aplicación de un sistema de frenado regenerativo

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
ESPECIALIDAD MECÁNICA
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO
REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA
VEHÍCULOS DE TRANSPORTE PÚBLICO
Autor: Rivera Nieto, David
Director: Mochón Castro, Luis Manuel
Madrid
Agosto 2014
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
ESPECIALIDAD MECÁNICA
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO
REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA
VEHÍCULOS DE TRANSPORTE PÚBLICO
Autor: Rivera Nieto, David
Director: Mochón Castro, Luis Manuel
Madrid
Agosto 2014
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO
OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE TRANSPORTE
PÚBLICO
Autor: Rivera Nieto, David
Director: Mochón Castro, Luis Manuel
Entidad colaboradora: ICAI- Universidad Pontificia Comillas
RESUMEN DEL PROYECTO
En este proyecto se realiza un estudio sobre la viabilidad de la implantación de un sistema
de frenado regenerativo oleohidráulico para vehículos destinados al transporte público en
ciudades (se ha tomado como ejemplo un autobús de la comunidad de Madrid y un
turismo modelo “Skoda Octavia”).
En la primera parte del documento, se ha realizado una investigación sobre el fenómeno
del frenado a lo largo de la historia. Se ha empezado por documentar la evolución del
freno a principios del siglo XX hasta cuando se empezó a desarrollar la idea del frenado
regenerativo en distintos tipos de transporte (trenes y automóviles). Se ha distinguido e
investigado los dos tipos de frenada regenerativa en los que se investiga en la actualidad
(mecánico y eléctrico) y también como han ido evolucionando hasta nuestros días ambos
tipos de frenado regenerativo. Por último se han señalado las distintas aplicaciones de
cada uno en la actualidad. Entre estas aplicaciones destacan; el frenado regenerativo
eléctrico potenciado sobre todo en coche híbridos y el KERS correspondiente a la fórmula
uno, y el frenado regenerativo mecánico aún por desarrollar más profundamente
destinado a prototipos, pequeños vehículos y sistemas de propulsión complementarios en
turismos.
La segunda fase del documento explica el sistema que se ha diseñado, su funcionamiento
y los distintos elementos que lo componen. Los elementos que componen el sistema son:
una máquina de pistones axiales de plato inclinado que actúa como bomba o motor, un
regulador de potencia constante aplicado a la bomba, una válvula distribuidora y un
acumulador de vejiga. El gas utilizado es Nitrógeno, que es un gas no inflamable y
tampoco desprende productos peligrosos en su combustión. El fluido que circula por el
sistema aceite mineral.
La bomba/motor va acoplada al eje del motor térmico con una transmisión de tipo
electromagnética que permite accionar la bomba/motor tan solo cuando se frena o se
acelera el vehículo.
Las especificaciones de la bomba son las siguientes:
Cilindrada máxima
149,23 cm^3
Presión diferencial máxima
128 bar
Rendimiento hidromecánico
0,85
Rendimiento total
0,85
Velocidad de giro
1000-2000 rpm
El regulador de potencia constante va incorporado a la bomba ya que es el encargado de
proporcionar a esta un par constante. El par se ajusta gracias a la variación de la cilindrada
y esta se consigue modificando la carrera del pistón que será mayor cuanto más baja sea
la presión en el acumulador y decrecerá a medida que la presión del acumulador aumente.
La válvula distribuidora se ha utilizado como elemento de seguridad, para evitar una
excesiva compresión del gas y el acumulador contiene el gas que se comprime y se
expande para almacenar o proporcionar energía. El objetivo del sistema es acumular
energía en la etapa de frenado del vehículo, en la que la máquina rotativa bombea el fluido
al acumulador y comprime la vejiga donde se aloja el gas. En la etapa de aceleración el
gas contenido en la vejiga se expande, la máquina rotativa actúa como motor entregando
así el par motor al eje del motor de combustión a través de la transmisión entre ambos.
A continuación se explican los cálculos, basados en su mayoría en ecuaciones de
oleohidráulica y dinámica de rotación. Se ha hecho especial énfasis en analizar el par
entregado por el sistema de frenado regenerativo en proporción con el par entregado por
el motor de combustión tanto en el turismo como en el autobús. La relación obtenida es
de un 6,4% para el turismo y un 2,5% para el autobús con lo que queda demostrado que
este sistema se puede configurar en un vehículo de estas características como sistema
complementario de propulsión. A la vista de los resultados se ha analizado las dos
posibilidades de aumentar el par. El aumento de par se consigue aumentando la presión
máxima que llega al acumulador pero las presiones a las que se ha trabajado son elevadas
con lo que aumentar el par con un aumento de presión puede producir un riesgo al
comprimir el gas de manera excesiva. El otro posible aumento del par se puede realizar
aumentando la cilindrada pero debido a que el sistema debe ir alojado en el vehículo no
se podría diseñar una bomba de dimensiones gigantescas ni tampoco un acumulador de
tamaño desorbitado.
Por último se ha realizado un estudio económico y medio ambiental en el que se ha
estimado la reducción de CO2 anual y el ahorro en litros de gasolina por año también, que
se muestra en la siguiente tabla:
Tipo de vehículo
Contaminación
por
combustible
Ahorro de combustible
Skoda Octavia
litro
de 2,6 Kg/l
Autobús
2,6 Kg/l
39,36 l/año
120,32 l/año
Reducción de CO2
102,33 Kg/año
312,83 Kg/año
Precio del combustible por litro
1,35€
1,35€
A la vista de los resultados, el ahorro de combustible dista mucho de un valor realmente
beneficioso tanto en el Skoda Octavia como en el autobús, y los resultados de la reducción
de CO2, es un porcentaje pequeño respecto a lo que supone la emisión anual de este tipo
de gas a la atmósfera de un vehículo convencional. Dado el precio del combustible y lo
poco incentivada que está la sociedad por una conducción sostenible a día de hoy, este
sistema de propulsión no es competitivo frente a otros sistemas de frenado regenerativo
como el que pueden llevar los vehículos híbridos ni tampoco con vehículos
convencionales que utilizan petróleo como combustible. No se ha realizado un estudio de
costes debido a que la rentabilidad del sistema se conseguiría muy a largo plazo.
APLICATION OF AN OIL HYDRAULIC REGENERATIVE
BRAKING SYSTEM FOR PUBLIC TRANSPORT VEHICLES
Author: Rivera Nieto, David
Director: Mochón Castro, Luis Manuel
Collaborating Institute: ICAI- Comillas Pontifical University
SUMMARY OF THE PROJECT
In this project, a study on the feasibility of implementing an oil hydraulic regenerative
braking has been done in vehicles used for public transport in Madrid (it has been taken
as an example a public bus of Madrid state and a model tourism "Skoda Octavia").
In the first part of the project, a research on the phenomenon of braking throughout history
has been done. This part begins with the evolution of the brake since the early twentieth
century when it began to develop until the idea of regenerative braking on different types
of transport (trains and cars). The two types of regenerative braking has distinguished and
investigated, both of them are currently in constant developing (mechanical and
electrical) and also how they have evolved until today.
Finally, the Project shows in this section different applications of each regenerative
braking model that are being used nowadays. The most important ones are: electric
regenerative braking in hybrid cars, the Kinetic Energy Recovery System (KERS) applied
in the formula one and the mechanical regenerative braking still further developing
prototypes intended for small vehicles and propulsion systems additional cars.
The second phase of the paper explains how the system has been designed, how it works
and the different elements that are part of it. The elements of the mechanical regenerative
braking system are: An axial piston inclined plate machine that works as a pump or motor,
constant power regulator applied to the pump/motor, a distributor valve and a bladder
accumulator. The gas used is nitrogen, which is a non-flammable gas and no apparent
hazardous combustion products. The fluid circulating system mineral oil.
The pump / motor is fitted to the shaft of the internal combustion engine with an
electromechanical transmission for actuating that allows the pump / motor to turn on only
when the vehicle slows or accelerates.
The following table shows the specifications of the pump/motor:
Maximum displacement
149,23 cm^3
Maximum differential pressure
128 bar
Hydromechanic efficiency
0,85
Total efficiency
0,85
Rotation speed
1000-2000 rpm
The constant power regulator is incorporated in the pump since it is responsible for
providing a constant torque to the pump/motor. The torque due to the variation of the
displacement is set and this is achieved by changing the piston stroke. The most the piston
stroke increases the lower the pressure is in the accumulator and the piston stroke will
decrease as the pressure increases in the accumulator. The control valve has been used as
a security element and the accumulator contains the gas to be compressed and expanded
to store and provide power depending if the driver is braking or accelerating.
The objective of the system is to accumulate energy in the vehicle braking stage, in which
the machine pumps the fluid to the accumulator and compresses the gas that is inside the
bladder. In the acceleration stage, the gas in the bladder expands, the rotary machine acts
as a motor and a torque is sent to the combustion motor shaft.
The following part of the project shows the calculations, they are based mostly in oil
hydraulic equations and rotational dynamics equations. Special emphasis has been made
of analyzing the torque delivered by the regenerative braking system in a ratio to the
torque delivered by the combustion engine on the car and on the bus. The obtained ratio
is 6.4% for cars and 2.5% for the bus which demonstrates that this system can be used on
a vehicle of this type as an additional propulsion system. After considering the results, an
analysis of the two possibilities to increase the torque has been made. The torque growth
is achieved by increasing the maximum pressure of the accumulator but the pressure that
have been worked with, are high yet, so if the pressure increases much more, it may cause
a risk due to the excessive compression of the gas. Another possible increase in torque
can be done by increasing the displacement of the pump but the system must be fitted
somewhere inside the vehicle it is impossible to design a huge pump, neither an
accumulator.
Finally there has been made an economic and environmental study estimating the annual
CO2 reduction and fuel savings study in liters per year, showed in the following table:
Vehicle type
Skoda Octavia
Bus
Pollution per litre of fuel
2,6 Kg/l
2,6 Kg/l
Fuel savings per year
39,36 l/year
120,32 l/year
CO2 reduction
102,33 Kg/year
312,83 Kg/year
Fuel Price per litre
1,35€
1,35€
After analyzing the results, fuel savings per year are far from a truly beneficial value in
both Skoda Octavia as on the bus, and the results of the reduction of CO2, are a small
percentage compared to the values of pollution per year of this gas of a conventional
vehicle. Given the price of fuel and the low interest of society for a sustainable way of
driving, this propulsion system is not competitive with other systems such as electric
regenerative braking system developed in hybrid cars or conventional cars that only use
fuel. There has not been made a study of costs because the profitability of the system
would have got in a very long term, if it would have existed.
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
ÍNDICE
Pág.
1. MEMORIA………………………………………………………..3
1.1 MEMORIA DESCRIPTIVA……………………………….....4
1.1.1 MOTIVACIÓN………………………………………...5
1.1.2 ESTADO DEL ARTE………………………………….6
1.1.2.1 ANTECEDENTES TÉCNICOS E HISTÓRICOS
DE LA FRENADA REGENERATIVA…………6
1.1.2.2 TIPOS DE FRENADO REGENERATIVO:
FRENADO REGENERATIVO ELÉCTRICO…...8
1.1.2.3 TIPOS DE FRENADO REGENERATIVO:
FRENADO REGENERATIVO MECÁNICO…...10
1.1.3 ELEMENTOS DEL SISTEMA DE FRENADO
REGENERATIVO………………………………………13
1.1.3.1 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA………….13
1.1.3.2 BOMBA/MOTOR
Y
REGULADOR
DE
POTENCIA CONSTANTE………………………14
1.1.3.3 ACUMULADOR Y VÁLVULAS………………20
1.1.3.4 FLUIDOS Y GASES DEL SISTEMA…………..23
1.2 CÁLCULOS…………………………………………………..25
1.2.1 CÁLCULO DEL PAR ENTREGADO POR EL SISTEMA
A UN VEHÍCULO SKODA OCTAVIA………………..35
1.2.2 CÁLCULO DEL PAR ENTREGADO POR EL SISTEMA
A UN AUTOBÚS……………………………………….37
1.3 ESTUDIO ECONOMICO Y MEDIO AMBIENTAL………...39
1.3.1 ESTIMACIÓN DE LA EMISIÓN DE CO2 Y AHORRO
DE COMBUSTIBLE EN UN VEHICULO SKODA
OCTAVIA………………………………………………41
1.3.2 ESTIMACIÓN DE LA EMISIÓN DE CO2 Y AHORRO
DE COMBUSTIBLE EN UN AUTOBÚS……………..42
1.3.3 COMPARATIVA DE LA IMPLANTACIÓN DEL
SISTEMA EN AMBOS MODELOS…………………..43
1.4 BIBLIOGRAFÍA……………………………………………..44
2. ANEJOS…………………………………………………………49
1
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
2.1 NORMA DIN 51517…………………………………………51
2.2 NORMA DIN 51524…………………………………………53
2.3 ACUMULADOR…………………………………………….55
2.4 REGULADOR DE POTENCIA CONSTANTE…………….63
2
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1. MEMORIA
3
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1.1 MEMORIA DESCRIPTIVA
4
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1.1.1 MOTIVACIÓN
Hoy en día se investiga con especial interés en las energías renovables y en todo
tipo de recursos y combustibles que proporcionen energía y contaminen lo mínimo
posible.
En el mundo del automóvil, el principal combustible utilizado es el petróleo, un
tipo de recurso no renovable que a su vez es bastante nocivo para el medio ambiente.
Actualmente la gran mayoría de vehículos utilizan este combustible para su
funcionamiento y por ello el nivel de emisión de gases como el CO2 y los óxidos de
Nitrógeno no cesan.
El principal problema de la implantación de motores que no contaminen al
medio ambiente, o sistemas que ayuden a propulsar el vehículo de manera eficiente y
sin contaminar excesivamente la atmósfera es complicado ya que a día de hoy este tipo
de sistemas no son capaces de ofrecer las mismas prestaciones que un motor de gasolina
y a nivel de precio no llegan a ser tan competitivos. Hasta la fecha por tanto, no se ha
conseguido una aplicación sistemática de estos sistemas alternativos aunque se hayan
conseguido numerosos avances y se continúa con su investigación.
El desarrollo de un modelo de frenada regenerativa mecánica para ciertos
vehículos como taxis y autobuses que realizan continuas paradas durante sus trayectos,
les permitirá un ahorro de combustible debido a la propulsión recibida por este sistema
y sobre todo reducirá la emisión de gases perjudiciales para el medio ambiente y con
ello poder acercarse al objetivo de conducción sostenible.
5
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1.1.2. ESTADO DEL ARTE
La frenada regenerativa es un mecanismo de frenado en el cual la energía cinética que
se perdería en la frenada, se acumula de distintas formas (dependiendo del tipo de
frenado regenerativo) y se utiliza posteriormente: de manera inmediata para
proporcionar una ayuda de propulsión al vehículo, para incrementar en un determinado
momento su potencia o de manera diferida después de su almacenaje para usos diversos
(servicios en trenes, devolución a la red, completar la frenada del vehículo,…).
Existen dos tipos de frenada regenerativa, el frenado regenerativo eléctrico y el frenado
regenerativo mecánico. Ambos se diferencian en cómo se realiza esa acumulación de
energía y en qué se utiliza esa energía.
1.1.2.1. ANTECEDENTES TÉCNICOS E HISTÓRICOS DE LA FRENADA
REGENERATIVA
La investigación sobre la frenada de un vehículo es algo que se ha estudiado desde
principios del siglo XX cuando empezaron a desarrollarse los vehículos propulsados. En
un principio, cuando los frenos eran externos fueron muy estudiados por su desgaste,
que era muy rápido y limitaba demasiado la autonomía del vehículo.
Con la aparición de los frenos internos que son los utilizados actualmente, se da paso a
posibles estudios sobre aprovechamiento de la energía y reducción del desgaste. Los
frenos internos combinan diferentes tipos y sistemas: disco, tambor e hidráulicos, siendo
estos últimos los que van a determinar el principio de las investigaciones sobre frenada
regenerativa. A continuación se muestra una imagen descriptiva sobre los frenos
internos y externos:
Figura 1
6
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Es en 1902 cuando en Gran Bretaña se expide la primera patente sobre frenos de disco
realizada por F.W. Lanchester. A partir de 1931 algunas renombradas marcas de
automóviles como Dodge, Chrysler o Plymouth empezaron a utilizar frenos hidráulicos
combinados con frenos mecánicos en sus modelos, pero no fue hasta 1939 cuando Ford
implantó en sus automóviles frenos hidráulicos sin combinar.
La disipación de energía en la frenada de los automóviles fue un tema de estudio a
partir de estos años y se empezó a investigar para encontrar la manera de reutilizarla.
Fue en torno a los años 50 cuando se tiene referencia a unos primeros estudios sobre
cómo recuperar esa energía que se pierde al frenar. Estos estudios se realizaron para
frenar elevadores con accionamiento eléctrico en los que se emplea la corriente eléctrica
para la obtención del frenado.
A partir de este momento se empieza a investigar sobre diversos sistemas de frenada
regenerativa eléctrica por la facilidad frente a otro tipo de sistemas. En 1967 fue
desarrollado el frenado regenerativo para el vehículo Amitron de American Motors
Corporation y Gulton Industries. Cuando el automóvil frenaba se recargaban las baterías
que llevaba incorporadas proporcionándole al coche una autonomía de 240 km por cada
carga de baterías.
En sistemas ferroviarios la frenada regenerativa lleva usándose décadas con otra
finalidad que no es la de recargar energía para el tren si no devolverla a la red. En 2009
se descubrió una aplicación de la frenada regenerativa para la Formula 1, el KERS
(Kinetic energy recovery system), lo que da a conocer este sistema de recuperación de
energía a través de la frenada y permite su investigación y desarrollo para vehículos
comerciales, los llamados híbridos.
En distintos monoplazas mediante un sistema de recuperación de energía cuando el
bólido frena, se acumula energía y se dota al coche de un extra de potencia durante un
corto periodo de tiempo. Actualmente se han desarrollado distintos modelos de coches
con frenada regenerativa eléctrica como el Toyota Prius, el Honda Insight o modelos de
Mazda, en donde el objetivo es la reducción de combustible gracias a la energía que
proporciona el vehículo al frenar, y la ecología del sistema..
Hoy en día también se está desarrollando la frenada regenerativa mecánica, que
engloba a su vez variantes neumática e hidráulica. En cuanto al frenado regenerativo
hidráulico y neumático, ambas suelen estar combinados en distintos prototipos. Los
estudios realizados sobre el frenado regenerativo mecánico datan de 1976 cuando se
desarrolla el sistema Volvo Cumulo. Este sistema almacenaba energía en la frenada con
un mecanismo hidroneumático. En 1984 Hammerström realiza varios estudios sobre un
mecanismo similar al de Volvo en donde un fluido comprime un gas para almacenar
energía en la frenada, gracias al funcionamiento de una bomba motor hidráulica
acoplada a la transmisión. A raíz de esta investigación se inician estudios sobre la
transmisión de esta energía y su almacenamiento. En 1990 Pourmovahed realiza un
7
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
estudio de los rendimientos de la energía transmitida de un sistema de frenado
hidroneumático a un volante de inercia. En 1996 Chicurel y Lara incorporan un
componente hidroneumático a un vehículo eléctrico (UNAM), cuyo objetivo fue la
reducción de descarga de las baterías gracias a la energía aportada por los acumuladores
hidroneumáticos. En 2001 la empresa Transidrive y NYSERDA (New York State
Energy Research and Development Authority) iniciaron un proyecto basado en esta idea
anterior para los autobuses eléctricos e híbridos de la ciudad.
En el año 2002 Ricardo Chicurel y Alejandro González desarrollan y amplían los
estudios sobre el frenado hidroneumático en el vehículo UNAM, así como la gestión de
la energía cinética recuperada con la frenada. En 2009 la empresa Valentin
Technologies Inc. introduce en el mercado el Ingocar, un vehículo híbrido-hidráulico
con un sistema de propulsión hidráulico que adquiere la energía por medio de la
frenada.
1.1.2.2. TIPOS
DE
FRENADO
REGENERATIVO ELÉCTRICO
REGENERATIVO:
FRENADO
Como se ha comentado anteriormente el frenado regenerativo eléctrico aprovecha la
energía cinética de la frenada convirtiéndola en energía eléctrica.
En sistemas ferroviarios modernos la energía eléctrica producida por la frenada tiene
diferentes usos: el más común es su devolución a la red por medio de las líneas que
alimentan el propio tren, también se puede transmitir esta energía para la propulsión de
otro tren en la estación de salida y otra modalidad es aquella energía que se invierte en
servicios prestados por el propio tren (calefacción, luz, etc).
En turismos se utiliza tanto para propulsar como para frenar el vehículo pero como no
es muy elevada, va siempre combinado con un sistema de frenos hidráulicos ya que
cuando se requiere una reducción brusca de la velocidad es necesario un freno más
potente. Igualmente se combina con motores convencionales dando lugar a los
automóviles híbridos por la misma razón de autonomía.
Cuando se desea iniciar el frenado, las baterías donde se acumula la energía comienzan
a frenar el vehículo. Si el frenado es lo suficientemente suave solo actúan estas como
freno, que a su vez son recargadas constantemente por medio de un motor que esta
acoplado a la transmisión de las ruedas y que al girar genera energía eléctrica. La
función del motor por tanto es convertir la energía cinética en energía eléctrica. En la
figura 2 se muestra un esquema de los distintos componentes del frenado regenerativo
eléctrico y el freno hidráulico convencional.
8
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Figura 2
Actualmente esta alternativa de recuperar energía no es suficiente para las necesidades
de propulsión de un turismo, ya que funciona de forma exitosa en ciudad donde se
incrementan las paradas y las aceleraciones, pero no es viable en largas distancias ya
que el sistema de baterías no es lo suficiente duradero y el motor incapaz de regenerar lo
suficiente si no hay paradas continuadas. Otro inconveniente es el desconocimiento del
nivel de carga de las baterías, una vez que las baterías se cargan al 100% no es posible
regenerar más energía y esta se disipa en forma de calor. Diferentes estudios determinan
que la energía cinética recuperada se encuentra en torno al 20-30 % de la total que se
disipa en calor.
Hoy en día existen dispositivos como los sistemas electrónicos de control de freno que
coordinan la relación entre los dos frenos y así permiten optimizar la energía cinética
recuperada.
Como variante eléctrica de la frenada regenerativa se encuentra el KERS (Kinetic
energy recovery system). El KERS se utiliza únicamente en la modalidad
automovilística de Fórmula 1, ya que aunque el funcionamiento es similar al de un
turismo la energía se suele almacenar en un volante de inercia. A diferencia de los
turismos la energía recuperada en la frenada, se transforma en potencia mecánica extra
para el monoplaza durante un espacio de tiempo reducido, pudiéndose llegar a obtener
unos 80 CV extras durante unos siete u ocho segundos.
9
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1.1.2.3.
TIPOS
DE
FRENADO
REGENERATIVO MECÁNICO
REGENERATIVO:
FRENADO
Como se mencionó anteriormente este tipo de frenado regenerativo es mayoritariamente
hidráulico y neumático. Aunque muchos de los prototipos y modelos de coches que
utilizan el frenado regenerativo hidráulico o neumático va combinado con parte
eléctrica. Un sistema de frenado regenerativo puramente no eléctrico básico constaría
de: una bomba/motor acoplada a la transmisión que se encarga del bombeo de un fluido,
una válvula direccional que regula el régimen de funcionamiento de la bomba-motor(es
decir si esta tiene que trabajar como bomba o como motor) y un sistema de acumulación
que es el encargado de proporcionar la energía de recuperación de la frenada.
A la hora de la frenada, el funcionamiento del sistema consiste en bombear el fluido
hacia el sistema acumulador a través de la bomba/motor para que el fluido ejerza una
presión sobre el tipo acumulador utilizado. Si es necesario propulsar el vehículo, el
acumulador se encarga generar el movimiento del fluido por medio de una expansión
que depende de la naturaleza del acumulador. El fluido mueve por tanto el motor y este
transforma esta energía cinética en par motor. Cabe destacar que mientras que el
vehículo está en movimiento y no se requiere el uso de la energía cinética proveniente
del sistema regenerativo, el fluido circula por un circuito cerrado. En la figura 3 se
observa un esquema de un vehículo que trabaja con este tipo de freno hidroneumático.
10
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Figura 3
En cuanto a los tipos de acumuladores pueden ser de gravedad, de resorte y de gas o
hidroneumáticos. Las funciones principales de los acumuladores son poder proveer de
elevadas demandas de fluido en circuitos que funcionan periódicamente y almacenar la
energía que se recupera en un proceso. Los acumuladores utilizados para este tipo de
frenada regenerativa no eléctrica son los acumuladores de gas o hidroneumáticos. Estos
acumuladores se componen de una parte gaseosa, generalmente Nitrógeno a una
determinada presión, y la parte de líquido que se comunica con el sistema de frenos. El
gas se introduce en una vejiga de modo que cuando el líquido entra en el acumulador
esta se comprime (fase de frenado) y en el momento que se necesita propulsar el
vehículo esta se expande. A continuación se muestra una imagen con las diferentes
partes del acumulador.
11
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Figura 4
Tanto los sistemas de frenado como los de propulsión suelen ser insuficientes para un
turismo de dimensiones estándar, por lo que siempre son concebidos como elemento
auxiliar a un sistema convencional o hibrido de propulsión y frenado. También hay que
mencionar que no se es capaz por el momento de almacenar toda la energía cinética que
se emplea en una frenada debido a las pérdidas del motor y las válvulas.
12
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1.1.3. ELEMENTOS
DEL
REGENERATIVO
SISTEMA
DE
FRENADO
El sistema de frenado regenerativo mecánico utilizado está compuesto por los siguientes
elementos: una bomba/motor, un regulador de potencia constante acoplado a la bomba,
una válvula distribuidora y un acumulador. Como fluidos y gases se han utilizado el N2
y el Aceite mineral HLP.
1.1.3.1.
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
A continuación se muestra una imagen del sistema a partir de la cual se explica cómo
funciona el conjunto de los elementos:
Figura 5
13
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
El funcionamiento del sistema es parecido a lo mencionado en apartados anteriores.
Como se puede observar en la figura 5, la bomba/motor va unida al eje del motor con un
acoplamiento electromagnético, de manera que la bomba/motor empieza a girar una vez
que se acciona el freno o cuando el conductor del vehículo presiona el acelerador con el
pie.
En el momento que el conductor pisa el pedal de freno, la bomba/motor actúa como
bomba, impulsando al fluido hasta el acumulador a través de la válvula distribuidora.
El acumulador comienza a llenarse hasta que la vejiga se comprime al máximo y por
tanto ya no se puede almacenar más energía con lo que si la frenada es muy duradera,
parte de la energía se disipará en calor como en un vehículo convencional.
Cuando el conductor está parado o circula a velocidad constante y presiona el pedal del
acelerador, la bomba/motor ejerciendo como motor empieza a girar, y la vejiga del
acumulador se expande con lo que a través de la bomba/motor se otorga un par motor
determinado por distintas variables que se explicarán más delante de tal forma que el
vehículo experimenta una propulsión.
Como se verá detallado más adelante esta propulsión no es capaz de impulsar al
vehículo completamente con lo que el sistema queda como un elemento secundario que
ayuda acelerar pero no es capaz de proporcionar al vehículo el total del par motor.
1.1.3.2.
BOMBA/MOTOR
CONSTANTE
Y
REGULADOR
DE
POTENCIA
En este apartado se van a describir ambos elementos debido a que el regulador va
acoplado a la bomba/motor y el sistema no podría funcionar si ambos elementos
trabajasen de manera independiente el uno del otro.
La bomba/motor que se ha utilizado en el proyecto es una máquina volumétrica. Las
máquinas volumétricas se caracterizan por vencer grandes esfuerzos (en máquinas
rotativas por ejemplo, miles de Nm) pero a su vez bombean el fluido a velocidades no
muy altas. Cuando se utilizan máquinas volumétricas y por tanto se trabaja en el campo
de la oleo hidráulica, se parte de la hipótesis de fluido incompresible. En ellas se aplica
el Principio de Desplazamiento Positivo que se postula como: “El caudal a través de la
máquina está relacionado con el ritmo de variación de su cámara interna, y las segundas
por la denominada Ecuación de Euler, basada en la variación del momento cinético que
experimenta el fluido a su paso por la máquina.”
Un parámetro fundamental por tanto de la bomba según el Principio de Desplazamiento
Positivo es la cilindrada. La cilindrada se puede definir como el volumen geométrico
desplazado o de forma más sencilla, el volumen de fluido incompresible que atraviesa la
14
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
máquina rotativa ideal por ciclo de la máquina. La cilindrada por tanto es una variable
que relaciona la velocidad de giro y el caudal de fluido que atraviesa la máquina por un
lado, pero también relaciona la presión diferencial de la máquina rotativa con el par que
se entrega en el eje.
La bomba/motor que se ha elegido es una maquina rotativa de pistones axiales de plato
inclinado. Las máquinas de pistones axiales son máquinas de cámara deformable, es
decir, durante su funcionamiento las cámaras de la máquina varían continuamente de
tamaño y forma. El fluido se transporta en dos fases: llenado y expulsión. En la fase de
llenado, se produce un aumento de la cámara mientras que, en la fase de expulsión o
descarga, se produce una reducción de la cámara. Son por tanto máquinas que pueden
no tener una cilindrada fija.
En este proyecto se ha optado por la elección de una bomba/motor de cilindrada
variable para poder ajustar de manera más precisa los distintos parámetros de diseño.
La máquina de pistones axiales consta de un bloque de pistones solidario al eje de la
máquina. Los pistones apoyan en un plato, denominado plato inclinado, por la acción de
un muelle de compresión que se aloja en el interior de cada cámara volumétrica. Al
girar el eje, y con ello el bloque de pistones al que es solidario, los pistones entran y
salen del bloque haciendo variar el volumen de las cámaras. Cuando el bloque de
pistones gira media vuelta y arrastra un pistón desde la posición superior a la inferior
mostrada en la figura, su correspondiente cámara volumétrica aumenta, lo que exige que
todas las cámaras volumétricas que recorren ese trayecto realicen una entrada de fluido.
La entrada y salida del fluido es posible debido a unas ranuras que están conectadas a la
tubería de entrada y salida de la máquina.
La expresión de la cilindrada viene dada por la siguiente fórmula:
𝑉=(
𝜋
) ∗ 𝑑2 ∗ 𝑧 ∗ 𝑠
4
Donde:
-
V: cilindrada
s: carrera del pistón
d: diámetro del pistón
z: número de pistones
A continuación se muestra una máquina de pistones de cilindrada variable análoga a la
que se utilizaría en sistema:
15
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Figura 6
Como se puede observar en la figura 6 la bomba consta de un eje que al rotar, mueve el
plato inclinado y con ello los pistones. Para conseguir una cilindrada variable, se
modifica la carrera de los pistones, designada anteriormente como “s” y cuya longitud
depende de la inclinación del plato inclinado o también llamado ángulo de
basculamiento. En la figura 7 se observa la relación entre la carrera y el ángulo de
basculamiento:
Figura 7
16
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Donde:
-
c: carrera del pistón
D: distancia vertical entre dos pistones
α: ángulo de basculamiento
Las especificaciones de la bomba se muestran en la siguiente tabla:
Cilindrada máxima
Presión diferencial máxima
Rendimiento hidromecánico
Rendimiento total
Velocidad de giro
Par entregado
149,23 cm^3
128 bar
0,85
0,85
1000-2000 rpm
89,21 Nm
Para el sistema que se ha diseñado era preciso un regulador de par constante o potencia
constante que regulara la cilindrada cuando fuese oportuno. En este caso se ha optado
por un regulador de potencia constante acoplado a la bomba de tal forma que la
cilindrada varíe según precise el sistema.
El regulador de potencia mantiene el par M constante que entrega la bomba, ya que en
óleo hidráulica la ecuación que relaciona par y cilindrada se puede escribir como:
𝑀 = ∆𝑝 ∗
𝑉
𝜂ℎ𝑚∗10∗𝜋∗2
Donde:
-
V: cilindrada de la bomba
ηhm: rendimiento hidromecánico de la bomba
Δp: presión diferencial de la bomba
La presión diferencial de la bomba se puede considerar que es la misma que la presión
en el acumulador, ya que la diferencia de presión entre la entrada de la bomba y la
atmosfera es muy pequeña. Como se ha trabajado con presiones relativas durante todos
los cálculos la presión diferencial se considerará la presión en el acumulador.
17
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Este sistema por tanto establece un par constante, de tal forma que a medida en el
momento que el conductor acciona el pedal de freno la cilindrada es máxima, y en el
momento que el conductor pisa el acelerador la cilindrada es mínima. Lo mismo ocurre
para la presión diferencial pero de forma opuesta, en la frenada es mínima hasta que el
gas se comprime hasta el límite establecido, y en el momento de acelerar la presión
diferencial es máxima hasta que se expande el gas de la vejiga del acumulador.
A continuación se muestra unas imágenes explicativas del regulador de potencia que se
ha utilizado en el diseño:
Figura 8
El funcionamiento del regulador de potencia constante consiste en, dada una velocidad
de giro de la bomba, la presión diferencial designada en la figura 8 como “p” comienza
a aumentar y con ello el pistón de medición, empujado por el fluido a la presión “p”
imprime un esfuerzo en el soporte basculante.
El soporte basculante por su parte, empuja al brazo de palanca y gracias a ello la válvula
de mando regula la presión que llega al cilindro de posicionamiento con pistón de
posición. Se puede apreciar que la válvula de mando es una servo-válvula, es decir, que
actúa como un divisor de presión. Dependiendo del desplazamiento producido por el
brazo de la palanca en la servo-válvula, la presión que llega al cilindro de
posicionamiento es mayor. En la figura 9 se puede ver como es el funcionamiento de
una servo-válvula:
18
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Figura 9
Donde:
-
Q1: caudal que llega al depósito
Q2: caudal que llega al cilindro de posicionamiento
Q: caudal que entra en la servo-válvula
A0: desplazamiento máximo
P2: presión sobre el cilindro de posicionamiento
P0: presión del acumulador
La ecuación de la servo-válvula queda explicada más adelante en el apartado de
cálculos.
Una vez que la servo-válvula produce una presión sobre el cilindro de posicionamiento
del pistón de posición, este se desplaza hacia la izquierda y con ello se reduce la
cilindrada que una vez que la bomba ha empezado a girar y la presión diferencial a
crecer, la cilindrada se va reduciendo de forma que se compensa el aumento de la
presión con la reducción de la cilindrada. En el momento en que la presión diferencial
va disminuyendo, la carrera va aumentando debido a la fuerte compresión del muelle
hasta que este retorna a su posición inicial que corresponde con la longitud natural del
muelle.
En la figura 10 se observa una gráfica presión/caudal del regulador de potencia. El
caudal está relacionado con la cilindrada con la siguiente ecuación:
𝑄 =𝑉∗𝜔
19
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Donde
-
Q: caudal de la bomba
V: cilindrada de la bomba
ω: velocidad de rotación de la bomba
Figura 10
La figura 10 muestra distintas hipérbolas de potencia en función de la velocidad de giro
de la máquina, luego el caudal, y por tanto la cilindrada es inversamente proporcional a
la presión diferencial.
1.1.3.3.
ACUMULADOR Y VÁLVULAS
El acumulador es un elemento que almacena energía fluida en forma de presión para
una vez que esta energía sea demandada, poderla restituir al sistema. Hay varios tipos de
acumuladores como pueden ser los acumuladores de gravedad, los acumuladores de
resorte o los acumuladores de gas. En este proyecto se ha optado por la utilización de un
acumulador de gas, y el gas que se ha introducido es Nitrógeno.
Los acumuladores de gas se componen de diferentes partes: un gas, un fluido y un
elemento separador. El elemento separador es muy importante ya que sin él, el fluido
podría absorber parte del gas, lo cual puede resultar contraproducente en numerosas
20
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
ocasiones. El elemento separador utilizado es una vejiga de caucho, que se deforma con
facilidad y evita el rozamiento con las paredes del acumulador.
El acumulador es de forma cilíndrica, al igual que la vejiga y está dotado de dos
válvulas, una válvula seta que evita que la vejiga se expanda de más cuando la vejiga
está cargada de gas pero el acumulador no contiene líquido almacenado, y una válvula
en el otro extremo para poder realizar la carga del gas de manera satisfactoria. Cuando
la presión del fluido es mayor que la presión de carga del gas, el líquido se va
introduciendo en el acumulador, y cuando la presión del sistema es menor que la
presión de carga del gas, el acumulador devuelve el fluido al sistema.
Las especificaciones del acumulador utilizado se muestran en el apartado de anejos,
pero a continuación se muestra una imagen de un acumulador de gas como ejemplo:
Figura 11
21
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
En el acumulador hay que tener en cuenta tres puntos de presión característicos para un
diseño: la presión de carga del gas, la presión mínima de trabajo en el acumulador la
presión máxima de trabajo en el acumulador.
En el sistema diseñado la presión mínima de trabajo corresponde a un valor de presión
un tanto superior a la presión de carga del gas. Generalmente y así es como se ha
establecido en el sistema la presión máxima que aguanta el acumulador es cuatro veces
mayor a la presión de carga del gas.
Como la carga del acumulador se realiza a través de una bomba, se puede considerar
que el proceso es adiabático ya que el tiempo que tarda la bomba en cargar el
acumulador no es muy grande. En caso de que el tiempo de llenado fuera grande se
consideraría un proceso isotermo pero en este diseño se ha considerado que el proceso
es adiabático debido al corto tiempo de llenado del acumulador.
La válvula que se ha usado en el sistema es una válvula distribuidora. Estas válvulas se
caracterizan por regular la energía que llega a los actuadores, en este caso al
acumulador. Esto quiere decir que, cuando la presión ha llegado a su valor máximo en
el acumulador, para que no se produzca ningún problema, esta válvula desvía el flujo
hacia depósito, es decir, se ocupa de controlar la dirección del fluido hasta que la
presión queda debidamente regulada por el regulador de potencia.
Por tanto, esta válvula es un elemento de seguridad del sistema. En óleo hidráulica, las
vías de la válvula quedan representadas por flechas. En este caso se ha escogido una
válvula de cuatro vías, conectada al acumulador en caso de que fuese necesario aliviar
el exceso de presión debido a cualquier circunstancia anómala.
El tipo de accionamiento de estas válvulas puede ser manual, mecánico, eléctrico, etc.
El accionamiento que se ha propuesto en el sistema es un accionamiento eléctrico, en la
figura 12 se puede observar una válvula de accionamiento eléctrico de cuatro vías:
22
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Figura 12
1.1.3.4.
FLUIDOS Y GASES DEL SISTEMA
Como en la mayoría de las aplicaciones de óleo hidráulica, el fluido que circula por el
circuito es aceite. El aceite que se ha escogido es el Aceite Mineral HLP 46 según DIN
51524. Esta norma se puede consultar en la sección de anejos.
La inicial H corresponde a que es un aceite hidráulico, la letra L indica que el aceite está
mezclado con aditivos para la protección de la corrosión y también para dotarle de una
mayor estabilidad y la inicial P indica que el aceite se ha mezclado con aditivos para
reducir o incrementar la habilidad de portar cargas. El número que se observa a
continuación es un código de viscosidad según la norma DIN 51517.
Algunos de los aspectos que se han tenido en cuenta a la hora de la elección del aceite
es la buena conductividad térmica del aceite, es un fluido que transmite energía con
poca pérdida de carga y a su vez son poco inflamable. Las propiedades más reseñables
se muestran en la siguiente tabla:
Densidad
Viscosidad
Punto de congelación
Punto de inflamación
0,88 g/ml
46
-21ºC
Mayor de 200ºC
23
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
El gas que se ha utilizado para el acumulador es el Nitrógeno. El Nitrógeno es un gas
inerte, dado su bajo punto de fusión y ebullición, permite un gran rango de temperaturas
de trabajo (ya que la temperatura ambiente de un laboratorio o estudio es de 20ºC). El
Nitrógeno es un gas no inflamable, ni tampoco se desprenden productos peligrosos de
combustión. No es tóxico pero puede provocar asfixia al desplazar el oxígeno del aire.
Es un gas incoloro, a continuación se muestran sus propiedades físico-químicas más
importantes:
Densidad(gas a 20ºC)
Punto de fusión
Punto de ebullición
Peso molecular
Temperatura crítica
1,161 g/l
-210ºC
-196ºC
28
-147ºC
24
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1.2.
CÁLCULOS
25
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Como los cálculos realizados en este documento son análogos para ambos vehículos
salvo algunos aspectos específicos, se va a proceder a la explicación general del proceso
y después, a la exposición de ambos resultados.
En cada apartado se comentará los aspectos más llamativos, así como las observaciones
y diferencias más importantes con respecto a los cálculos del otro vehículo
Como ya se mencionó en el apartado de la memoria, el diseño se empezó con la
determinación de la presión máxima de trabajo, P2. Establecida la presión máxima de
trabajo se establecieron la presión mínima y la presión de llenado del gas:
P2 = 4*P0
P1 = P0/0,9
Donde:
-
P0 : presión de carga del gas
P1 : presión mínima de trabajo
Para calcular la masa de Nitrógeno necesaria se ha calculado la energía cinética del
vehículo, es decir, la energía que se invierte en frenar dicho vehículo de 50 a 0 Km/h y
se ha igualado a la energía hidráulica que proporcionaría el acumulador a las presiones
de trabajo:
1
𝐸 𝑐 = ( ) ∗ 𝑀𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑜 ∗ 𝑣 2
2
Donde:
-
v: velocidad del vehículo
M: masa del vehículo
Ec: energía cinética
La ecuación de la energía hidráulica es la siguiente:
1
𝐸ℎ𝑖𝑑 =
𝑀𝑁2 ∗𝑅∗𝑇 1
𝛾−1
∗
𝑃 𝛾−𝛾
[(𝑃 2 )
1
− 1]
Donde:
-
MN2 : masa de Nitrógeno
Ehid: Energía hidráulica del acumulador
R constante de los gases
26
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Al igualar las dos energías teniendo en cuenta los rendimientos de la bomba y las
pérdidas en los conductos:
𝐸ℎ𝑖𝑑 = 𝐸 𝑐∗ 𝜂 𝑏 ∗ 𝜂 𝑝
Donde:
- ηb : rendimiento de la bomba
- ηp : rendimiento de pérdidas
Una vez calculada la masa de Nitrógeno, lo siguiente calculado fueron los diferentes
volúmenes del gas en los puntos de presión escogidos. Para ello se ha aplicado en
primer lugar la ecuación de los gases ideales, donde despejando:
𝑉 0 = 𝑀𝑁2 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇 0 /𝑃 0
Donde:
-
R: constante de los gases ideales
T0: Temperatura de llenado del gas
Una vez calculado el volumen inicial de gas, se fijó una temperatura de llenado del gas
de 20ºC y se probó con unas temperaturas límite de condiciones desfavorables de -10ºC
y 40ºC cuando la presión de trabajo es mínima. Así como se trata de un proceso
adiabático, se tienen las siguientes ecuaciones:
1
𝑃0 𝛾
𝑉 1 = 𝑉 0∗ ( )
𝑃1
1
𝑃0 𝛾
𝑉 2 = 𝑉 0∗ ( )
𝑃2
Donde:
-
V0 : volumen a la presión de llenado del gas
V1 : volumen a la presión mínima de trabajo
V2 : volumen a la presión máxima de trabajo
ϒ: exponente adiabático del Nitrógeno gas
El exponente adiabático a presiones moderadas se puede tomar el valor de 1,4 pero se
ha utilizado el siguiente cuadro:
27
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Figura 13
Como la presión máxima de trabajo es de y la presión mínima de trabajo es de se ha
estimado un exponente adiabático de 1,5.
Una vez calculados los tres volúmenes, se ha obtenido el incremento de volumen final:
∆𝑉 = 𝑉 0−𝑉 2
Y con ello se ha igualado el incremento de volumen de aceite al incremento de volumen
de Nitrógeno. Una vez conocido el incremento de volumen de aceite se puede calcular
fácilmente la masa de aceite necesaria para el sistema, multiplicando por la densidad del
mismo:
𝑀𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = ∆𝑉 ∗ 𝐷𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
La siguiente tabla muestra una serie de datos necesarios para los cálculos que se han
obtenido de libros o de la web:
Radio de la rueda
Densidad del aceite
Coeficiente de rozamiento
Constante de los gases ideales (R)
Relación de transmisión eje rueda/eje motor
Coeficiente de caudal
25/35 cm (Skoda/Autobús)
880 kg/m^3
0,3
297 Kg*J/K
2,7 / 7,2 (Skoda/Autobús)
0,6
28
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Como se mencionó en la memoria, la velocidad a la que gira el eje de motor del coche
es la misma que la velocidad de rotación de la bomba que variará entre las 1000 y las
2000 revoluciones por minuto. Los rendimientos de la bomba son los que aparecen en la
memoria en la tabla de especificaciones. Los valores de estos rendimientos han sido
estipulados conforme a diferentes catálogos de bombas consultados.
La cilindrada de la bomba en cada momento se corresponde con la siguiente ecuación:
𝑉=(
𝜋
) ∗ 𝑑 2 ∗ 𝑧 ∗ (𝑠 − 𝑋1)
4
Donde:
-
V: cilindrada
c: carrera del pistón
d: diámetro del pistón
z: número de pistones
X1: variación de la carrera debido al ajuste del regulador
La diferencia de esta ecuación con la cilindrada de una máquina de pistones axiales de
cilindrada fija se diferencia en que se ha introducido una reducción de la carrera
aplicable o no dependiendo de si se necesita regular el par motor.
Como el regulador mantiene el par constante, a medida que la presión aumenta, la
cilindrada deja de ser máxima y va disminuyendo, disminuye en mayor o menor medida
según aumente el valor de x1. Esta variación de la carrera se explica a continuación con
las ecuaciones del regulador.
La figura 8 es el sistema de regulador que se ha empleado en los cálculos, para poder
explicar de manera más sencilla su funcionamiento, obsérvese la siguiente figura:
29
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Figura 14
Se trata de un sistema que debe estar en equilibrio, luego las ecuaciones que rigen el
regulador son las siguientes:
𝑃𝑐 ∗ 𝐴 3−𝐾𝑟 2∗ 𝑋 2= 0
𝑃𝑠𝑣 = 𝑃𝑐 − (𝑄 1 2 /(Cq ∗ π ∗ d ∗ X 2) )
𝑃𝑐 ∗ 𝐴 2 + 𝐾𝑟1 ∗ 𝑋 1−𝑃𝑠𝑣 ∗ 𝐴 1= 0
Donde:
-
Pc: Presión a la entrada del acumulador
Psv: Presión a la salida de la servo-válvula
Kr1: Constante de rigidez del resorte correspondiente al cilindro de posición
Kr2: Constante de rigidez del resorte correspondiente a la palanca
A1: Área del cilindro de posicionamiento
A2: Área del cilindro de posicionamiento menos el área del pistón de posición
A3: Área del pistón de medición
Cq: Coeficiente de caudal
X1: Variación de la carrera
X2: Desplazamiento del brazo de palanca
d: diámetro de la servo-válvula
Q1: caudal que circula por la servo-válvula
Aunque ya se explicó a grandes rasgos su funcionamiento en la memoria, se ha hecho
una descripción más detalladas sobre cómo funciona este regulador a continuación:
30
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
El regulador empieza a funcionar cuando nota una variación de presión a la entrada del
acumulador, entonces esa presión actúa sobre el pistón de medición y mueve el brazo de
palanca una distancia X2.
Este desplazamiento, está relacionado con el funcionamiento de la servo-válvula que
actúa como divisor de presión, cuanto mayor sea el caudal que circula por la servoválvula, menor será la presión a la salida de la misma y cuanto más grande sea el
desplazamiento mayor será la presión de salida de la servo-válvula.
Al ajustar esta presión de salida se llega a la ecuación de equilibrio en la que
dependiendo de la presión de la servo-válvula y la presión a la entrada del acumulador
se obtiene un valor distinto de X1.
Como se puede observar en la ecuación de la cilindrada dependiendo del valor que se
haya obtenido de X1, la cilindrada disminuirá en mayor o menor medida. De esta
manera se consigue que el par no varíe, una vez que la presión vuelva a cambiar, se
repetirá el mismo proceso hasta volver a ajustar la cilindrada otra vez.
Según este método, dada una presión, el regulador se encarga de ajustar el valor de la
cilindrada para conseguir que el par no cambie.
A partir de la cilindrada se puede obtener el caudal que circula por la bomba, y a su vez
el flujo másico de aceite:
𝑄 =𝜔∗𝑉
Donde:
-
V: cilindrada de la bomba
ω: velocidad de giro de la bomba
Q: caudal que circula por la bomba
Y también:
Ṁ = 𝑄 ∗ 𝐷𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
Donde:
-
Q: caudal que circula por la bomba
Daceite: la densidad del aceite
Ṁ: flujo másico de aceite
El par constante que entrega la bomba cada vez que el vehículo necesita propulsarse,
depende de la cilindrada y de la presión a la entrada del acumulador y se modela a
través de la siguiente ecuación:
31
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
𝑀=𝑉∗
𝑃𝑐
2 ∗ 𝜋 ∗ 10 ∗ 𝜂ℎ𝑚
Donde:
-
M: par entregado
Pc: presión a la entrada del acumulador
V cilindrada de la bomba
ηhm: rendimiento hidromecánico
Con el cálculo este par se puede calcular la aceleración angular que aceleración angular
se consigue y si se logra vencer el par resistente.
El par resistente de un vehículo cuando está completamente parado se debe solamente a
la fuerza de rozamiento entre los neumáticos y el suelo. Se ha supuesto que el total de
esta fuerza de rozamiento está concentrada en uno de los neumáticos ubicados en el eje
de las ruedas conducido por el eje del motor. Así pues en llano, la ecuación sería:
𝐹𝑟 = 𝜇 ∗ 𝑀 ∗ 𝑔
Donde:
-
M: masa del vehículo
g: aceleración de la gravedad
μ: coeficiente de rozamiento
El valor de M*g en este caso corresponde a la normal (representada comúnmente
con la letra N) debido a que suponemos una pendiente nula.
En la siguiente figura se explica de forma sencilla la suposición del par resistente:
Figura 15
Si se toman momentos en el punto O, que correspondería con el eje de la rueda, se
llega a la siguiente ecuación:
𝑀𝑟𝑒𝑠 = 𝐹𝑟𝑜𝑧 ∗ 𝑅
32
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Donde:
-
Mres: par resistente
Froz: fuerza de rozamiento
R: radio de la rueda
Para calcular la aceleración angular en el eje del motor o en el eje de la rueda
(ambas están relacionadas por la relación de transmisión), se debe tener en cuenta
también la inercia equivalente del vehículo. El cálculo de dicha inercia se ha
realizado de manera estimada y conforme a la siguiente ecuación:
1
1
1
1
∗ 𝐼𝑒𝑞 ∗ 𝜔𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 2 = ∗ 𝐼𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 ∗ 𝜔𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 2 + ∗ 𝐼𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎𝑠 ∗ 𝜔𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎𝑠 2 ∗ 4 + ∗ 𝐼𝑒𝑗𝑒 ∗ 𝜔𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎𝑠 2 + 0,2 ∗ 𝐼𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 ∗ 𝜔𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 2
2
2
2
2
Donde:
-
Ieq: momento de inercia equivalente en el eje del motor
Imotor: momento de inercia del motor
Iruedas: momento de inercia de una rueda
Ieje: momento de inercia del eje
ωmotor: velocidad angular del motor
ωruedas: velocidad angular de las ruedas
De la ecuación anterior se despeja el momento de inercia equivalente, que
simplemente consiste en sumar todos los momentos de inercia necesarios y
dividirlos por la relación de transmisión, ya que los rendimientos de transmisión se
han considerado 1. El último término de la ecuación es una estimación de lo que
habría que añadir al sistema por el momento de inercia de la caja de cambios y el
volante de inercia.
Por último solo queda exponer la ecuación dinámica que relaciona los pares de
fuerza con la aceleración angular:
𝑀𝑡𝑒𝑟 + 𝑀𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 −
𝑀𝑟𝑒𝑠
= 𝐼𝑒𝑞 ∗ 𝛼𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
𝑟∗𝜂
Donde:
-
Mter: par transmitido por el motor térmico
Mmotor: par entregado por el sistema de frenada regenerativa
Mres: par resistente
Ieq: momento de inercia equivalente
αmotor: aceleración angular del motor
33
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
En la ecuación de los pares y la aceleración angular se ha añadido un término el par
transmitido por el motor térmico, ya que dadas las presiones de trabajo y la máxima
cilindrada de la bomba no se puede conseguir que el sistema de frenado regenerativo
mecánico venza el par resistente por sí solo. La aceleración angular de la rueda se
podría hallar tan solo dividiendo por la relación de transmisión y con ello averiguar la
aceleración lineal instantánea del vehículo.
34
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1.2.1 CÁLCULO DEL PAR ENTREGADO POR EL SISTEMA
A UN VEHÍCULO SKODA OCTAVIA
En este apartado se mostrarán y analizarán los resultados obtenidos que se pueden ver a
continuación:
35
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Como se puede observar la aceleración lineal del vehículo es 3,27 m/s^2 y el par
entregado por el sistema de frenada regenerativa es 89,41 Nm. La proporción con el par
que entrega el motor térmico es pequeña, ya que se encuentra alrededor del 6,4%. En
cuanto a la masa del vehículo se ha considerado al menos tres pasajeros dados los datos
de peso en vacío del vehículo.
Esto hace ver que el sistema nunca puede funcionar por si solo si no que es necesario
un apoyo externo como puede ser un motor eléctrico o un motor térmico. A medida que
se aumenta la cilindrada, el par iría aumentando y con ello se conseguiría una mayor
proporción a favor del sistema de frenado regenerativo, pero dado que este sistema tiene
que ir alojado en algún espacio del coche, no se puede diseñar una bomba de
dimensiones gigantescas. Por tanto dadas unas especificaciones admisibles se demuestra
que este sistema es interesante como elemento auxiliar.
36
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1.2.2. CÁLCULO DEL PAR ENTREGADO POR EL
SISTEMA A UN AUTOBÚS
Análogamente al epígrafe anterior, se muestran los datos correspondientes a un autobús
y su correspondiente análisis:
37
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
Como se puede observar en los resultados, la aceleración del vehículo es de 1,91 m/s^2
y el par entregado del sistema de frenado regenerativo es el mismo que para un
vehículo, pero sin embargo al ser un medio de transporte mucho más pesado, la
proporción entre el par entregado por el motor térmico y el par entregado por el sistema
de frenado regenerativo se encuentra en torno al 2,55%. Esto indica lo mismo que se ha
concluido en el anterior estudio, es decir, que el sistema puede ejercer a la perfección
como sistema auxiliar pero no está dotado para una propulsión completa del vehículo.
Se ha barajado la posibilidad de aumentar la cilindrada máxima de la bomba en este
caso, ya que en un autobús el espacio donde alojar una bomba de mayor dimensión es
posible, pero el coste sería también mucho mayor. El aumento de la presión es otro
factor que se podría modificar pero la presión escogida ya es un valor elevado para este
tipo de máquinas volumétricas y sobre todo de cara a la seguridad del acumulador, ya
que este contiene un gas que sufre compresiones altas en poco tiempo.
38
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1.3. ESTUDIO ECONÓMICO Y MEDIO AMBIENTAL
39
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
En este apartado se va a evaluar cuál es la reducción de emisión de gases nocivos en un
día de trabajo y estos cálculos se extrapolarán más tarde a un mes y un año. También se
analizará la disminución de la cantidad de combustible que se consume en un día.
Se ha partido de los siguientes datos que se muestran en la tabla:
Emisión de CO2 por litro de Diesel
Precio del litro del Diesel
2,6 kg/l
1,35 €/l
40
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1.3.1 ESTIMACIÓN DE LA EMISIÓN DE CO2 Y AHORRO DE
COMBUSTIBLE EN UN VEHÍCULO SKODA OCTAVIA
Suponiendo una jornada laboral de un taxista de 8 horas al día, estableciendo que el
número de paradas por hora oscila entre 60-70 para un taxi, ya sea por carga o descarga
de ocupantes o por señalizaciones de tráfico significa que un taxi arranca cada hora 65
veces.
El consumo instantáneo que tiene lugar cuando un vehículo de unas características
técnicas como el Skoda Octavia acelera de 0 a 50 km/h con una aceleración adecuada es
de unos 15 litros a los 100 km. Debido al tráfico se puede estimar que un vehículo
alcanza cada vez que acelera hasta que vuelve a frenar un 45 km/h manteniendo esta
velocidad constante hasta que se detiene de nuevo.
El espacio que recorre un vehículo acelerando adecuadamente es de 23,89 m hasta que
alcanza la velocidad que en teoría debe mantener constante. A continuación se
muestran los datos correspondientes al ahorro de combustible anual, así como la
reducción anual de emisiones de CO2 a la atmósfera:
Como se puede ver en los resultados los resultados anuales del ahorro de combustible
son escasos ya que si se multiplica el precio del gasoil por la cantidad de litros que se
dejan de gastar en un año resulta una cantidad de 53 € y dado como están los precios de
los coches y de los combustibles en la actualidad, esta cantidad monetaria es
despreciable. En lo que se refiere a la reducción de gases, la cantidad anual es más
interesante ya que se reducen 102,33 kg/año. La reducción no es elevada pero a largo
plazo puede suponer una gran ayuda para preservar el medio ambiente.
41
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1.3.2 ESTIMACIÓN DE LA EMISIÓN DE CO2 Y AHORRO DE
COMBUSTIBLE EN UN AUTOBÚS
El funcionamiento de un autobús de línea regular de la comunidad de Madrid en 15
horas al día; estableciendo que el número de paradas por hora en 30 paradas estipuladas
más otras 55 por señalizaciones de tráfico o atascos, esto quiere decir que un autobús
para unas 85 veces por hora.
El consumo instantáneo que tiene lugar cuando un autobús acelera de 0 a 50 km/h con
una aceleración adecuada es de unos 25 litros a los 100 km. Como se ha comentado en
el apartado anterior la velocidad alcanzada normalmente es de 40 km/h
El espacio que recorre un autobús hasta llegar a una aceleración adecuada es de 41,12 m
hasta que alcanza la velocidad que el vehículo mantendrá constante y donde se
estabilizará su consumo. A continuación se muestran los datos correspondientes al
ahorro de combustible anual, así como la reducción anual de emisiones de CO2 a la
atmósfera:
En este caso, aunque el porcentaje aportado por el sistema de frenado regenerativo es de
alrededor 3%, el ahorro en litros anuales es algo superior. Como se puede observar, el
ahorro monetario que se conseguiría es de unos 162,43 € anuales, que para un vehículo
en constante funcionamiento no supone un gran porcentaje. En cuanto a la reducción
anual de la emisión de CO2 el resultado es mejor, y a largo plazo podría dar sus frutos
pero sigue siendo bajo debido a la poca aportación del sistema de frenado regenerativo.
42
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1.3.3. COMPARATIVA DE LA IMPLANTACIÓN DEL SISTEMA EN
AMBOS MODELOS
Dados los resultados de los apartados 1.3.1 y 1.3.2 se puede afirmar que el sistema de
frenado regenerativo mecánico puede aportar ventajas como un sistema de apoyo o
auxiliar para un vehículo de transporte público. A día de hoy los precios del gasoil y las
ventajas fiscales por reducción de la contaminación impiden que sistemas como este
sean competitivos debido a su bajo rendimiento como método de propulsión, pero no se
descarta que en un futuro si el precio del combustible ascendiese y la conducción
sostenible sea algo realmente a valorar en la sociedad, estos sistemas pueden ser
beneficiosos y probablemente con mejores tecnologías potencialmente necesarios.
En el segundo caso del estudio (en un autobús) parece que la idea puede prosperar con
más facilidad ya que se debe potenciar una menor contaminación, y el mantenimiento
de estos sistemas de frenada regenerativa mecánica así como el volumen que ocupan no
es demasiado.
En el caso de un turismo su implantación puede ser más complicada, ya que los nuevos
modelos de frenada regenerativa eléctrica como los coches híbridos son muy
competitivos a nivel de ahorro de combustible y reducción de la contaminación
atmosférica.
No se ha realizado ningún estudio sobre costes debido a que los resultados obtenidos en
términos de ahorro de combustible anual y reducción de emisión de gases hacen que el
diseño no pueda ser competitivo en ese sentido.
43
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
1.4 BIBLIOGRAFÍA
44
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TRANSPORTE PÚBLICO
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Braking in Motor Vehicles”, ASME paper 89-ICE-1, (1989).
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frenado regenerativo: Aplicación como carga mecánica”. Universidad Politécnica de
Cartagena. Junio 2008.
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regenerada por los trenes”.
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energía de frenado”. Abril de 2003.
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Frenado Hidroneumático del Vehículo Eléctrico UNAM”, Memoria VIII Congreso
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Apuntes de la asignatura de máquinas volumétricas cursada en ICAI- Universidad
Pontificia de Comillas en 2012-2013
Apuntes de la asignatura de diseño de máquinas
Pontificia de Comillas en 2012-2013
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cursada en ICAI- Universidad
Páginas web en las que se ha documentado información sobre sistemas de
frenado regenerativo:
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http://ocw.uc3m.es/ingenieria-mecanica/neumatica-yoleohidraulica/trasparencias/tuberiasHidraulicas.pdf
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http://www.tecmovia.com/2012/04/27/frenada-regenerativa-estado-de-la-tecnologia-delautomovil/
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Páginas web a cerca de la contaminación del combustible:
http://www.ecovehiculos.gob.mx/glosario.php?id=0
http://www.vwgroupretail.es/volkswagen/inicio/medio-ambiente/articulo/9-ecoconsejos-para-una-conduccion-mas-sostenible/contenido/6874
http://blogecoista.blogspot.com.es/2009/03/kers.html
-
Páginas web consultadas para la obtención de las propiedades de fluidos y gases:
http://www.cryoinfra.com/old/productos-y-servicios/gases/nitrogeno
http://lubricantesygrasas.com/es/25-pql-hidra-hlp-46.html
-
Páginas web en las que se obtuvieron aspectos técnicos de los distintos
elementos del sistema:
http://www.boschrexroth.com/RDSearch/rd/r_10515/rs10515_2005-10.pdf
http://www.roemheld.de/ES/roemheld.aspx?cmd=IMAGES&csid=99
http://www.parker.com/Literature/Germany/CD_Rom%20Bauteilfreigabeliste%20
Mechanik%20Hydraulik%20UK/Series_PVS.pdf
http://www.duplomatic.com/prodotti_pdf/E/14110.pdf
http://www.verion.com.ar/eng/images/productos/eaton/eaton_hidroguia_valvulas_de
_direccion_orbitales.pdf
http://www.hidraulik.com.ar/imgs/bombas_paleta/14100-3.pdf
46
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
http://www.hydrola.com.mx/bombas-de-paletasc11.html?products_carac_val1=variable&products_carac_val2=&products_carac_va
l4=&products_carac_val5=&products_carac_val6=&filter_manufacturers_id=
-
Páginas web donde se consultó algunos aspectos técnicos y dimensiones de los
vehículos utilizados:
https://www.emtmadrid.es/web_emt_babel/files/0b/0bf81cd8-171a-46eb-868351d3ca36c148.pdf
http://www.km77.com/precios/skoda/octavia/2013/octavia-16-tdi-cr-105-cv
Páginas web consultadas para las normas DIN:
http://www.essomobilborur.com/files/consejos/Consejo%20195%20Normas%20DIN%2051524%20Sistemas%20Hidraulicos.pdf
http://www.essomobilborur.com/files/consejos/Consejo%20202DIN%2051517%20Engranajes.pdf
47
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
48
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
2. ANEJOS
49
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
50
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
2.1.
NORMA DIN 51517
51
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
La norma DIN 51517 está dividida en tres partes.
La norma DIN 51517 en su parte 1 está identificada con la letra C; esta clase de
lubricantes están orientados a aplicaciones de circulación y salpique.
La parte 2 está identificada con las letras CL para aquellos lubricantes minerales que
pueden ser utilizados en aplicaciones donde se requiere protección contra la corrosión y
alta resistencia al envejecimiento (esto significa que el lubricante debe contener aditivo
antioxidante incorporado). Para cumplir con la parte 2, se debe de tener los resultados
de ensayos de corrosión en lámina de Cobre y otro ensayo de corrosión en láminas de
Acero que no están considerados en aquellos lubricantes clase C de la parte 1 de la
norma.
La parte 3 se corresponde con las letras CLP y son aquellos lubricantes que están
recomendados para sistemas que soportan altas cargas y que además contengan aditivos
antifricción. La denominación CLP requiere el test FZG que proporciona la medida de
soporte de carga del lubricante.
52
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
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2.2. NORMA DIN 51524
53
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
La Norma DIN 51524 es la que nos otorga los distintos requerimientos que debe
cumplir un determinado fluido hidráulico para ser aplicado en un equipo según las
condiciones de trabajo del sistema.
Esta norma está dividida en tres partes:
La parte 1 define los análisis y ensayos para un aceite que cumple con
hidráulico y L lubricante)
HL (H
La parte 2 define los análisis y ensayos para un aceite que cumple con HLP (H
hidráulico, L lubricante y P significa que ese fluido debe contener aditivo a base de
fósforo) (P es el símbolo químico del Fósforo, que actúa como anti-desgaste)
La parte 3 define los análisis y ensayos para un aceite que cumple con HLVP
(nuevamente H hidráulico, L lubricante, la letra V significa que esos fluidos deben tener
alto índice de viscosidad, y P con aditivo a base de fósforo).
54
APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE
TRANSPORTE PÚBLICO
2.3.
ACUMULADOR
55
Acumulador hidráulico de vejiga
Modelo estándar
Los fluidos apenas pueden comprimirse,
por lo que no almacenan energía de
presión.
En los acumuladores hidroneumáticos se
emplea la capacidad de compresión de
un gas para el almacenamiento de fluidos.
Los acumuladores de vejiga de HYDAC se
basan en este principio, con el nitrógeno
como medio compresible.
Un acumulador de vejiga se compone
de una parte líquida y una gaseosa, con
una vejiga como elemento separador
hermético al gas. La parte líquida que
rodea la vejiga está conectada al circuito
hidráulico, de forma que al elevarse la
presión, el acumulador de vejiga recibe el
fluido y el gas se comprime.
Al disminuir la presión, el gas densificado
se dilata y empuja el fluido de presión
acumulado hacia el circuito.
Los acumuladores de vejiga de HYDAC
ofrecen multitud de aplicaciones, como por
ejemplo para los siguientes casos:
zzAcumulación de energía
zzAccionamiento de emergencia
zzCompensación de fuerzas
zzCompensación de fugas de aceite
zzCompensación del volumen
zzAbsorción de choques
zzSuspensión de vehículos
zzAmortiguación de pulsaciones
Véase el extracto del folleto:
zzAmortiguadores hidráulicos
nº 3.701
1.2. Disposición
Tapón estanco
1.3. Material de la vejiga
Tapón de cierre
Válvula de gas
Tuerca de sujeción
Depósito
Anillo distanciador
Tuerca ranurada
Válvula de aceite
Vejiga
Anillo partido
Anillo obturador
Tornillo de purga
Construcción
zzAcumulador de vejiga estándar
SB330/400/500/550
Los acumuladores de vejiga estándar
de HYDAC cuentan con un depósito,
una vejiga flexible con válvula de gas y
un cuerpo de conexión hidráulica con
válvula de retención. Los depósitos de
presión sin soldaduras están fabricados
en acero altamente resistente.
zzAcumulador de vejiga
SB330N
Gracias al diseño optimizado del caudal
de la válvula de aceite estándar, el
caudal de fluido de presión máximo
posible aumenta hasta 25 l/s en este tipo
de acumuladores.
zzAcumulador de vejiga High Flow
SB330H
Los acumuladores de vejiga High Flow
SB330 de HYDAC de esta serie son
acumuladores de alto rendimiento con
un caudal de hasta 30 l/s. La conexión
hidráulica aumenta de forma que son
posibles caudales mayores.
Los siguientes elastómeros se suministran
de manera estándar:
zzNBR (caucho acrilonitrilo butadieno,
perbunan),
zzIIR (caucho butílico),
zzFKM (caucho fluorado, Viton®),
zzECO (caucho de epiclorohidrina-óxido
de etileno).
El material de la vejiga debe ser
compatible con el respectivo medio y las
temperaturas de servicio.
En la elección del elastómero debe
tenerse en cuenta que bajo condiciones
de extracción desfavorables (elevada
relación de presiones p2/p0, alta velocidad
de descarga) el gas puede enfriarse
por debajo de la temperatura admisible
para el elastómero. Esto puede provocar
quebraduras debidas al frío. El programa
de simulación de acumuladores ASP de
HYDAC permite calcular la temperatura
del gas.
1.4.Protección contra
la corrosión
Para el funcionamiento con medios
químicos agresivos, el cuerpo de
acumulador puede ser suministrado con
protección contra la corrosión, como
un recubrimiento interior de plástico o
niquelado químico. Si no fuera suficiente,
prácticamente todos los modelos pueden
fabricarse también en acero inoxidable.
SP 3.201.19/05.12
1. Descripción
1.1.Funcionamiento
19
1.5. POSICIÓN DE MONTAJE
Los acumuladores de vejiga de HYDAC
pueden montarse en vertical, horizontal
o inclinados. Si elije el montaje vertical
o inclinado, la válvula de fluido se ubica
en la parte inferior. A continuación le
ofrecemos algunos ejemplos de aplicación
en los que se prescriben determinadas
posiciones de montaje:
zzAcumulación de energía:
vertical,
zzAmortiguación de pulsaciones:
horizontal a vertical,
zzMantenimiento constante de la presión:
horizontal a vertical,
zzCompensación del volumen:
vertical.
Tenga en cuenta que en las posiciones
de montaje vertical e inclinada se reduce
el volumen útil y el caudal de fluido de
presión máximo permitido.
1.6. TIPO DE SUJECIÓN
Mediante un adaptador pueden atornillarse
acumuladores HYDAC de hasta 1 l de
volumen directamente en la tubería.
Si se producen vibraciones y los
volúmenes superan el primer litro le
recomendamos utilizar abrazaderas de
HYDAC o el juego de acumulación de
HYDAC.
Véase el extracto del folleto:
zzElementos de sujeción para
acumuladores hidráulicos
nº 3.502
zzACCUSET SB
nº 3.503
2. Valores
característicos
2.1. Aclaraciones;
indicaciones
2.1.1 Sobrepresión de servicio
véanse las tablas
(puede diferir de la presión nominal de
inspecciones efectuadas en el extranjero).
2.1.2 Volumen nominal
véanse las tablas
2.1.3 Volumen de gas efectivo
Véanse las tablas de las medidas
nominales. Desviación mínima respecto al
volumen nominal, a tener en cuenta en el
cálculo del volumen útil.
2.1.4 Volumen útil
Volumen del fluido disponible entre las
presiones de servicio p2 y p1.
2.1.8 Aplicación de gas
Los acumuladores hidráulicos solo pueden
funcionar con nitrógeno.
No utilice otros gases.
¡Peligro de explosión!
Básicamente solo puede aplicarse
nitrógeno de la clase 4.5 con un filtro de
< 3 µm.
Si desea utilizar otros gases, consúltenos.
Estaremos encantados de asesorarle.
2.1.9 Valores límite de la presión de
llenado de gas
p0 ≤ 0,9 • p1
con la siguiente relación de presión
admisible de
p2 : p0 ≤ 4 : 1
p2 = presión de servicio máx.
p0 = presión de llenado de gas
2.1.10Códigos de inspección
Australia
Brasil
Canadá
China
EE.UU.
Estados miembros de la UE
GUS
India
Japón
Nueva Zelanda
Suiza
Ucrania
2.1.5 Caudal de fluido de presión máx.
Para alcanzar el caudal de fluido de
presión máx. indicado en la tabla es
necesario el montaje vertical. Debe
tener en cuenta que en el acumulador
permanece un volumen residual del fluido
equivalente aprox. al 10 % del volumen
efectivo del gas.
2.1.6 Fluidos
Los diferentes materiales de la vejiga y las
juntas son apropiados para los siguientes
fluidos.
Material
NBR20
ECO
IIR
FKM
Fluidos
Aceites minerales (HL,
HLP, HFA, HFB, HFC),
agua
Aceite mineral
Éster fosfatado
Hidrocarburo clorado,
gasolina
2.1.7 Temperatura de servicio
admisible
Las temperaturas de servicio admisibles
dependen de los límites de aplicación de los
materiales metálicos y las vejigas.
Los cuerpos de válvula estándar,
las válvulas de gas y los cuerpos de
acumulador son apropiados para un rango
de -10 °C ... +80 °C.
Para temperaturas fuera de este rango
deben utilizarse combinaciones de
materiales especiales. La siguiente tabla
muestra la relación entre el material de la
vejiga y la temperatura de aplicación.
Material
NBR20
NBR21
NBR22
ECO
IIR
FKM
Rangos de temperatura
-15 °C ... + 80 °C
-50 °C ... + 80 °C
-30 °C ... + 80 °C
-30 °C ... +120 °C
-40 °C ... +100 °C
-10 °C ... +150 °C
=Necesaria certificación en cada uno de los
territorios
2)
=Necesaria certificación en cada una de las
provincias
3)
=Posible inspección alternativa
1)
En los depósitos de acumulación no se
deben realizar ni soldaduras ni trabajos
mecánicos de ningún tipo. Después de
conectar la tubería hidráulica, esta deberá
purgarse por completo.
Es posible realizar trabajos (reparaciones,
conexión de manómetros, etc.) en las
instalaciones con acumuladores
hidráulicos una vez que se haya
descargado la presión del fluido.
Deben respetarse las instrucciones de
servicio!
nº 3.201.CE
Indicación:
En el siguiente extracto del folleto
encontrará ejemplos de aplicación,
dimensionamiento del acumulador y
fragmentos del reglamento de inspección
de los acumuladores hidráulicos:
zzAcumulador
nº 3.000
2.1.11 Modelo estándar de conexión en
el lado del gas
Serie
Volumen Modelo de la válvula
[l]
de gas
SB330 / < 1
5/8-18UNF
< 50
7/8-14UNF
SB400
≥ 50
M50x1,5 / 7/8-14UNF
SP 3.201.19/05.12
otros niveles de presión a petición
20
F1 1)
U3 3)
S1 2)
A9
S
U
A6
U3 3)
P
T
U
A10
2.2. Designación del modelo
(al mismo tiempo como ejemplo para el pedido)
Serie
Identificación del modelo
H = High Flow
N = válvula de aceite de caudal optimizado
A = absorbedor de choques
P = amortiguador de pulsación
S = estabilizador del caudal de succión
B = vejiga hacia arriba desmontable,
combinaciones posibles como HB: High Flow con vejiga hacia arriba desmontable o
PH: amortiguador de pulsación con caudal elevado.
sin indicación = estándar
Volumen nominal [l]
Conexión hidráulica
A = conexión estándar, rosca con junta interior
F = conexión con brida
C = sujeción de válvula con tornillos en la parte inferior
E = juntas en la parte frontal (p. ej. con válvula con rosca M50x1,5)
G = rosca exterior
S = conexión especial de acuerdo con las necesidades del cliente
Lado del gas
1 = modelo estándar (véase capítulo 2.1.11)
2 = modelo de conexión posterior
3 = válvula de gas 7/8-14UNF con rosca interior M8
4 = válvula de gas 7/8-14UNF con conexión de válvula de gas 5/8-18UNF
5 = válvula de gas M50x1,5 en acumuladores de menos de 50 l
6 = válvula de gas 7/8-14UNF atornillada
7 = válvula de gas M28x1,5 atornillada
8 = válvula de gas M16x1,5 atornillada
9 = válvula de gas especial de acuerdo con las necesidades del cliente
Códigos de material 1)
modelo estándar = 112 para aceites minerales
en función del medio de servicio,
otros a petición
Conexión hidráulica
1 = acero C
2 = acero altamente resistente
3 = acero inoxidable 3)
6 = acero de baja temperatura
Cuerpo de acumulador
0 = plástico (recubrimiento interior)
1 = acero C
2 = niquelado químico (recubrimiento interior)
4 = acero inoxidable 3)
6 = acero de baja temperatura
Vejiga acumuladora 2)
2 = NBR20
3 = ECO
4 = IIR (butilo)
5 = NBR21 (baja temperatura)
6 = FKM
7 = otros
9 =NBR22
Código de inspección
U = DEP 97/23/CE
Presión de servicio admisible [bar]
Conexión
Rosca, identificación conexión hidráulica: A, C, E, G
A = rosca según ISO228 (BSP)
B = rosca según DIN13 o ISO965/1 (métrico)
C = rosca según ANSI B1.1 (UN..-2B, junta según SAE J 514)
D = rosca según ANSI B1.20.1 (NPT)
S = rosca especial de acuerdo con las necesidades del cliente
Brida, identificación, conexión hidráulica: F
A = brida DIN
B = brida ANSI B16.5
C = brida SAE 3000 psi
D = brida SAE 6000 psi
S = brida especial de acuerdo con las necesidades del cliente
Presión de llenado previo p0 [bar] a 20 °C. Si lo desea, indíquelo en el pedido!
1)
2)
3)
No todas las combinaciones son posibles
En el pedido de una vejiga adicional, solicite un depósito de perforación mínima
En función del modelo y el nivel de presión
SP 3.201.19/05.12
SB330 H – 32 A 1 / 112 U – 330 A 050
21
[l]
[bar]
0,5
400
330
1
550
330
2,5
550
estándar
330
4
400
5
550
6
330
2)
330
10,
estándar
N
330
10 H
400
estándar
500
estándar
N
330
13
H
estándar 400
estándar
N
330
20 H
400
estándar
500
estándar
24 N
330
H
estándar
N
330
32 H
400
estándar
500
50
N
H
SP 3.201.19/05.12
estándar
22
60
80
100
130
160
200
1)
2)
330
400
500
estándar 330
A
B
máx.
[l]
C
Dimensiones
ØD J
Ø E SW
máx. Rosca
Q 1)
Peso
Volumen del gas ef.
Máx. sobrepresión de
servicio (DEP 97/23/CE)
Válvula
Volumen nominal
3. DIMENSIONES Y PIEZAS DE RECAMBIO
3.1. DIMENSIONES
[kg]
[mm] [mm] [mm] [mm]
0,5
2,8 270
33,5 95,5
57
4,5 302
118
1,0
8,5 334 68
121
2,4 10
531 63
118
2,5
539 68
121
13,5
58
3,7
419 63
173
4,9
5,7
9,3
23
15
25
867
531
728
9,3
31,5
568 103
9
9,3
8,8
34,5
37,5
45
603 138
572 103
585 77
43
686 103
46
49
695 138
666 103
50,5
896 103
12
18,4
68
121
63
173
17,5
18,4
17
53,5
63,5
75,5
931 138
896 103
901 77
23,6
69,0 1062 103
24
72
1097 138
33,9
87
1411 103
32,5 90 1446 138
33,9 104,5 1411 103
33,5 127 1446 77
58
68
58
120,5
142
48,3 169
60
182
85
221
105
255
133
305
170
396
201
485
1966 138
1931 103
1951 77
1156
1406
1656
138
1976
2006
2306
Q = caudal máx. de fluido de presión
versión reducida para espacios de montaje pequeños
233
241
229
233
58
229
68
233
241
58
229
58
68
117,5 1931 103
47,5
229
229
233
241
229
68
233
241
ISO
228
G 3/4
[mm] [mm] [l/s]
50
G1
G 1 1/4
G1
G 1 1/4
67
G1
G 1 1/4
G 1 1/4
32
4
45
50
45
6
10
6
50
10
45
6
50
10
100
70
G 2 1/2 125
90
15
25
30
G2
100
70
15
G2
100
70
G 2 1/2 125
G2
100
90
70
G2
100
70
G 2 1/2 125
100
G2
110
90
70
75
G2
100
70
G 2 1/2 125
90
G2
100
70
G 2 1/2 125
100
G2
110
90
70
75
G2
100
70
G 2 1/2 125
90
70
75
G2
G2
100
15
25
30
15
15
25
30
15
15
25
30
15
25
30
15
15
25
30
15
356
68
G 2 1/2 125
406
90
30
Pieza de
empalme
para
rosca
especial
3.2.Piezas de recambio
SB330/400/440/500/550
SB330H / SB330N
Designación
Pos.
Vejiga completa
compuesta por:
Módulo de vejiga
2
Inserción para válvula de gas*
3
Tuerca de sujeción
4
Tapa estanca
5
Tapón de protección de la
6
válvula
Junta tórica
7
Juego de juntas
compuesto por:
Junta tórica
7
Cámara anular hermetizante
15
para obturación
Junta tórica
16
Tornillo de purga
19
Anillo de apoyo
23
Junta tórica
27
Set de reparación 1)
compuesto por:
Vejiga completa (véase arriba)
Juego de juntas (véase arriba)
Anillo de apoyo
14
Válvula de aceite completa
compuesta por:
Módulo de válvula (pos.9-13)
9
Anillo de apoyo
14
Cámara anular hermetizante
15
para obturación
Junta tórica
16
Anillo distanciador
17
Tuerca ranurada
18
Tornillo de purga
19
Anillo de apoyo
23
3.3. SETS DE REPARACIÓN
NBR, acero C
volumen nominal: 0,5 ... 200 litros
válvula de gas estándar
Volumen nominal [l]Nº art.
0,5
02128169
1
02106261
2,5
02106200
4
02106204
5
02106208
6
02112100
10*
03117512
10
02106212
13
02106216
20
02106220
24
02106224
32
02106228
50
02106252
60
03117513
80
03117514
100
03117515
130
03117516
160
03117517
200
03117558
* versión reducida para espacios de montaje pequeños
otras a petición
* suministrable por separado
1)
En el pedido indique un depósito de perforación
mínima.
Pos. 1 no se suministra como pieza de recambio
Pos.19 de NBR/acero C: anillo obturador (pos.20)
integrado
Pos.25 como accesorio, capítulo 4.
Detalle "X"
SB330/400 – 0,5 ... 6 l
SP 3.201.19/05.12
SB330/400/500 – 10 ... 200 l y
SB330H – 10 ... 200 l
SB550 – 1 ... 5 l
23
4.
ACCESORIOS PARA ACUMULADORES
DE VEJIGA
4.1. ADAPTADORES (lado del gas)
Para controlar la presión de llenado previo de los acumuladores
hidráulicos, HYDAC ofrece una selección de adaptadores.
Para tamaños de conexión estándar (7/8-14UNF) deben indicarse
por separado en el pedido los siguientes adaptadores.
Contacte con nosotros para solicitar otras conexiones para
acumulador por el lado del gas (p.ej. 5/8-18UNF).
4.1.2 Modelo del manómetro con válvula de cierre
Conexión por el lado del gas del acumulador de vejiga para el
control permanente de la presión de llenado previo con opción de
cierre.
Manómetro Ø100
4.1.1 Modelo del manómetro:
Conexión por el lado del gas del acumulador de vejiga para el
control permanente de la presión de llenado previo.
aprox.
Válvula de cierre
del manómetro
Manómetro Ø63
Rango de
indicación
del manómetro
–
0 - 10 bar
0 - 60 bar
0 - 100 bar
0 - 160 bar
0 - 250 bar
0 - 400 bar
* pmáx= 400 bar
Manómetro
N° artículo
–
00614420
00606886
00606887
00606888
00606889
00606890
Cuerpo
adaptador*
N° artículo
00239275
Adaptador
completo
N° artículo
00366621
02108416
03093386
02104778
03032348
02100217
02102117
Rango de
indicación
del manómetro
–
0 - 25 bar
0 - 60 bar
0 - 100 bar
0 - 160 bar
0 - 250 bar
0 - 400 bar
SP 3.201.19/05.12
* pmáx= 400 bar
24
Manómetro
N° artículo
–
00631380
00606771
00606772
00606773
00606774
00606775
Cuerpo
adaptador*
N° artículo
00363713
Adaptador
completo
N° artículo
02103381
02105216
02110059
03139314
03202970
03194154
02103226
4.1.3 Vigilancia remota de la presión de llenado previo
Para la vigilancia remota de la presión de llenado previo en
acumuladores hidráulicos se encuentran disponibles adaptadores
para el lado del gas con manómetros y agujeros de sujeción.
Para conectar directamente estos adaptadores con el acumulador
hidráulico a través de la tubería correspondiente, se encuentran
disponibles piezas de empalme para la parte superior del
acumulador (v. imagen 1), o el lateral (v. imagen 2).
4.2.PIEZAS DE EMPALME PARA
ACUMULADOR DE VEJIGA ESTÁNDAR
(lado del fluido)
Para fijar el acumulador de vejiga a las uniones atornilladas de la
tubería. Suministrables por separado.
Junta
tórica
2 taladros
Manómetro Ø63
Rango de
Manómetro
indicacióndel manómetro N° artículo
–
–
0 - 10 bar
00614420
0 - 60 bar
00606886
0 - 100 bar
00606887
0 - 160 bar
00606888
0 - 250 bar
00606889
0 - 400 bar
00606890
Cuerpo
adaptador*
N° artículo
02116746
D1
D2
Conexión
para acu.*
(ISO228BSP)
[mm]
G 3/8
G 3/4
G 1/2
G 3/8
G 1/2
G 1 1/4
G 3/4
G1
G 1/2
G 3/4
G2
G 1 1/4
G 1 1/2
Adaptador
completo
N° artículo
03037666
03095818
03095819
03095820
03095821
03095822
03095823
* pmáx= 400 bar
D3
L1
[mm] [mm]
55
28
60
28
34 50
44
50 67
34
44 60
60
68 80
L2
L3
[mm] [mm]
12
28
14
12
14
37
16
18
14
16
44
20
22
SW
Junta
tórica
aprox.
N°
artículo
NBR/
[mm] [mm] acero C
32
02104346
17x3
36
02104348
02116345
46
02105232
30x3
02104384
65
02110124
02104853
65
02104849
48x3
02107113
70
02105905
* otros a petición
5.OBSERVACIONES
Junta tórica
Las indicaciones del presente folleto hacen referencia a las
condiciones de servicio descritas y a las especificaciones de
aplicación. En caso de presentarse diferentes especificaciones
de aplicación y/o condiciones de servicio, contacte con el
departamento especializado que corresponda. Sujeto a
modificaciones técnicas.
11x2
ISO228- G 1/4
ISO228- G 3/8
ISO228- G 1/2
* pmáx= 400 bar
D2
T
Cuerpo
adaptador*
[mm]
N° artículo
00238709
25
00241740
14
00355021
28
03280414
02110594
34
16
00237884
Adaptador
completo
N° artículo
02109481
02102042
02109483
00366607
02110636
00366608
1
2
1
2
1
2
HYDAC Technology GmbH
Industriegebiet
66280 Sulzbach/Saar, Alemania
Tel.: +49 (0) 68 97 / 509 - 01
Fax: +49 (0) 68 97 / 509 - 464
Internet: www.hydac.com
Correo electrónico: [email protected]
SP 3.201.19/05.12
D1
unión atornillada
Imagen 2
Imagen
Imagen 1
25
26
SP 3.201.19/05.12
2.4
REGULADOR DE POTENCIA