En el anterior post hablamos fundamentalmente del motor térmico, y en parte, porque dejamos de lado el conjunto turbina-compresor, parte importantísima del rendimiento de las unidades de potencia, y que nos permite introducirnos en otros componentes del mismo conjunto.
Como seguro que conocen, un motor turboalimentado aprovecha la energía restante contenida en los gases de escape del motor para hacer girar una turbina, consistente en un rotor que dispone de álabes sobre los que ejercen la fuerza los gases de escape, y de esta forma se consigue un giro de dicho rotor. Este giro se transmite a un compresor, al que a su vez llega la mezcla aire-combustible fresco. Dicha mezcla, por el efecto de pasar por el compresor es comprimida y por tanto ve reducido su volumen por efecto de la presión, de tal forma que para una determinada capacidad de la cámara de combustión podemos introducir mayor cantidad de mezcla a medida que aumentamos esa presión. Es como si aumentáramos la capacidad de la cámara y por tanto la cilindrada, respecto de la misma cámara recibiendo mezcla a presión atmosférica. El resultado de todo ello, es que generamos más par y potencia que mediante el mismo motor a presión atmosférica.
Lo que ocurre es que, como todo en esta vida, las cosas no son tan bonitas como aparentan. De entrada, esto supone aumentar el consumo respecto del mismo motor atmosférico, ya que la mayor potencia tiene que salir de algún sitio. Además, el hecho de comprimir la mezcla genera un incremento de temperatura, y ya vimos que eso supone una disminución del rendimiento, ya que cuanto mayor sea la diferencia entre temperaturas exterior e interior de la cámara, mayor es el potencial de generación de potencia para una misma cantidad de combustible. En el caso de los motores turboalimentados se recurre al intercambiador o intercooler, bien sea aire-mezcla, bien agua-mezcla, o incluso una combinación de ambos, para rebajar la temperatura de la mezcla a la salida del compresor y previa entrada a la cámara de combustión. Esos intercambiadores de calor necesitan respirar, y por tanto deben recibir aire fresco para aumentar su efectividad. Recibir aire fresco implica afectar aerodinámicamente al vehículo, y eso ya saben que es negativo y molesta mucho al departamento de aerodinámica y a las prestaciones finales.
No se acaban ahí los problemas. Los motores turboalimentados requieren una relación de compresión menor para evitar que la sobrepresión genere fenómenos de detonación espontánea, que rápidamente acaban con cualquier motor. Ello supone pérdida de rendimiento, ya que éste es proporcional a la relación de compresión con un exponente mayor que uno.
Además de estas cuestiones, y alguna más que obviamos, en el caso de los F1 se presenta un asunto clave; el sistema MGU-H, de recuperación de la energía térmica, precisamente procedente de la turbina. Ahí reside uno de los puntos más complejos de todo el conjunto. En efecto; este sistema MGU-H no había sido experimentado hasta la introducción de la normativa en 2.014, y ha ido presentando mejoras desde el comienzo. Su principio de funcionamiento se basa en aprovechar la rotación de la turbina del turbocompresor, en los momentos en que ésta gira por inercia, sin demanda de potencia por parte del piloto, y también el exceso de sobrepresión cuando se demanda potencia, que antes se perdía por la válvula de descarga, y ahora la MGU-H se encarga de convertirla en energía. Esto ha ido evolucionando a medida que se conocía mejor el funcionamiento del sistema, y dado que la potencia obtenida por esta MGU-H no tiene limitación reglamentaria, se ha pasado a una compleja gestión del sistema, que incluye aprovechamiento directo mediante el motor eléctrico común de 120 kw de potencia máxima, acumulación en la batería cuando ésta está baja y ello es posible, o simplemente no uso del mismo para potencia sino para mantener el giro de la turbina y no tener tiempo de retraso cuando volvemos a acelerar.
En todo ello Mercedes siempre ha estado un paso por delante desde el principio, en que decidió separar físicamente la turbina del compresor, situando uno a cada lado del bloque. Ello permite intercoolers menores por mejor refrigeración, y por tanto mejora aerodinámica y más margen de maniobra en el diseño del coche. También permite un mejor reparto de pesos y distribución de flujos internos. A cambio, es necesario trabajar mejor el equilibrado, al ser un eje largo que conecta ambos elementos (turbina y compresor). Y sobre todo, eso les ha permitido no tener limitaciones en cuanto a tamaño de turbina, consiguiendo con ello mejor aprovechamiento de la MGU-H. En el lado opuesto, Honda diseñó un motor lo más compacto posible, auspiciado por Mclaren, y situó el conjunto turbina-compresor en el interior de la V de los cilindros, muy limitado en espacio y en aire. Esta opción se demostró nefasta para obtener un buen rendimiento y llevó a la catastrófica temporada 2.015.
Ferrari se dio cuenta, y reaccionó copiando la solución Mercedes el pasado año, en el que se acercaron en potencia máxima, pero no tanto en aprovechamiento óptimo de la MGU-H.
El motor Renault empezó siendo bastante competitivo a pesar de optar por un bloque turbina compresor unidos, permitiendo en 2014 ganar a Red Bull tres grandes premios. Sin embargo, el invierno 2014-15 le sentó fatal, y supuso un paso atrás muy grande. Las modificaciones introducidas afectaron a la fiabilidad, con graves problemas de suministros y proveedores, y ello implicó una vuelta atrás en prestaciones para recuperar la fiabilidad perdida, que condicionaron toda la temporada pasada.
Este año pasado trabajaron duro en invierno, consiguiendo un motor que si bien tenía un importante déficit de potencia, superior a 60 CV, funcionaba muy redondo y equilibrado. A partir de esta base, Renault ha ido mejorando su unidad de potencia, situándose muy bien en jerarquía, con una mejor entrega de potencia y suavidad de funcionamiento, lo que les permitió dominar en Mónaco y superar claramente a Ferrari.
Para 2.017, Renault ha rediseñado completamente el motor, porque creen que el anterior diseño no permitía mayores evoluciones y estaba en el límite de desarrollo. Tal vez en eso cabe entender que el conjunto turbina-compresor no estaba en el lugar que debía.
Lo que parece claro es que se requiere una turbina de dimensiones importantes que aporte soplado al motor térmico en su justa medida para optimizar el flujo de combustible disponible, y el resto no aprovechable en el motor térmico permite optimizar el funcionamiento de la MGU-H y en conjunto la unidad de potencia.
El flujo actual de combustible (100 kg/hora) no permite aprovechar el límite reglamentario de 15.000 rpm, porque mucho antes ya se consume todo. Si miramos las características técnicas facilitadas por Mclaren de su unidad de potencia, veremos que hablan de máxima potencia a 10.500 rpm.
Nos queda todavía para comentar varias partes del conjunto de unidad de potencia. Mientras tanto, los F1 ya ruedan en Montmeló, algunos más que otros…