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Técnica

Análisis técnico: Microturbinas de gas en automóviles

Las microturbinas de gas como alternativa a los MACIs

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Es por todos conocido que las turbinas de gas dominan la propulsión aérea por su ligereza y por su capacidad de propulsar a velocidades altas. Por ejemplos, se pueden encontrar los turborreactores, turboejes o turbohélices. No obstante, en este sector también se pueden encontrar motores alternativos de combustión interna (MACIs), en potencias inferiores a 400 kW y para vuelos en baja velocidad, con hélice, por su bajo precio.

Las turbinas de gas destacan por usar turbomáquinas de flujo continuo y una cámara de combustión también de flujo continuo, sin variación de volumen. Aunque no entraremos en aspectos detallados de la cámara de combustión por su alta complejidad, si es necesario saber que el combustible utilizado es necesario refinarlo para evitar cenizas y otros contaminantes (Vanadio y Azufre).

Además, para lograr una eficiencia alta es necesario comprimir para posteriormente expansionar tras haber quemado, o aportado calor externo. Para ello se emplea un turbocompresor (c) y una turbina (e), respectivamente.

Por tanto, el esquema básico de una turbina de gas queda de la siguiente manera.

Esquema básico de una turbina de gas. El color indica la temperatura

Hasta ahora sólo hemos realizado una introducción a las turbinas de gas y hemos comentado su aplicación en el mundo de la aviación pero ¿cómo es posible integrar este tipo de motor térmico en un automóvil?

La respuesta es gracias a las microturbinas de gas, que son turbinas de combustión de tamaño pequeño, con potencias que actualmente se sitúan entre 28 y 200 kW. Están dotadas de generadores de alta velocidad de imán permanente que pueden girar a la misma velocidad que la turbina de gas, con lo que pueden acoplarse directamente sin necesidad de disponer de un sistema de caja de cambios.

Techrules GT96

Su uso ofrece un gran número de ventajas en comparación con otras tecnologías de producción de energía a pequeña escala como los motores de gas natural:

  • Un sistema similar de producción de energía eléctrica y agua caliente con un motor de gas de pistones de unos 40 kW de potencia eléctrica pesa más de 2.000 kg ante los 700 kg del sistema de microturbina de gas. Las dimensiones externas son similares en ambos casos.
  • A diferencia de los motores de pistón, las turbinas de gas concentran el calor excedente en una sola corriente a alta temperatura, con lo que se simplifica la instalación. Los gases de escape de las microturbinas de gas son generalmente de alta calidad, dado que se encuentran a alta temperatura y libres de aceites

Aunque su uso se extiende más allá de los vehículos de transporte (microgeneración, vaporización energética y/o aplicaciones directas), nos concierne su aplicación en el mundo del automóvil.

En este sector, principalmente se utilizan en vehículos híbridos o totalmente eléctricos para recargar las baterías e incrementar su autonomía y capacidad de carga. Es el caso del Jaguar C-X75 presentado en 2010, que alcanzaba una potencia combinada de más de 850 CV y 1.000 Nm de par gracias a su motor 1.6 tetracilindro de doble impulsión (turbo y sobrealimentado). Este motor estaba asociado a los motores eléctricos de mayor par y densidad de potencia de la época, lo que añadía otros 390 CV.

Jaguar C-X75

Pero no acaba aquí, ya que en el Salón del Automóvil de Ginebra de 2017 se presentó el Techrules GT96, un concept car híbrido enchufable de 1030 CV con 2000 km de autonomía y un consumo de 0,18 litros cada 100 km gracias a su recarga por turbina (TREV).

Techrules GT96

No obstante, en el siglo XX de propusieron modelos con turbinas de gas como motor principal, como es el caso del Chrysler Turbine en 1964.Este modelo ofrecía 130 CV y 576 Nm de par con unas revoluciones máximas de 40.000 rpm y un consumo superior a 14 litros cada 100 km.

Chrysler Turbine

 

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Técnica

Del aire a las carreteras, 5 innovaciones heredadas del mundo de la aeronáutica

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Siempre hemos hablado de innovaciones heredadas de la competición a los coches de calle, pero, que hay de los casos en los que las innovaciones tecnológicas se heredan entre sectores.
Hoy, os traemos algunas innovaciones que primero surgieron en la industria aeroespacial y luego encontraron su aplicación en el mundo de la automoción, siempre en busca de un mejor rendimiento o mejoras en la seguridad

El primero, del que os voy a hablar son los frenos carbocerámicos. Estos frenos tienen su origen en la industria de la aeronáutica, debido a su capacidad para trabajar a altas temperaturas, eran muy útiles para ayudar a parar aviones, entre otros, el mítico Concorde, un portento tecnológico. Primero fueron utilizados en los F1 de los ochenta, y entro de lleno en el mundo de los automóviles de calle en 2001 de la mano de Porsche.

Aircraft Maintenance

El segundo es la fibra de carbono. Sobre 1963, la industria militar inglesa empezó a investigar este material. Os voy a dejar que os comáis un poco el coco, pensando en que parte del avión se empleo por primera vez, ¿Ya?. Si has dicho en el motor, has acertado. De hecho fue la inglesa Rolls Royce con su motor RB211. En los motores el mayor beneficio era emplearlo en los álabes del fan, la turbina que vemos desde el frontal del motor, ya que debido a su rigidez y ligereza era un material fantástico para esta función. Desafortunadamente en las pruebas del impacto de pájaro, comprobaron que los alabes se partían y se astillaban, siendo esto un problema frente a las metálicas, que simplemente se deforman. Sin embargo esta cualidad del material es bastante útil en un sector como el de la automoción, debido a su combinación de rigidez y bajo peso, es por eso que la fibra de carbono se ha usado para realizar chasis de Formula 1, de coches de calle, como el revolucionario McLaren F1 de los 90, carrocerías, admisiones e incluso llantas.

Rolls-Royce RB211

El tercero es uno que ha servido para salvar muchas vidas, el ABS. Y si os digo que la primera idea de este sistema data del año 1936. En ese año BOSCH patentó este sistema. Aunque en la aeronáutica al sistema se le llama anti skid, sus primeras apariciones en el mundo de la aeronáutica datan de 1950, y el primer modelo en el que se probó fue, efectivamente, militar, el Avro Canada CF-100 Canuck, implementar este sistema ABS permitía reducir la distancia de aterrizaje en casi 30%. Los más curiosos del mundo del motor, sabréis que el primer automóvil en traer este sistema de serie fue el Mercedes Benz Clase S de 1978, y su beneficio está en que evita que los ruedas deslicen y por lo tanto aún en condiciones complicadas podemos seguir manteniendo el control del coche.

El cuarto, es algo que muchos conoceréis, los turbos, o como su nombre científico, turbinacompresor. Allá por los primeros años del siglo XX, en los albores de la aviación, los aviones debían volar cada vez más alto, y claro, a mayor altura como sabemos, la cantidad de oxigeno es menor, y creedme, nunca lo he vivido, pero que en pleno paseo aéreo, se te ahogue el motor por exceso de combustible en la mezcla, seguro que no es bueno. Entonces se necesitaba una manera de forzar a que entrase más aire a la cámara de combustión, y por tanto, más oxigeno. El que dio con la solución fue el suizo Alfred J. Büchi empleando por primera vez en un avión, nada menos que en 1910. A día de hoy es casi imposible pensar en un motor de automóvil que no lleve un turbocompresor, aunque su utilización en la automoción comenzase sobre los alegres años 60, de la mano de BMW y su alpina 2002.

Aircraft world

La quinta y última, no se como describirla, si alerones, si aerodinámica, si bien es que allá por los años sesenta, alguien le dio por pararse a pensar que si se conseguía que un coche pesase más de lo que realmente pesaba, en ciertos momentos de una carrera, podría ser un avance en términos de rendimiento. Esa misma persona pensaría que la manera mas simple sería usar eso que emplean lo aviones para elevar sus toneladas de peso, eso sí, puestas a la inversa, que no queremos sustentación si no empuje hacia el asfalto. A día de hoy,  en los automoviles de calle, podemos encontrar Spoilers, alerones, deflectores delanteros, los cuales no dejan de ser pequeñas alas invertidas, para crear carga en momentos de alta velocidad, y en ocasiones también, para redirigir el flujo aerodinámico a favor de un mejor consumo.

Física del funcionamiento de un ala.

Como veis, el hecho de que muchos ingenieros pasen de sectores, de que marcas de automóviles se interesen por ciertas tecnologías que consideren interesantes o beneficios para su sector, o que muchas marcas, como en su día BMW (Cuyo logo viene precisamente de la época en la que fabricaban motores de aviones), Rolls-Royce e incluso Mercedes-Benz dispongan de sectores de aeroespacial en sus unidades de negocio, le lleva a aplicarlas a sus modelos en beneficio de la seguridad o el ahorro de combustible ahorrando así un costoso posible desarrollo desde cero de la tecnología.

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Aerogel de Sílice, ¿del Rover de Marte al automovilismo del futuro?

Está constituido por más de un 90% de aire

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En estos días de confinamiento me he topado con un artículo muy interesante acerca de un material con gran potencial en el campo de la industria aeroespacial y automovilística: el Aerogel de Sílice y sus variantes con Grafeno y Carbono. Cabe recordar que este material no es nuevo, sino que fue descubierto por Samuel Kistler en 1931.

El artículo, de la revista Journal Nanomaterials que lleva como título Silica Aerogels: Synthesis and Applications, destaca las siguientes características sobre el material:

  • Más del 95 % de su volumen es aire, lo que provoca que sea transparente.
  • Es ligero y elástico.
  • Su conductividad térmica es muy baja (10 mW m-1 K-1), es decir, su capacidad para conducir el calor es reducida, a diferencia de lo que sucede con los metales, por ejemplo.

 

Dispersión de Rayleigh en Aerogel de Sílice. Fuente: Aerogel.org

A groso modo, con estas características se puede pensar: es interesante, pero ¿en qué se traduce?

El hecho de que más del 95% de su volumen sea aire provoca que su densidad oscile entre 0,03 y 0.35 g/cm3. Recordemos que el agua tiene una densidad de 0,997 g/cm3, es decir, si se «llena» un cubo con Aerogel y otro con agua, el cubo de Aerogel pesará entre 3 y 9 veces menos que el cubo de agua.

La característica anteriormente comentada en combinación con el aspecto de que su conductividad térmica es muy baja me ha hecho recordar las últimas pretemporadas de Fórmula 1.

Si recordáis, es frecuente que en las pruebas de Montmeló se vean monoplazas con las famosas “pompas” en la cubierta motor. Este problema es fruto de una mala refrigeración, pero ¿no se podría solucionar con un revestimiento de Aerogel del Sílice? Este material permitiría, sin añadir prácticamente peso al monoplaza, canalizar el flujo de calor en otra dirección, es decir, que en lugar de que el calor de transmitiese por conducción, se transmitiese por convección (por el aire), hacia otra zona del monoplaza menos crítica.

Problemas de calentamiento en la cubierta motor. Fuente: Movistar F1

A pesar de que lo que se comenta en este artículo no deja de ser una conjetura porque el material se encuentra aún en investigación, aunque la NASA ya lo ha empleado en el Rover de Marte, quizás sea el indicado para evitar esos “calentones”. Es más, su aplicación más allá del mundo de la Fórmula 1 podría ser una realidad, ya que serviría como protector de elementos delicados de los automóviles como los depósitos de combustible.

A modo de ejemplo se adjunta una imagen captada por una cámara térmica de un experimento realizado en los laboratorios de Aerogel Technologies. Para la realización del ensayo se utilizó un mechero Bunsen (parecido a un soplete), una pieza de Aerogel y una figura de un conejo de chocolate.

En la imagen se puede observar que, aunque la pieza de Aerogel se encuentra a una alta temperatura, el conejo de Chocolate no se derrite por la baja conductividad térmica del Aerogel. Sí se pueden ver colores más rojizos en la zona más alta de la figura, pero es debido a que el flujo de calor se desplaza alrededor de la placa de Aerogel, llegando al chocolate por el aire como flujo convectivo.

Ensayo experimental con Aerogel de Sílice. Fuente: Veritasium

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ANÁLISIS TÉCNICO | Ferrari SF1000: La nueva arma del Cavallino

La Scuderia presenta un monoplaza con el mismo concepto que el SF90, pero más radicalizado.

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Desde el Teatro de Reggio Emilia se ha llevado a cabo la presentación del nuevo monoplaza de la Scuderia Ferrari para la temporada 2020. Piero Ferrari avanzaba hace unos días que el monoplaza había sido rediseñado por completo, aunque se podría considerar más como una evolución del SF90. Estéticamente, el livery cuenta con menor cantidad de negro, y la bandera tricolor italiana implantada en algunas zonas del monoplaza.

Este nuevo proyecto, con la denominación de SF1000, tiene el objetivo de portar de nuevo el título mundial a Maranello, pero para ello han tenido que solucionarse errores producidos el año pasado, relativos principalmente a la aerodinámica. El SF90 fue concebido para generar una carga aerodinámica mucho menor a la de sus competidores, que lo hizo muy rápido en recta, pero que también lo penalizó ampliamente en curva lenta, donde el monoplaza sufría un subviraje que desgastaba más los neumáticos, los cuales no lograban alcanzar la temperatura de trabajo idónea. Un problema que no se pudo solucionar por completo durante la temporada debido a la dificultad de encontrar un equilibrio aerodinámico correcto en todo el monoplaza, una vez realizadas las modificaciones en el tren delantero. En este nuevo monoplaza, se ha intentado ganar esa carga aerodinámica que faltaba mediante modificaciones que no portan consigo un aumento considerable del drag.

Scuderia Ferrari

Sin embargo, durante la presentación se ha visto un concepto de alerón delantero muy similar al que utilizó el SF90 en los Grandes Premios a partir de Singapur, con una filosofía outwash que reduce el drag, pero con los inconvenientes expuestos anteriormente. Los flaps siguen orientados en su parte más externa para dirigir el flujo de aire hacia los laterales del coche. Las paredes del ala presentan el mismo corte, así como los pequeños desviadores que favorecen de nuevo el concepto de expulsar el aire con el fin de reducir la resistencia al avance del monoplaza. El morro del SF1000 mantiene el separador inferior estrenado en Singapur, que dirige el aire de manera más ordenada por debajo de la ‘nariz’ del monoplaza. Esta solución ahora permite la absorción de un mayor caudal de aire por el canal superior del separador, favoreciendo la generación de carga aerodinámica. Sigue presente el S-Duct, con un orificio de salida discreto en la parte alta del morro.

Scuderia Ferrari

Continuando con la parte delantera, las supensiones siguen el mismo esquema push rod de los últimos años, con una fijación algo inferior sobre el montante, una solución que eliminará algo del subviraje que sufría el SF90. Cabe destacar que las entradas de aire para lo frenos delanteros parecen ser algo más grandes, y que el sistema no visible utilizado por la suspensión ahora es de tipo hidáulico (que curiosamente, en 2021, será prohibido). Se espera que con él se pueda obtener un mayor rendimiento de las gomas, haciéndolas trabajar en la ventana adecuada, y reduciendo así su desgaste prematuro.

En la parte central del monoplaza podemos citar varias modificaciones realizadas para este SF1000. Los espejos retrovisores ‘abiertos’ son un concepto estrenado por Mercedes durante la temporada pasada, que les proporciona una mayor eficiencia aerodinámica, los anclajes también se han rediseñado. En lo relativo al airbox, se puede observar que continúa la forma triangular característica estrenada el año pasado (así como el corte en la aleta), mientras que a la misma altura, pero en el capó, se pueden ver unos ‘cuernos’ que son la novedad más visible que introduce el SF1000 este año, con el propósito de ordenar el aire que fluirá a lo largo del monoplaza para mejorar la función del ala posterior. 

Scuderia Ferrari

La zona de los desviadores de flujo/bargeboards es la más compleja de analizar, pero a grandes rasgos sigue una filosofía continuista con ligeros cambios para enviar mayor caudal de aire hacia las tomas de los radiadores. Presenta doble boomerang unido al deflector vertical, que ahora se encuentra separado del horizontal, y tres aletas delanteras en una posición más elevada respecto al año pasado. La configuración de los sidepods de cara a la refrigeración ha sido llevada al extremo, con un concepto muy similar al de Red Bull. Será una parte del monoplaza que veremos evolucionar mucho a lo largo de la temporada, una vez estudiados en pista el resto de cambios que ha sufrido el SF1000, sobre todo en la parte delantera. Un diseño modificado de la posición de lo radiadores permite la introducción de unas ‘branquias’ que han aumentado algo de tamaño, para la extracción de aire caliente.

Scuderia Ferrari

Finalizando por la parte trasera del SF1000, el capó es algo más estrecho gracias al trabajo realizado por los ingenieros de la PU para reducir un poco su tamaño, y que finaliza en una T-Wing más cuadriculada, y que tiene un apéndice en sus esquinas inferiores. Según se ha confirmado, la transmisión también ha sido reducida, por lo que el difusor del monoplaza dispone de mayor espacio, y la función de generar carga aerodinámica que realiza es más eficaz. El rake del SF1000 permanece invariado respecto al SF90, así como la batalla.

El fondo plano es algo diverso respecto al que finalizó la temporada el año pasado, aunque no se puede ver con claridad. Los desviadores de flujo que aparecieron a mitad de temporada ahora han desaparecido, y se ha incorporado algún otro elemento aerodinámico, habrá que observar como evoluciona de cara a los test en Barcelona. La suspensión trasera pull rod (que ya era hidráulica) permanece prácticamente invariada, así como la estructura con doble anclaje del alerón posterior.

Scuderia Ferrari

Un año más, la Scuderia presenta su herramienta de trabajo para la temporada, habrá que ver los cambios que sufre de cara a los test, así como la primera carrera en Melbourne. Sin embargo, podemos afirmar que se trata de una idea continuista que intentará eliminar los puntos débiles que presentaba el SF90.

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