12 septiembre 2009

Hablamos de vehículos híbridos…pero hidráulicos

Los vehículos híbridos hidráulicos que combinan componentes hidráulicos, eléctricos y mecánicos que mejoran la eficiencia del vehículo y el rendimiento son generalmente sistemas hidráulicos serie o paralelo. El sistema más común que los dos es un sistema serie, que es análogo al de una locomotora diesel/eléctrica. Resumidamente, este sistema usa un motor de combustión interna convencional para impulsar una bomba hidrostática de desplazamiento variable que suministra presión hidráulica a uno o más motores hidráulicos que impulsan el vehículo.

El sistema híbrido hidráulico es similar a muchos otros vehículos híbridos eléctricos en el mercado de hoy donde un motor de combustión interna puede impulsar el vehículo por ser asistido por otro sistema de energía que puede ser mecánicamente acoplado o desacoplado del sistema de trasmisión convencional.

La alternativa son los sistemas hidráulicos paralelos, donde una bomba/motor hidráulico actúa en lugar del motor eléctrico. En este artículo describimos la forma en la que operan los sistemas híbridos hidráulicos paralelo.

Descripción general de los sistemas híbridos hidráulicos paralelos

Un sistema hidráulico paralelo consta de los siguientes componentes:

  • Tren de transmisión del automóvil convencional: El tren de transmisión del automóvil viene hoy en día en tres configuraciones (transmisión frontal, trasera y a las cuatro ruedas), y todas pueden adaptarse con un sistema híbrido paralelo.
  • Motor/bomba hidráulico: El principal componente de un vehículo híbrido paralelo es un motor/bomba hidráulico. El motor/bomba es una bomba de tipo pistón-axial, de desplazamiento variable. Este tipo de bomba de circuito cerrado se usa de forma fiable desde hace años en varias aplicaciones hidráulicas. La eficiencia conseguida será de 85-90 % según la velocidad. Debido a esta característica, el motor/bomba puede añadir potencia al sistema o ser usado para bombear fluido hidráulico a un acumulador de alta presión y almacenar energía para su uso en su modo opuesto de operación.
  • Acumulador hidráulico: El acumulador hidráulico almacena energía para su uso por el motor/bomba para impulsar el sistema sin la ayuda de un motor de combustión interna.

Veamos un ejemplo:

Un vehículo de transmisión trasera adaptado con un sistema híbrido hidráulico paralelo. En un sistema simple y efectivo, la bomba puede acoplarse al eje de transmisión después de la transmisión y antes de la transmisión final o diferencial, vía una correa y embrague. En esta disposición si el embrague de la bomba/motor se desacopla el vehículo puede operar exactamente como fue originalmente concebido.

Para ilustrar cómo trabaja el sistema, asumamos que el conductor arranca el vehículo de la forma habitual como lo haría sin un sistema híbrido hidráulico paralelo. Cuando el conductor circula por la carretera los frenos se aplican aproximándose a la primera señal de stop, en ese momento el motor de combustión se apaga y la transmisión cambia a neutro. El motor/bomba – que está acoplado directamente a las ruedas a través del diferencial – usa la energía del freno para bombear fluido en proporción a como el conductor desea parar. Este fluido se bombea a un acumulador de alta presión, y la energía es almacenada. Si el acumulador alcanza máxima capacidad antes de que el vehículo pare, los frenos convencionales se usan para hacer bajar la velocidad del vehículo hasta parar.

Cuando el conductor acelera desde la señal de parada, antes que acelerar el motor de combustión interna, el fluido de alta presión del acumulador es dirigido al motor/bomba para hacer funcionar la unidad como un motor. El motor/bomba impulsa el vehículo desde la parada a al menos 40 mph antes de que el acumulador quede completamente descargado, y antes de que el motor arranque y comience a impulsar el vehículo. En este punto el embrague de la bomba es desacoplado y el sistema hidráulico es enteramente desacoplado del sistema. El motor de combustión interna es capaz de funcionar en un estrecho rango de velocidades que esté cercano a su velocidad de operación más eficiente.

De esta forma se consigue ahorro permitiendo que el motor se pare cuando no está en uso, y funcionará en un estrecho rango de velocidad. En este sentido los sistemas serie y paralelo son muy similares. No se añade ninguna carga extra al tren de transmisión convencional por el sistema paralelo.

Diferentes configuraciones mecánicas permiten una conducción mejorada y mayor ganancia en eficiencia energética. En un sistema de transmisión trasero, puede añadirse una bomba a las ruedas frontales vía una correa, embrague y diferencial, para recuperar más energía de frenado y aplicar potencia acoplada de velocidad a las ruedas frontales. Debido a la tracción añadida de las ruedas frontales, puede absorberse más energía en una parada y puede añadirse más potencia al ciclo de aceleración.

Una configuración en línea en la que la bomba se añade después del convertidor del motor y del par pero antes de la transmisión permitirá a la bomba operar a través de un rango mayor de velocidades antes de requerir la asistencia del motor. Esta configuración permitirá al motor impulsar la bomba y cargar al acumulador a niveles de caudal bajos. La cantidad de energía que la bomba requiere del motor viene de la ecuación:

hp=psi X gpm/1714

Donde hp es la potencia requerida por el motor, psi es la presión del sistema en libras por pulgada cuadrada, gpm es el caudal de la bomba en galones por minuto, y 1714 es una constante.

Como indicamos anteriormente la bomba es de tipo de desplazamiento variable y permite a la bomba bombear cualquier cantidad de fluido entre cero galones por minuto y sus valores máximos, que es dependiente del tamaño físico de la bomba. Para que la bomba principal pueda operar en condiciones sin fluido, hay una bomba de engranajes integrada dentro de la unidad que permite a la bomba operar, y mantenerla lubricada. Esta bomba también impulsa los controles de la lógica hidráulica. Si la bomba no bombea fluido su consumo es aproximadamente 1/10 de H.P. Esto es una cantidad muy pequeña de energía, comparada con un alternador estándar o unidad de aire acondicionado usado en un vehículo. La ventaja de esta configuración es que la bomba puede impulsar el fluido de la bomba a niveles óptimos para el mapa de uso de combustible con la transmisión en neutro. Esta energía se almacena en el acumulador y permite que el vehículo consiga un ciclo de aceleración completo usando únicamente la bomba. El acumulador puede cambiarse de la misma forma mientras el vehículo se está moviendo, y el sistema se comporta de forma muy similar a un sistema serie.

Para incrementar el rendimiento, la bomba y el motor de combustión interno pueden usarse simultáneamente para impulsar el vehículo. En muchos casos, esto dobla esencialmente la potencia del vehículo (dependiendo del tamaño de la bomba). Esto no es posible en un sistema serie. Debido a la naturaleza aditiva del sistema paralelo la planta de energía convencional puede subdimensionarse. Con un sistema bien diseñado, el tren de transmisiones convencional sólo necesita impulsar al vehículo a velocidades de crucero donde no se necesita máxima energía. También, el sistema paralelo tiene ganancias de eficiencia inherentes sobre un sistema serie. En el sistema serie la energía tiene que ser dirigida a través de la bomba a un motor hidráulico. Ambas unidades tiene aproximadamente un 85-90 % de eficiencia. Consecuentemente, la eficiencia combinada es en promedio del 85 %. Esta es la mejor eficiencia que un sistema serie puede conseguir. El sistema en paralelo en promedio puede tener una eficiencia del 92,5 %, o cuando no está en uso menos del 99 % dependiendo del tamaño del motor de combustión interna.

En conclusión, la transmisión híbrido hidráulico paralelo es un sistema altamente flexible y eficiente. Trabaja en paralelo con el tren de transmisión convencional, donde numerosas configuraciones mecánicas permiten del sistema una gran mejora en la eficiencia energética respecto a los trenes de transmisión standard y sin cargar el sistema. Dependiendo de cómo se dispongan los controles eléctricos, un sistema paralelo puede servir para disminuir la carga a un motor interno convencional en todo momento.

Fuente: www.lightninghybrids.com

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