Estamos a principios de la temporada 2.021, octava de la época híbrida, y nos parece de interés comentar, ahora que se habla tanto de congelación de desarrollo de las unidades de potencia, donde nos encontramos en este apartado.
Porque se habla mucho de aerodinámica y de su importancia en el resultado final de vehículo, pero lo que ha marcado realmente las diferencias en esta época híbrida ha sido el sistema de propulsión, como no se cansan de repetir reputados expertos.
En 2.013 la F1 utilizaba motores atmosféricos V8, de 2,4 litros de cilindrada, con un rendimiento, entendiendo como tal la relación entre la energía aprovechada para propulsar el vehículo a lo largo de un Gran Premio y la energía total consumida en hacerlo, por debajo del 30%. Es decir, que más de dos tercios de la energía consumida se perdían en forma de calor.
En 2.014, primer año de la fórmula actual híbrida, ese valor ya estaba claramente por encima del 40%.
En 2.021, estamos por encima del 55%. Un salto realmente impresionante, que sin ninguna duda tiene y va a tener aplicaciones a muchas otras actividades, generando unas ganancias económicas y ambientales de gran importancia, que compensarán sin duda los importantes costes de desarrollo.
A mayor abundamiento, la parte más criticada en muchos medios, el sistema MGU-H de recuperación de energía térmica es, en mi opinión, la parte más interesante de la unidad de potencia, y la que más ha contribuido a esa mejora, como voy a tratar de justificar.
Uno de los aciertos que tuvo la FIA en el cambio de reglamentación de 2.014, fue la introducción del concepto “energía disponible” y, más todavía, su derivada “flujo de energía disponible”, de tal manera que todos los equipos pasaron a disponer de una determinada cantidad de energía al principio de un Gran Premio (primero fueron 100 kg, y ahora estamos en 106 kg de gasolina), y con ella tienen que apañarse. Y, más importante todavía, el flujo de combustible (cantidad de gasolina por unidad de tiempo) está limitado de forma continua al equivalente a 100 kg/hora.
Esta norma obligó a un cambio de paradigma. De la búsqueda prioritaria de la máxima potencia, sin importar demasiado el consumo de combustible, a establecer como prioridad la máxima eficiencia de los propulsores, dado que el combustible disponible está limitado. Extraer lo máximo de cada gota de combustible, convertido por reglamento en “recurso escaso”. Y a eso han estado los departamentos de motores, de manera que me atrevería a decir sobresaliente.
En este contexto, la búsqueda de rendimiento del motor térmico pasa fundamentalmente por una elevada relación de compresión, dado que, a más compresión, mayor rendimiento térmico, según nos indican las fórmulas de la termodinámica de motores. Todo ello, lógicamente, a costa de aumentar las exigencias de los materiales que integran el motor.
Actualmente, las relaciones de compresión reales de los motores F1, aun siendo turboalimentados, están en el entorno de 18 a 1, mientras que el motor turboalimentado “de calle” más apretado, el AMG Mercedes del A45 S, está en 9 a 1.
Asimismo, se ha pasado de una mezcla rica en combustible en los V8 Atmosféricos, para obtener máxima potencia, a una mezcla pobre, que gracias a la inyección directa puede introducirse a altas presiones (350 bar), acortando el tiempo, mejorando el efecto de turbulencia en el interior de la cámara de combustión, incrementando la superficie de combustión y la atomización de la mezcla, para obtener máximo rendimiento de cada gota de gasolina. En efecto, partiendo del dato de que la relación estequiométrica es de 14,7 kg de aire por kg de combustible, en condiciones normales, los motores actuales trabajan con relaciones de 20 kg de aire por kg de combustible.
El problema de una relación de compresión tan alta es que propicia las explosiones espontaneas de la mezcla, cosa que puede ser nefasta para la durabilidad y para el rendimiento. Sin embargo, los equipos de desarrollo han conseguido, mediante la gestión de la MGU-H, del compresor, y de la inyección directa, no solamente mitigar estas explosiones espontaneas, sino incluso sacar partido de ellas, en aras a la óptima combustión de la mezcla.
Una segunda cuestión relativa a los motores térmicos, vinculada con la anterior, en la que se han obtenido grandes mejoras, es la optimización de la combustión de la mezcla. El perfeccionamiento de la inyección directa, que permite una dosificación óptima en flujo y en tiempo, sumada a la optimización de las formas de la cámara de combustión, la inclusión de la precámara, y la coordinación que se consigue en la entrada del aire comprimido por el compresor, gracias a la óptima gestión del MGU-H, permiten que la energía contenida en la mezcla, se transforme en una mayor parte en trabajo del motor.
En este aspecto, la introducción de la precámara de combustión, en la que se inyecta una pequeña cantidad de mezcla rica en combustible, para transferir el frente de llama al interior de la cámara propiamente dicha, en la que hay una mezcla pobre que ignita como consecuencia de ello, dando como resultado una combustión rápida y térmicamente muy eficiente.
En tercer lugar, un importante trabajo se ha llevado a cabo para reducir las fricciones internas del motor, analizando punto por punto de fricción, y actuando sobre materiales, formas y lubricantes, de forma que la energía gastada en estos rozamientos, y por tanto perdida para el trabajo de impulsión, sea la menor posible.
En cuarto lugar, se han optimizado las fases de funcionamiento del motor mediante la gestión de la inyección directa, para que, en los momentos en los que no haya demanda de potencia, no se genere tampoco ningún tipo de consumo de combustible.
En términos de motor térmico, todo ello ha supuesto pasar de un rendimiento de menos del 30% en los 2,4l Atmosféricos de inyección indirecta de 2.013, a un +50% en los V6 1,6l turbo actuales, y ello, además, con mejores prestaciones.
En el ámbito de la recuperación de energía, ERS, los avances también han sido espectaculares. Recordemos que la potencia eléctrica que podemos disponer está limitada a 120 Kw, y que la batería solamente puede entregar 4Mjoule de energía por cada vuelta de circuito, lo que equivale a 33 segundos de disponibilidad por vuelta de esos 120 Kw procedentes de la batería.
Las baterías han ido mejorando su densidad de potencia, medida en términos de Kw/Kg de peso, factor clave para el modelo elegido de sistema híbrido en F1, que, en cada vuelta de circuito, carga y descarga la batería, frente a los sistemas híbridos de los vehículos de calle o la Fórmula e, que parten con una batería cargada que se va descargando progresivamente, y cuyo factor clave en ese caso es la densidad de energía, medida en términos de Kw-h/Kg de peso.
Ello ha permitido reducciones de peso, y mejores entregas de energía al motor eléctrico MGU-K. Este elemento también ha experimentado mejoras, en términos de reducción de pérdidas por calor, a través de mejora de materiales y diseño de los componentes.
Ese motor eléctrico MGU-K también actúa como generador en las fases de frenada, recuperando parte de la energía cinética del coche. Dicha recuperación está limitada por reglamento a 2Mjoule por vuelta. Las ganancias en este apartado son por tanto escasas, limitándose a la optimización de los sistemas de gestión del frenado y a la reducción de las pérdidas de los accesorios, cableado e inversores.
Pero el elemento diferenciador es el MGU-H. Recordemos que se trata de un generador eléctrico que obtiene la energía de la rotación de la turbina, a su vez accionada por los gases de escape del motor de combustión. Este generador está conectado a su vez solidariamente con el compresor, que comprime el aire de alimentación hasta 5 veces la presión atmosférica.
Los primeros años de la era híbrida se caracterizaron por distintas soluciones de implantación del MGU-H y turbo compresor. Finalmente, la solución Mercedes se ha impuesto, y el resto de fabricantes han optado por incorporarla. Turbina situada en el lado trasero del motor, generador MGU-H en el centro de la V del motor, en una posición intermedia entre ambos elementos, y compresor situado en el lado delantero del motor. Ello permite intercambiadores menores, por mejor refrigeración de la turbina, y por tanto mejora aerodinámica y más margen de maniobra en el diseño general 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, puesto que la sobrepresión generada por una turbina mayor permite una mejor recuperación de energía. El reglamento no limita dicha sobrepresión, sino que limita a 15.000 rpm el giro máximo del motor térmico. No obstante, podemos apreciar como en la realidad, los motores no alcanzan este régimen de giro, puesto que el flujo de combustible máximo permitido se obtiene a 10.500 rpm, y combinado con el aire óptimo para la combustión, no dan para ello, quedándose a día de hoy en unas 13.000 rpm.
El MGU-H no tiene límite reglamentario de potencia, por lo que todo lo que podamos extraer de él se trata de aprovechar. Y lo hace bien enviando la energía a la batería para su recarga, bien enviándola directamente al MGU-K para su transformación en impulsión del vehículo. Además, los equipos motores de las escuderías han aprendido a gestionarlo para controlar la presión generada en el compresor, y así disponer del aire comprimido en la forma y cantidad óptimas para el funcionamiento del motor térmico, redundando en su eficiencia.
La mejora en la gestión de todo este complejo sistema turbocompresor-MGU-H, permite que el motor MGU-K funcione más de los 33 segundos procedentes de la batería, consiguiendo, sobre todo Mercedes, que prácticamente se disponga de toda la potencia de forma uniforme a lo largo de una vuelta.
Además de lo anterior, se ha procedido a una exhaustiva reducción de las pérdidas térmicas provocadas por los elementos periféricos, como cableado y conexionado, inversores de corriente, accesorios del motor y sistema de refrigeración. Ello permite menor superficie de radiadores, que indirectamente favorece el diseño aerodinámico. Cada pieza de las decenas de miles que componen toda la unidad de potencia es minuciosamente analizada para buscar posibilidades de mejora, bien sea por materiales, formas o rediseños, con el objetivo que todo el calor generado en el motor se vehicule a la turbina, y no se pierda en disipación.
No se ha despreciado ninguna posibilidad de reducción, por pequeña que esta sea. Porque esta impresionante mejora de rendimiento no es el resultado de una sola y genial intervención. Es la suma de muchas pequeñas mejoras, que en conjunto han permitido estos resultados.
Para la próxima generación de unidades de potencia, se habla de un objetivo de rendimiento del 60%, además del uso de combustibles sintéticos, neutros en CO2.