15
ene
2016
COMPRESORES ELÉCTRICOS: LA POSIBLE ALTERNATIVA

La Fórmula 1 actual está inmersa en un nuevo campo de batalla donde la lucha por el control de la competición centra la contienda. El elevado precio de las unidades de potencia y las prestaciones que son capaces de generar son la excusa, aunque hoy será el punto a tratar.

Hasta hace bien poco eran muchas las voces discordantes sobre el excesivo papel que representaba la aerodinámica en el rendimiento final de un Fórmula 1. Era la época dorada de Red Bull, equipo que supo obtener mejor que nadie rendimiento en ese apartado. Dichas voces abogaban por un cambio de rumbo en la normativa para aumentar considerablemente  el potencial de la parte mecánica y así contrarrestar el desequilibrio existente. La FIA medito y concedió el deseo.
La situación que vivimos en la actual es diferente; o no, dependiendo del punto de vista que tomemos. Ahora la mayoría quiere volver a dar de nuevo la vuelta a la tortilla alegando el excesivo protagonismo de las unidades de potencia, camuflando las quejas en lo elevado de su precio. ¿En qué quedamos? En fin, la eterna lucha de los que no encuentran el camino a la gloria y solo hacen poner trabas a los elegidos para intentar acortar la ruta.
La batalla está servida y la FIA ha entrado de oficio después de ver el dominio de Mercedes en las dos últimas campañas. En el debate está la entrada en escena de “un motor alternativo” si los fabricantes no son capaces de aportar soluciones a los problemas actuales que no son pocos: el suministro de motores a los equipos clientes, reducción del coste de los motores, la simplificación de los mismos, y por último la mejora en el sonido que producen.
Los fabricantes tienen hasta el 18 de enero para entregar sus propuestas pero habrá que  esperar hasta el día 31 para saber si el Consejo Mundial decide aceptar las soluciones alternativas o la entrada en escena de un nuevo motor; una situación no deseada por los fabricantes que verán como pierden gran parte de su poder. Está claro que los dos equipos dominadores, Mercedes y Ferrari tendrán que ceder. Más vale perder una batalle que no la guerra.
¿Cuáles son las soluciones alternativas?
Según el redactor jefe de la BBC, Andrew Benson la propuesta de los fabricantes de motores para reducir costes y aumentar el ruido se centra en el turbo, en concreto en la parte del sistema híbrido que recupera la energía, el MGU-H. Para refrescar conceptos me gustaría recordar que este aparato tiene dos funciones muy importantes en el sistema ERS: crear potencia y solventar algún que otro problemilla que genera la tecnología turbo.
Instalar un turbocompresor en un motor aumenta la potencia del mismo a la vez que  reduce su consumo, pero los sistemas turbo no son perfectos y presentan algunos problemas pero de todos destaca por su importancia uno: el retraso en la respuesta del turbo, también llamado turbo-lag.
 
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. Los gases de escape son los responsables de hacer giran la turbina que se encarga de mover  a su vez el compresor. Si el piloto no pisa el acelerador, el motor no es capaz de genera la presión de gases de escape lo suficientemente alta para facilitar el giro de la turbina, impidiendo a su vez que el compresor pueda hacer bien su trabajo. La falta de giro en el compresor reduce la presión del aire que se emplea para sobrealimentar al motor, reduciéndose así la potencia de manera drástica. A esto se le llama turbo-lag y ocurre siempre cuando el motor gira a bajas revoluciones.
Hay distintos tipos de sistemas que intentan disminuir este inconveniente. En la Fórmula 1 actual se utiliza para solventarlo el motor 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 compresor según la demanda, dosificando la presión de soplado que genera. 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.

 

Para lograrlo el MGU-H está unido tanto a la turbina como al compresor mediante un eje común. Con este sistema se consigue mejorar 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 en su fase generador suministra energía a las baterías para posteriormente ser utilizada o enviarla directamente al MGU-K para mejorar las prestaciones del monoplaza, uno de los aspectos claves en el dominio actual del equipo Mercedes.  Este aspecto es vital, de una tremenda complejidad, demostrándose como el elemento más importante a la hora de valorar las prestaciones de cada unidad de potencia.
Pero en la vida no hay nada que sea perfecto. El MGU-H y todos sus sistemas asociados son tremendamente caros y muy complejos a la hora de hacerlos funcionar a la perfección, y si no que se lo pregunten a los chicos de Honda. Si son caros y complejos ¿por qué no eliminarlo? Esa es la vía tomada por la mayoría de los fabricantes pero se han encontrado con un inesperado y duro opositor; Honda que argumenta que el MGU-H es parte central de su estrategia en la F1.  
La eliminación de este elemento produciría una reducción importante en las prestaciones de los coches, algo que no entra en los planes de la FIA que quiere coches más rápidos en pista pero siempre buscando el equilibrando en la balanza entre mecánica y aerodinámica. Para mantener en parte este equilibrio se ha pensado implantar un sistema similar al MGU-H pero sin la fase de recuperación de la energía. Este sustituto se llama e-booster.


¿Qué es el e-Booster?

Es un sistema que aumenta la presión de admisión cuando el motor gira a bajas revoluciones mediante el uso de un compresor eléctrico extra en el sistema que puede ser colocado antes o después del turbocompresor. Si el sistema turbo convencional en un F1 está formado por una turbina, un compresor y el MGU-H, un motor turbo con e-Booster cuenta con dos compresores y una turbina. Como siempre, una imagen vale más que mil palabras.
 

Los dos compresores están conectados en serie y trabajan de manera conjunta para obtener el efecto deseado que no es otro que ajustar los puntos de funcionamiento del motor térmico con el fin de obtener un alto par a bajas velocidades, extendiendo la curva de potencia a plena carga.
El sistema e-Booster está compuesto por un compresor, un motor eléctrico y la electrónica de potencia. El funcionamiento es relativamente simple. Imaginaros a un piloto pisando a fondo el acelerador de su coche en una recta. En esas condiciones el motor térmico alcanza un régimen de giro alto y la presión de sobrealimentación  proporcionada por el compresor clásico, el perteneciente al turbo es suficiente para conseguir la potencia. En esta fase el compresor eléctrico no está funcionando  y válvula de derivación (bypass) está abierta. Al aumentar el régimen de giro la cantidad de gases producido por la combustión es muy alta, tanto que la turbina no es capaz de evacuar de manera óptima todo ese gas, aumentando así de manera excesiva la presión dentro del circuito de escape llegando incluso a producir daños irreparables en el motor. Para evitar posibles averías se utilizan las válvulas de descarga (wastegate) que son una vía alternativa para evacuar parte de los gases y ajustar así la presión dentro del circuito. Desviar parte de los gases de escape desde el motor y unir la válvula wastegate a uno o dos tubo de escape independiente es la opción elegida por la FIA para aumentar un 25% el ruido de los motores.
Seguimos. La recta se terminó y el piloto pisa el freno para ralentizar el coche y así trazar bien una curva lenta. Una vez sorteado el obstáculo vuelve a pisar a fondo el acelerador. En ese punto el régimen de giro del motor es bajo y se empiezan a notar los efectos del turbo-lag. El compresor clásico no genera la presión de aire necesaria para “exprimir” al máximo el potencial del motor. ¿Cómo solucionarlo? Muy “sencillo”, comprimiendo aún más el aire para que llegue más oxígeno a la combustión. En este punto entra en escena el compresor eléctrico.
El primer paso es cerrar la válvula de derivación  para que el aire pre-comprimido por  el turbocompresor  alcance el compresor eléctrico. El motor que incorpora recibe la  electricidad procedente de las baterías y empieza a girar sus aspas comprimiendo rápidamente el aire hasta alcanzar el valor deseado, eliminando así de manera efectiva el turbo-lag. De esta forma la aceleración del coche es más eficiente al conseguir la presión de sobrealimentación que necesita el motor de forma casi instantánea. El sistema de compresor eléctrico diseñado por Valeo para Audi es capaz de acelerar la turbina del compresor hasta su máxima velocidad en tan solo 250 milisegundos. Eso significa que en un cuarto de segundo, el compresor estará al máximo de su rendimiento, menos de lo que tarda un piloto en completar el recorrido del pedal del acelerador si no lo tenía pisado.


La centralita electrónica del coche (ECU) se encargará de gestionar los mapas de funcionamiento, la sincronizar perfecta de los dos compresores además de activar la válvula de derivación en el momento adecuado. Una vez alcanzada la presión gases de escape suficiente para accionar la turbina y facilitar la sobrealimentación accionada por el turbo convencional, la ECU manda la orden necesaria para abrir la válvula y detener el compresor eléctrico. Debido a su diseño compacto, el compresor eléctrico puede ser  integrado con cierta facilidad en el diseño de los nuevos motores y no necesitará de una refrigeración líquida específica (posiblemente se emplee el mismo circuito que utiliza el motor) ya que su carga de trabajo no es demasiado elevada, reduciendo así las posibilidades de sobrecalentamiento.
Como vemos el uso del e-Booster permite que las prestaciones generadas por el motor  no dependan exclusivamente de la energía cinética generada en la turbina por los gases de escape, sino también de aprovechar la energía “sobrante” acumulada en las baterías. No hay que olvidar un aspecto importante; su implantación producirá un cambio radical en la filosofía ideada en los dos últimos años. Renunciar a la parte generadora de energía que suministra el MGU-H implica que dicha función recaiga íntegramente en el MGU-K. Dicho de otra forma; la parte híbrida de los futuros Fórmula 1  dependerá exclusivamente del ERS-K (el antiguo KERS), eso sí, de hacerse efectiva la medida se tendrá que valorar de nuevo los niveles de gasto y generación creados por él.
La reducción de costes se debe a dos aspectos fundamentales: por un lado el sistema es menos complejo y por tanto requiere un gasto menor en su desarrollo y por otro los materiales a emplear son mucho más económicos. El turbo convencional opera en un rango de temperaturas muy alto (entre 800 y 1.000 °) y necesita del uso de materiales específicos y caros que puedan soportarlo. Instalar el compresor eléctrico lejos de la fuente principal de calor, en la línea del aire frío implica que las necesidades de los materiales a emplear sean menos exigentes.


Como dije antes el compresor eléctrico es una de las opciones que pueden emplear los equipos para dar salida al atolladero. Emplear motores V6 turbo 1,5 litros con un solo sistema de recuperación de energía situado en el eje trasero (ERS-K) y sin el MGU-H que será sustituido por el e-Booster puede ser una alternativa de futuro y una reducción considerable en el coste de las unidades de potencia. La FIA pretende implantarlo en 2017  pero los fabricantes dicen que no es posible y fijan el 2018 como fecha más realista debido a ser una tecnología aún en desarrollo. Veremos si todos llegan a un acuerdo o si será necesario un golpe de autoridad para solucionarlo; todo sea por el interés de la competición. Ya queda menos para  resolver las dudas, pero eso será otra historia.


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