El ERS es el nuevo sistema de recuperación de energía que está asociado al nuevo motor V6 turbo como integrantes de las nuevas unidades de potencia para ser usadas durante los próximos años para esta competición pero un solo nombre engloba realmente dos sistemas bien diferenciados que pretenden la misma finalidad, obtener energía que normalmente se perdería para volver a ser utilizada en mejorar las prestaciones del coche.
Uno de los sistemas utilizado no es nuevo, ya lleva usándose varios años aunque con un nombre distinto al actual, el Kers. A todos os sonará esa palabra pero apostaría que serán pocos los que conozcan la palabra ERS-H. Dentro de ese acrónimo se esconde realmente la verdadera innovación que hace diferente las actuales unidades de potencia con los motores turbo usados en el pasado. Muchos me podréis decir que en la anterior época donde se utilizó la tecnología turbo tampoco existía el Kers y por sí solo ya sería una innovación y tenéis razón. El surgimiento del Kers estaba ligado a los motores atmosféricos utilizados en la época que le vio nacer, aunque no existe ninguna dificultad para poder ser empleado es los propulsores turbo actuales. Lo realmente novedoso actualmente es el surgimiento del ERS-H. Es una tecnología que nunca se había utilizado hasta ahora en la F1, y marcará un antes y un después en la automoción comercial. Ya existen algunos ejemplos en los coches de calle pero pronto se convertirá en un elemento habitual.
Para conocerlo mejor hoy le dedicaremos el segundo artículo técnico sobre las nuevas unidades de potencia. Recordar que estos artículos están dirigidos a todos aquellos amigos que carecen de conocimientos básicos en mecánica que tienen quieren aprender conceptos que normalmente no se explican es otras páginas. Como he comentado el ERS-H forma parte del ERS y creo necesario explicar primero qué es este elemento y las piezas que los conforman para que todo sea más claro y comprensible.
QUÉ ES EL ERS.
La Formula 1 se está enfrentando a un desafío técnico enorme después de que la FIA decidiera que la competición fuera más ecológica. Reducir el consumo de combustibles fósiles y sobre todo, busca una mayor eficiencia energética son los objetivos marcados por el órgano para los próximos años y ha elegido dos pilares fundamentales donde descansar el peso de esta medida. La vuelta a la competición de los motores turbo sería la primera medida ya que reducen considerablemente el consumo de combustible, generando las mismas prestaciones que los motores atmosféricos como ya vimos en el articulo anterior aunque la FIA decidió limitar cilindrada y consumo para reducir la potencia. El otro pilar es la introducción de la tecnología ERS.
Para el 2014 la normativa del ERS tiene dos sistemas combinados, más potencia, más tiempo de utilización. En total, los F1 contarán con un sistema capaz de suministrar potencia de pico de 120 kilovatios, equivalente a unos 163 caballos de potencia durante 33,3 segundos por vuelta para compensar la pérdida de potencia producida por la reducción del motor. Para que podáis comparar el ERS con la tecnología usada hasta el año pasado, el Kers podía conseguir una potencia de 60 kW pero solo durante e 6,67 segundos. Esto son 81'5 caballos para sus aproximados 17 kilogramos de peso. La potencia máxima de las nuevas unidades de potencia supera las prestaciones de los anteriores motores V8 de F1, mejorando radicalmente la eficiencia del combustible. Con sólo 100 kg permitidos para la carrera, las nuevas unidades a utilizar 35% menos combustible que sus predecesores.
Por tanto, el ERS da el doble de la potencia que daba el Kers y está activado cinco veces más. Por cierto, el tiempo de utilización por vuelta no es una cifra aleatoria, viene de la división de la cantidad máxima de energía fijada por vuelta –500 MJ– entre el tiempo utilizable.
Bien, una vez revisada las prestaciones que da el nuevo sistema habrá que preguntarse ¿De dónde sacan tanta potencia? Gracias a la suma de los dos sistemas que lo forman.
Como vemos, el ERS está formado por la combinación del sistema convencional, formado por un motor/generador eléctricos (MGU-K) para la recuperación de energía cinética de frenado que pasará a denominarse ERS-K (el KERS actual pero con la K al final), más otro sistema similar, el ERS-H formado también por un motor/generador eléctrico (MGU-H) que según la FIA es un recuperador de energía térmica. Las primeras informaciones que surgieron sobre este elemento creó cierta confusión a los no iniciados en el mundo de la técnica ya que se habló que era un sistema que servía para recuperar la energía perdida en forma de calor (recuperador térmico) cuando realmente no es así, en todo caso será cinético, es decir recupera energía gracias a la velocidad que llevan los gases de escape. Algunos me preguntaréis ¿Pero de eso no se encarga el turbo? La respuesta es sí pero al analizar el funcionamiento del ERS-H resolverá vuestras dudas. Como dije antes, hoy vamos a centrarnos en conocerlo.
El MGU-H
El MGU-H es el acrónimo de Motor Generator Unit-Heat, un nombre muy sofisticado para algo realmente sencillo de traducir: el turbocompresor híbrido. La siguiente pregunta está clara ¿Para qué sirve?
Bien, este aparato tiene dos funciones muy importantes dentro del sistema ERS-H, generar potencia y solventar un problema importante que padecen los motores turboalimentados. Cuando analizamos el funcionamiento del turbo vimos que podían aumentar la potencia del motor reduciendo el consumo, pero el sistemas distaba de ser perfecto, presentando dos problemas importantes que los fabricantes de motores comerciales no habían trabajado en exceso: La progresividad en el modo de funcionamiento de la mecánica y el retraso en la respuesta del turbo, también llamado turbo-lag, dos características que, en un motor de Fórmula 1, no eran admisibles.
Los motores turbo necesitan más tiempo que los motores atmosféricos para disponer de la potencia debido a que el rendimiento del turbocompresor depende de la compresión que pueda ejercer éste. Como vimos en el artículo anterior donde se desveló el funcionamiento del turbo los gases de escape son los responsables de hacer giran la turbina que se encarga de mover del turbo. Si el piloto no pisa el acelerador, el motor no genera gases de escape suficiente para hacer mover la turbina impidiendo a su vez que el compresor pueda hacer bien su trabajo. Sin poder conseguir la presión de aire suficiente para sobrealimentar al motor se reduce la potencia drasticamente. A esto se le llama turbo-lag.
El retraso puede llegar a ser tal que el primer coche en utilizar el turbo, el Renault RS01, uno de los integrantes de las famosas teteras amarillas tenía un retraso que llegó a alcanzar los 4-5 segundos. Gerard Larrouse, uno de los responsables del proyecto, calificaba el motor “como un ascensor, apretabas el botón, pero no funcionaba hasta que las puertas se hubieran cerrado” Era tan alto el retardo en las 'eses' del Jarama entraba la potencia cuando había que frenar. Eran otros tiempos y la historia ha cambiado mucho desde entonces.
Como vemos el problema sucede cuando el motor trabaja a un régimen bajo de revoluciones aunque también influyen en este problema otros factores como son la inercia del grupo (su diámetro y peso), el volumen del colector entre la turbina y la salida de los gases de escape del cilindro, etc. Un turbocompresor más pequeño evita la demora en la respuesta, pero ejerce menos fuerza a altas revoluciones, según comentan algunos entendidos uno de los problemas que lastran al F14T esta temporada.
¿Cómo solucionarlo? Hay distintos tipos de sistemas que intentan disminuir este inconveniente aunque en la F1 utiliza el motor MGU-H para solventarlo. Veámoslos en profundidad a partir de ahora.
¿QUÉ ES EL MGU-H?
Este elemento es un motor/generador eléctrico que se asocia con el turbo cuya función es doble, por un lado generar electricidad cuando el motor de combustión está trabajando a un régimen alto y por otro permite acelerar y frenar el turbo según la demanda, dosificando la presión de soplado que genera, según sea necesario cuando el régimen de giro es bajo. Dicho de una manera más simple, cuando el motor del coche gira a bajas revoluciones se puede activar el MGU-H en su modo motor para aumentar la velocidad de giro del compresor (como si de un ventilador se tratara) para generar más presión gracias a la electricidad acumulada en las baterías del coche.
Con esto se mejora la potencia de forma inmediata, elimina el retraso en la respuesta del turbocompresor y proporcionará una curva de potencia más plana y parecida a un motor atmosférico durante un mayor número de revoluciones a la vez que suministra energía a las baterías para posteriormente ser utilizada. Este aspecto es vital, de una tremenda complejidad y se está demostrando como el elemento más importante a la hora de valorar las prestaciones de cada unidad de potencia.
FASES DE ACTIVACIÓN.
En este apartado habría que diferenciar las dos funciones del MGU-H.
1º- Fase generador. Sólo actúa como tal en los momentos donde el motor de combustión está en un régimen alto de giro como puede ser en las rectas o en curvas de alta velocidad. En esta fase el MGU-H genera electricidad que será enviada o bien a las baterías o directamente al MGU-K para aumentar la velocidad del coche sin necesidad de consumir combustible.
2º- Fase motor. Un ejemplo de esta fase puede ser cuando el coche transita por curvas lentas o acaba de salir de una gran frenada y necesitas acelerar. En estos momentos es imprescindible su activación ya que el motor de combustión tiene un régimen de giro bajo y el flujo de gases de escape es insuficiente para hacer girar la turbina. De no ser por su activación los monoplazas podrían quedarse “parados” durante unos segundos, para luego salir disparados cuando el turbo compresor tuviera el giro adecuado. En la fase motor el MGU-H siempre consume energía procedente de las baterías.
Como vemos el objetivo principal del MGU-H es trabajar como motor para controlar la respuesta del turbo. A simple vista no parece un sistema demasiado complejo pero realmente tiene una tremenda dificultad hacerlo funcionar todo a la vez. Que le pregunten a los responsables de motores de los equipos que andan locos desde el inicio del campeonato. El mayor reto de todos es conseguir un sistema de control inteligente que gestione la interacción entre el motor de combustión y el motor eléctrico. El sistema tiene que regula cuándo activar el generador o el motor eléctrico para hacerlo coincidir con las demandas del motor de combustión.
ESTRUCTURA INTERNA
Los motores eléctricos son dispositivos que transforman energía eléctrica en energía mecánica. El medio de esta transformación de energía en los motores eléctricos es el campo magnético. Todo motor se basa en la idea de que el magnetismo produce una fuerza física que mueve los objetos. Quién no ha jugado con dos imanes alguna vez. Sabemos que dependiendo de la alineación de los polos se podrá atraer o rechazar uno con respecto al otro y ese es el principio que utiliza los motores/generadores para crear electricidad/movimiento.
La estructura del MGU-H es básicamente la misma a la mostrada en el esquema anterior. Es una pieza que llega a alcanzar elevadas temperaturas debido a su proximidad con la turbina por donde circula los gases de escape. Para reducirla es necesario un sistema de refrigeración y el método más usado es mediante una camisa de agua que circula por su estructura.
UBICACIÓN
Cuando la FIA reguló las nuevas unidades de potencia determino que solo se podía utilizar un único turbo en ellas y su ubicación se limitó de manera considerable cuando impuso que compresor y turbina siempre giraran alrededor de un eje común, con la misma velocidad angular, paralelo al cigüeñal del motor, y dentro de 25 mm de la línea central del vehículo poca libertad hay aunque si fueron más generosos a la hora de poder colocar el MGU-H. Había dos opciones, situarlo fuera de ese eje o acoplarlo directamente en él pero siempre mediante una unión mecánica a la turbina de escape.
Montar el MGU-H sobre el mismo eje reduce el riesgo de averías ya que se reduce el número de piezas pero sobre todo, se disminuye el peso (Un solo eje en lugar de dos). Esa es la opción que han tomado todos los motoristas aunque hay diferencias entre ellos.
Renault: La opción tomada por el motorista galo es la de montar turbina y compresor, colocando el MGU-H en el hueco creado por la V del motor. Esta opción es la más compacta de todas las posibles, ubicando los componentes del turbo muy cerca del motor, dejando mucho espacio en la parte trasera de él. Tiene algunos inconvenientes. El calor generado en la turbina afecta mucho al compresor haciendo necesario un intercooler más grande o usar un sistema por agua que es más pesado para enfriar el aire que alimenta al motor.
Ferrari: Los italianos han optado por intercalar el MGU-H entre las dos piezas del turbo, situando el compresor junto al intercooler en la V del motor y el resto fuera de él. La función de esta distribución es usar el MGU-H como un elemento aislante permitiendo que el aire que circula por el comprensor se vea menos afectado por el calor de la turbina, reduciendo la superficie del intercooler.
Mercedes: La opción de los alemanes es la más original de todas. El concepto es similar al usado por Ferrari pero la separación entre los dos elementos es extrema, ubicando turbina y compresor a cada lado del motor. En el espacio existente en la V del motor sitúan el MGU-H y el eje que atraviesa las tres piezas. Esta separación impide que el calor generado por los gases de escapa afecte gravemente al aire para alimentar al motor de ahí que las necesidades de refrigeración de las unidades de Mercedes sean “bajas” con respecto a la competencia, con todo lo que ello conlleva.
Como hemos visto el sistema ERS-H es de gran ayuda para que las nuevas unidades de potencia puedan igualar o incluso superar las prestaciones que mostraban los anteriores motores atmosféricos. Sin él sería imposible conseguirlo pero la complejidad que lleva asociada dificulta mucho la tarea no solo a los equipos. La industria del automóvil poco a poco está entrando de lleno es esta tecnología y la experiencia aportada gracias a la F1 ayudará a que se generalice en un futuro próximo. Una vez que los fabricantes solventen los problemas de ajustes iniciales, la gestión electrónica de sus elementos se encargará de hacerlo, podremos disfrutarlo en nuestros coches de calle. Ocurrió lo mismo en el pasado. Ejemplos hay muchos, turbo, el ABS, pasando de ser un elemento revolucionario para terminar siendo un extra más en nuestros automóviles. Cada vez faltará menos, solo habrá que ir contando los días que restan, pero eso será otra historia.
