Caballos y ERS: el futuro de la F1 se escribe silenciosamente

La Fórmula 1 es considerada la categoría reina del automovilismo. Se ha caracterizado por ser la más exigente a nivel tecnológico y por ser también una de las que más gasto económico implicaba a las escuderías en investigación y desarrollo de un coche más competitivo que los de los competidores.

Hay marcas de automóviles, o de componentes, que tienen interés en estar en la Fórmula 1 por prestigio y tradición, otras por la publicidad que se consigue dado lo enormemente mediática que es, y otras por el campo de entrenamiento y de investigación que es para los ingenieros. Aunque no nos demos cuenta muchos avances que se desarrollan para la Fórmula 1 terminan trasladándose, aunque sea parcialmente, a los automóviles de serie.

Monoplaza de F1 de Alfa Romeo de 1951

Todo comenzó en 1950 en el Reino Unido

La Fórmula 1 nació en el año 1950 organizada por la Federación Internacional de Automovilismo, la FIA, como un campeonato mundial para pilotos y escuderías (o constructores), con una serie de carreras en diferentes circuitos y países, los Grandes Premios, y un sistema de puntuación que otorga el campeonato al piloto con más puntos.

La primera carrera se celebró en el Circuito de Silverstone, en el Reino Unido, en mayo del 50. Las primeras escuderías en participar fueron marcas de automóviles como Ferrari, Alfa Romeo, Maserati o Mercedes-Benz. Los coches ya eran entonces monoplazas y estaban regulados por la normativa y reglamento que elaboraba la FIA, como ahora.

Precisamente este reglamento que elabora la FIA, y que se divide en dos partes, técnica y deportiva, es uno de los protagonistas de la Fórmula 1. Cada ciertos años se modifica y eso supone que tecnológicamente hay que reformular los coches, por diseño, aerodinámica y motor. Ya entonces la FIA imponía unas limitaciones de cilindrada, es decir, el tamaño, a los motores. Por ejemplo en aquel primer año de 1950, los motores podían ser como máximo de 1.5 litros si tenían sobrealimentación, o de 4.5 litros si no la tenían.

Estas limitaciones, son precisamente uno de los principales acicates para los ingenieros y mecánicos. La competición no solo la gana el piloto más habilidoso, sino que la gana también el coche más avanzado, rápido y fiable. Esas reglas del juego en cuanto a la tecnología del coche hacen que los ingenieros tengan que afinar aún más su ingenio para conseguir dentro de esas condiciones el mejor coche posible.

La más alta tecnología del automóvil

Hay que tener presente que la Fórmula 1 supone una investigación en múltiples ámbitos: en materiales más resistentes y ligeros, en concepciones del coche más estables y maniobrables, en diseños más aerodinámicos (sea esto para tener más velocidad punta, o sea para tener más agarre, que son bastante opuestos) y sobre todo en motores cada vez más potentes.

Hay avances tecnológicos como los frenos de disco, el chasis monocasco o nuevos materiales en componentes del motor para reducir rozamientos internos, por citar algunos ejemplos, que se aplican en los coches de calle, y que vinieron de la Fórmula 1.

Uno de los más aspectos que se estaba criticando en los últimos años en la Fórmula 1 era que se estaba alejando de la realidad, con coches que apenas se preocupaban por conceptos como la durabilidad de los componentes o por el consumo de carburante, conceptos que son imprescindibles en un automóvil de calle. Y además los presupuestos multimillonarios que se gastaban sin límite llegaban a ser escandalosos.

Si la Fórmula 1 se caracteriza por ser el banco de investigación y pruebas de la más alta tecnología del automóvil, debería de servir también para lograr avances que trasladar luego al automóvil de calle. En 2011 se aprobó la nueva reglamentación para este año.

La Fórmula 1 de 2014 es híbrida

La FIA, impregnada de estos sentimientos, y también, como suele argumentar ella misma en tantos y tantos cambios de reglamento, para buscar espectáculo y evitar que una escudería que ha dado con un coche ganador pueda imponerse demasiadas temporadas, realizó cambios bastante importantes en la parte técnica del reglamento para esta temporada de 2014, que ha significado cambiar drásticamente los coches.

Y el resultado es que la Fórmula 1 de 2014 es de monoplazas híbridos. El cambio más importante ha tenido que ver con el consumo de carburante de los coches. Mientras que en 2013 un monoplaza venía a consumir unos 160 kg de gasolina por carrera, esta temporada tiene que consumir 100 kg. Es una diferencia muy grande y es una mejora notable de la eficiencia del coche: el consumo se ha reducido alrededor de un 37,5%.

Y para conseguir una reducción tan grande del consumo se ha recurrido a una estrategia que os puede sonar, pues hemos hablado alguna vez ya de estas cuestiones tecnológicas en Xataka: por una parte reducir el tamaño del motor y recurrir a la inyección directa de combustible y al turbo, lo explicamos un día hablando del nuevo Ferrari California T, y por otra parte recurrir a la hibridación eléctrica, al hablaros de los coches híbridos.

El motor térmico es ahora pequeño, de 1.6 litros de cilindrada, un tamaño como el de muchos motores de los de calle. Eso sí, tiene la particularidad de ser de seis cilindros en configuración de V a 90 grados (uno de calle sería un cuatro cilindros en línea). Este motor es de inyección directa, un sistema que viene a ayudar a reducir el consumo alrededor de un 10%. Conste que no es la primera vez que se usan motores V6 en la F1.

El turbo también ayuda a reducir el consumo, aunque indirectamente: permite que un motor más pequeño rinda más potencia, y está la clave ahí para consumir menos, ser más pequeño. No nos extendemos mucho más explicando esto pues podéis profundizar más en el enlace que os dejamos un poco más arriba. El turbo se complementa con un intercooler, un radiador que refrigera el aire de admisión. Conste de nuevo que tampoco es la primera vez que se emplea el turbo en los motores de la F1.

Este motor tiene una potencia de unos 600 CV y tiene que durar al menos 4.000 km. Para toda la temporada un piloto solo puede usar cinco motores como máximo, por tanto tienen que ser más duraderos y fiables que temporadas pasadas. El motor está asociado a una caja de cambios de ocho velocidades, más marchas que antes, pues también mejora la eficiencia. El motor como máximo puede girar a 15.000 revoluciones por minuto (uno de calle viene a girar a unas 6.500 rpm).

ERS: Energy Recovery System

La novedad más importante viene del hecho de que ya no es solo el motor térmico el que hace girar las ruedas del coche, sino que le ayuda también un motor eléctrico que está integrado dentro del sistema que la FIA ha llamado ERS: Energy Recovery System. Este motor entrega otros 163 CV (120 kW) que se suman a los 600 del motor de gasolina, para tener en total algo más de 760 CV, eso sí, con la limitación de que no lo hará durante más de 33 segundos por vuelta.

De este modo en lugar de motor, a este sistema híbrido de motor de gasolina más sistema ERS la FIA prefiere llamado unidad de potencia.

El motor eléctrico que colabora con el motor térmico en los momentos que el piloto demanda toda la potencia y aceleración no puede funcionar más que temporalmente por una cuestión práctica, la electricidad que le hace funcionar se genera a bordo del propio coche mediante el sistema de recuperación de energía, y por tanto esa cantidad es limitada y se gasta. Le sucede lo mismo a un coche híbrido de calle.

Y desde luego que es un gran avance porque la energía que se desperdiciaría al retener, al frenar y al expulsar los gases de escape, se aprovecha para mover el coche, añade caballos, y ayuda a reducir al final el consumo de carburante.

Puede que esto os suene y os recuerde al KERS que se venía utilizando en la Fórmula 1 desde hace unos años (desde 2009). En parte el nuevo ERS es parecido, pero va más allá.

El KERS, Kinetic Energy Recuperation System, era en pocas palabras un sistema de recuperación de energía en el frenado, lo que también se puede llamar frenos regenerativos. Normalmente consistía en un sistema mecánico con una batería inercial, que lo que hacía era almacenar temporalmente energía cinética tal cual, con el giro de un volante de inercia.

El KERS venía a ayudar a reducir un poco el consumo, y añadía temporalmente casi 82 CV (60 kW), y además no tenía por qué ser eléctrico. Fijaos que ahora el ERS añade 163 CV (120 kW), el doble, y es eléctrico.

El ERS consta de dos partes:

Por un lado está el sistema de recuperación de energía cinética, lo que la FIA llama MGU-K, por Motor Generator Unit – Kinetic, que es en el fondo una máquina eléctrica conectada mecánicamente con el tren de rodaje, que al girar con las ruedas al frenar o retener, recarga las baterías. Este es en verdad el motor eléctrico, que puede funcionar reversiblemente, reteniendo el coche, y recargando la batería, o acelerando el coche, consumiendo la energía de la batería.
Por otro lado está el sistema de recuperación de energía térmica, exactamente de los gases de escape, la FIA lo llama MGU-H, por Motor Generator Unit – Heat, la máquina eléctrica conectada a una turbina de los gases de escape, y que al girar también recarga la batería.
Y por otro lado está el sistema de almacenamiento de energía, o en otras palabras, una batería con sus elementos de control y seguridad electrónicos.

Hay que aclarar que la energía de los gases de escape se recupera por partida doble: parte hace girar al turbocompresor del motor de gasolina y parte se aprovecha en la unidad MGU-H que acabamos de explicar, que está conectada a la turbina del turbo.

La energía que se recupera, cinética y térmica, puede utilizarse y consumirse de manera inmediata si es necesario, o puede almacenarse en la batería. La energía almacenada en la batería puede utilizarse para hacer girar el motor eléctrico, MGU-K, o para hacer girar la unidad MGU-H y acelerar el turbo. El turbo puede girar hasta 100.000 revoluciones por minuto.

Y todo esto que puede parecer un lío, o que no sirve para nada, consigue ahorrar esos 60 kg de gasolina que comentábamos antes. No convence esto a todo el mundo, y hay aficionados a la F1 que critican el sonido que tienen los nuevos motores, menos ruidoso que antes. Lo que pasa es que no está el planeta como para ir tirando gasolina así porque sí, ni en la F1, ni en los coches de calle.

Por cierto, esto de utilizar sistemas de propulsión híbridos es una tendencia en diferentes categorías de competición de motor. Además de en la Fórmula 1 lo podemos encontrar en los bólidos de las 24 horas de Le Mans, o en otras como los campeonatos de GT o Touring Car, con constructores como RML que colaboran con Siemens.