Las primeras indicaciones del futuro reglamento de motores 2021, hablan de la eliminación del sistema MGU-H, de recuperación de energía térmica. Ya hemos dicho varias veces que nos parece una mala noticia, porque representa la parte más innovadora de los actuales sistemas de propulsión. Y prueba de ello, es la multitud de problemas y quebraderos de cabeza que ha generado su desarrollo.
Recordemos que, en 2014, se cambió radicalmente el reglamento referido a propulsión de los F1, pasando a un sistema denominado «unidad de potencia», compuesto por 6 elementos: un motor térmico V6 a 90º de 1.600 cm3 de cubicaje, limitado a 15.000 rpm, turboalimentado a sobrepresión libre, y un sistema de recuperación de energía múltiple mediante generador, MGU-K, similar al KERS anterior, con limitación de recuperación a 2 Mjoules por vuelta, y además incorporando un nuevo sistema, por acoplamiento al turbocompresor, conocido como MGU-H, consistente en un pequeño motor generador eléctrico, sin limitación de recuperación de energía en este caso, con un límite de 125.000 rpm de rotación, y con libertad para 1) acumular dicha energía eléctrica recuperada en la batería, o bien 2) utilizarla directamente en propulsar el vehículo a través del motor eléctrico presente en el vehículo. También puede 3) utilizarse como motor, para mantener la rotación de la turbina en momentos de bajas revoluciones del motor, evitando el retraso en la aceleración, conocido como turbo-lag.
Además, se dispuso de una batería de 4 MJ de capacidad, o mejor dicho, cuya diferencia entre el mínimo y el máximo de energía disponible sea de 4 MJ, que permite alimentar el citado motor-generador eléctrico, MGH-K, de 120 KW de potencia, durante 33,3 segundos por vuelta.
Finalmente, se dispone de una unidad de gestión de todo el sistema, estandarizada para todos los equipos, y que permite programar para tratar de optimizar todo el conjunto, manteniendo el consumo por debajo del máximo permitido. Porque, también en 2.014, se establece un doble límite de consumo de gasolina, de 100 kg por gran premio, y de flujo de combustible, a 100 kg/hora. Posteriormente, en 2017, se aumenta a 105 Kg por gran premio, manteniendo el mismo límite de 100 kg/hora de flujo de combustible. Hay otros apartados del reglamento, pero no nos extendemos por no ser relevantes para el objeto de este artículo, en el que vamos a centrarnos en la unidad MGH-U, como se indica en el título. Para ello, debemos tomar en consideración varias cuestiones previas.
El reglamento actual presenta por tanto dos sistemas de recuperación, que en conjunto suponen entre el 6 y el 8% del total de la energía consumida por un F1 en un gran premio, que es de 4.680 MJ, aproximadamente, incluyendo el aceite que consumen. Por una parte, se recupera parte de la energía cinética del vehículo, a razón de 2 MJ por vuelta, mediante un generador eléctrico que «sustituye» parcialmente al sistema de frenado, convirtiendo esa energía cinética, que previamente hemos aportado para propulsar el vehículo, en energía eléctrica, almacenándola en la batería. Esa misma energía, luego la aprovechamos con el generador haciendo las funciones de motor eléctrico, de 120 kW, o 163 CV, limitado por reglamento a 50.000 rpm. Es el MGH-K, que también podemos encontrar en los vehículos híbridos o eléctricos presentes en el mercado actual. Por otra parte, tenemos el sistema de recuperación de energía térmica, objeto del presente artículo, que aprovecha la energía generada en el proceso de combustión y no aprovechada por el motor térmico, recuperando el resto, entre 3 y 4,5 MJ por vuelta.
En efecto, un kilo de gasolina como la que se utiliza en F1, tiene un poder calorífico inferior (la energía realmente disponible) de 12,20-12,40 KW-h. Si disponemos de un flujo máximo de 100 kg/hora, eso significa que tenemos a nuestra disposición un potencial de unos 1.240 KW de potencia, si el combustible se transformara al 100% en potencia de empuje del motor. Todos sabemos que esto no es posible. Hoy en día se alcanzan en los V6 turbo más de 600 KW de potencia máxima, es decir, aproximadamente, la mitad. Es el famoso 50% de rendimiento al que se hizo referencia el año pasado por parte de Mercedes. El resto se pierde en calor, en parte disipado por el escape. Por lo tanto, cedemos la mitad de la energía que potencialmente podríamos aprovechar. Cabe recordar que ese rendimiento es realmente extraordinario, y representa uno de los avances más importantes de la F1, extrañamente poco publicitado por los responsables de la misma.
Esa disipación tiene lugar, en parte, como hemos dicho, a través de los gases de escape del motor. Al salir de la cámara de combustión, habiendo cedido la mitad de la energía disponible al pistón, tenemos un flujo de gases calientes y a elevada velocidad, que salen a través de los colectores de escape, y se proyectan contra la turbina, que por su efecto gira y mueve un eje que conecta con el compresor, y de esta forma comprimimos el combustible de entrada al motor. Pero la energía disponible de los gases es superior a la aprovechada en este proceso de turbocompresión. De ahí surge el principio de funcionamiento de la MGU-H. Se trata de un pequeño generador-motor eléctrico, instalado entre la turbina y el compresor, en su mismo eje, y gestionado por la unidad central del sistema
Este sistema no había sido experimentado hasta la introducción de la normativa en 2.014, y ha ido presentando mejoras desde el comienzo, a medida que los ingenieros le han ido dando sentido a todo el conjunto. Su principio de funcionamiento se basa en aprovechar la rotación de la turbina del turbocompresor, tanto en los momentos en que ésta gira por inercia, sin demanda de potencia por parte del piloto, como cuando la demanda, en este caso aprovechando el exceso de sobrepresión generado por la turbina, que sin ese sistema se perdía por la válvula de descarga, y ahora la MGU-H se encarga de convertirla en energía. Todo ello ha ido evolucionando a medida que se conocía mejor el funcionamiento del sistema en su conjunto, 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.
Es importante señalar que la MGU-H no supone un aumento de la potencia total del vehículo, sino un mejor aprovechamiento de la misma, para disponer de toda ella durante más tiempo.
Mercedes siempre ha estado un paso por delante desde 2.014, en que decidió separar físicamente la turbina del compresor. Ello permite intercoolers menores por una mejor refrigeración del sistema, y por tanto, una mejora aerodinámica, y permite 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, les ha permitido no tener limitaciones en cuanto a tamaño de turbina, consiguiendo con ello un mejor aprovechamiento de la MGU-H, ya que, a mayor turbina, mayor sobrepresión, y por tanto, más potencial de aprovechamiento de energía por parte del 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. Esta opción se demostró nefasta para obtener un buen rendimiento y llevó a la catastrófica temporada 2.015, y a un rediseño radical posteriormente.
Ferrari y en menor medida Renault, estarían en una posición intermedia, aunque desde el año pasado, Ferrari se ha acercado mucho a las prestaciones globales del Mercedes, mientras que Renault ha conocido algunos problemas con suministradores y de diseño interno que han motivado su retraso, todavía a día de hoy no superado.
Los ingenieros lo que buscan es alcanzar el equilibrio óptimo, que permita disponer a máxima carga la sobrepresión que permite obtener la potencia del motor térmico con el flujo de combustible disponible, menor que la sobrepresión obtenida con la turbina, y, simultáneamente aprovechar toda esa sobrepresión «sobrante» o diferencial generada por la turbina, para hacer funcionar de modo óptimo el sistema MGU-H, para cargar baterías o directamente aplicar la potencia al motor MGH-K, en función del estado de la batería y el programa de funcionamiento, sin olvidar su tercera función como motor, manteniendo el giro de la turbina en los momentos de bajas revoluciones del motor térmico. Todo ello con el objetivo de disponer de máxima potencia durante el tiempo necesario, en lugar de los 33,3 segundos por vuelta que permite la capacidad de la batería.