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 APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE TRANSPORTE PÚBLICO [CHAU] Chauca Vásquez Miguel Alejandro, Enríquez Garófalo Edison Eduardo. “Elaboración de un módulo didáctico para la enseñanza de un motor eléctrico mg1 y los frenos regenerativos, del vehículo Toyota Prius”. Universidad técnica del norte. [CHIC89] Chicurel, Ricardo, Nieto, J. “Hydro-Pneumatic System for Regenerative Braking in Motor Vehicles”, ASME paper 89-ICE-1, (1989). [MUÑO08] Muñoz Arranz, Manuel. “Implementación y estudio de un sistema de frenado regenerativo: Aplicación como carga mecánica”. Universidad Politécnica de Cartagena. 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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 - cursada en ICAI- Universidad Páginas web en las que se ha documentado información sobre sistemas de frenado regenerativo: http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/bitstream/handle/123456789/1760/OSADA_JOSE_ VISION_ROBOTICA.pdf?sequence=1 45 APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO OLEOHIDRÁULICO PARA VEHÍCULOS DE TRANSPORTE PÚBLICO http://ocw.uc3m.es/ingenieria-mecanica/neumatica-yoleohidraulica/trasparencias/tuberiasHidraulicas.pdf http://www.ehu.es/manufacturing/docencia/360_ca.pdf http://industrial-automatica.blogspot.com/2010/09/valvulas-distribuidoras.html http://www.mazda.es/noticias/tecnologia/sistema-de-frenada-regenerativa/ http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=04311455 http://www.valentintechnologies.com/ file:///F:/15-SEP-2013/Autobús%20h%C3%ADbrido%20hidráulico.webarchive http://www.tecmovia.com/2012/04/27/frenada-regenerativa-estado-de-la-tecnologia-delautomovil/ - 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 TRANSPORTE PÚBLICO 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: speichertechnik@hydac.com 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