Hoy empezaremos repasando los conceptos básicos del funcionamiento de un motor turbo. Para agilizar el estudio dejaré para futuras entregas los elementos que conforman el resto de la unidad de potencia, ERS-H y el ERS-K. Si estáis listos, abrocharos el cinturón que arrancamos.
La tecnología empleada para la turbocompresión está muy extendida en automoción, sobre todo en los motores diesel. Su buena aceptación se debe sobre todo al aumento de prestaciones que produce, desplazando muy frecuentemente a los motores atmosféricos con este ciclo. En los motores de gasolina la cosa cambia. Desde hace algún tiempo empiezan a surgir nuevos fabricantes que apuestan por introducirlo en el mercado pero son más los inconvenientes que los beneficios, de ahí que aún no se haya extendido en demasía.
Un factor clave que puede desequilibrar la balanza en el futuro puede ser la implantación de este tipo de motores de gasolina turboalimentada en la F1. Parte del gasto generado por los fabricantes en investigación y desarrollo para este tipo de motores de alta competición terminará llegando a los coches de calle. En la actualidad la FIA ha apostado por esta opción de motores pero es posible que, en el futuro, podamos ver algún motor diésel montado en un F1. ¿Cuándo? Difícil de anticipar pero, quién sabe, ya han ganado en Le Mans. Puede ser sólo cuestión de tiempo.
Para entender mejor el aumento de prestaciones que se produce en estos motores turboalimentados conviene familiarizarse con los principios básicos del funcionamiento del motor de combustión interna y todo será más fácil. Vamos a verlo.
MOTORES DE CUATRO TIEMPOS
En la actualidad, la mayoría de los coches de calle utilizan motores de combustión interna de cuatro tiempos regulados por válvulas de admisión y escape para generar el movimiento necesario para permitir que el coche avance. Aunque hay diferencias, tanto en las fases como en la forma de generar la detonación del combustible entre un motor de gasolina (ciclo Otto) y otro diesel, el funcionamiento general es muy similar.
Para saciar vuestra curiosidad debo mencionar que en el caso del diesel, la infamación del combustible se debe a la elevada presión y temperatura que alcanza la mezcla dentro de la cámara de combustión. Ahora voy a centrar mis explicaciones en cómo funciona el ciclo en un motor de gasolina ya que es el utilizado, de momento, en la Fórmula 1. Antes de entrar en materia quiero mostraros una imagen con parte de los elementos del motor, los que generan el movimiento para así estar familiarizados con ellos cuando se nombren posteriormente.
El objetivo de un ciclo en un motor de cuatro tiempos es generar movimiento de giro en una parte fundamental del motor, el cigüeñal. Esta pieza es un eje acodado y con contrapesos situado dentro de motor, que junto a las bielas transforma el movimiento rectilíneo de los pistones en movimiento circular uniforme y viceversa. En realidad, el cigüeñal es un conjunto de manivelas como puede ser el eje pedalier, los pedales y bielas, de una bicicleta que gracias a la fuerza de las piernas hacen girar ese eje pedalier.
En este ejemplo, el pedal hace la función del pistón y la fuerza de las piernas son la detonación siendo el eje pedalier el cigüeñal. Una vez generado el movimiento de giro en el cigüeñal este será transmitido al exterior del motor gracias al embrague, para enviarlo a la caja de cambios, diferencial, palieres, etc para llegar finalmente a las ruedas e imprimir impulso al coche. Una vez que conocemos estos conceptos veremos cómo se origina este movimiento.
Un ciclo operativo del motor se compone de cuatro tiempos que se realiza durante dos vueltas completas del cigüeñal. Esto son los pasos.
1º - Admisión
En los motores de gasolina es cuando el pistón desciende. El proceso de alimentación comienza con el vacío generado por los pistones en la cámara de combustión cuando inicia su movimiento descendente. Imaginaros que la cámara de combustión fuera como una jeringa que usan los ATS de cualquier centro de salud para poner inyecciones. El pistón hace el papel del émbolo y el cilindro sería el cuerpo de la jeringa. Si el émbolo se desplaza hacia abajo, la jeringa succiona el fluido gracias al vacío que se origina en su interior. El pistón hace la misma función, ejerce un vacío para facilitar la entrada del aire, la gasolina o la mezcla de ambas. La válvula de escape, en esta fase, permanece cerrada mientras que la de admisión está abierta.
¿Cómo se consigue introducir los dos elementos dentro del cilindro? De dos maneras. Por un lado tenemos el método usado hasta hace bien poco en los motores de F1, la inyección indirecta, pero este año entra en escena un “nuevo” método, la inyección directa, muy extendida en la automoción comercial y que ha dado el salto a la máxima competición por imposición de la FIA. Hasta ahora no estaba específicamente prohibida, pero existía en el reglamento técnico una limitación, a la hora de generar presión en la gasolina, que hacía imposible utilizarla. Ahora, por normativa, el motor del nuevo V6 turbo tendrá que usar como mínimo el 75% de la inyección de forma directa y el restante 25% de forma indirecta. Vamos a repasarlas.
A- Directa: Se inyecta combustible y aire por separado dentro de la cámara de combustión. Con este sistema el efecto vacío creado por el pistón carece de importancia a la hora de introducir gasolina. Esto se debe a la elevada presión de entrada de gasolina que pueden usar los nuevos motores de F1. El límite está situado en 500 bares (1 bar = 0.99 atm), suficiente para llenar la cámara holgadamente.
B- Indirecta: El carburante es inyectado en el colector de admisión, donde se inicia la mezcla aire-combustible antes de entrar en el cilindro por la válvula de admisión.
Carburante en color verde, aire en color azul.
En este sistema es fundamental la presión existente en el colector de admisión para determinar qué cantidad de mezcla entra en la cámara de combustión. En los motores atmosféricos, el vacío creado por el pistón al descender permite introducir una cantidad de mezcla proporcional a la presión atmosférica presente en el ambiente donde el motor está trabajando. A nivel del mar esta presión es de 1 atmosfera (como vimos antes casi 1 bar). Esto será fundamental para comprender por qué son tan potentes los motores turbo como veremos posteriormente. Seguimos con el siguiente paso.
2º - Compresión
Al llegar al final de la carrera inferior (Punto Muerto Inferior o PMI), la válvula de admisión se cierra, el cilindro empieza a subir gracias al movimiento de giro del cigüeñal tras producirse la explosión en otro cilindro y comprime el volumen de la mezcla introducida en él.
3º - Expansión o combustión
Una vez conseguida la máxima compresión salta la chispa en la bujía provocando la inflamación de la mezcla. Una vez iniciada la combustión se genera mucho calor y lo más importante, gran cantidad de gases que aumentan la presión en el interior del cilindro empujando el pistón de nuevo hacia abajo. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo y se aprovecha para generar el movimiento de giro o rotación en el cigüeñal. Para conseguir una elevada presión es necesario que las válvulas de admisión y escape se encuentren cerradas.
4º - Escape
Con el pistón bajado será necesario que vuelva a subir para que los gases de escape sean expulsados empujados por el ascenso del pistón. Vuelve a ser necesario que en otro cilindro se produzca una explosión para crear la fuerza necesaria para que el cigüeñal empuje uno o varios pistones hacia arriba y expulse los gases tras abrirse la válvula o válulas de escape. Una vez finalizado esta fase se vuelve a iniciar el ciclo.
Como habréis observado, para realizarse el ciclo completo, siempre es necesario que al menos un cilindro esté en la fase de combustión que genere el trabajo suficiente para que las otras tres fases puedan realizarse correctamente y sobre dicha fase centran sus esfuerzos todos los fabricantes para mejorar la potencia de sus motores ya que, si se consigue mejorar la fuerza creada para girar el cigüeñal, se alcanzarán mejores prestaciones.
Una vez conocidos los principios básicos del funcionamiento de un motor de cuatro tiempos ahora nos centraremos en conocer los factores que hacen posible mejorar el rendimiento de los mismos.
¿Cómo se puede incrementar la potencia de un motor de combustión interna?
Hay muchas y variadas formas de conseguirlo pero solo voy a nombrar las más importantes, dejando a un lado otros que consiguen también el objetivo pero que tienen “menor” relevancia para este informe.
El primero sería aumentando la cilindrada. Se consigue aumentando el volumen interno de los cilindros. Generalmente por medio de aumentar su diámetro. Con un cilindro más grande, se puede aumentar el volumen de combustible y de aire (mezcla carburada) que se comprime dentro de la cámara de combustión y por tanto la potencia de la explosión será mayor.
Otra de las formas de mejorar la potencia sería aumentando la velocidad de giro (las revoluciones del motor). Esto se consigue multiplicando el número de carreras de explosión por unidad de tiempo, las llamadas revoluciones por minuto o rpm. Sin embargo, debido a las limitaciones de la estabilidad mecánica, este tipo de mejora de la potencia está restringida por normativa, pasando de las antiguas 19.000 rpm a los teóricos 15.000 rpm que pueden alcanzar los nuevos motores V6, y digo teóricos ya que raramente pasan de las 13.000 rpm por la limitación impuesta por la FIA en el caudal de combustible que se puede inyectar en el motor. El aumento de la velocidad de giro hace que las pérdidas por fricción y bombeo aumenten de forma exponencial al tiempo que disminuye el rendimiento relativo del motor.
Otra opción de mejora sería incrementar el número de cilindros. Cuanto mayor sea el número de cilindros sobre la misma cilindrada base, mas corta será la carrera de los cilindros, más cantidad de explosiones se produce, más combustible se quema, más potencia genera por unidad de tiempo. El inconveniente es el aumento del consumo de combustible y de las emisiones contaminantes. En el pasado se utilizaron diversas arquitecturas de motores, por ejemplo los V10 de 3 litros (10 cilindros en V) con potencias cercanas a los 1000 cv.
Posteriormente se empezaron a utilizar los V8 2.4 litros, dos cilindros menos, menor cilindrada y reducción de potencia de unos 200 cv. Con el tiempo, los coches acabaron siendo más rápidos y eficientes que los antiguos, algo que también sucederá en un futuro con los nuevos V6 turbo de 1.6 litros. Los actuales motores tienen un déficit de potencia en comparación con los anteriormente utilizados debido a las restricciones al consumo, adecuando también la emisión de contaminantes a la atmósfera que es definitiva lo que la FIA pretende, una F1 más ecológica.
Estos tres conceptos son los más importantes a la hora de mejorar las prestaciones de un motor atmosférico. Como dije antes hay muchos más factores: mejorar el ciclo de quemado, mejorar la respiración del motor, mejorar la alimentación mediante sobrealimentación, y esto por dejar algunos ejemplos más pero, solo hay una manera de aumentar la potencia haciendo que los motores consuman menos y duren más, la sobrealimentación.
Principios básicos: Más aire, más potencia.
La clave de este tipo de motores es aumentar la cantidad de aire-oxígeno dentro de la cámara de combustión. Si aumentamos el volumen de aire que entra en dicha cámara, usando la misma cantidad de combustible de un motor atmosférico, se producirá una combustión/detonación más potente. ¿Cómo se consigue esto? Comprimido el aire que se suministra al motor. El motor aspira el mismo volumen de aire, pero al estar forxzada la entrada, la masa de aire que entra en la cámara de combustión es mayor. En consecuencia se introduce una mayor cantidad de oxígeno, aumentando así la potencia de la detonación y por ende la del motor dejando constante la cantidad de combustible, la velocidad de giro y la cilindrada.
La clave está en la cantidad de oxígeno presente a la hora de generar la combustión. Dentro del cilindro, cuando se desencadena la chispa de la bujía se origina la combustión que es una reacción química de oxidación, donde se desprende una gran cantidad de energía en forma de calor y luz, manifestándose visualmente como fuego.
En toda combustión existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la combustión (comburente), que generalmente es oxígeno en forma gaseosa (O2) en un entorno de calor. Si falta alguno de los tres elementos no se realizaría la combustión. Un fuego sin oxígeno no arde y eso lo saben muy bien los bomberos. Cuando intentan extinguir un incendio donde interviene gasolinas o similares, utilizan espuma para aislar el combustible del aire cargado de oxígeno. Una vez aislado, el combustible se apaga. En contra, si aportamos oxígeno la combustión aumenta la intensidad considerablemente. Muchos habéis soplado para avivar las brasas de un fuego. Un ejemplo sobre los efectos que se producen cuando hay variaciones en la cantidad de oxigeno lo vemos en la F1.
Como dije antes, el aire es necesario para la combustión en los anteriores motores descritos. En los atmosféricos entra directamente en el cilindro durante la carrera de admisión gracias a la presión atmosférica que es la presión que ejerce la columna de aire sobre la Tierra. El inconveniente que tiene este sistema es que, en zonas de gran altitud, la presión del aire es menor que a nivel del mar (1 atmósfera). La ciudad de Sao Paolo está situada a 760 metros de altura y disfruta de una presión de tan sólo 0.85 atm. Esta disminución de la presión produce una merma en la entrada de aire (por tanto de oxígeno) en la cámara de combustión, generando una explosión de menor potencia. Si a esto sumamos que con la altura se reduce la riqueza de oxígeno en el aire, peor aún.
Por tanto vemos la importancia de este factor a la hora de generar potencia en un motor atmosférico. El turbo soluciona estos problemas ya que puede introducir mayor cantidad de aire útil en la cámara de combustión. Quiero hacer una matización en este concepto para no generar confusión. Muchos podéis pensar qué si la clave de esta tecnología está en aumentar el volumen de aire para la combustión, los equipos podrían diseñar turbos cada vez más potentes, que obtenga aire comprimido a mucha presión aumentando de esta forma la potencia, pero no es así, también existen límites.
Con el límite de caudal de combustible de 100kg/h la presión del turbo rondará los 2-3 bares (un bar es prácticamente igual a una atmosfera) y eso se debe a que la combustión completa del combustible tiene que realizarse en unas proporciones adecuadas de mezcla para aprovechar todo el rendimiento posible del carburante. La relación ideal en el caso de la gasolina es de 14,7 gramos de aire por 1 gramo de gasolina. Por mucho que queramos introducir más aire en la cámara no habrá suficiente gasolina para quemar y, al contrario, si se introduce menos, habrá gasolina que no se queme o lo hará solo parcialmente. Esto es fundamental, siendo una de las claves con las que cuentan hoy los equipos para reducir/aumentar la potencia/consumo de estos motores, teniendo que ajustar siempre el caudal tanto de la gasolina como del aire comprimido que llega a los cilindros para buscar esa proporción ideal.
¿Cómo funciona un turbo?
Un turbocompresor es un sistema de sobrealimentación que usa dos turbinas solidarias para conseguir la compresión del aire.
El sistema utiliza parte de la energía de los gases de escape, que normalmente se perdería, para hacer girar a una primera turbina. Los gases procedentes de la combustión salen a gran velocidad por el tubo de escape, se encuentran con las paletas de esta turbina y la hacen girar. Este movimiento de giro se transmite mediante un eje a una segunda turbina que hace la función de compresor, absorbiendo el aire del exterior y comprimiéndolo para inyectarlo en los cilindros. Por tanto, no existe ningún acoplamiento mecánico al motor, con lo que no existe una pérdida de energía por arrastre.
Normalmente, turbina y compresor solían estar situadas una al lado del otro haciendo del calor el gran enemigo del turbocompresor. Desde la aparición del nuevo motor turbo de Mercedes esto ha cambiado ya que su diseño permite que la turbina de escape esté separada de la compresora. Esto permite poder mejorar de forma considerable uno de los principales problemas de esta tecnología, el calor.
Centrándonos en el diseño convencional, donde las dos turbinas están separadas solo por unos centímetros, el problema es que el paso de la corriente de escape, que llega a alcanzar temperaturas increíblemente altas, calienta la turbina considerablemente y dicho calor se irradia al compresor. Los ingenieros intentan aislar los mejor posible al compresor, se llegan a utilizar sistemas de refrigeración por agua para enfriar el eje, en definitiva se lucha para que le afecte lo menos posible ese calor pero, aún así, se calienta mucho. Se trata de evitar el calentamiento del aire que será comprimido por él e impedir que reduzca su densidad y por tanto su cantidad de oxígeno. Vamos a dedicarle algo de tiempo a este tema.
El aire cuando está frío es más denso, es decir las moléculas que lo conforman están mas juntas, más apretadas que si estuviera caliente. Un ejemplo para entenderlo mejor sería llenar un globo de aire e introducirlo durante un tiempo en un congelador. Veremos que se deshincharía en parte. Esto se debe a que el frío resta energía al movimiento de las moléculas haciendo que su movimiento sea más lento y empujen menos la pared del globo, disminuyendo la presión dentro de él.
Por el contrario, ese mismo globo se hinchará mucho cuando es introducido en un horno que esté a una temperatura elevada. Estamos hablando del mismo globo. En ambos casos presentan volúmenes y presiones diferentes pero la cantidad de moléculas de aire contenida en él es la misma. Esta es una de las causas por la que los fabricantes de neumáticos nos aconsejan medir la presión de las ruedas en frío. Pues lo mismo pasa con el turbo. Si lo que queremos es introducir la mayor cantidad de aire en la cámara de combustión tenemos que conseguir bajar su temperatura para que sea más denso y el porcentaje será mayor.
Para contrarrestar el efecto del calor en el aire comprimido se utiliza el intercooler, qué es un intercambiador (radiador) aire-aire o aire-agua que se encarga de enfriar el aire comprimido por el turbocompresor, rebajando la temperatura del aire, de los 140-150ºC en la salida del compresor, a por debajo de los 90ºC en la admisión. La ganancia de potencia gracias al intercooler está en torno al 10-15% más que si no recurrimos a él.
Otro de los inconvenientes que presenta la tecnología turbo es la demora o retraso en la entrega de la potencia, también llamada Turbo Lag. ¿Qué es esto? 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 ejercida por éste. Como dije, son los gases de escape los que hacen giran la turbina. Si el piloto no pisa el acelerador, el motor no genera gases de escape suficiente para hacerla girar la turbina con la marcada ntensidad para que el compresor haga su trabajo, no consiguiendo la presión de aire suficiente para sobrealimentar al motor. Este problema sucede sólo a bajo régimen pero influyen otros factores como son la inercia del grupo (su diámetro y peso), el volumen del colector entre la turbina y la salida de los gases de escape del cilindro, etc. Un turbocompresor más pequeño evita la demora en la respuesta, pero ejerce menos fuerza a altas revoluciones.
Hay distintos tipos de sistemas que intentan disminuir este inconveniente aunque en la F1 utiliza una parte del ERS para solventarlo, en concreto el motor MGU-H que veremos en profundidad en el próximo artículo. Un signo de eficiencia en el diseño del turbo se da cuando se reduce al mínimo la utilización del MGU-H. Eso significa que se ha reducido al máximo el retraso en la respuesta. La reducción de este nocivo efecto en los motores turbocomprimidos también se consigue utilizando un turbocompresor de geometría variable.
Su funcionamiento es “sencillo”. Consiste en un turbocompresor que tiene un mecanismo de "aletas" llamadas álabes móviles que se abren y cierran haciendo variar la velocidad de los gases de escape al entrar en la turbina. Cuando el caudal de gases de escape es menor (bajas revoluciones) se cierra el paso entre los álabes provocando que los gases aumenten la velocidad al entrar en la turbina. Si el caudal aumenta (altas revoluciones) necesitamos más paso y estos se abren. Esto nos permite tener una presión de trabajo muy lineal en todo el régimen de trabajo del turbocompresor. No creemos que ningún motorista de la F1 haya optada por este sitema de optimización de la respuesta pues es mucho más sencillo emplear la ayuda del MGU-H.
A modo de resumen vemos que el turbo tiene más ventajas que inconvenientes. Es la forma más barata y eficaz de sobrealimentar ya que no consume energía del motor para su accionamiento, presenta una fácil localización, su volumen es reducido en relación con el caudal proporcionado y tiene una elevada capacidad para poder comprimir tanto en regímenes como caudales altos. Ya hemos visto sus inconvenientes pero bien gestionados lo son menos.
Aunque la normativa técnica sigue siendo restrictiva, definiendo elementos clave como el ángulo de la V, el número de válvulas y el diámetro de los cilindros (80 mm), existen miles de alternativas en otros aspectos en un motor turboalimentado. Los F1 pueden montar un sólo turbo, y su eje debe de estar paralelo al cigüeñal del motor y a menos de 25 mm de él. Esto limita la colocación ya que sólo puede ir delante o detrás del motor. La dirección de salida de los escapes hacia atrás obliga a todos a ubicar la turbina también detrás aunque dejando más margen para el compresor como hemos visto en el diseño de Mercedes. Ha habido cierta relajación por parte de la FIA a la hora de permitir a los motoristas utilizar materiales que hasta ahora estaban prohibidos como es el caso del magnesio, que se podrá emplear en algunos componentes para ayudar a los técnicos a llegar al peso mínimo del motor. El bloque y la culata seguirán siendo de aluminio con un peso mínimo del conjunto del motor de unos 155 kilos.
Los motores V6 Turbos no son nada baratos. Solo en planificación, investigación, construcción y puesta a punto cada motorista ha gastado fácilmente unos 20 millones de Euros. Muchos han criticado esta medida aludiendo que los equipos y la FIA habían realizado una apuesta por la contención del gasto pero la F1 además de entretener y de fomentar una competición igualada, ha de promover la evolución y el desarrollo de las nuevas tecnologías. Limitar a golpe de reglamento la libertad de ingenio no es sano para este deporte. Es bueno para la competición que la FIA haya variado un poco por fin la poítica marcada hasta ahora. De no ser así, la F1 se hubiese estancado en una tecnología que, queramos o no, está cada día más desfasada y nos hubiera impedido disfrutar a los aficionados de la importante evolución tecnológica de estos últimos años. Pero no nos hagamos ilusiones, el corsé impuesto por el reglamento sigue estando puesto. Se ha cambiado primero la prenda pasando del V8 al V6 Turbo, luego se ha liberado en parte la presión a la que somete la competición permitiendo un margen de evolución en los motores pero, poco a poco, irá tensando sus cuerdas y en 2018 todo se estabilizará de nuevo a la espera del próximo cambio. Veremos entonces con qué nos sorprenden, pero eso será otra historia.