Freno regenerativo

Freno regenerativo Un freno regenerativo es un dispositivo que permite reducir la velocidad de un vehículo transformando parte de su energía cinética en energía eléctrica. Esta energía eléctrica es almacenada para un uso futuro. El freno regenerativo en trenes eléctricos alimenta la fuente de energía del mismo. En vehículos de baterías y vehículos híbridos, la energía es almacenada en un banco de baterías o un banco de condensadores para un uso posterior. El freno regenerativo es un tipo de freno dinámico. Otro tipo de freno dinámico es el freno reostático, mediante el cual la energía eléctrica generada en la frenada es disipada en forma de calor. El frenado tradicional, basado en la fricción, sigue siendo usado junto con el regenerativo por las siguientes razones:  

El frenado regenerativo reduce de manera efectiva la velocidad a niveles bajos La cantidad de energía a disipar está limitada a la capacidad de absorción de ésta por parte del sistema de energía, o el estado de carga de las baterías o los condensadores. Un efecto no regenerativo puede ocurrir si otro vehículo conectado a la red suministradora de energía no la consume o si las baterías o condensadores están cargados completamente. Por esta razón es necesario contar con un freno reostático que absorba el exceso de energía.

El motor como freno. Los frenos regenerativos se basan en el principio de que un motor eléctrico puede ser utilizado como generador. El motor eléctrico de tracción es reconectado como generador durante el frenado y las terminales de alimentación se convierten en suministradoras de energía la cual se conduce hacia una carga eléctrica, es esta carga, la que provee el efecto de frenado. Un ejemplo temprano de este sistema fue el freno regenerativo desarrollado en 1967 para el vehículo Amitron de  American Motors Corporation (AMC) y Gulton Industries. Este vehículo era accionado completamente por  baterías en fase prototipo que eran recargadas por frenado regenerativo, lo que incrementaba el rendimiento del automóvil.

Funcionamiento en un tren eléctrico. Durante el frenado, las conexiones del motor de tracción son modificadas, mediante un dispositivo electrónico, para que funcione como un generador eléctrico. Por ejemplo, los motores de corriente continua brushless (del inglés, sin escobillas), cuentan, normalmente, con sensores de efecto Hall para determinar la posición del rotor  del motor, lo que permite tener información del vehículo y calcular cómo se ha de frenar la corriente generada en el motor hacia los sistemas de almacenamiento, que pueden ser baterías ser baterías o supercondensadores. Los campos del motor se conectan al motor principal de tracción y las armaduras del motor se conectan a la carga. El motor de tracción excita los campos, las ruedas del vehículo, ya sea un automóvil, un trolebús, o una locomotora, al girar, mueven las armaduras, y los motores actúan como generadores. Cuando los motores funcionan como generadores, la corriente generada en ellos se puede hacer pasar a través de resistencias eléctricas, lo que daría lugar a un frenado reostático. Si se envía a la línea de suministro, en el caso de un trole, o una locomotora, o a las baterías o un supercondensador, en el caso de un vehículo autónomo e independiente de una línea de corriente, se estaría hablando de frenado regenerativo. Si el movimiento del vehículo es decelerado, el flujo de corriente a través de la armadura del motor durante ese frenado debe de ser contrario al que se utiliza para accionar al motor. El esfuerzo de frenado es proporcional al producto de la fuerza magnética de las líneas de campo multiplicado por la velocidad angular de la armadura.

Comparación entre freno reostático y regenerativo. Los frenos reostáticos, a diferencia de los regenerativos, disipan la energía eléctrica en forma de calor al hacer  circular la corriente generada durante el frenado, a través de enormes bancos de resistores variables o reóstatos. Los frenos reostáticos son utilizados en carretillas elevadoras y trolebuses, además de las locomotoras eléctricas y diesel.

El calor generado por los resistores puede servir para calentar el interior del vehículo. Si el calor es disipado al exterior, se hace a través de capuchas enormes dis eñadas para albergar los bancos de resistores. La principal desventaja de los frenos regenerativos comparados con los reostáticos es la necesidad de igualar la corriente generada con la suministrada. Con las fuentes de corriente continua, esto requiere que el voltaje sea controlado estrictamente. Solamente con el desarrollo de la electrónica esto fue posible utilizar fuentes de corriente alterna, pues la frecuencia del suministro también debe ser igualada. Un número limitado de ferrocarriles de montaña ha usado corriente trifásica para accionar motores trifásicos de inducción. Esto redunda en una velocidad casi constante mientras el motor funciona con la frecuencia necesaria al avanzar o al frenar.

Uso en el automovilismo (KERS). Descripción El dispositivo denominado KERS (Kinetic Energy Recovery System, sistema de recuperación de energía cinética) entró en vigor en 2009 en la competición de Fórmula 1. Además de abaratar los costes, el objetivo de este dispositivo es aumentar la facilidad y el número de adelantamientos, que con el avance de la aerodinámica han ido disminuyendo. Ha sido diseñado y desarrollado por Xtrac, Torotrack y Flybrid System con las especificaciones impuestas por la FIA y la UE. Este componente funciona obteniendo la energía que se disiparía en forma de calor en las frenadas, acumulándola en un volante de inercia. La idea es que esa energía almacenada otorgará una potencia extra de 60 Kw (unos 81 CV / 80 HP) durante aproximadamente 6,67 segundos en la fase de aceleración tras la frenada. Sin embargo, es posible que la importancia del KERS vaya en aumento con los años, llegándose incluso a los 270 CV durante 8 s con los motores limitados a 400 CV que en principio llegarán en la próxima década. Las escuderías podrán elegir entre tres opciones para diseñar el dispositivo: un sistema mecánico, un sistema eléctrico (similar a una batería inercial), o un sistema neumático. En principio la mayoría de equipos utilizarán la versión mecánica, ya que es más eficiente y compacta. Sin embargo, es posible que algún equipo se decante por  la eléctrica ya que, aunque es menos eficiente porque debe convertir la energía mecánica en eléctrica y viceversa, tiene la ventaja de que puede colocarse en cualquier lugar del monoplaza (no como el mecánico que ha de estar cerca de la trasmisión).

Incidentes El desarrollo del KERS ha estado rodeado de problemas. Algunos equipos se opusieron a que se implementara en 2009, alegando problemas en el desarrollo y asegurando que retrasando su salida al 2010 se reducirían costes. Además, un mecánico de BMW resultó herido por una descarga eléctrica mientras manipulaba un monoplaza que contenía el dispositivo en cuestión y la fábrica de Red Bull Racing hubo de ser evacuada por  problemas de sobrecalentamiento con el KERS. Los equipos convocaron una reunión en Hungría en la que se pretendía retrasar su implantación hasta 2010; sin embargo, no se llegó a tal acuerdo. No todos los equipos tuvieron listo el dispositivo para el inicio de la temporada, y algunas escuderías anunciaron que no lo utilizarían en toda la temporada.

Desarrollo del KERS  Actualmente se está implementando en los monoplazas, en los finalizados test en el Circuito de Montmeló, los primeros en implementar con relativo éxito este nuevo dispositivo ha sido la escudería BMW, que por otro lado contrarresta con la preocupación de sus dos pilotos, Nick Heidfeld y Robert Kubica, que se encuentran entre los pilotos con más peso de la Fórmula 1. Esta preocupación viene dada a que el peso reglamentario de los coches sigue siendo el mismo por lo que los pilotos que tengan mayor peso tienen menor lastre a repartir en el coche. La escudería Toyota empezó la temporada en el Gran Premio de Melbourne sin el sistema KERS. Ferrari presentó su modelo F60 el 12/01/2009 con el sistema KERS incorporado y lo utilizo en el Gran Premio de  Australia en Melbourne.3 Renault fue el primer equipo en confirmar que usaría el sistema KERS en el Gran Premio de Australia la semana del 06/04/2009.

Aplicaciones a los coches de calle Si resulta ser un éxito, el KERS podría ser implementado en los coches de calle, evidentemente no de la misma forma que en un Fórmula 1, sino usando continuamente la energía obtenida de las frenadas para reducir el consumo de combustible, de lo que se deduce que el KERS es un dispositivo ecológico.

La empresa BMW, desde 2007 comercializa algunos modelos de serie con motorizaciones diesel y gasolina con un sistema llamado Efficient Dynamics que entre otras mejoras incorpora un sistema que aprovecha la energía de frenado "Brake Energy Regeneration". Este sistema, de momento se utiliza para recargar la batería del vehículo sin necesidad de utilizar constantemente un alternador  que mantenga la batería cargada, así ahorra combustible o gana potencia, según se mire.

KERS en Fórmula 1 Las ventajas del dispositivo KERS en Fórmula 1 son bastante discutibles puesto que aunque aporta algo de potencia extra durante unos pocos segundos, penaliza los tiempos por el peso del propio dispositivo, la mayor  parte de las escuderías que poseen este sistema en sus monoplazas deciden si lo utilizan o no dependiendo del tipo de circuito, ya que lo que en algunos circuitos es favorable en otros penaliza más de lo que aporta. En general en los circuitos rápidos y con rectas largas Monza, Hungaroring es mejor llevar KERS y en los más lentos y sin grandes rectas Mónaco, Singapur es más favorable no llevarlo. El 26 de julio de 2009 gana por primera vez un vehículo equipado con KERS una carrera de Fórmula 1. El vehículo de la escudería McLaren-Mercedes y pilotado por  Lewis Hamilton se impuso en el circuito de Hungaroring en Hungría El 23 de Agosto de 2009 el GP de Europa realizado en el Circuito urbano de Valencia el KERS volvió a dar de qué hablar, ya que pese a que el coche ganador no llevaba esta tecnología, el Segundo y Tercer Puesto llevaban KERS, lo que pudo ser la segunda victoria del KERS fue obstaculizada por un error en el Pitlane de la escudería McLaren-Mercedes donde fue retrasado el coche de Lewis Hamilton y fue adelantado por el Brawn GP de Rubens Barrichello. El 30 de Agosto de 2009 en el GP de Bélgica realizado en Spa-Francorchamps los monoplazas que aún mantienen el KERS han avanzado mucho, respecto a principios de temporada, adjudicándose por segunda ocasión un monoplaza con KERS la victoria; esta vez fue el Ferrari de Kimi Räikkönen, el cual admitió que tanto en la salida (donde ganó 4 posiciones), y luego de una bandera amarilla, atacó en las primeras 3 curvas y en la salida de Eau Rouge Utilizando KERS logró colocarse en la primera posición, y pese a que el Force India de Giancarlo Fisichella era más veloz pudo defender la posición hasta el final gracias a la utilización del KERS en las rectas y en la salida de curvas más lentas dicho así por el mismo piloto.

Freno motor  El freno motor  es el acto de usar el movimiento necesitado de energía de un motor de combustión interna para disipar energía y detener un vehículo. Los vehículos pesados usan un dispositivo llamado freno de escape para aumentar la efectividad del freno motor.

Diseño La compresión de gas y de vapor precisa de energía como se describe en las teorías de la química física y de la termodinámica. La compresión en un motor se lleva a cabo por el momento de inercia del vehículo y por el momento angular del volante de inercia. Cuando un conductor reduce de marcha para aumentar las revoluciones del motor (Ó rpm) sin pisar el acelerador, el motor convierte la energía cinética de la velocidad del automóvil en energía térmica transmitida a la mezcla de aire y combustible. Estos gases calientes se expulsan del vehículo y el calor se transfiere del motor al aire. Dicha conversión de energía ocurre porque los motores de combustión interna de cuatro tiempos necesitan comprimir la mezcla de combustible antes de la ignición, para conseguir energía mecánica de la expansión. Los motores diesel son adiabáticos y no tienen bujías, y usan la energía transmitida al aire durante la compresión para prender directamente la

Freno Prony El Freno de Prony es un freno dinamométrico, utilizado para medir la fuerza de los motores.

Descripción El freno consta de un brazo, sobre el que van montados un dinamómetro y una rueda, que tiene adosada una cincha de alto rozamiento. Esta rueda es la que se conecta al eje del motor del cual se quiere medir su potencia. El ajuste de la cincha es variable. Esto es, se puede controlar el torque de carga aplicado al motor. Fue inventado por Gaspard Clair Francois Marie Riche de Prony (1775-1839), ingeniero francés, quien construyó y mejoró numerosos canales y puertos de Francia, colaboró en la definición del sistema métrico decimal y midió con muy buena aproximación la velocidad del sonido en el aire.

Usos Este freno provee una forma sencilla de aplicar un torque de carga al eje principal de salida de un motor. La potencia de salida es disipada en forma de calor por el material del freno. Ajustando la fuerza del freno se puede cambiar la fuerza del torque. Combinando la medición de este torque (mediante un dinamómetro colocado en el brazo del freno, a una distancia conocida del eje del motor) con la medición de velocidad de rotación del eje, puede calcularse la potencia de salida del motor.

¿Qué es y cómo funciona el KERS? Hoy os hablamos del KERS, que ha sido diseñado y desarrollado por  Xtrac, Torotrak y Flybrid Systems con todas las especificaciones impuestas por la FIA y la UE para los coches de la máxima competición del automovilismo. El KERS son las siglas de “ Kinetic Energy Recovery System“, el sistema de freno regenerativo “propuesto” por la FIA para

la temporada 2009, que permitirá transformar energía cinética derivada del movimiento del monoplaza en energía eléctrica, para poder aportar (gracias a unas baterías condensadoras) un intervalo dependiendo del dispositivo de cada marca de 250 a 270 CV de potencia extra unos 8 segundos. Por lo que parece este sistema se abandona definitivamente para la próxima temporada 2010. Ha sido una de las grandes novedades de esta temporada. Se trata de una buena idea, según sus defensores, y de un pozo sin fin en cuánto a gastos, según sus detractores. Pero, ya lo que es claro, es que su implantación en la competición y a medio plazo, en nuestros automóviles, será mucho más rápida de lo que creemos. Expertos consultados por Territoriof1.com dan un plazo no superior a 5 años para que los veamos en vehículos comerciales. La prensa está actualmente informando acerca del famoso sistema, que está dando qué hablar en todo el mundo del motor, ya sea por sus elevadísimos costes, ya sea por los problemas de seguridad graves que está ocasionando a las escuderías. Además de las escuderías los propios comisarios de pistase van a encontrar  que van a tener que reforzar sus medidas de seguridad, con luces de advertencia, guantes aislantes y códigos de colores, todo para evitar las descargas eléctricas del alto voltaje del sistema. Pensad que estamos hablando de unos trescientos voltios y una unos diez amperios de intensidad, lo que claramente puede llegar a ser letal para una persona. (Y encima hablamos de corriente continua). Como os decíamos, los aficionados al motor ya empiezan a formarse una idea del sistema, y por cierto, nos han hecho llegar sus primeras ideas. Gracias a todos. También hay a vuestra disposición las diferentes visiones y opiniones de los responsables de las escuderías así como la forma en la que están planteando la implantación de este sistema. podéis ver para los que prefieren el material audiovisual un par de vídeos muy ilustrativos de cómo funciona este sistema novedoso. El sistema de recuperación energética entrará el 2009 en el circo de la máxima competición del mundo. Es una de las novedades de las que os hemos hablado en Territoriof1.com de manera constante, pero aún no habíamos entrado en que es y cómo funciona. La intención es según dicen, no solo abaratar costes, sino cambiar las prioridades de los fabricantes de automóviles que participan en el gran circo. Se quiere aprovechar también la energía “desaprovechada” que

genera todo tipo de movimiento inercial. De paso la F1, trataría de ayudar a conservar el medio ambiente. Sin embargo los comentarios de la mayoría de escuderías es que el desarrollo de esta técnica desconocida, está siendo un “dispendio” que está llevándose una gran parte del presupuesto de la temporada próxima. Por ello la FIA ha propuesto más de una vez el desarrollo en conjunto del sistema KERS, cosa que por ahora ninguna escudería desea. El siempre “penúltimo comunicado de prensa” del consejo mundial de la FIA explicaba, de forma escueta, que el desarrollo de los motores de F1 quedaba congelado durante los próximos cinco años. Os resumimos, lo que esto conlleva: los motores se paralizan, pero no la investigación para la mejora de los monoplazas y la mejora de la potencia: la palabra clave es KERS. Se espera que contribuya a que en la F1 podamos volver a ver, nuevamente, una de las maniobras que más se echan en falta, ya sabéis, los adelantamientos. Hay múltiples problemas y dudas con esta técnica y aún está por  determinar la fecha en la que se implante de manera definitiva. Hasta la mismísima Ferrari tiene problemas con el desarrollo de este sistema y por lo que parece podría llegar a unirse a la francesa Peugeot para desarrollarlo conjuntamente y así de paso reducir costes, adoptando así una solución que de una vez haría estar en una posición puntera a la “Scuderia” con este sistema.

Pero, vayamos al grano.

¿Qué es el sistema KERS y cómo funciona?

 A ver si podemos explicarlo, se trata de una especie de volante de inercia que recibe parte de la “energía” que se pierde durante las frenadas en forma de calor disipado. La idea en general es recuperar esa energía, que es el calor que se pierde en los frenos o el escape. El sistema KERS almacena parte de esa energía, y la pone “a disposición” de l coche. El mismo sistema que en los monoplazas servirá para aumentos puntuales de potencia que podría llegar a los coches de producción para disminuir los consumos y las emisiones. El volante va subiendo de manera gradual de revoluciones durante las aceleraciones, momento en que su energía acumulada sirve para aumentar las prestaciones del auto.

 Aunque suena sencillo, el KERS es un elemento semi-mecánico de alta complejidad, capaz de soportar las exigencias de la F1; y todo en un conjunto de apenas 4,5 kg. de peso y las dimensiones pequeñas de un monoplaza. Si demuestra su eficacia, como todo en competición no debería de tardar en hacer su aparición en coches de calle, porque es un valor añadido, y puede hacer aprovechar cómo hemos dicho una energía que hasta ahora la despreciábamos. Tenemos unos vídeos que os pueden ser muy instructivos, y os los recomendamos, (no son tan divertidos como los de nuestras chicas, pero estoy seguro que os ayudarán a entender este dispositivo) Su mecanismo de acción lo convierte en una solución interesante sobre todo para el urbano, con continuas paradas y arrancadas. Es un sistema que tal y cómo os hemos adelantado se ha probado ya en las motos, con resultados más que aceptables. El piloto protagonista de nuestra particular experiencia con el KERS en motos es el nipón Tomoyoshi Koyama, piloto de la marca KTM de 125 c… Inicialmente parece ser que parte d ecimoquinto en el recién iniciado Gran Premio de la Comunidad Valenciana del año 2008. Os invitamos a seguir leyendo en detalle en qué consiste esta buena idea, de la que sin duda, oiremos hablar  durante mucho tiempo. En la competición, y en nuestro coches. Esperemos que ayude a verlos duelos impresionantes de antaño.