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KERS (kinetic energy recovery system, system , “sistema de recuperación de energía cinética”)

Introducción

El sistema KERS es uno de los numerosos aspectos técnicos que se pueden encontrar en Fórmula1. Para comenzar aclararemos el significado de las siglas: KERS, Kinetic Energy Recovery System, o Sistema de Recuperación de Energía Cinética. Esta definición ya permite hacerse una idea de en qué consiste el KERS. Es un mecanismo instaurado en los coches que permite recuperar la energía que se genera en las frenadas y emplearla en otros puntos del circuito durante unos segundos. En los pasos por curva, al frenar, los monoplazas generan energía cinética. Esa energía es almacenada y, pulsando un botón, se le da un plus al monoplaza, que se vuelve durante unos momentos más potente y veloz. La explicación de lo que es el sistema parece sencilla, y en cierto modo lo es. Lo que es complicado es incluirlo en el coche. Y es que el KERS implica dificultades para los equipos a la hora de la distribución de pesos tanto por peso como por tamaño y por ubicación en los monoplazas. Se instauró en 2009, aunque no fue obligatorio y algunos equipos no lo incluyeron en sus monoplazas. En 2010 era opcional pero la FOTA (asociación de equipos de la Fórmula 1) decidió no emplearlo. En 2011 regresó hasta la actualidad 2014, aunque sin ser obligatorio. Sin ir más lejos, en la primera carrera, la de Australia, ganó un coche que no lo llevaba. El KERS ha recibido y recibe aún muchas críticas. Tiene un elevado coste económico, condiciona la fabricación y el diseño de los monoplazas, y su rendimiento a la hora de adelantar es dudoso. Además al principio suponía un problema de seguridad para los comisarios y mecánicos. Un polémico invento que no pone de acuerdo a los equipos sobre si es mejor llevarlo o no, y que, en el único caso en el que se han puesto de acuerdo (temporada 2010) fue para decidir no utilizarlo. Actualmente 2014 se usa en los monoplazas de fórmula 1 haciendo de estos unos coches meramente híbridos ya que usan un motor a combustión interna y el KERS que se podría decir que es un motor eléctrico.

1. Planteamiento y estructuración 1.1. Objetivos.

Reconocer la última generación de te cnología en cuanto a formula 1 Explicar el funcionamiento del KERS Definir los problemas y el peligro que puede ge nerar Los beneficios que trae consigo El costo que requiere la implementación de KERS en un coche

1.2. Preguntas

¿Qué es el KERS? ¿Cómo funciona el KERS? ¿Qué problemas puede traer el uso del K ERS? ¿Qué beneficios trae consigo el uso del KERS? ¿Cuánto cuesta la implementación del KERS? 1.3. Justificación

Más que nada ya que su uso es e n la fórmula 1, se ha puesto a prueba como usarlo en autos comerciales tanto en Volvo como en Porsche (GT) o prototipos de Le Mans como Pe ugeot Proyectos de implementación del KERS en karts (UCF Senior Design Project TonyKart Rotax Max Kart with) o bicicletas ( KERS bicycle technology university project Athlone Institute of Technology, Westmeath, Ireland) El valor de la energía cinética es muy importante en el uso del KERS y entenderla para en un futuro poder usarla debidamente.

1.4. Formulación del problema

El problema generado por el uso del KERS es pues la energía eléctrica que genera y se concentra en las partes metálicas del coche y a que al cargar y descargar la batería de ion-litio parte de e sta energía se pierde en las partes que conducen la electricidad ocasionando problemas de descarga al tocar con las manos desnudas el coche, o hacer un puente a tierra al bajar del coche.

El costo de la implementación del KERS es muy elevado así que todavía nos queda esperar a ver cómo se desarrolla completamente esta te cnología ya que en el año 2009 las marcas Williams, McLaren, Toyota y Ferrari gastaron en investigación y desarrollo de los primeros modelos un

promedio de 45 millones de libras. 2. Marco teórico

El tipo de investigación es informativo Un freno regenerativo o KERS 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. Los frenos regenerativos se basan en el principio de que un motor eléctrico puede utilizarse como generador eléctrico. El motor eléctrico de tracción se reconecta como generador durante el frenado y las terminales de alimentación se convierten en suministradoras de ener gía 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 se recargaban por frenado regenerativo, lo que incrementaba el rendimiento del automóvil.

El dispositivo denominado KERS entró en vigor en 2009 en la competición de Fórmula 1. Además de abaratar los costos, el objetivo de este dispositivo es aumentar la facilidad y el número de adelantamientos, que con el avance de la ae rodinámica han ido disminuyendo. Se ha 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 otorgue 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 em bargo, es posible que la importancia del KERS vaya e n 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 t res opciones para diseñar el dispositivo: un sistema mecánico (similar a una batería inercial), un sistema eléctrico, o un sistema neumático. En principio la mayoría de equipos utilizarán la versión mecánica, ya que es m ás eficiente y compacta. Sin embargo, es posible que algún equipo se decante por la eléctrica ya que, aunque es me nos eficiente porque debe convertir la energía mecánica en eléctrica y viceversa, tiene la ventaja de que puede colocarse en cualquier lugar del mo noplaza (no como el mecánico que ha de estar cerca de la trasmisión).

Se descubrieron los problemas del KERS El desarrollo del KERS ha estado rodeado de problemas. Algunos equipos se opusieron a que se implementara en 2009, alegando problemas en el de sarrollo y asegurando que retrasando su salida al 2010 se reducirían los 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 acue rdo. 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. Para futuros trabajos se tomaron las medidas del c aso en cuanto a seguridad. Los técnicos del Departamento de Ingeniería Eléctr ica, de cada uno de los equipos ya advirtieron la posibilidad de riesgo para los pilotos y de incendios en carrera probablemente provocados por el KERS; y para los mecánicos e ingenieros el uso debido de guantes aislantes. Como medida de precaución, se advirtió a los pilotos, que en caso de avería o fallo e n el sistema de Recuperación de la Energía Cinética de la Frenada, debían saltar del coche con los dos pies a la vez, evitando poner un pie en tierr a, mientras así el otro permanecía en el monoplaza; de este modo se evita el efecto como puente a tierra en caso de descarga estática provocada por el KERS Resta todavía más investigación en el uso del KERS hasta que pueda ser usado en autos comunes de calle. Es importante saber cómo funciona este tipo de tecnología ya que es más el hecho competitivo e n el deporte de las carreras, tanto como ingeniero como piloto forman un equipo j unto a sus respectivas escuderías

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El uso del KERS es usado en otros tipos de tecnología como lo es el freno regenerativo en trenes eléctricos, es un tipo de freno dinámico, el freno reostático, mediante el cual la energía eléctrica generada en la frenada es disipada en forma de calor, en vehículos de baterías y vehículos híbridos, la energía se almacena en un banco de baterías o un banco

de condensadores para un uso posterior. Tipos de KERS El principio es claro, pero los métodos para hacer girar ese volante son varios. La utilización de la energía contenida en dicho volante de inercia puede ser también de lo más variada, y e n base a ello se pueden distinguir (por decirlo de algún modo) los distintos tipos de KERS Mecánico: El volante transfiere la fuerza mecánicamente a otr os dispositivos mecánicos también, que posteriormente será trasladada al palier mediante el acople necesario. Neumático: El volante transfiere la energía contenida a dispositivos neumáticos (esto incluye los hidráulicos), y estos a su vez la transfieren al acople con el palier. Eléctrico: El volante se puede comportar como un generador eléctrico, que entrega esa carga a unos acumuladores y pilas, para que surtan de energía a un motor eléctrico para el acople con el palier. Híbrido: Obviamente, será una combinación de los anteriores.

3. Formulación de la hipótesis El KERS en coches de calle Conocido el coste de desarrollo de este sistema, es necesario saber cómo se va a amortizar. Una de las principales razones por la cual los grandes fabricantes, del sector de la automoción, compiten es por aplicar los descubrimientos de estas “ fórmulas” a sus coches de calle; que es

dónde realmente se obtienen los verdaderos beneficios.

Efficient Dynamics BMW El fabricante de automóviles alemán BMW, ha diseñado una gama de co ches para la venta al público que incluyen un sistema similar al KERS. El llamado Efficient Dynamics 19) basado en la tecnología Brake Energy Regeneration. Se acciona el alternador que recarga la batería cuando se levanta el pie del acelerador (freno re generativo aprovechando el freno motor) o se pisa e l pedal del freno, donde se pierde Energía Térmica o degrada, que en ambos casos no e s sino energía cinética residual transformada en eléctrica. De e sta forma se produce electricidad sin consumir combustible para luego poderla usar. Ya ha salido a la venta varios turismos que equipan esta ventaja, e incluso BMW está desarrollando el prototipo Vision Efficient Dynamics, un prototipo que reúne tecnología híbrida en una carrocería y chasis totalmente deportivos. El BMW Vision Efficient Dynamics, equipa un

sistema, basado en dos motores eléctricos que rinden hasta 80CV y 34 CV respectivamente, y un diesel tri-cilíndrico con un cubicaje 1,5L de 1 63cv potencia y que entrega un par motor 290Nm. Trabajando los 3 motores a la vez, la potencia desarrollada es de 356cv y 800Nm de par máximo. A lo que hay que sumar un increíble consumo de 3,76 L/100Kmh y una emisión de CO2 99 g/Km. Además del frenado regenerativo y el e nchufado de las baterías a la red eléct rica, este modelo incluso genera electricidad a partir del calor de los gases de escape mediante un generador eléctrico de 200W.

BMW Vision Efficient Dynamics. No se descarta que nuevos coches de calle vayan incluyendo el sistema KERS a un nivel m ás bajo que el visto en la F1. Peugeot parece que también lo montará e n futuros coches. Ferrari F458

No solo BMW ha incorporado a sus coches de calle las ideas plasmadas en el KERS. Incluso la marca del Cavallino Rampante, ha incorporado esta tecnología a sus deportivos de calle. El modelo que ha recibido el conocimiento sobre el KERS desarrollado en la F1 es el nuevo modelo que será lanzado en 2010; el F458

Ferrari F458. En este vehículo se han conseguido cifras increíbles para un coche de la gama Gran Turismo; todo ello gracias a la hibridación, por lo que este coche tiene un consumo mixto de 13,3l. Puede parecer excesivo para un coche de calle, pero si tenemos en cuenta que se ha mejorado la eficiencia energética de los bólidos rojos en un 50%, y que cuenta con un motor térmico que rinde 520 CV, gracias a un propulsor cuya configuración es de V8, con una cilindrada de 4500 cm3.

4. Marco metodológico Abandono Desarrollo = Descartado en coches de baja gama. Que los constructores de F1 descarten el uso del sistema KERS supone un gran traspié para un futuro uso de este sistema en coches de calle. Ya que si es ver dad que coches como el BMW Efficient Dynamics y el Ferrari F450 lo incorporan, podríamos considerar a estos como coches de gama alta. Ya que su precio va de 30.000 euros en adelante. Ahora mismo el KERS es concebido como un sistema auxiliar que puede ayudar al motor térmico en momentos puntuales, pero con el abandono del desarrollo de este sistema se está perdiendo una gran oportunidad para conseguir energía que a día de hoy se desaprovecha. Energía que se podría usar en exclusiva tanto para propulsar, o para sistemas auxiliares. Aunque el abandono provisional de este sistema por los equipos F1 no supone la desaparición de éste, ya que como hemos visto, se está desarrollando para otras competiciones y sigue recogido en la normativa. Pero de cara al gran público, su uso en la categoría reina del motor, es una medida de presión y de marketing, para se r visto con buenos ojos por parte del consumidor, que hasta ahora estaba dando una mala reputación para un futuro uso en coches de calle, debido a la polémica surgida en torno al sistema por accidentes, disputas legales…

Ya que si adquiriera popularidad, el gran público podría estar dispuesto a desembolsar más dinero para adquirir vehículos que poseen un coste superior, que si aumentase su volumen de fabricación, en un futuro bajaría el coste de venta de los vehículos por mejorar la te cnología de producción por tratarse de un caso de Economía de Escala.

Conclusiones Desde el punto de vista económico pese a ser un desastre, se podía vislumbrar que el desarrollo del KERS, a medida que mejorase su tecnología de producción, iba a permitir la reducción de costes debido a que se preveía que la potencia de este mecanismo aumentaría con los años, mientras que la potencia del motor térmico disminuiría, necesitando así por tanto menos combustible para alimentar la propulsión del monoplaza, así pues disminuiría el coste incurrido en su consumo y en su logística, ya que se tendría que desplazar menos cantidad de combustible a los circuitos; además los motores térmicos soportarían un estrés menor, por estar más repartido el esfuerzo de autopropulsión entre el dispositivo electromecánico y el “convencional”, por lo que la probabilidad de “romper” disminuiría y también el nº de motores a fabricar, pudiendo re utilizarlos

en más carreras, disminuyendo también el coste de estas dos maneras. En este sub-apartado, hay que aclarar que porque e l KERS rinda 80CV y el V8 de 2.4l rinda 700CV, no significa que actuando juntos, el vehículo esté desarrollando 780CV de potencia. En las primeras fases de aceleración, el K ERS desarrolla un par motor mayor que el motor térmico del monoplaza (característica de los motores DC eléctricos).

Curvas de par de un motor DC frente a un motor térmico (izquierda) y re lación de marchas de un motor DC (derecha)

Es necesario un control de la ECU, que detecte en todo momento qué dispositivo está generando más par, para así no descargar inútilmente las bate rías o gastar combustible de forma inútil. Así, vistos estos datos, el uso del KERS cuando el coche ya está lanzado en una r ecta es inútil; el dispositivo únicamente es interesante en la salida de las curvas cuando se toma el rebufo del coche que tenemos inmediatamente delante para adelantarlo, ahora sí funcionando como push to pass, pero el intervalo de tiempo que t enemos ventaja puede ser muy corto, hasta que el motor térmico alcance al eléctrico. Como última conclusión a tomar, vistos los argumentos y a favor en contra, queda muy claro que el KERS estuvo mal enfocado desde el principio utilizándolo como push to pass, es mucho más efectivo su control bajo gobierno de la ECU y no del piloto, ya que e ste último no conoce con exactitud hasta cuándo el par del KERS es mayor que el del propulsor térmico. Para así, poder utilizarlo como propulsor, en momentos en los que el vehículo no r equiere de alta potencia ni

velocidad, como por ejemplo, en los momentos con coche de seguridad en pista, o en pit stops. Tal y como se gobierna Peugeot en las 24 de Le Mans. Con lo que concluimos que el verdadero fin del KERS debe ser el ahorro (tan necesario en esta época) y no la velocidad. A pesar de haber pasado tatos años no se ha podido incorporar este sistema en veiculos comerciales de gama baja ya que el costo del KERS está sobre los 5 millones de euros según Mercedes (McLaren) sin embargo los proyectos en Kar ts y bicicletas son muy interesantes para comprender mejor este sistema que se pueda usar en el futuro de una manera económica en el ahorro de combustible o en sistemas netamente eléctricos.

Bibliografía http://es.wikipedia.org/wiki/Freno_regenerativo https://www.youtube.com/watch?v=ZHgN1-Qv9LU http://www.arpem.com/competicion/formula_uno/glosario/kers.html http://www.caranddriverthef1.com/formula1/articulos/2010/02/11/kers-la-aventura-fallidaparte-1 http://www.fastestlap.es/2011/03/kers-parte-ii-un-pequeno-repaso-%C2%BFcuantos-tipos-hay%C2%BFcomo-funciona/ http://www.tecmovia.com/2011/07/19/asi-funciona-el-kers/ http://www.motorpasionf1.com/formula-1/estas-son-las-novedades-tecnicas-para-la-formula-1de-2014