ª de 3000cm3 com um limite de 5 válvulas/cilindro como standard para todos os construtores e equipas. Fig. 21 Neste ano, a FIA impôs a utlização de um motor atmosférico V10 a 72o com 3000cm3 com um limite de 5 válvulas por cilindro. A duração do mesmo passou a ser de dois Grandes Prémios seguidos, por outras palavras, existia um número limitado de motores à disposição de cada equipa e carro. O carro vencedor dessa temporada o Renault R25 (no5) conduzido por Fernando Alonso produzia 862cv às 19250rpm do seu motor Renault RS25. [11] 2006 Apenas uma temporada depois, a FIA impôs nova alteração ao tipo e dimensão do motor na Fórmula 1, o V10 de 2005 foi substituído por um motor V8 a 90o de 2400cm3 com 4 válvulas por cilindro, duas de admissão e duas de escape, com um peso mínimo de 95kg e construído apenas com ligas de alumínio. Cada cilindro estava limitado a uma vela de ignição e entre as duas válvulas de admissão por cilindro apenas uma podia injectar combustível neste. Além disso, foram proíbidas quaisquer sistemas de admissão e escape de geometria variável. As alterações a que foi sujeito o motor do F1 de 2005 para 2006 levaram a uma redução em 20% da potência retirada do motor. Dando o exemplo anterior do Renault R25 que produzia 862cv e comparando-o com o seu sucessor o Renault R26 que produzia 750cv verifica-se uma redução de aproximadamente 17% a nível da potência do motor. [11] 22 2007-2009 Apesar da evolução dada em 2006 para motores V8, esta imposição manteve-se até 2013 já que foi necessário efectuar um controlo de custos dentro da Fórmula 1, pois o desenvolvimento sucessivo de motores a cada temporada levava a um grande investimento por parte das equipas e dos construtores. Por exemplo, a Scuderia Ferrari F1 investiu $406.5 M em 2006 em comparação com os $387.6 M investidos em 2007, uma redução de aproximadamente 4,6%. [16] Fig. 22 2008 – Introdução da ECU na Fórmula 1. Foi em 2008 que a FIA introduziu o ECU (Electronic Control Unit), cujo desenvolvimento iniciou em 2006 como um desafio proposto por esta organização a todas as equipas do Campeonato Mundial com o intuito de reduzir custos e simplificar a electrónica do carro. Esta unidade permitia controlar todos os componentes do motor e caixa de velocidades, incluindo a própria embraiagem, numa só peça. Contudo, o seu fornecimento era garantido apenas por um fornecedor oficial escolhido pela FIA para cada campeonato. O ECU resultou de um protótipo apresentado pela Mclaren Electronic Systems em parceria com a Microsoft. Além disso, a quantidade de motores por temporada permitia em média que estes durassem 4 fins-de-semana de Grande Prémio. [11] [17] 2009 – O KERS é introduzido na Fórmula 1, este sistema permitia a recuperação da energia cinética deseperdiçada na travagem, o que permitia fornecer 60kW de potência extra ao carro. Fig. 23 23 2010 Apesar de os regulamentos se terem mantido desde 2008 até 2010, este ano ficou marcado pelo regresso da Cosworth à Fórmula 1 como fornecedora de motores após abandono em 2007 devido ao fim da parceria com a Williams. O novo motor fornecia as equipas HRT, Lotus F1, Virgin Racing e Williams F1.[11] 2011 Em 2011, não só a duração do motor, mas também a da caixa de velocidades permitia em média a sua utilização em 5 fins-de-semana de Grande Prémio.[11] 2014 2014 – Regresso do turbo-compressor à Fórmula 1. A presente temporada de Fórmula 1 trouxe de novo alterações profundas aos monolugares, pois os regulamentos foram severamente alterados para 2014. Alguns desses motivos foram: - a evolução tecnológica existente; - a crise económica acentuada vivida; - as alterações climáticas. Uma alteração profunda foi precisamente o regresso do turbo-compressor à F1, algo que não sucedia desde 1989, isto é, passados 25 anos. Além disso, a capacidade do motor foi reduzida para 1600cm3, passando a ser um V6, que debita à volta de 600cv, com apenas um turbo associado a um ERS (Energy Recovery System) que adiciona aproximadamente 160cv de potência ao carro (sistema híbrido). Este sistema faz uso da energia cinética gerada na travagem transformando-a em energia elétrica que é depois utilizada como fonte energética para o carro a uma taxa de recuperação média de 2MJ por volta (Motor Generator Unit – Kinetic) e também do calor libertado pelos gases de escape saídos do turbo que é transformado em energia eléctrica sem limite de taxa de recuperação por volta (Motor Generator Unit – Heat). Um máximo de 4MJ por volta pode ser devolvido ao MGU-K e daí à transmissão o que representa 10 vezes mais a energia disponibilizada pelo KERS de 2013. Além disso, a eficiência do combutível subiu 35% para 2014 e cada equipa foi autorizada a utilizar 5 Power Units (PU) para 2014, sendo que uma PU incluí o motor de V6 1.6L , o ERS e todos os auxiliares necessários para fazer funcionar a PU. Em caso de utilização de seis ou mais PUs , o piloto fica sujeito a uma penalização de 10 lugares na grelha de partida/ PU a mais. Os motores deverão durar 4000kms no mínimo. [11] [12] [13] Fig. 24 24 6. Fórmula 1 em Portugal A primeira vez que a formula um chegou a Portugal foi a 24 de Agosto de 1958 no Circuito da Boavista na cidade do Porto. Esta prova foi organizada pelo “ACP - Automóvel Club de Portugal”. Nela participaram nomes como Stirling Moss, (conduzia um carro da marca Vanwall este demorou duas horas, 11 minutos e 27 segundos a percorrer as 50 voltas à pista de 7500 metros, percorrendo assim 375 quilómetros) Mike Hawthorn, Jack Brabham, Graham Hill e tambem primeira mulher a pilotar um Fórmula 1, Maria Teresa de Filippis. O Grande Prémio de Portugal foi a nona prova a contar para os Campeonatos do Mundo de Pilotos e de Construtores. [18] Fig. 25 25 7. Regulamentos impostos em 2014 Com a entrada da nova época de Fórmula 1, surgiram várias regulações em relação ao funcionamento e aos componentes dos motores dos carros, levando inclusive a uma perda de fãs do desporto. A criação dos motores de Fórmula 1 modernos continua a ser um processo difícil, cujo principal objetivo é criar um motor com o melhor desempenho possível, mantendo a integridade do mesmo. Isto dá às diferentes equipas a capacidade de se esforçarem ao máximo para melhorar estes aspetos do motor, o que acaba por se tornar mais uma competição entre as equipas, para além da corrida em si. A potência dos motores de hoje em dia também demonstra a grande evolução deste desporto desde os seus primeiros dias. Neste momento, o motor de um carro de Fórmula 1, segundo o regulamento, tem que ser um motor de 1.6 litros, V6, com turbocompressor, que produza cerca de 600 bhp e que funcione a um regime máximo de 15000 rpm, apesar de que este é apenas um dos componentes que fornece potência ao carro, pois 160 bhp adicionais são provenientes de um componente denominado Energy Recovery Fig. 26 System (ERS), que utiliza dois geradores de energia (Motor Generating Unit – MGU) que convertem energia cinética (MGU-K – Kinetic) e energia térmica (MGU-H – Heat) em energia elétrica, e vice-versa. A quantidade de combustível usado numa corrida é agora 30% menor do que em 2013, sendo que o tanque de combustível apenas pode agora conter um máximo de 140 litros. Para além disto, a transmissão agora tem mais uma mudança, passando de 7 para 8, o que permite compensar um bocado a deficiência de combustível de 2013 para 2014. As regulações impostas pela FIA agora em 2014 introduzem também certas restrições novas, para além de algumas alterações nas restrições antigas. Em 2005, foi introduzida uma regra que proibia o uso de mais do que 8 motores numa temporada e em 2008 foi introduzida uma outra regra que obrigava todos os condutores a usarem a mesma transmissão durante 6 corridas consecutivas. No entanto, este ano, o número máximo de motores usados durante uma temporada baixou para 5, de modo a tentar minimizar o consumo de combustível e os impactos ambientais causados por este desporto e ao mesmo tempo promovendo uma maior eficiência no gasto de combustível. A unidade que fornece energia ao veículo consiste em apenas 6 elementos e estes apenas podem ser substituídos, cada um, 5 vezes, antes que o condutor seja penalizado. 26 Estes elementos são o motor, o MGU-K, o MGU-H, o sistema de armazenamento de energia (ES – Energy Store), o turbocompressor, e os controladores eletrónicos (CE – Control Eletronics). Caso o condutor use mais do que 5 de qualquer um destes componentes, este será penalizado com uma perda de 5 lugares na grelha de partida, 10 lugares, ou até, se a unidade inteira tiver que ser trocada, a obrigação de começar a corrida das boxes. Para além de estas regulações novas, mantêm-se algumas das mais antigas como por exemplo a proibição do uso de qualquer dispositivo que aqueça previamente o ar antes de este entrar nos cilindros, bem como a injeção de qualquer substância nos cilindros para além de ar e gasolina. Seja de notar que ainda é permitida a injeção de uma pequena quantidade de combustível nos cilindros depois de acabado um ciclo de Otto de modo a tentar aproveitar algum do ar quente restante que que possa causar ignição desse mesmo combustível proporcionando uma ainda maior aceleração do veículo. [19] Fig. 27 27 8. O motor atual e o seu funcionamento O motor atual, como já foi referido anteriormente consiste num motor V6, de 1.6 litros, agora com turbocompressor. Ao contrário do pensado por muitos amantes do desporto, esta redução do motor de V8 para V6 não causa grandes mudanças na velocidade do carro. Isto porque este motor tem uma injeção de combustível muito mais pressurizada de modo a tornar a queima do combustível muito mais eficiente. Para além disto, o turbocompressor e tanto o MGU-H como o MGU-K, fornecem ainda Fig. 28 mais potência ao carro, assegurando que o desempenho do mesmo se mantém. Basicamente, as novas regulações vêm afetar mais a segurança do condutor e a eficiência do combustível. Agora, com a introdução destes novos componentes, o funcionamento do motor altera-se ligeiramente. Os cilindros obviamente mantêm o seu funcionamento mas agora o turbocompressor e o ERS vêm trazer algumas mudanças na forma como a unidade cria energia. Durante a aceleração, como normalmente ocorre, o motor de combustão interna irá estar a utilizar a sua reserva de combustível. No entanto, o turbocompressor estará a funcionar à sua velocidade máxima – 100000 rpm. O MGU-H estará também a funcionar, juntamente com o turbocompressor, gerando e recuperando energia proveniente do calor dos gases expulsos para a turbina do turbocompressor. Esta energia gerada pelo MGU-H passa depois para o MGU-K (ou para a bateria, se esta precisar de ser recarregada). O MGU-K, que está ligado à cambota do motor, irá funcionar como um motor secundário, fornecendo maior potência ao carro de modo a este acelerar mais depressa ou para que se poupe combustível, dependendo da forma como os controladores eletrónicos forem configurados. No final de retas Fig. 29 28 longas, ao fazer uma curva, o MGU-K converte energia dissipada na travagem e recupera-a, armazenando-a na bateria. Também durante a travagem, o MGU-H “transforma-se” num motor secundário tal como o MGU-K mas tendo um propósito diferente. Este irá manter a velocidade de rotação da turbina do turbocompressor elevada o suficiente, de modo a evitar o “turbo lag”. Isto é um fenómeno que acontece quando a velocidade da turbina baixa e é produzido um menor volume de gás pelo mesmo. Quando o condutor acelera e é necessário mais combustível, o turbocompressor pode demorar a voltar à velocidade normal. Para prevenir este atraso, o MGU-H passa a funcionar de novo como um motor e acelera as turbinas do turbo, mantendo a velocidade de rotação das mesmas o melhor possível. Quando o condutor sai da curva e volta a acelerar normalmente, o MGU-H passa a funcionar novamente como um gerador e recupera a energia proveniente do turbocompressor e dos gases que estarão a ser expulsos. Esta energia poderá, de seguida, ser usada de 2 formas diferentes: poderá ser fornecida ao MGU-K, de modo a que a queima de combustível seja o menos possível ou poderá ser usada para carregar a bateria. [19] 29 9. O motor de Fórmula 1 e o de um carro comum Ao longo destes últimos anos, têm-se verificado algumas mudanças no regulamento da Fórmula 1,de forma a aproximar os motores de F1 aos motores de carro de estrada. Isto é, desde 2006 que os motores eram V8 de 2 litros normalmente aspirados, e a partir deste ano passaram a ser motores de 1.6 litros V6 turbo, mas ainda com a ajuda de sistemas de recuperação de energia. Estas foram as principais mudanças que houveram neste último ano, ao nível dos motores, que de certa forma se aproxima de um motor de carro de estrada. Apesar desta tentativa de aproximação, o motor de F1 continua a a ter uma enorme potência, relativamente a um motor de carro de estrada. Algumas caraterísticas básicas que tornam o motor de carro de F1 mais potentes são: • Um carro de F1 tem um limite de 12000 rpm (este ano) enquanto que um carro de estrada chega até 6000 rpm; • Um motor de carro de F1 tem uma potência muito elevada, comparativamente com os motores de carros de passeio. Os de F1 andam à volta de 600 cv enquanto que o de um carro normal anda à volta de 150-200 cv (já um bom carro). Para além destas diferenças entre os dois motores, existem mais algumas que permitem a otimização de um motor de F1. Entre elas estão: • Os motores de F1 têm maior eficiência volumétrica. “A eficiência volumétrica é usada para descrever a quantidade de combustível / ar no cilindro em relação ao ar atmosférico normal.”. Assim, um motor de Fórmula 1 tem uma eficiência volumétrica muito alta, isto é consegue preencher seus seis cilindros com um volume muito grande de mistura ar-combustível sem realizar uma detonação prévia, elevando a capacidade de gerar potência. • A partir da energia total de combustível que é colocada nos cilindros, nem toda consegue ser aproveitada como potência. Isto porque o "ponto de ignição”, os revestimentos térmicos, ficha de localização e conceção da câmara afetam a eficiência térmica. Os motores de rua podem ter uma eficiência térmica de 0.26 e um motor de F1 pode chegar aos 0,34. Esta pequena diferença resulta numa diferença de quase 30% de potência. • “A eficiência mecânica é a diferença entre o que você mediria no dinamómetro e o poder funcional no cilindro”. É sobretudo a eficiência mecânica que faz com que os motores de F1 sejam feitos de materiais diferentes e próprios. Estes materiais são necessários para “reduzir o atrito interno e o peso global do motor, mas o mais importante, limitar o peso das peças internas” como por exemplo as válvulas, permitindo assim um movimento muito rápido de cima para baixo. 30 • Outra caraterística que altera e muito a potência de um carro, é o escape. “O sistema de escape em um carro de corrida não possui silenciador, e é feito para resistir a temperaturas de até 1200ºC, muito mais do que o que se consegue com um motor de estradas regulares.” Fig. 310 Fig. 30 31 10. Projetos mal sucedidos “BRM H-16: Dois motores não são necessariamente melhores que um” A British Racing Motors (BRM) tentou conciliar o seu antigo motor, o V-16, com o H-16. Utilizando o design do V-16, os engenheiros tentaram juntar os dois motores num só, formando uma unidade composta por oito cilindros. No entanto, o H-16 revelou-se um fracasso, uma vez que tinha muito peso e pouca potência. [20] Fig. 32 “Renault EF-Type Turbo V-6: Impulsão máxima” Inicialmente, os motores turbo V-6 da Renault eram muito pouco fiáveis, chegando até a ser intensamente criticados. No entanto, e devido à sua imensa potência, estes motores conseguiram afirmar-se nas pistas, já depois de a Renault ter abandonado a F1 por motivos financeiros. [21] Fig. 33 32 “Honda RA302E: Sem radiadores não há problema?” Soichiro Honda, fundador da Honda, pediu certo dia aos seus engenheiros que construíssem um motor refrigerado a ar, em detrimento dos radiadores a água. No entanto, esta ideia do magnata japonês foi, neste motor em particular, um fracasso, provocando, juntamente com um chassis feito à base de magnésio e um depósito de combustível cheio, a morte de Jo Schlesser, piloto da Honda na altura. Esta tragédia provocou o abandono da Honda da F1 em 1968, à qual voltaria em 2006. No entanto, os motores refrigerados a ar viriam a ter sucesso, como se verificou no motor 904 da Porsche [22] Fig. 34 “Porsche 804” Em 1962, quando a F1 decidiu adotar o formato de motor da F2 (menor), a Porsche decidiu arriscar, desenvolvendo o 804, que era constituído por um motor de 8 cilindros, refrigerado a ar, com quatro carburadores Webber e duas válvulas por cilindro. [23]. No entanto, o chassis do carro não estava à altura do seu motor, fazendo com que a Porsche se separasse. Apesar de tudo, este motor teve bastante sucesso no modelo seguinte, o 904. [24] Fig. 35 33 11. Curiosidades na Fórmula 1 • Numa boxe de F1, são utilizados cerca de 40 Km de cabos elétricos para manter todos os equipamentos e sistemas em funcionamento. [25] • O peso mínimo de um carro de F1 são 650 Kg (incluindo o piloto e com o tanque de combustível vazio). [26] • Em 2015, a Honda irá fornecer à McLaren os motores V6 turbo 1,6 litros, reconstruindo assim uma parceria de sucesso, que venceu 4 títulos entre 1988 e 1991. [27] • Na temporada de 2015, os motores da Mercedes irão ser os mais representados na F1, equipando 4 equipas: Lotus, Force India, Williams e a própria Mercedes. A Red Bull, a Toro Rosso e a Caterham vão ter motores Renault. A Ferrari vai ter a sua própria linha de motores e vai ainda equipar a Sauber e a Marussia. Por fim, os motores Honda irão estar presentes na McLaren. [28] • O motor de F1 V8 é um dos mais leves do mundo, pesando apenas 95 Kg. [29] • Um carro F1 demora apenas 2,6 segundos a passar dos 0 aos 100Km/h. [30] • Uma equipa de F1 gasta, no total, cerca de 200 mil litros de gasolina por temporada. [30] • Um carro de F1 é constituído por cerca de 80 mil componentes. [30] 34 12. Conclusões A Unidade Curricular Projeto FEUP permitiu ao nosso grupo adquirir conhecimentos e informações aprofundadas acerca da Fórmula 1 em geral, bem como acerca dos carros conduzidos neste desporto, sendo que os seus motores e o funcionamento dos mesmos terão sido o nosso principal objetivo neste projeto. Apreendemos também competências dos mais variados temas, tais como a história da Fórmula 1, o funcionamento de um motor, a evolução dos motores na Fórmula 1 e até projetos de motores e carros de Fórmula 1 descontinuados. Aprofundamos bastante o motor atual de 2014 bem como as regras impostas pela FIA (Federation Internationale de l’Automobile) na conceção do mesmo e mostramos as diferenças mais importantes para o funcionamento do motor entre o atual e o dos anos anteriores (que sofreu muitas mudanças) bem como entre o motor de Fórmula 1 e o de um carro normal. Conclui-se assim este projeto, obtendo, deste modo, uma melhor perceção sobre em que consiste este desporto e, acima de tudo, sobre o funcionamento de carro e motor de Fórmula 1. 35 13. Lista de referências bibliográficas [1] - O Livro do Automóvel - 1976 Selecções do Reader’s Digest [2] - 2003-2014, Porto Editora, http://www.infopedia.pt/$motor-de-combustao-interna [3] Rui Silva Oliveira, Rui Silva Oliveira, Auto Motor, http://www.automotor.xl.pt/Not%C3%ADcias/DetalhedeNot%C3%ADcias/tabid/178/itemId/12946 /Default.aspx [4] - J.Almeida Costa, Dicionário da Língua Portuguesa, 7º Edição, Porto Editora [5] - 2003-2014, Porto Editora, http://www.infopedia.pt/$primeiro-grande-premio-de-formula-1-em [6] - Discovery Channel. 1988. The Secret Life of Formula 1. 26 de outubro de 2014 [7] - http://restosdecoleccao.blogspot.pt/2013/05/formula-1-na-boavista-em-1958.html [8] - Williamson, Martin. 1 de dezembro de 2009. 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