La energía recuperada en los sistemas de energía cinética (KERS) parece ser mejor almacenada cuando se usa el volante del motor, como se ha demostrado en la F1 y pronto aparecerá en los autos de calle, explica Keith Howard.
Si nos mencionan vehículos híbridos la mayoría de nosotros pensamos en uno de gasolina o diesel-eléctrico, representado por el Toyota Prius. Pero una nueva generación de autos híbridos –equipados con un muy diferente almacenamiento de energía al de las baterías– estará en las salas de exhibición y en la calle en pocos años, usando una tecnología que es, literalmente, legado de la F1. Se le llama Almacenaje de Energía en el Volante del Motor, o FES, por sus siglas en inglés.
Los volantes se han usado desde la época del vapor como un medio para suavizar la rotación de los motores de pistón. Cada auto con motor de pistón tiene uno, en el lado del embrague del cigüeñal, donde se almacena y se libera energía a través de su inercia rotacional para calmar el torque pulsado del encendido sucesivo de los cilindros. Usar volantes en el almacenamiento de energía para la propulsión de un vehículo no es nada nuevo; los famosos autobuses Gyrobus lo usaron cuando se pusieron en servicio en Suiza en 1953.
Un volante grande y pesado como el del Gyrobus, es impráctico en un auto, pero la masa y el diámetro del volante, que juntos definen su momento de inercia, son dos de los factores que determinan qué tanta energía puede almacenar. El tercer factor es la velocidad de rotación, por lo que si quieres hacer un volante ligero y compacto para un híbrido tienes que hacerlo girar muy rápido.
Limitado por las propiedades del material, los sistemas actuales del FES típicamente rotan a 60,000 rpm, tres veces más que las revoluciones máximas en un motor de F1 y 20 veces más rápido que el de un Gyrobus.
A estas revoluciones el volante debe operar en un vacío parcial, de lo contrario perdería velocidad muy rápido frente al arrastre aerodinámico. Debe estar empacado en forma que evite que las partes del volante se escapen si se fragmenta, y mantener el volante contenido si el vehículo se estrella.Una prueba de impacto en un volante antiguo de F1 de 2007 mostró que puede resistir una desaceleración pico superior a las 20 Gs, después de lo cual seguía girando normalmente.
Mucho del conocimiento del FES se originó en el desarrollo del KERS basados en volante de motor usado en F1. Dos compañías británicas que hoy son las líderes mundiales en tecnología FES –Flybrid Sistems y Williams Hybrid Power– surgieron de programas KERS en F1, pero sus tecnologías son, en otros aspectos, significativamente distintas.
El de Flybrid es un sistema puramente mecánico. Conectado a cualquier parte en rotación en la transmisión del vehículo –que puede ser desde una flecha hasta el diferencial– incorpora una caja de cambios de radio amplio para igualar la velocidad de rotación del volante. En aplicaciones premium, se usa un Torotrak CVT (lo que Torotrak solía llamar un IVT, o transmisión infinitamente variable); donde el costo es un problema mayor, hay disponible una transmisión convencional con marchas dentadas y embragues.
El sistema de Williams, en contraste, usa medios eléctricos para abastecer o extraer energía del volante, explotando un compuesto magnéticamente cargado (MLC) para obtener una eficiencia de conversión muy alta. Por costo, su potencial está en el mercado premium de autos de calle. El Porsche 911 GT3 R híbrido de competencia usa el sistema de Williams, que opera a través de motores eléctricos de tracción en las ruedas delanteras.
El almacenamiento de energía a través de volantes aventaja al de las baterías en varios aspectos importantes. Es más eficiente, así que se desperdicia menos energía por calor. Es capaz de aceptar y entregar alta potencia, un área problemática para las baterías. Y, a diferencia de una batería, el sistema de volante puede durar toda la vida del auto. Lo que los sistemas de volante no pueden hacer, sin embargo, es proveer las muchas decenas de kilómetros de rango que tiene un auto con batería grande.
Es en el manejo urbano de detenerse y arrancar donde el FES tiene el impacto más grande sobre el consumo de combustible, generando energía mientras el auto para en un crucero o semáforo y devolviéndola para acelerar. En este modo el motor –asumiendo que es de gasolina o híbrido diesel, aunque el FES puede usarse en autos totalmente eléctricos o de celdas de combustible– puede apagarse la mayor parte del tiempo.
En los caminos hay diferentes formas de explotar el FES. En manejo en carretera puede usarse en modo “impulso y crucero”, donde la energía primero se genera desde el motor y luego se devuelve cuando el motor está apagado. Esto pude sonar como robarle a Pedro para pagarle a Pablo, pero los beneficios de consumo se dan porque se carga el volante cuando el motor es usado en la parte más eficiente de su rango operativo. En manejo en autopista el volante puede usarse, como el KERS en F1, para proveer un impulso corto adicional para los rebases.
En cifras, el sistema de carreras de Flybrid, de 268 caballos pesa 33 kg, pero para autos de calle es más pesado. Volvo, un cliente de Flybrid, tiene un prototipo híbrido en el que el volante del motor está conectado al eje trasero de un auto con tracción delantera. Este diseño mitiga el problema de alojar un volante dentro de un motor apretujado, pero agrega peso a la transmisión del volante por el alto engranaje de cambios y el gran requerimiento de torque de salida (1,800 Nm, o 1,328 lb/pie).
Como resultado, el peso total del sistema de 80 caballos aumenta a 60 kg, una quinta parte del peso de la batería que remplaza. Un sistema Flybrid de auto de calle tiene un volante de 230 mm de diámetro y 375 de largo.
Otro prototipo Flybrid, ajustado a un Jaguar XF, acumula hasta 540 kJ de energía y suma hasta 80 caballos (por 6.75 segundos).
Esto puede propulsar al auto de casi dos toneladas por casi 600 metros a 60 kph, o acelerarlo hasta 80 kph sin usar el motor. El ciclo de manejo ARTEMIS, que es mucho más representativo de uso típico que el ciclo de manejo europeo obligatorio, logró un ahorro de combustible del 22.4%.
Así que, ¿cuándo podremos poner nuestras manos sobre un híbrido con volante de producción? “Aún estamos en la etapa de prototipo”, dijo Tobias Knichel, gerente comercial de Flybrid, “ y la meta para el inicio de la producción en volumen es a fines de 2015. Nuestro siguiente paso es trabajar con un proveedor de primera clase, que pueda abastecer cientos de miles de unidades al año pues no tenemos experiencia en producción masiva.
Pero también tenemos clientes en otros mercados, autobuses y camiones, donde los números son menores y el sistema de precios puede ser más alto. Y estamos trabajando con fabricantes automotores de menor volumen”. Podría ser que el primer auto en venta con FES sea de un fabricante menor.
Cuando lo haga, será un extraordinario cambio en la fortuna de la tecnología FES. “Cuando arrancamos el proyecto de volante hace cinco años por un requerimiento en las carreras”, dijo Ian Foley de Williams, “parecía muy tarde para el almacenaje de energía en el volante para autos de calle; las baterías eran la respuesta. Pero no han cubierto todos los requisitos de costo o rendimiento.
Un autobús normal de Londres cuesta 320 mil dólares, y uno híbrido cuesta 480 mil; sólo se han vendido por subsidio gubernamental. Las baterías no están ofreciendo una solución comercialmente viable. Ahora tenemos una oportunidad porque nuestros costos de almacenamiento son mucho más bajos y hay un argumento similar en el sector automotriz”.
La Física del volante
Si alguna vez hiciste un ejercicio de física en la escuela en que un voluntario se sentaba en una silla giratoria sosteniendo el eje de una rueda de bicicleta girando, recordarás que al cambiar el eje de la rotación de la rueda provocaba que la silla también girara, efecto conocido como precesión. En el contexto de los sistemas de volante de motor automotrices, esto es indeseable porque significa, potencialmente, que el volante tendrá un efecto contraproducente sobre el manejo del auto.
De hecho, con un FES moderno, compacto y de alta velocidad, el efecto es imperceptible. Cuando un KERS de volante fue propuesto para el Renault F1, se hicieron cálculos sobre su efecto en la curva más desafiante del año: la 130R en Suzuka. Se encontró que la precesión del volante era menor que la reacción al torque del motor. En aplicaciones para autos de calle, esto hace que el volante pueda ser instalado a cualquier ángulo, donde sea que haya espacio disponible, sin necesidad de complicarse con cosas como montura con cardán.
