Analisis técnico: ¿Cómo funciona el turbo de Mercedes?

Al descubierto uno de los secretos de la tiranía del equipo Mercedes

Todos los amantes de la F1 esperábamos como agua de mayo la llegada de la temporada 2014. El dominio aplastante ejercido por Red Bull en los últimos años empezaba a aburrir a los aficionados que mayoritariamente pedían un poco de aire fresco. Los cambios introducidos en la normativa técnica nos llevaron a pensar que la igualdad volvería a la competición pero la realidad está resultando bien distinta y el dominio demostrado por las Flechas de Plata es más abrumador que el protagonizado por el equipo austriaco en el reciente pasado.

¿Qué está pasando con Mercedes este año? Tres carreras, tres poles, tres victorias, mejor casi imposible. Como sucediera en el caso de Red Bull, todos nos preguntamos qué tiene ahora de especial el W05 para ser tan dominador, en definitiva, cuál es su secreto. Como siempre sucede, no es posible  hacer un coche ganador con un solo elemento. Todos apuntan a la unidad de potencia como el estandarte de su poderío pero no es lo único. Otros equipos también lo utilizan y no son capaces de conseguir las mismas prestaciones aunque  sí les permiten estar normalmente  por delante de los rivales que montan unidades de la competencia. Por tanto, queda claro que el corazón diseñado por los alemanes tiene algo especial que el resto no tiene. Llevamos dos semanas rumiando la noticia desde que se publicó una imagen de muy mala calidad donde parecía intuirse que Mercedes habían divido el turbo en dos partes,  compresor por un lado, turbina por otro. Al final, esta posibilidad parece haberse confirmado.

El nuevo diseño técnico ha sido revelado por el especialista de Sky F1 Mark Hughes. Según Hughes, los ingenieros de Mercedes han sido capaces de dar con una mejora en su W05 que, al menos por ahora, les va a dar el dominio en el campeonato. Los rivales de Mercedes, al fin y al cabo, tienen las manos atadas para introducir cambios similares en los motores bajo la nueva normativa de congelamiento en el desarrollo de los motores. 

Para los que estáis al día en todo lo referente a la mecánica del automóvil os resultará fácil comprender lo comentado anteriormente pero nos gustaría que los no iniciados, seguramente la inmensa mayoría, puedan asimilar también los concepto  y agradecerán poder conocer, de forma general, el funcionamiento del motor turbocompresor  para así entenderlo más fácilmente. Sólo un apunte, para no crear confusión en la comparativa, mantendremos constante la cantidad dada de combustible que tenemos para generar la combustión indistintamente del motor que se mencione.

¿Cómo funciona un turbo?

Un motor turboalimentado es un propulsor muy potente que tiene que agradecérselo a la cantidad de aire forzado que entra en la cámara de combustión. Todos sabemos que para producirse la combustión hace falta gasolina y oxígeno procedente del aire.  Sin este segundo elemento sería imposible la combustión/detonación. En condiciones normales, un motor atmosférico convencional aspira aire para la combustión según la presión reinante en el ambiente. Es decir, el llenado de los cilindros depende de la presión atmosférica existente en ese momento en la pista o en la carretera donde se encuentre. El inconveniente de este sistema  es que en zonas de gran altitud, la presión del aire es menor que a nivel del mar (1 atmósfera). Un ejemplo claro de este problema se producía en el trazado de Interlagos, en Sao Paulo, donde se disputa el GP de Brasil desde hace algunos años. La ciudad está situada a 760 metros por encima del nivel del mar y la presión cae hasta las 0.85 atm debido precisamente a esa altura. Esto generaba una reducción de potencia en los antiguos motores debido a que el aire en el ambiente es menos denso, contiene menos oxígeno, y la presión atmosférica es menor lo que produce un llenado inferior en los cilindros, lo que, conjuntamente, hace que se genere una explosión del combustible más pobre.

Como sabemos, este factor es muy importante pero tiene fácil solución. ¿Qué pasaría si, manteniendo la cantidad de combustible del motor atmosférico aumentamos el volumen de aire que entra en la cámara de combustión? Se generaría una explosión más potente. ¿Por qué? El proceso es complejo y algo tedioso pero solo tenéis que pensar qué ocurre cuando soplamos a unas brasas que se están apagando, se aviva el fuego gracias al aporte extra de oxígeno que se le suministra a la brasa. A más aire, más oxígeno, más llama, más potente la combustión. Igual sucede en un motor.    

Llegados a este punto ¿Qué intenta conseguir la turbocompresión? El objetivo es introducir en la cámara de combustión una cantidad de oxigeno más grande para crear una explosión más fuerte que genere una mayor fuerza de giro en el cigüeñal. Por tanto, más aire equivale a más potencia. Realmente esta afirmación no es del todo cierta, existen límites. Llegados a un punto, por mucho aire que queramos añadir a la mezcla no obtendremos más potencia ya que habrá oxígeno de sobra para el combustible utilizado empobreciendo la mezcla carburada. A grandes rasgos, este es el factor que hace tan potentes a los motores turbo. Ahora viene el siguiente paso.

¿Cómo lo hace?

Un turbocompresor es un sistema de sobrealimentación que usa dos turbinas para conseguir la compresión del aire. Veamos su funcionamiento.

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 la 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 las cámaras de combustión. Por tanto, no existe ningún acoplamiento mecánico al motor, con lo que no tiene una pérdida de energía por arrastre.

Normalmente, turbina y compresor están situados una al lado del otro haciendo del  calor el gran enemigo del turbocompresor. Esta será la clave del diseño de Mercedes como veremos luego. El flujo de los gases de escape alcanza temperaturas muy altas, próximas a los 800ºC. Ese intenso calor se irradia en todas direcciones. Como el compresor se sitúa normalmente a su lado, dicho calor hace que el aire aspirado por el compresor se caliente, se haga menos denso y pierda eficacia la combustión. Para solucionar este problema se utiliza el intercooler que contrarresta en gran medida este efecto al enfriar el aire comprimido por el turbocompresor.

Una vez repasados todos estos conceptos, se entenderá sin excesivos problemas el nuevo diseño. Según Mark Hughes, lo que ha hecho Mercedes es separar ambas turbinas mediante un eje más largo. En los coches de este equipo, la turbina de escape está en la parte posterior del motor V6, mientras la que comprime el aire está en la parte delantera.

El cambio tiene dos ventajas, la primera es que el motor ya no necesita un intercooler tan grande. Al alejar el compresor de los gases de escape se reduce considerablemente la temperatura que alcanza el aire comprimido ya que solo le afectará el calor irradiado por el motor. Un propulsor alcanza temperaturas relativamente altas pero nunca tanto como los gases de escapes. Al estar el aire más frío, la necesidad de refrigeración es menor. Reducir la superficie de los radiadores mejora considerablemente la aerodinámica del monoplaza y sus flujos internos.  

Otro de los beneficios que produce el diseño ‘turbo trick' de Mercedes es reducir el retraso de respuesta del turbo, mejorando el rendimiento del mismo en los puntos más críticos, en especial cuando se produce el turbo lag. ¿Qué significa esto? Como dijimos anteriormente, la primera turbina gira gracias a los gases de escape. Cuando se  pisa el acelerador, del motor salen mucha cantidad de gases pero ¿qué sucede cuando se levanta el pie? El motor no genera los gases suficientes para  hacerlo girar rápido y, por tanto, no se creará una compresión significativa. En el momento de acelerar, la turbina gira lenta y no alcanzará régimen de giro hasta que no venza la inercia. Esto provoca un retraso en la compresión del aire y, por tanto, en la aparición de la potencia extra. A esto se le llama Turbo Lag. 

Así pues, el retraso de respuesta del turbo es el tiempo que transcurre desde que se pisa el acelerador hasta que empieza a ser efectivo el aumento de presión en la alimentación. En la F1 actual, el encargado de solventar ese problema es el MGU-H pero hay que tomar energía de las baterías para que se active.  Esto mejora la eficiencia del coche, pues utiliza energía reservada en las baterías para conseguir ganancia en el rendimiento, con la ventaja añadida de no estar limitada su utilización a los 30 segundos por vuelta y, sobre todo, provocando un menor consumo de combustible. 

Otro factor positivo de este diseño es la eliminación de volúmenes alrededor del motor. Dividir el turbo ha permitido mover hacia delante la caja de cambios, lo que, en teoría, se traduce en un mejor reparto de pesos en el vehículo alrededor del centro de gravedad y, por ende, en una mejora de la maniobrabilidad del coche. Como cualquier diseño que se precie, este también tiene sus inconvenientes. Uno de ellos es el peso. Usar un eje largo necesariamente hace aumentar el peso total del motor. También aumenta la dificultad de hacerlo funcionar a la perfección. Todo diseño eficaz e innovador nos puede parece evidente pero, realmente, es muy complejo de ajustar.

La gran beneficiada de este ingenio ha sido, en primer grado, la casa matriz. Mercedes AMG  llevaría desarrollando este sistema desde hace tiempo, colaborando estrechamente los departamentos de aerodinámica y motor permitiéndoles acoplar a la perfección todos los elementos. Si comparamos el rendimiento del W05 con los rivales que utilizan la misma unidad de potencia vemos que las diferencias son muy grandes. Todos los equipos clientes sabían de esa colocación pero lo hicieron cuando firmaron el contrato. Esto quiere decir  que todos llevan casi dos años de retraso en comparación con la matriz. Todos, tarde o temprano adaptarán sus diseños pero el equipo de fábrica tuvo tres años para concebir el coche alrededor de esa característica.

Resulta curioso echar la vista atrás y recordar las  imágenes de la presentación en sociedad del motor V6 de Mercedes. Vemos como, en todas ellas, los alemanes ocultaron esta información y mostraron a la competencia un diseño convencional.  

Como vemos, las ventajas del diseño son importantes pero no es posible hacer un coche ganador con un solo elemento. El trabajo de Mercedes ha sido excepcional en los últimos años y dicho esfuerzo se está viendo recompensado en la pista. ¿Cuánto tiempo necesitarán sus rivales para alcanzarlos? No podemos saberlo. Lo que sí está claro es que, si no llegan muy pronto las mejoras, cuando llegue el parón veraniego el mundial será cosa de sus dos pilotos oficiales. Eso será otra historia y como siempre, dejará alegrías e insatisfacciones por igual.