Como adición al nuevo motor turbo, los sistemas de recuperación de energía se convertirán a partir de este año en una parte mucho más importante del rendimiento de los Fórmula 1. Con dos sistemas de este tipo que proporcionarán 160 cv para la mayor parte de la vuelta, esta tecnología llega como un enorme desafío para los ingenieros y pilotos. Su eficiencia y robustez decidirán gran parte de los resultados, e incluso el campeonato, por lo que el 2014 se convierte en el año de la gestión de la energía.
El KERS conocido hasta ahora
Fue en el año 2000 cuando Toyota introdujo en el mercado el primer coche híbrido de éxito, y mientras aumentaba la conciencia de respeto al medio ambiente, en 2009 la tecnología híbrida llegó a la F1 con los KERS.
Cada vez que un coche acelera, quema importantes cantidades de energía (combustible), y cuando frenamos, la energía cinética se desperdicia en forma de calor en los frenos. Los sistemas de recuperación de energía (en adelante ERS, de Energy Recovery Technologies), pretenden almacenar la energía desperdiciada y reutilizarla para proporcionar después potencia.
Con el KERS empleado hasta ahora en la F1 (la K viene de Kinetic, puesto que sólo recuperaba energía cinética), en las frenadas la energía que se desperdiciaría por lo frenos traseros era recuperada con un generador unido al cigueñal del motor. La resistencia ofrecida por el generador realizaba una fuerza de frenado en las ruedas traseras a la vez que cargaba las baterías.
Luego, cuando el piloto necesitaba potencia extra, la electrónica invertía las conexiones y devolvía la energía almacenada en las baterías al generador, que actuaba como motor (es un motor-generador, o MGU, de Motor-Generator Unit) para proporcionar 80 cv durante 6,7 segundos. Esta potencia se solicitaba por los pilotos mediante un botón en el volante, y los equipos les recomendaban dónde usarlo y por cuanto tiempo para lograr la mayor ventaja por vuelta, aunque también podía usarse como herramienta táctica para adelantar o evitar ser adelantado.
Como había una restricción en cuanto a la energía que el sistema podía proporcionar, el reto para los ingenieros estaba en hacer sus KERS eficientes, fiables y ligeros. Para el final del 2013, todo el conjunto de baterías, motor-generador y la electrónica pesaban menos de 25 kilos. Su eficiencia estaba en el 80%, lo que significa que de la energía almacenada, el 80% volvía a las ruedas traseras. En cuanto a fiabilidad, aunque se llegó a un buen nivel, todos los equipos han perdido el KERS en algún momento por alguna avería o sobrecalentamiento, pero siendo su beneficio de alrededor de 0,3 segundos por vuelta su pérdida tampoco era un desastre.
El motor-generador (MGU) se solía unir mediante un engranaje a la parte delantera del cigueñal del motor, robando espacio al depósito de combustible, y en la parte posterior del monocasco tenía que ser moldeado un hueco. Con toda la alta corriente que fluye a través del sistema durante la carga y descarga, el MGU, el controlador de potencia y las baterías se calentaban mucho. Estos sistemas trabajan mejor con temperatura más elevada que la de ambiente, pero tampoco funcionan bien con calor extremo. Por eso los equipos gestionaban el precalentamiento y refrigeración para mantenerlos en su temperatura óptima de funcionamiento, y por eso también en algunos momentos se les pedía a los pilotos que dejaran de utilizar el KERS, para que las temperaturas bajaran de nuevo a la ventana operativa. Para refrigerar la electrónica de potencia y las baterías de Ion-Litio se empleaba agua, mientras que para la MGU se solía emplear aceite.
Aunque el KERS en la F1 debería ser considerado como un éxito y haya sido el precursor del ERS en los deportes del motor, su impacto ha sido limitado. Las restricciones en la potencia de salida significaban que no podía existir una carrera tecnológica para lograr el sistema más potente.
ERS del 2014
Este año los sistemas de recuperación de energía (ERS) se amplían, y una parte mucho mayor del rendimiento del coche vendrá de las tecnologías hibridas. Para ello la FIA ha aumentado el límite en la recuperación de energía cinética y ha incluido otros medios para recuperar energía perdida. Como parte de este nuevo mundo, tendremos que adaptarnos a toda la nueva terminología. Ahora todo el conjunto motor es una «unidad de potencia», compuesto por el motor de combustión interna y dos tipos de ERS.
Lo que era el KERS ahora se llama ERS-K (la K es de Kinetic, cinética), y tiene el doble de potencia de salida y cinco veces la capacidad de almacenamiento que antes. Y después tenemos el nuevo sistema ERS-H (la H es de Heat, calor), que es otro motor-generador (MGU) montado en el turbocompresor del motor. A diferencia del ERS-K, el ERS-H puede o bien entregar la energía recuperada al motor, mediante el MGU del ERS-K, o hacer girar el propio turbo mediante su propio MGU para reducir el tiempo de respuesta del turbo.
En cuanto a la posición de los elementos, el MGU del ERS-K ya no estará en la parte frontal del motor, porque con el doble de tamaño y las nuevas normas sobre el montaje de los elementos, el MGU estará situado a un lado del motor y bajo los escapes. Esto necesitará de algunos cambios en las bombas de agua, alternador y bombas hidráulicas, que anteriormente estaban situadas en esta zona. Sin embargo el MGU del ERS-H tiene que estar en el propio turbocompresor. Cuando el turbo gire, el MGU lo hará a la misma velocidad, alrededor de 100.000 rpm, y hacer lidiar al dispositivo con semejantes velocidades y sus asociadas fricciones y calor, será todo un reto.
Los dos MGU irán conectadas como antes al control de potencia y a las baterías, que por las mayores corrientes tendrán que ser más grandes. Esto ocupará más espacio en los pontones y bajo el depósito de combustible, y todos los componentes del ERS necesitarán refrigeración, por lo que los pontones tendrán que tener mayor tamaño para alojar los radiadores más grandes.
Así que con todos los sistemas de energía, estos pequeños motores de gasolina producirán un pico de potencia similar a los empleados hasta ahora. A diferencia de los anteriores KERS, este año los pilotos sólo pueden solicitar potencia a través del pedal del acelerador. Esto deja a la electrónica decidir en cada momento si se envía potencia a las ruedas traseras mediante el motor de gasolina o el ERS. Pero como en 2013 el piloto tendrá acceso a diferentes mapas de potencia desde el volante y por supuesto que habrá un botón que ofrecerá la máxima potencia del motor de combustión y el ERS para un uso táctico en carrera.
Frenos traseros activos
Un problema del ERS-K es el efecto que tiene en los frenos traseros. A medida que el MGU recupera energía actua como un freno, y ese efecto de frenado depende del nivel de recuperación de energía y del estado de carga de las baterías. Antes los equipos ajustaban la recuperación de energía para proporcionar un frenado igual a lo largo de toda la vuelta, pero en 2014, con un ERS mucho más complejo y una mayor recuperación de energía, sería difícil controlar el efecto de frenado.
Por eso la FIA ha permitido un sistema de freno «by-wire» por primera vez. Descrito en la normativa como el «sistema de control del freno trasero», será un sistema que reacciona a las demandas del piloto sobre el pedal de freno y aplicará la correspondiente fuerza de frenado teniendo en cuenta el nivel de recuperación de energía del ERS. Aunque técnicamente es un sistema activo, no va a proporcionar ninguna forma de antibloqueo de frenos, porque el control del sistema estará vigilado por la centralita estándar de la FIA. El sistema sólo aplicará la fuerza de frenado resultante de los cálculos, si el piloto pisa demasiado fuerte, las ruedas se bloquearán.
Gestión de la energía
Solo el nuevo ERS-K será capaz de impulsar el coche durante la mayor parte del tiempo que el piloto está pisando el acelerador al máximo. Y cuando la batería se quede sin carga, el ERS-H puede proporcionar energía adicional para alimentar el MGU del ERS-K. Equilibrar el uso de la potencia y la energía será la clave para sacar el máximo del ERS en calificación y carrera, así como el uso de la potencia eléctrica para compensar la reducción del conbustible a emplear en carrera. Entender cuál es la mejor forma de emplear toda la energía disponible será un rompecabezas para los equipos.
Otra cuestión vital es la fiabilidad, porque todos los sistemas son complicados, operan en un entorno difícil de vibraciones, calor y cargas. Y a diferencia de hasta ahora, un problema en el ERS puede dejar un coche con tres cuartas partes de su potencia, lo que supondría mucho tiempo por vuelta además del aumento de consumo de combustible para compensar la pérdida de ERS. Averías de este tipo serán comunes y perjudicarán enormemente las carreras de los pilotos, pudiendo incluso obligar a retirarse.
Por el contrario, con un límite de sólo 100 kg de combustible para las carreras, un ERS eficiente puede reducir el consumo de combustible del motor. Es difícil imaginar que 160 cv de potencia vendrán sólo del aprovechamiento de la energía desperdiciada. Será una tecnología increíble que proporcionará grandes avances a nuestros coches de calle.
Leer también: Todo sobre los motores de 2014
fuente: autosport
Muy buen articulo Ión. Sigo pensando que usarán el ERS-K como ayuda a mejorar la tracción y que habrán equipos que encontraran «lagunas» en el reglamento como viene pasando en los últimos años. Saludos.
Excelente artículo Ion, como siempre.
Quería comentar varías cosas:
La MGU-H podrá directamente inyectar energía a la MGU-K, sin necesidad de pasar por las baterías. Desconocía este aspecto, y puede ser muy interesante desde el punto de vista estratégico, ya que con mapa de motor adecuado, podría ofrecer interesantes ahorros de combustibles en circuitos de alta velocidad como SPA o Monza.
La situación de la MGU-K junto a los escapes, plantea un problema importante de temperatura, para la refrigeración de la propia MGU-K.
Otro problema importante de temperatura se plantea con las baterías, justo debajo del deposito de gasolina. La disipación de calor de las enormes baterías de este año, calentará el combustible, perjudicando el rendimiento del motor térmico.
Buen artículo.
Lo que me lleva a ver que el aumento de potencia de los sistemas de recuperación de energia, va a ser superior al año pasado. Y con tanto sistema instalado en el coche, su ubicación será importante. No me refiero sólo al peso, tambien al centro de gravedad y por supuesto a las altas temperaturas que circularán por las tripas del coche.
Vamos, que creo que este año puede ser movidito y con cambios algo más que sólo estéticos.
Saludos,
Me uno al comentario de los ingenieros anteriores, lamento no opinar, no es mi tema.
Felicitaciones ION, interpreto que ya en la nota «El retorno de ………..las averías», aporte mi arsenal de conocimientos, y tengo las baterías agotadas por el intenso calor.
Es mas, habiendo comentado dos universitarios, considero que mis comentarios no están a la altura de sus niveles profesionales.
Saludos.
Amigo Jorge, ya me gustaría a mi saber de motores, la mitad de lo que tu sabes, ……………. ahora que si no quieres comentar porque tienes las baterías agotadas por el calor en tu tierra, ……..
Por otro lado, viendo otras imágenes de la unidad de Ranault, ya no parece estar tan cerca la MGU-K de los escapes, y por tanto ya no sería tan importante como me planteaba en mi comentario #2.
Excelente articulo ION, gracias una vez más. Junto a los cuadros enviados por Mohamad, nos aclara cómo funcionará el sistema. Las deducciones de Paco2 son las que hay que ir buscando para obtener respuestas del sistema. Espero techf1 se equivoque con su deducción, por el bien de la F1. Salu2 desde Pucón
Buena observación Paco2. Añadir que las baterías cuanto mayor temperatura, menor es su rendimiento así que necesitaran de una buena refrigeración. Estimado Vitto, yo también espero estar equivocado pero sobre todo Red Bull es muy dado a esas cosas. Por otro lado, cuantos coches veremos ardiendo este año? A ver como solucionan todo. Saludos.
Ingeniero Paco2.
Estimado amigo, cuando uno esta limitado, tiene que dar un paso al costado, que es lo que realizo, mi ultimo comentario #20 en la nota «El retorno de………..las averías», fue este gráfico, que reconozco que tu y y el amigo techf1 lo sabrán comentar mejor que yo http://imageshack.com/a/img834/4120/jn2m.jpg lo en tiendo pero me es dificil comentarlo, y se que ustedes lo descifran mejor.
Gracias por lo de los motores, pero es mas experiencia que estudios, un tema «tabu» en mi juventud, tenia
que resolver , ayudar a mi familia o estudiar, resolví apoyar a la gallega que me trajo al mundo.
Saludos.
Respecto a la mejora de la tracción que mencionas, este año sobre el papel, parece muy sencillo. Expongo mi planteamiento, a ver si estáis de acuerdo:
En los momentos en que el coche pueda tener un exceso de tracción, la MGU-H, puede desviar parte de la potencia del turbo a las baterías, reduciendo la presión en la alimentación, y por tanto lo potencia entregada por el motor térmico, evitando que en la primera fase de la aceleración las ruedas patinen, y en una segunda fase de aceleración la MGU-K entregaría esta potencia al eje de las ruedas.
Jorge, una hora de experiencia, vale por muchas horas de estudios en la universidad.
No había visto el gráfico, y lo primero que me ha llamado la atención, es que la MGU-H puede entregar una cantidad ilimitada de energía recuperada a la MGU-K, siempre que sea de forma directa, sin pasar por las baterías. Esto enlaza con lo comentado por mi en el #2, y abre el abanico de mejoras en la eficiencia (reducción del consumo de combustible), con el desarrollo de los mapas motor. UNA AUTENTICA MINA DE ORO PARA EL DESARROLLO Y EVOLUCIÓN DE LOS COCHES.
Estimado amigo Paco2.
Hombre tu capacidad ayuda a entender el gráfico que subí, motivos de sobra que a veces uno no tiene la capacidad de comentarlo sin un gráfico o una nota que avale lo que comentas, me agrada que te sea util,
fue el ultimo comentario en esa nota del amigo ION.
AL MARGEN TENIA OTRA NOTA QUE LO ESTUVE OBSERVANDO PERO AHORA NO LO PUBLICAN http://www.renaultsport.com/Nouvelle-traduction-40-Energy-F1.html?lang=fr al margen denominan a su motor RENAULT ENERGY F1.
Espero el motor de FERRARI para opinar.
Gracias por tus palabras.
Saludos.
OFF TOPIC.
Pirelli anuncio que sus neumáticos pesaran 500grs mas, motivos de que se prevea incrementar el peso mínimo del coche en 2 kilos, falta la aprobación final.
El peso sera distribuido de acuerdo a la normativa.
Saludos.
Ya RENAULT presento el motor y en las fotos pequeñas se ve como actúan en todo el circuito el sistema es
muy ilustrativo para entendidos es para observar y sacar conclusiones, http://www.omnicorse.it/magazine/34033/renault-energy-f1-diffuse-nuove-immagini-della-power-unit-della-casa-francese hay un foto pequeña para entendidos «la ultima de la columna de la izquierda», es un obsequio.
Saludos.
Jorge, siguiendo con el gráfico:
La energía trasmitida entre las baterías, y la MGU-H es ilimitada, en ambos sentidos, es decir, que no computa en los 4MJ por vuelta, y tampoco está limitada por tanto a los 33,3 segundos por vuelta.
Como la MGU-H entrega su energía al eje del turbo, y no a las ruedas, se podrá suplementar la sobrealimentación del motor térmico, siempre que sea conveniente, y sin ningún límite, bueno en realidad con un único límite que sería la capacidad del conjunto del sistema ERS de recuperar energía.
Paco2, mis felicitaciones por tus comentarios. Cada uno de ellos nos sirve para comprender más y más cómo funcionará la Unidad de Potencia de los nuevos F1. Gracias y espero nuevos comentarios que descubras. Salu2
GRACIAS PACO2.
Tu capacidad me ayuda a entender mejor el sistema, motivos que existía una duda ¿si la MGU-H, ayudaba o no al TURBO?, por lo expuesto tenia razón Luca Marmorini, cuando aclaro que todavía no estaba definida, que era lo mas conveniente en determinados momentos ,ya que el sistema funciona arriba de los 100 Kms/hora en la pista, algo para tener en cuenta.
El gráfico es lo mas cercano a la realidad.
Gracias Paco 2 por tu tiempo, me aclaraste el tema, solo alguien capacitado en esos circuitos puede entenderlo, motivos de a veces no puedo aportar nada solo copiar y pegar, me agrada haberte sido útil.
Un abrazo y cariños a la familia.
BUENO SI EL INGENIERO VITTO TE FELICITA, YO NO DEBO DE SER MENOS.
FELICITACIONES PACO2, IMPECABLES COMENTARIOS QUE SE AGRADECEN, Y MAS DESPUES DE HABER REFLOTADO UN COMENTARIO ANTERIOR Y VOLVERLO A PUBLICAR.
Es mas simple entender un gráfico, cuando alguien con capacidad y experiencia lo desmitifica, al subirlo me di cuenta que no era un tema para mi, te reitero el agradecimiento, y mas por la facilidad de hacerlo entender.
Un abrazo.
PD reconozco mis limitaciones.
Paco2, el problema es que sí tienes limitado el régimen del turbo y cuanto mayor tiempo esté girando, mayor consumo por eso creo que lo han dejado ilimitado. Saludos.
Techf1, estoy de acuerdo que pueden haberlo dejado ilimitado por esa razón, pero ahora me planteo como sacarle jugo a ese grado de libertad que me ha dejado la normativa y se me ocurre algo (supongo que a los ingenieros en fabrica se le ocurrirán cosas mejores), me explico:
Después de haber probado el motor en el banco de pruebas, poniendome en el lugar del fabricante, debería de saber, a cada régimen de vueltas, la presión de sobrealimentación que me da el óptimo rendimiento, y la presión que me da la máxima potencia (que probablemente sean distintas), y probablemente también sabré la potencia que me es capaz de dar la turbina en esas circunstancias. Mi planteamiento es, con la MGU-H yo podría suplementar la presión que me da el turbo, o reducirla, a voluntad, es decir, según me convenga, para moverme o bien en el máximo rendimiento, o bien en la máxima potencia. Se podría manejar eso con distintos mapas de motor que permitan variar estrategias durante la carrera.
Bueno, no sé si me he entusiasmado demasiado, y he divagado y dicho alguna tontería. Agradezco correcciones, porque de motores no sé lo suficiente como para estar seguro de lo que he dicho.
Jorge,
Si he leído lo de la limitación de 0 a 100km/h que no permite usar la MGU-K, y la verdad es que no entiendo muy bien el porque de esta limitación. Tengo que darle alguna vuelta a ver si se me ocurre alguna razón.
Esta limitación afectará a la salida de las curvas lentas, y en la salida del GP,