GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Especialidad Mecánica · iii (c) Comunicarla y ponerla a...
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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA
ICAI
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
Especialidad Mecánica
Vehículo con motor neumático y
frenada regenerativa
Autor: Óscar García Amorós
Director: Luis Manuel Mochón Castro
Madrid
Junio 2015
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AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN
ACCESO ABIERTO (RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN
1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.
El autor D. ___ÓSCAR GARCÍA AMORÓS___, como __ALUMNO__ de la UNIVERSIDAD
PONTIFICIA COMILLAS (COMILLAS), DECLARA
Que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión,
en relación con la obra: __PROYECTO FIN DE GRADO: VEHÍCULO CON MOTOR NEUMÁTICO Y
FRENADA REGENERATIVA1, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en
el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra.
En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el
consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa cesión
a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna
autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la
facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.
2º. Objeto y fines de la cesión.
Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional
de la Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones
que más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el
autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo
plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción,
de distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición
electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de
transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.
3º. Condiciones de la cesión.
Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión
de derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:
(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a
internet; realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos
electrónicos, así como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar
“marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.
(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos
electrónica, incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos
de garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato.
1 Especificar si es una tesis doctoral, proyecto fin de carrera, proyecto fin de Máster o cualquier
otro trabajo que deba ser objeto de evaluación académica
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(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto
institucional, accesible de modo libre y gratuito a través de internet.2
(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 3
4º. Derechos del autor.
El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la
Universidad por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:
a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de
los derechos del documento.
b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a
través de cualquier medio.
c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá
ponerse en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).
d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios
para la obtención del ISBN.
d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras
personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de
propiedad intelectual sobre ella.
5º. Deberes del autor.
El autor se compromete a:
a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe
ningún derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.
b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la
intimidad y a la imagen de terceros.
c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños,
que pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos
e intereses a causa de la cesión.
d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por
infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.
2 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado
en los siguientes términos:
(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible
de modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional
3 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.
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6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.
La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y
respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines
de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume
los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:
a) Deberes del repositorio Institucional:
- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no
garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso
posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la
copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga
beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.
- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo
la responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre
del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del
depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la Universidad
por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso de las obras.
- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un
futuro.
b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él
registradas:
- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o
en caso de reclamaciones de terceros.
Madrid, a 16 de junio de 2015
ACEPTA
Fdo……………………………………………………………
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Proyecto realizado por el alumno/a:
ÓSCAR GARCÍA AMORÓS
Fdo.: …………………… Fecha: 16/Junio/2015
Autorizada la entrega del proyecto cuya información no es de
carácter confidencial
EL DIRECTOR DEL PROYECTO
LUIS MANUEL MOCHÓN CASTRO
Fdo.: …………………… Fecha: 16/Junio/2015
Vº Bº del Coordinador de Proyectos
JESÚS JIMÉNEZ OCTAVIO
Fdo.: …………………… Fecha: 16/Junio/2015
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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA
ICAI
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
Especialidad Mecánica
Vehículo con motor neumático y
frenada regenerativa
Autor: Óscar García Amorós
Director: Luis Manuel Mochón Castro
Madrid
Junio 2015
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VEHÍCULO CON MOTOR NEUMÁTICO Y FRENADA
REGENERATIVA
Autor: García Amorós, Óscar.
Director: Mochón Castro, Luis Manuel.
Entidad colaboradora: ICAI–Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
Introducción:
Con este proyecto se persigue el diseño de un motor neumático de cilindrada
variable para propulsión de vehículo con regulación cuantitativa de la carga. A su vez el
motor incorporará un sistema de frenada regenerativa. De ser necesario se abordará
también el diseño del regulador encargado de controlar la cilindrada del motor neumático.
El sistema de frenada regenerativa será hidráulico, empleando acumuladores
oleoneumáticos con nitrógeno durante el proceso de frenado. La energía cinética del
vehículo es aprovechada para hacer girar una bomba, la cual almacena la energía en los
acumuladores.
Posteriormente, en la arrancada, el gas es descomprimido permitiendo el giro de un
motor que propulsa el vehículo, aportando un impulso adicional al que proporciona el
motor. Este sistema podrá ser empleado con independencia del motor neumático,
teniendo esto en cuenta, se analizarán ambos por separado.
Se pretende el diseño así como el estudio de la posible implementación del mismo
en diversos vehículos principalmente de transporte público tales como autobuses de línea
regular, trenes y metro. Se selecciona este tipo de vehículos debido a la naturaleza de sus
trayectos con continuas paradas y arrancadas, lo que permite un mayor aprovechamiento
del sistema de frenada regenerativa.
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Con vistas a una expansión de su aplicabilidad, también se analizará la posible
utilización de este sistema en coches donde el principal problema que se encuentra es el
escaso espacio disponible para la instalación de cualquier tipo de dispositivo.
Se plantea por tanto, el diseño y análisis de un mecanismo de propulsión que sirva
de alternativa a los motores de combustión tan extendidos en la actualidad. Sistema que
permita liberar de la enorme dependencia actual del petróleo, fuente energética con fecha
de caducidad, compitiendo en el mercado con alternativas como los coches eléctricos.
Objeto del proyecto:
Estamos rodeados de coches. Se mire donde se mire siempre hay un coche cerca, y
si no es un coche es un camión, un autobús o un tren. En un mundo tan globalizado se
hace necesario desplazarse de un lugar a otro. Esta necesidad ha dado lugar a que
prácticamente cada particular disponga de un turismo, llegando a saturarse las carreteras.
En vista de este problema y como alternativa, los gobiernos establecen servicios de
transporte público de tal forma que al mismo tiempo que se ofrece un servicio útil a los
ciudadanos, se contribuye a reducir los atascos y el consumo de energía primaria.
Durante el último siglo se ha extendido el uso de combustibles fósiles como sistema
de obtención de energía para la propulsión de los vehículos [1]. Los motores de
combustión interna han sido profundamente estudiados y se han desarrollado todo tipo de
pruebas sobre ellos conduciéndolos hasta rendimientos cada vez mejores. Debido a todo
el estudio y medios empleados, estos motores resultan competitivos económicamente, lo
que se traduce en un dominio absoluto del mercado de la automoción y el transporte.
Esta supremacía supone un ejemplo del enorme poder de las petroleras sobre el
mercado y sobre demás industrias e instituciones dedicadas al desarrollo de estos
vehículos. Como consecuencia de esto, mucha ha sido la presión que se ha ejercido para
evitar el desarrollo de nuevos sistemas de propulsión más sostenibles.
Durante los últimos años la concienciación en referencia al respeto y cuidado del
medio ambiente ha sido inculcada con mayor asiduidad. Esto ha obligado a la creación
de diversos planes de reducción de contaminantes como el Protocolo de Kyoto [2] en el
que se marcan distintos objetivos para evitar el cambio climático y respetar nuestro
planeta.
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La quema de combustibles fósiles produce una gran energía, sin embargo, por
mucho que se optimicen los motores de combustión interna, reduciendo los
contaminantes, nunca se podrán eliminar completamente. La combustión por sí misma
conlleva ciertas reacciones químicas que terminan provocando el surgimiento de nuevos
contaminantes. La solución, por tanto, no es seguir mejorando unos sistemas
inherentemente contaminantes sino buscar nuevas alternativas.
A su vez, el petróleo es un bien escaso y su continuo uso pone en peligro las reservas
mundiales a no muy largo plazo. Deben buscarse fuentes de energía alternativas que
limiten su dependencia del petróleo. Es esta idea la que motiva la realización del proyecto.
Contribuir con un granito de arena en el desarrollo y estudio de nuevas alternativas que
permitan acceder en un futuro a un transporte sostenible y limpio, del mismo modo que a
un aire puro.
Si bien sustituir los motores de combustión interna a corto plazo es quizá harto
complicado, el introducir alternativas como la frenada hidráulica regenerativa que limiten
las contaminaciones y mejoren los rendimientos no es tan descabellado.
Con este objetivo en mente se inicia el proyecto. En primer lugar, se analiza la
viabilidad del motor neumático empleando un sencillo cálculo de exergía, el cual,
permitirá saber la cantidad total de energía que se puede extraer del sistema. Comparando
esta energía con la que aportan los combustibles fósiles se podría tener una primera idea
de la utilidad y autonomía del motor.
De ser satisfactorios los cálculos, se procederá a seleccionar el sistema hidráulico
más conveniente, así como el diseño del regulador correspondiente, el cual, variará la
cilindrada del motor para conseguir un par de marcha constante.
De forma paralela, se procederá al diseño y análisis del sistema de frenada
regenerativa. Se diseñará considerando que el sistema es capaz de arrancar el vehículo
desde el reposo hasta su estado de máxima velocidad. De la misma forma, el sistema
también será capaz de frenar el vehículo desde su máxima velocidad hasta la completa
detención del mismo. Esta aproximación es quizá demasiado optimista, pues de logar un
sistema semejante, no sería necesaria ninguna otra forma de propulsión. Con una carga
inicial de los acumuladores, el sistema bastaría para el funcionamiento adecuado del
vehículo.
Este acercamiento presenta la ventaja que ejemplifica el ideal, a partir del cual se
pivotará hasta alcanzar un diseño realista y viable a la vez que lo más próximo posible a
este ideal.
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Se prestará especial atención a los trenes. Dado su tamaño que le proporciona una
enorme energía cinética se considera el vehículo ideal para la implantación de este
sistema. Al mismo tiempo, se tiene conocimiento de la utilización de sistemas eléctricos
de recuperación de energía en el Metro de Madrid. Su nivel de recuperación energética
llega hasta aproximadamente el 30% de la total empleada. Un nivel de recuperación
similar o mejor, justificaría la implantación de un sistema hidráulico en sustitución del
actual eléctrico.
En primer lugar, se determina el volumen necesario de los acumuladores de tal
forma que sean capaces de almacenar toda la energía que se precisa. Este cálculo seguirá
el mismo esquema tanto para trenes como para coches y autobuses. Una vez conocido
este volumen, deben analizarse los distintos tipos de acumuladores que se presentan como
alternativas (de pistón, de vejiga, de resorte, de gravedad…) seleccionando el más
adecuado para cada tipo de vehículo.
En segundo lugar, se realizan los cálculos asociados a la bomba y motor que se
encargarán de almacenar el nitrógeno en los acumuladores y propulsar el vehículo cuando
se requiera respectivamente. Se analizará la posibilidad de instalar un sistema reversible
bomba/motor que ahorraría espacio al emplear una sola máquina. Para los cálculos
asociados al tren, se utilizarán fundamentalmente aproximaciones dinámicas e
hidráulicas, mientras que para el cálculo asociado al coche se emplearán las curvas de
par/potencia. Con los resultados obtenidos se seleccionarán las máquinas que más se
aproximen a lo ideal.
Como alternativa posible se estudiarán las transmisiones hidrostáticas, analizando
la utilidad que podría tener en un sistema como el perseguido. En tercer lugar se
estudiarán los reguladores. Para el correcto funcionamiento del sistema, tanto en su
propulsión como durante el frenado, debe mantenerse un par constante. El regulador será
el encargado de modificar la cilindrada de las máquinas manteniendo así el par constante.
Se demostrará con cálculos el adecuado funcionamiento del mismo.
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Conclusiones:
En lo que se refiere al motor neumático, el cálculo de exergía, poco alentador, lleva
a abandonar la idea. Un depósito completo de 340 litros de aire, aporta una energía de
48012,6 kJ, el equivalente a 1,65 litros de gasolina o 1,33 litros de gasoil, ofreciendo, por
tanto, una autonomía de unos 30,5 kilómetros (suponiendo un coche con un consumo de
5,4 litros de combustible cada 100 km). Se trata de una autonomía razonable para usos
industriales, por ejemplo un vehículo de almacén o de transporte de maletas en
aeropuertos. Sin embargo se presenta a toda luz insuficiente para uso urbano.
En cuanto al sistema de frenada regenerativa, los requisitos del sistema son los
siguientes:
TREN
MOTOR Motor variable de pistones axiales A6VM (Bosch Rexroth)
BOMBA Bomba variable de pistones axiales A20VO (Bosch Rexrtoh)
ACUMULADOR 5 x Acumulador de vejiga 200 litros a presión de trabajo 350 bar (Hydac)
REGULADOR Regulador de potencia constante y servo válvula de centro crítico
AUTOBÚS
MOTOR Motor variable de pistones axiales A6VM series 71 (Bosch Rexroth)
BOMBA Bomba variable de pistones axiales A20VO (Bosch Rexrtoh)
ACUMULADOR 4 x Acumulador de vejiga 200 litros a presión de trabajo 350 bar (Hydac)
REGULADOR Regulador de potencia constante y servo válvula de centro crítico
COCHE
MOTOR Motor variable de pistones axiales A6VM series 65 (Bosch Rexroth)
BOMBA Bomba variable de pistones axiales A4VSO (Bosch Rexrtoh)
ACUMULADOR Acumulador de vejiga 100 litros a presión de trabajo 350 bar (Hydac)
REGULADOR Regulador de potencia constante y servo válvula de centro crítico
Una vez conocidos todos los elementos del sistema quedará para futuros proyectos
la realización de ensayos para determinar el comportamiento real y el nivel de
recuperación de energía. También se propone para futuras investigaciones el análisis de
la reducción de contaminantes que supondría la incorporación inmediata de este sistema.
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VEHICLE WITH COMPRESSED AIR ENGINE AND
REGENERATIVE BRAKING
Author: García Amorós, Óscar.
Director: Mochón Castro, Luis Manuel.
Collaborative entity: ICAI– Universidad Pontificia Comillas.
ABSTRACT
Introduction:
This project aims to design of a pneumatic engine of variable cylinder capacity for
the propulsion of vehicles with a quantitative regulation of the load. At the same time, the
engine will incorporate a regenerative braking system. If necessary, the design of the
regulator in charge of controlling the displacement of the air motor will also be addressed.
This hydraulic regenerative braking system will use oleo pneumatic accumulators
with nitrogen during the braking process. A pump, which stores the energy in the
accumulators, makes use of the kinetic energy of the vehicle to rotate. Subsequently, at
the start, the gas is decompressed allowing the rotation of a motor that propels the vehicle,
providing an additional boost to the engine supplier. Taking into account that this system
can be used independently of the pneumatic engine, both are analysed separately.
The project intends to design and study the possible implementation of this system
in various public transportations, mainly regular buses, trains and the subway, due to their
stop-and-go movement, allowing a greater use of such regenerative braking system.
In view of an expansion of its applicability, the possible use of this system in cars,
where the main problem encountered is the limited space available for the installation of
any device, will also be discussed.
Consequently, the design and analysis of a mechanism of propulsion that serves as
an alternative to combustion engines so widespread nowadays is hereby presented. Such
system, in addition, should allow the release of the current heavy reliance on oil, energy
source with an expiration date, competing in the market with alternatives such as electric
cars.
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Aim of Project:
We are surrounded by cars. Wherever one looks there is always a car nearby, if not
a car a truck, a bus or a train. In a world this globalized, it is necessary to travel from one
place to another. This need has led to everyone having its own car, collapsing the streets.
As an alternative to this problem, governments have established public transports in a
way that, at the same time, offers a useful service to citizens, contributing to the reduction
of traffic jams and the consumption of primary energy.
During the last century, the use of fossil fuels as a mean of energy source for vehicle
propulsion has increased [1]. Internal combustion engines have been studied in depth and
all kind of tests have been developed leading to increases in performance. Due to all the
research and means used, these engines are economically competitive, which results in
an absolute domination of the automotive and transport fields.
This supremacy is an example of the enormous power possessed by the oil
companies all over the market and other industries involved in these vehicles
development. Consequently, there has been a high pressure exerted to avoid the
development of new and more sustainable propulsion systems.
During last years, environmental awareness has increased. This has forced the
creation of several contaminants reduction plans, e.g. Kyoto Protocol [2], in which
different objectives are set to avoid climate change and respect our planet.
Fossil fuels combustion produces a lot of energy but, as much as internal
combustion engines are optimized, contaminants will not ever be completely avoided.
Combustion itself is a chemical reaction that ends up generating new contaminants. The
solution, hence, is not to keep improving inherently contaminant systems but looking for
new alternatives.
In turn, oil is a scarce resource and its continuous use endangers the world’s
reserves in the short term. New energy sources must be found as alternatives to limit oil
dependency. Contribute with a grain of salt to the development and study of new
alternatives that allow to access, in the future, to a sustainable and clean transport, and
clean air.
Even though substituting internal combustion engines may be extremely
complicated in the short term, the introduction of alternatives as regenerative hydraulic
break that limits contamination and improve efficiency is not that difficult.
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With this objective in mind, the project is begun. Firstly, the viability of the
pneumatic motor is analyzed using a simple exergy calculation that allows knowing the
total amount of energy that can be extracted from the system. Comparing this energy with
the one generated by fossil fuels, a good first approximation of the utility and autonomy
of this motor can be obtained.
Being these calculations satisfactory, the most convenient hydraulic system will be
selected. This system will vary the cylinder capacity to achieve a constant torque.
Concurrently, the regenerative braking system is designed and analyzed. It will be
designed considering that the system is capable of accelerating the vehicle from the
resting state to its maximum speed. Similarly, the system will be also capable of slowing
down the vehicle from maximum speed to a complete stop. This approach is maybe too
optimistic as, in case of managing to create a similar system, the use of another propulsion
method would not be necessary. With an initial energy charge in the accumulators, the
system would be enough for an adequate system functioning.
This approach presents the advantage that it exemplifies the ideal form, for which
variations will be included in order to achieve a realistic and viable final design that
should be the closest possible to this ideal.
Special attention will be given to trains. Due to their size, that provides a huge
amount of kinetic energy, it is considered the ideal vehicle for the implantation of this
system. At the same time, there are records of the utilization of electric energy recovery
systems in the Metro de Madrid. Its energy recovery level reaches approximately 30% of
the total used. A similar or greater recovery level would justify the implantation of a
hydraulic system in substitution of the one currently in use.
Firstly, the necessary volume of the accumulators is determined in a way that they
are capable of storing all the required energy. This calculation will follow the same
scheme both for trains as for cars and buses. Once this volume is known, different kinds
of accumulators have to be analyzed, presented as alternatives (e.g. piston, bladder, string,
gravity…) selecting the most adequate for each kind of vehicle.
Secondly, calculations associated to the pump and motor are carried out. They will
be in charge of storing the nitrogen in the accumulators and propel the vehicle
respectively whenever it is needed. The possibility of installing a reversible pump/motor
that would save space employing only one machine will be studied. For the calculations
associated with the train, dynamic and hydraulic approximations will fundamentally be
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used. As for the calculations associated with the car, torque/power graphic will be used.
With the obtained results, those machines that approach better the ideal will be selected.
As a possible alternative, hydrostatic transmissions will be studied, analyzing the
utility that a system like the one wanted could have. Thirdly, regulators will be studied.
For the correct functioning of the system, both for its propulsion as during the breaking,
a constant torque has to be maintained. The regulator will be in charge of modifying the
machines’ cylinder capacity keeping this way the constant torque. The adequate
functioning of the regulator will be demonstrated with calculations.
Conclusions:
Regarding the pneumatic motor, the almost discouraging calculation of exergy
makes its implementation inadvisable. A full tank of 340 litres of air provides an energy
of 48012. 6 kJ, the equivalent to 1.65 litres of gasoline or 1.33 litres of diesel oil, therefore
offering a range of autonomy of 30.5 kilometres (assuming a car with a consumption of
5.4 litres of fuel per 100 km). However, in spite of this being a reasonable autonomy for
industrial applications ―for example, a warehouse vehicle or transportation of luggage
at airports―, it is nevertheless insufficient for urban use.
In terms of the system of regenerative braking, after several calculations the system
requirements are as follows:
TRAIN
MOTOR Variable axial piston motor A6VM (Bosch Rexroth)
PUMP Variable axial piston pump A20VO (Bosch Rexrtoh)
ACCUMULATOR 5 x Bladder accumulator 200 liters with 350 bar working pressure (Hydac)
REGULATOR Constant power regulator with critical centre servo-valve
BUS
MOTOR Variable axial piston motor A6VM series 71 (Bosch Rexroth)
PUMP Variable axial piston pump A20VO (Bosch Rexrtoh)
ACCUMULATOR 4 x Bladder accumulator 200 liters with 350 bar working pressure (Hydac)
REGULATOR Constant power regulator with critical centre servo-valve
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CAR
MOTOR Variable axial piston motor A6VM series 65 (Bosch Rexroth)
PUMP Variable axial piston pump A4VSO (Bosch Rexrtoh)
ACCUMULATOR Bladder accumulator 100 liters with 350 bar working pressure (Hydac)
REGULATOR Constant power regulator with critical centre servo-valve
Once that all the elements of the system are determined, it will rest on future
projects the responsibility of further tests to determine the real behaviour and the level of
energy recovery. It would also be advisable for future research to conduct analysis on the
reduction of pollutants that would follow the immediate incorporation of this system.
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Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Índice
1. ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................................. 3
2. ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................................... 5
3. MEMORIA ................................................................................................................................ 7
BLOQUE I: MOTOR NEUMÁTICO ........................................................................................................... 9
Estado del arte .......................................................................................................................... 9
Cálculos motor neumático [11] .............................................................................................. 15
Conclusiones derivadas de los cálculos ................................................................................... 18
BLOQUE II: FRENADA REGENERATIVA .................................................................................................. 19
Estado del arte ........................................................................................................................ 19
Frenada regenerativa en trenes ........................................................................................................ 22 Frenada regenerativa en coches y autobuses ................................................................................... 24
Introducción al sistema de frenada regenerativa ................................................................... 29
Acumuladores [27] ............................................................................................................................ 31 Tipos de acumuladores: ............................................................................................................... 31 Aplicaciones de los acumuladores ................................................................................................ 32
Regulador .......................................................................................................................................... 35 Regulador de potencia constante para un sistema con velocidad constante .............................. 35
Regulador de par constante para un sistema con velocidad no constante .................................. 36 Funcionamiento del regulador ..................................................................................................... 36
Servo válvulas .......................................................................................................................... 38 Transmisión hidrostática ................................................................................................................... 41
Cálculos sistema de frenada regenerativa ............................................................................. 47
Cálculo acumulador [27] ................................................................................................................... 49 Cálculo acumulador tren .............................................................................................................. 50 Cálculo acumulador autobús ........................................................................................................ 53 Cálculo acumulador coche ........................................................................................................... 55
Cálculos bomba/motor ..................................................................................................................... 57 Cálculo bomba/motor tren........................................................................................................... 57 Cálculo bomba/motor autobús .................................................................................................... 60 Cálculo bomba/motor coche ........................................................................................................ 62
Cálculo regulador .............................................................................................................................. 65
Conclusiones y futuras aproximaciones .................................................................................. 73
4. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................ 75
5. ANEXOS .................................................................................................................................. 81
NORMATIVA APLICADA ...................................................................................................................... 83
CATÁLOGOS .................................................................................................................................... 87
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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ÍNDICE DE FIGURAS
ILUSTRACIÓN 1: JEROGLÍFICOS TUMBA DE REJMIRA EGIPTO. DINASTÍA XVIII. PROCESO DE TRABAJO CON FUELLES [3] .......... 9
ILUSTRACIÓN 2: TABLA DE NEUMÁTICA DE LA "CYCLOPAEDIA" DE EPHRAIM CHAMBERS (1728) [6] ............................... 10
ILUSTRACIÓN 3: VEHÍCULO DISEÑADO POR ANDRAUD Y TESSIE DU MOTAY 1840 [7] ................................................... 10
ILUSTRACIÓN 4: PRIMER ARTÍCULO CONOCIDO SOBRE UN COCHE DE AIRE COMPRIMIDO 1932 [8] ................................... 12
ILUSTRACIÓN 5: AIRPOD DESARROLLADO POR TATA MOTORS [10] ........................................................................... 13
ILUSTRACIÓN 6: EXERGÍA EN UN SISTEMA CERRADO FLUIDO [11] .............................................................................. 15
ILUSTRACIÓN 7: FRENO DE TAMBOR EN LA ACTUALIDAD [14] ................................................................................... 20
ILUSTRACIÓN 8: FRENO DE DISCO PORSCHE [16] ................................................................................................... 20
ILUSTRACIÓN 9: MAXARET DE DUNLOP JENSEN FF PRIMER COCHE COMERCIAL CON ABS [17] ....................................... 21
ILUSTRACIÓN 10: RED FERROVIARIA ESPAÑOLA [19] .............................................................................................. 23
ILUSTRACIÓN 11: PERFIL DE CONSUMO ENERGÉTICO DE UN FERROCARRIL EN MARCHA TENDIDA [21] ............................... 23
ILUSTRACIÓN 12: TOTOYTA PRIUS CON FRENADA REGENERATIVA ELÉCTRICA [22] ........................................................ 25
ILUSTRACIÓN 13: SISTEMA I-ELOOP DESARROLLADO POR MAZDA [23] .................................................................... 25
ILUSTRACIÓN 14: SISTEMA HIDRÁULICO DE RECUPERACIÓN DE ENERGÍA IMPLEMENTADO EN EL BUSOLUTIONS [24] ........... 26
ILUSTRACIÓN 15: SISTEMA HIDRÁULICO DE RECUPERACIÓN DE ENERGÍA. BOSCH REXROTH CORPORATION EN COLABORACIÓN
CON PSA PEUGEOT CITROËN [26] ............................................................................................................. 27
ILUSTRACIÓN 16: SISTEMA DE FRENADA REGENERATIVA CON BOMBA/MOTOR REVERSIBLE ............................................. 29
ILUSTRACIÓN 17: TIPOS DE ACUMULADORES (1) DE GRAVEDAD, (2) DE RESORTE, (3, 4, 5) DE GAS [27] .......................... 31
ILUSTRACIÓN 18: PRESIÓN DE CARGA SEGÚN VOLUMEN ALMACENADO [27] ............................................................... 32
ILUSTRACIÓN 19: ACUMULADOR DE GAS DE VEJIGA [27] ......................................................................................... 32
ILUSTRACIÓN 20: SUMINISTRO DE CAUDAL PUNTA [27] .......................................................................................... 33
ILUSTRACIÓN 21: SUMINISTRO DE ACEITE LUBRICANTE [27] .................................................................................... 33
ILUSTRACIÓN 22: ACUMULACIÓN DE ENERGÍA [27] ............................................................................................... 34
ILUSTRACIÓN 23: REGULADOR DE PAR CONSTANTE [29] ......................................................................................... 36
ILUSTRACIÓN 24: CARACTERÍSTICA P-Q DE UN REGULADOR DE RESORTE [29] ............................................................. 37
ILUSTRACIÓN 25: BOMBA VARIABLE CON REGULADOR DE POTENCIA [29] ................................................................... 38
ILUSTRACIÓN 26: SERVO VÁLVULA DE CENTRO ABIERTO [31] ................................................................................... 38
ILUSTRACIÓN 27: SERVO VÁLVULA DE CENTRO CRÍTICO (1), DE CENTRO CERRADO (2) Y DE CENTRO ABIERTO (3) ................ 39
ILUSTRACIÓN 28: PRENSA HIDRÁULICA [32] ......................................................................................................... 41
ILUSTRACIÓN 29: ECUACIÓN DE BERNOUILLI [32].................................................................................................. 42
ILUSTRACIÓN 30: CIRCUITO HIDRÁULICO TRANSMISIÓN HIDROSTÁTICA OIL-GEAR LEM 41-001 [33] ........................... 43
ILUSTRACIÓN 31: SISTEMA DE FRENADA REGENERATIVA CON BOMBA/MOTOR REVERSIBLES ........................................... 44
ILUSTRACIÓN 32: SISTEMA DE FRENADA REGENERATIVA CON BOMBA Y MOTOR EN PARALELO ......................................... 45
ILUSTRACIÓN 33: POSIBLES ESTADOS DEL ACUMULADOR [27] .................................................................................. 49
ILUSTRACIÓN 34: DISPOSICIÓN SERIE 3000 [35] .................................................................................................. 50
ILUSTRACIÓN 35: VARIACIÓN DEL EXPONENTE ADIABÁTICO DEL NITRÓGENO CON LA PRESIÓN Y LA TEMPERATURA [27] ....... 51
ILUSTRACIÓN 36: ACUMULADOR DE VEJIGA HYDAC MODELO ESTÁNDAR [36] ............................................................ 53
ILUSTRACIÓN 37: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE VEHÍCULO ASCENDIENDO [37] ............................................................ 57
ILUSTRACIÓN 38: MOTOR CURSOR 8 GNC EURO VI [38] ....................................................................................... 60
ILUSTRACIÓN 39: CURVAS PAR/POTENCIA CARACTERÍSTICAS MOTOR GOLF GTI [39] .................................................... 62
ILUSTRACIÓN 40: PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS REGULADOR ................................................................................ 65
ILUSTRACIÓN 41: FUERZAS PRESENTES EN EL REGULADOR ........................................................................................ 66
ILUSTRACIÓN 42: ÁNGULO INCLINACIÓN SOPORTE BASCULANTE ............................................................................... 66
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
4
ILUSTRACIÓN 43: PARÁMETROS VÁLVULA DE MANDO ............................................................................................. 67
ILUSTRACIÓN 44: MÁQUINA DE PISTONES AXIALES DE PLATO INCLINADO [40] ............................................................. 68
ILUSTRACIÓN 45: DESPLAZAMIENTO PLATO INCLINADO DE LA BOMBA/MOTOR ............................................................ 69
ILUSTRACIÓN 46: CILINDRADA MÁQUINA DE PISTONES AXIALES DE PLATO INCLINADO [40] ............................................ 69
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
5
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1: DATOS TÉCNICOS TREN SERIE 3000 [35] ................................................................................................ 50
TABLA 2: RESUMEN ACUMULADOR PARA TREN ...................................................................................................... 52
TABLA 3: DATOS TÉCNICOS AUTOBÚS EMT MADRID .............................................................................................. 53
TABLA 4: RESUMEN ACUMULADOR PARA AUTOBÚS ................................................................................................ 54
TABLA 5: DATOS TÉCNICOS COCHE WOLKSWAGEN GOLF GTI................................................................................... 55
TABLA 6: RESUMEN ACUMULADOR PARA COCHE .................................................................................................... 55
TABLA 7: RESUMEN RESULTADOS BOMBA/MOTOR PARA TREN ................................................................................. 59
TABLA 8: COMPARATIVA MOTOR IDEAL VS REAL PARA TREN ..................................................................................... 59
TABLA 9: COMPARATIVA BOMBA IDEAL VS REAL PARA TREN ..................................................................................... 59
TABLA 10: RESUMEN RESULTADOS BOMBA/MOTOR PARA AUTOBÚS .......................................................................... 60
TABLA 11: COMPARATIVA MOTOR IDEAL VS REAL PARA AUTOBÚS ............................................................................. 60
TABLA 12: COMPARATIVA BOMBA IDEAL VS REAL PARA AUTOBÚS ............................................................................. 61
TABLA 13: RESUMEN RESULTADOS BOMBA/MOTOR PARA COCHE ............................................................................. 63
TABLA 14: COMPARATIVA MOTOR IDEAL VS REAL PARA COCHE ................................................................................. 63
TABLA 15: COMPARATIVA BOMBA IDEAL VS REAL PARA COCHE ................................................................................. 64
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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MEMORIA
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
9
Bloque I: Motor Neumático
Estado del arte
El aire a presión lleva utilizándose miles de años con diversos fines. Ya en torno al 4000
a.C. hay constancia del uso de fuelles por parte de los egipcios para facilitar el encendido y
reavivado del fuego. También permitía el enfriamiento de metales empleados como puntas de
lanza.
Ilustración 1: Jeroglíficos tumba de Rejmira Egipto. Dinastía XVIII. Proceso de trabajo con fuelles [3]
Fue en la antigua Grecia cerca del 2500 a.C. cuando comenzó a acuñarse el término
“Pneumatica” (del griego “pneuma”: soplido, aliento, alma) [4] para referirse al uso del aire como
transmisor de energía. Las primeras aplicaciones de la neumática fueron los muelles de soplado,
seguidos de distintos tipos de fuelle (de mano y de pie) más desarrollados a los ya empleados con
anterioridad por los egipcios. Existe constancia en el siglo I a.C. de un cañón neumático inventado
por el griego Tesibios, el cual aprovechaba la energía del aire comprimido para lograr un mayor
alcance del proyectil.
A lo largo del siglo XVII grandes científicos como Torricelli, Pascal, Boyle y Gay Lussac
profundizaron en el estudio de los gases estableciendo sus propiedades así como su
comportamiento.
Es en 1687 cuando se tiene por primera vez constancia del empleo de la neumática en el
ámbito del transporte. Denis Papin, físico e inventor francés y miembro de la Royal Society de
Londres comienza a desarrollar la idea de un vehículo impulsado por aire comprimido [5].
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
10
Ilustración 2: Tabla de Neumática de la "Cyclopaedia" de Ephraim Chambers (1728) [6]
En Francia cerca de 1840 Andraud y Tassie Motay construyen el primer vehículo de aire
comprimido en circular del que hay constancia. Fabricado para circular sobre raíles disponía de
un depósito de aire a 17 atmósferas de presión y capacidad para ocho pasajeros.
Ilustración 3: Vehículo diseñado por Andraud y Tessie du Motay 1840 [7]
El motor de aire Mekarski (1872), supuso un gran avance entre los motores neumáticos
proponiendo el calentamiento del aire mediante agua hirviendo, consiguiendo de esta forma un
mayor aprovechamiento de la energía y por consiguiente un incremento de la autonomía. Se
instaló fundamentalmente en diversas locomotoras llegando a abrirse líneas regulares como la de
Nantes en 1879. Simultáneamente la H.K. Porter Company de Pittsburg desarrolla una
locomotora propulsada por aire comprimido comenzando a aplicar esta tecnología en la industria
química y minera. Este método de propulsión resultaba mucho más seguro que la explosión del
combustible habitual.
A finales del siglo XIX en Suiza se instalan tranvías propulsados por este sistema de aire
comprimido, al mismo tiempo Robert Hardie introduce un nuevo método de calentamiento del
aire almacenado que permite un incremento de la autonomía. En 1896 Hoadley-Knight desarrolla
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
11
el motor de dos fases. En 1903 la Liquid Air Company (compañía londinense) intenta
comercializar varios modelos de vehículos de aire comprimido y licuado sin apenas éxito debido
a la falta de potencia y la ausencia de infraestructuras para la recarga del aire.
El verdadero padre del coche de aire comprimido será considerado siempre Charles B.
Hodges, el cual desarrolla para automóviles este método de propulsión empleado hasta entonces
exclusivamente en locomotoras y tranvías. Hodges no solo inventó el primer coche propulsado
por aire comprimido, sino que tuvo un considerable éxito comercial. A través de la Porter
Company de Pittsburg se vendieron cientos de estos vehículos a la industria minera gracias a la
seguridad que aportaba este sistema. En 1912 los europeos adoptan este motor americano y lo
mejoran introduciendo una tercera fase de expansión.
Ya en pleno siglo XX son varios los intentos de evolucionar este prometedor vehículo. En
1925 Louis C. Kiser consigue convertir un motor de gasolina tradicional en uno de aire
comprimido suprimiendo el circuito de refrigeración de agua y el de gasolina por un tanque de
aire comprimido. Un año más tarde el estadounidense Lee Barton Williams presenta un coche que
arranca con un motor de gasolina y tras establecer una velocidad determinada (10 millas por hora
o unos 16 km/h) sustituía la gasolina por el aire procedente de un tanque paralelo al de gasolina.
Con este sistema se consiguió alcanzar los 100 km/h. En la década de los años treinta aparece la
primera locomotora híbrida de diésel y aire comprimido en Alemania, sin embargo la presión
ejercida por las petroleras ralentizó su estudio y evolución.
El desarrollo de este sistema de propulsión alternativo a la combustión de la gasolina no ha
estado exento de historias oscuras. En 1934 Johannes Wardenier anunció el desarrollo del que
sería el primer automóvil sin combustible del mundo, logró una enorme publicidad durante
semanas en los periódicos holandeses los cuales anunciaban el invento que cambiaría el futuro
del transporte. Misteriosamente antes del lanzamiento de este nuevo invento Johannes fue
encarcelado por una institución mental y posteriormente trasladado a un campo de concentración
muriendo poco después.
Tras la Segunda Guerra Mundial estos vehículos dejan de ser considerados rentables y se
tratan como poco válidos o ineficientes. De nuevo por presiones de las grandes petroleras.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
12
Ilustración 4: Primer artículo conocido sobre un coche de aire comprimido 1932 [8]
En la década de los 70, José P. Troyan patentó un volante accionado por aire que podría
junto con generadores eléctricos propulsar de forma no contaminante cualquier automóvil. En
palabras del propio Troyan: “Mi invento simplemente utiliza la fuerza más grande de la
naturaleza: la presión del aire”. Simultáneamente Willard Truitt desarrolla un coche de aire, pero
por falta de recursos termina cediendo los derechos de su invención al ejército de los EEUU en
1982.
En 1979 Terry Miller desarrolla el Air Car One el cual construyó por $1500 y
posteriormente patentó su método (US4370857 [9]). Carl Leissler, el austriaco Des Hill y el
cubano Ricardo Pérez-Pomar son otros inventores que durante las últimas décadas del siglo XX
desarrollan su propia idea de coche propulsado por aire comprimido.
También existen empresas que hasta finales de siglo han estado produciendo
industrialmente modelos de vehículo propulsados por aire. Este es el caso de Arnold Jung
Lokomotivenfabrik, la cual hasta el año 1987 fabricó locomotoras de aire comprimido.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
13
Actualmente son varias las empresas con proyectos en desarrollo. En primer lugar destaca
MDI (Motor Development International), empresa francesa fundada por Gay Nègre antiguo
ingeniero de la Fórmula 1. Llevan 20 años trabajando en el Air Car, una tecnología para propulsar
vehículos con aire comprimido. En 2009 MDI firma un acuerdo con la india Tata Motors para
comercializar el modelo AirPod a partir de 2011 en el mercado indio. El proyecto ha sufrido
varios retrasos consecuencia de la limitada autonomía y baja temperatura del motor.
Ilustración 5: AirPod desarrollado por Tata Motors [10]
Honda presentó en la LA Design Challenge de 2010 (feria del automóvil de Los Ángeles)
un prototipo propulsado por aire, sin embargo hasta la actualidad no ha pasado de la fase de
prototipo. También en España se está contribuyendo a esta tecnología, Miguel Celades Rex creó
la empresa Air Car Factories. En la otra punta del globo, Engineair, empresa australiana fabrica
y comercializa en la actualidad pequeños vehículos industriales con motores de un único pistón
impulsado por aire.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
14
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
15
Cálculos motor neumático [11]
Antes de comenzar a desarrollar la parte del proyecto centrada en el motor neumático, como
primera aproximación realizaremos un cálculo de la exergía disponible en un depósito estándar
de aire comprimido.
“La exergía o energía utilizable es el máximo trabajo útil que se puede obtener de un
sistema cuando éste evoluciona hasta el estado muerto intercambiando calor sólo con el
ambiente, quien no puede ser el receptor del trabajo” [12]. Entendiendo por trabajo útil aquel que
no se emplea actuando en contra del ambiente y por estado muerto aquel en el que se alcanza el
equilibrio térmico y mecánico del sistema con el ambiente. Resumiendo, la exergía mide la
cantidad de energía disponible en un sistema.
Ilustración 6: Exergía en un sistema cerrado fluido [11]
Para considerar el total de trabajo disponible se considera por separado el debido a la
diferencia de presiones y el debido a la diferencia de temperaturas, sumándolos posteriormente.
Si se quiere calcular el máximo posible de energía extraíble del sistema, se debe considerar
procesos cuasiestáticos y reversibles (no tiene lugar entropía en el universo). Considerando esto:
𝛿𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑝𝑑𝑉 (1)
Sin embargo, parte de este trabajo es consumido desplazando el aire exterior siendo energía
no aprovechable.
𝛿𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = (𝑝 − 𝑝𝑜)𝑑𝑉 + 𝑝𝑜𝑑𝑉 (2)
Siendo el primero de los términos el que muestra la energía aprovechable. En un proceso
cíclico la integral del segundo término se anula, es decir, el trabajo empleado en desplazar el aire
exterior se recupera cuando el sistema restablece su posición inicial.
El trabajo por tanto queda:
𝛿𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝛿𝑊𝑚𝑒𝑐ú𝑡𝑖𝑙 + 𝑝𝑜𝑑𝑉 (3)
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
16
En segundo lugar se calcula la aportación de energía consecuencia de la diferencia de
temperaturas entre el ambiente y el sistema. Una vez más se busca la energía máxima
intercambiada para lo que se asume que se trata de una máquina reversible operando entre dos
temperaturas fijas (en realidad la temperatura del sistema va cambiando hasta igualarse a la del
ambiente). Teniendo el sistema una temperatura T, el trabajo proporcionado según el teorema de
Carnot queda:
𝛿𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎,𝑡𝑒𝑟𝑚ú𝑡𝑖𝑙 = ƞ𝑟𝑒𝑣𝛿𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎,𝑡𝑒𝑟𝑚 = (1 −
𝑇𝑜
𝑇)𝛿𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 (4)
El calor que entra en esta máquina térmica es igual al que sale, y al tratarse de un proceso
reversible:
𝛿𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑇= −𝑑𝑆 (5)
Siendo el trabajo debido a la diferencia de temperaturas:
𝛿𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎ú𝑡𝑖𝑙 = 𝛿𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑇𝑜𝑑𝑆 (6)
Sumando ambos trabajos se obtiene el total útil:
𝛿𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎ú𝑡𝑖𝑙 = 𝛿𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎,𝑚𝑒𝑐
ú𝑡𝑖𝑙 + 𝛿𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎,𝑡𝑒𝑟𝑚ú𝑡𝑖𝑙 = 𝛿𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − 𝑝𝑜𝑑𝑉 + 𝛿𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑇𝑜𝑑𝑆 (7)
Apoyándose en el primer principio de la termodinámica se puede expresar el calor y trabajo
como disminución de la energía total del sistema:
𝛿𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝛿𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = −𝑑𝐸 (8)
Y a su vez la energía total como suma de cinética y potencial:
𝛿𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎ú𝑡𝑖𝑙 = −𝑑𝐸 − 𝑝𝑜𝑑𝑉 + 𝑇𝑜𝑑𝑆 (9)
El segundo término de la expresión constituye una función de estado al ser una
combinación de tres funciones de estado multiplicadas por constantes. Se expresa por tanto como
una diferencial exacta, y se le cambia el signo para calcular el máximo trabajo que puede realizar
el sistema, en lugar del que puede recibir, quedando:
𝑑𝑋 = −𝑑𝐸 − 𝑝𝑜𝑑𝑉 + 𝑇𝑜𝑑𝑆 (10)
Si se integra entre el estado inicial y el final (igual al estado ambiente con subíndices 0)
queda la expresión:
𝑋 = 𝐸 − 𝐸𝑜 + 𝑝𝑜(𝑉 − 𝑉𝑜) − 𝑇𝑜(𝑆 − 𝑆𝑜) (11)
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
17
Y separando la energía total en potencial y cinética, obtenemos el máximo trabajo extraíble
del sistema o exergía:
𝑋 = 𝑈 − 𝑈𝑜 +1
2𝑚𝑣2 + 𝑚𝑔(𝑧 − 𝑧𝑜) + 𝑝𝑜(𝑉 − 𝑉𝑜) − 𝑇𝑜(𝑆 − 𝑆𝑜) (12)
De esta expresión se deduce también que la exergía es una propiedad extensiva medida en
julios.
Para el cálculo concreto de la exergía de los depósitos se requiere conocer el tamaño,
presión y temperatura de trabajo de los depósitos a emplear. Como modelo se toman los actuales
coches en desarrollo de la empresa MDI, estos cuentan con una capacidad total de 340 litros de
aire repartidos en cuatro depósitos a una presión de 300 bar y una temperatura de 300 K.
Considerando a su vez la presión ambiente de 1 bar y la temperatura de 300 K se procede a realizar
los cálculos.
Con la ayuda de Microsoft Excel, y conociendo las ecuaciones y los datos anteriores así
como la constante de los gases ideales (Ṝ=8,314 J/mol-K) y la masa molar del aire seco (M=28,97
g/mol) se calcula:
𝑚 =𝑝𝑉
𝑅𝑇= 118,47 𝑘𝑔 (13)
∆𝑈𝑎𝑖𝑟𝑒 =𝑚
𝑀𝐶𝑣(𝑇 − 𝑇𝑜) = 0 𝑑𝑚3 (14)
𝑉𝑜 =𝑚𝑅𝑇𝑜
𝑝𝑜= 102 𝑚3 (15)
𝑝𝑜(𝑉 − 𝑉𝑜) = −10166 𝑘𝐽 (16)
∆𝑆 = −𝑚𝑅𝑙𝑛 (𝑝
𝑝𝑜) +
𝑚
𝑀𝐶𝑝𝑙𝑛 (
𝑇
𝑇𝑜) = −193,9286 𝑘𝐽 (17)
𝑇𝑜(𝑆 − 𝑆𝑜) = −58178,5812 𝑘𝐽 (18)
𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔í𝑎 = 48012,5812 𝑘𝐽 (19)
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
18
Conclusiones derivadas de los cálculos
Teniendo en cuenta que el poder calorífico inferior: “Calor desprendido cuando se quema
de forma completa y perfecta 1 kg de combustible sin enfriar los humos” [13], es de
aproximadamente 29000 kJ por litro para la gasolina y de 36000 kJ por litro de gasoil, se concluye
que de los depósitos de aire comprimido se extrae el equivalente de 1,65 litros de gasolina o 1,33
litros de gasoil. La energía extraída se pone en relación con la de los combustibles más comunes
para hacerse una idea de la viabilidad del proyecto.
La idea inicial era la de conseguir desarrollar un motor neumático eficaz para propulsar un
vehículo utilitario medio. Si se toma como modelo de utilitario el Mini Cooper (de tamaño y peso
reducido facilitando su desplazamiento), éste dispone de un depósito de 40 litros de combustible
(gasolina) y un consumo medio de unos 5,4 litros a los cien kilómetros. De esta forma y teniendo
en cuenta que los depósitos de aire ofrecen la energía equivalente a la de 1,65 litros de gasolina,
la autonomía sería de aproximadamente 30,5 kilómetros.
Se trata de una autonomía razonable para usos industriales, por ejemplo un vehículo de
almacén o de transporte de maletas en aeropuertos. Sin embargo se presenta a toda luz insuficiente
para uso urbano.
Llegado este punto, se descarta el desarrollo del motor neumático por no satisfacer las
especificaciones de autonomía deseadas sin irse a depósitos demasiado grandes.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
19
Bloque II: Frenada Regenerativa
Estado del arte
Todo vehículo en movimiento posee una determinada energía cinética. Llegado el
momento de detener el vehículo, esta energía cinética debe ser transformada en otro tipo de
energía. Hasta la década de los 70 toda la energía debida a la velocidad del desplazamiento del
vehículo era transformada en calor mediante el sistema de frenado. Este calor es enviado al
ambiente donde se desperdicia.
La frenada regenerativa surge como respuesta a este desaprovechamiento de la energía en
el proceso de frenado. La idea fundamental es recuperar parte de esta energía, anteriormente
malgastada en calor, para almacenarla y emplearla posteriormente como ayuda de propulsión.
Actualmente se pueden distinguir dos tipos de frenada regenerativa, la frenada regenerativa
mecánica y la eléctrica. La diferencia entre estos dos sistemas es la forma de acumulación de
energía.
Antes de definir estos dos tipos de frenada regenerativa se hace necesario repasar la historia
previa en torno a los frenos en general. Ya a finales del siglo XIX con los primeros vehículos
apareció la necesidad de un mecanismo que facilitase la detención en el momento deseado.
Inicialmente, cuando las ruedas estaban compuestas por montura de acero, la parada se conseguía
tirando de una palanca la cual presionaba un bloque de madera contra la rueda. El sistema era
muy limitado, puesto que el desgaste del bloque de madera era muy rápido y era necesario aplicar
mucha fuerza sobre la palanca para detener completamente el vehículo en una distancia razonable.
Cuando se introdujo el neumático de goma se hizo necesario investigar nuevas formas de
detener el vehículo. En primer lugar a inicios del siglo XX se desarrolló el freno de tambor
mecánico (Louis Renault en 1902). Éste consistía en un tambor alrededor del neumático el cual
era presionado por una cinta de acero inoxidable al accionar el freno. Los primeros en emplearse
eran de tambor externo lo que implicaba un desgaste excesivo por estar expuestos a los elementos.
Este sistema solo se aplicaba a los neumáticos traseros pues se pensaba que si se aplicaba en los
delanteros la propia frenada podría causar el vuelque del vehículo. Seguía necesitándose mucha
fuerza para lograr detener el vehículo.
La solución a este problema la encontró Malcolm Lougheed, inventor del freno de tambor
hidráulico en 1918. Malcolm consiguió que al accionar el freno, fuese el fluido hidráulico el que
a través de una serie de conductos presionase la zapata. Con una fuerza limitada aplicada en el
accionador, mediante hidráulica, se conseguía una mayor presión en la zapata. El principal
problema del freno de tambor es la dificultad para disipar el calor, produciéndose altas
temperaturas que terminan deformando la pastilla dando lugar a vibraciones.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
20
Ilustración 7: Freno de tambor en la actualidad [14]
Simultáneamente a inicios del mismo siglo se patentó otra tecnología: el freno de disco.
Frederick William Lanchester en 1902 obtuvo la patente, sin embargo no logró apenas éxito como
consecuencia del ensordecedor ruido que provocaba. Este sistema de frenado consiste en un disco
que gira solidario a la rueda y unas pinzas (o pastillas) que al accionar el freno presionan el disco
tendiendo a frenarlo por la fricción. Pocos años más tarde en 1907 Herbert Frood resolvió el
problema del ruido forrando las pastillas del freno con amianto.
Este sistema facilita la evacuación del calor frente al freno de tambor, evitando de esta
forma el fenómeno conocido como “fading”, descenso brusco del coeficiente de rozamiento
consecuencia de una enorme acumulación de calor que no puede ser evacuado [15]. Cuando esto
sucede se pierde momentáneamente la eficacia de frenado pudiendo llegar a provocar graves
accidentes. A su vez el freno de disco es más enérgico que el de tambor permitiendo un menor
tiempo y espacio de frenado. A pesar de estas ventajas frente al freno de tambor, no se generalizó
su uso en Europa hasta bien avanzado el siglo XX.
Ilustración 8: Freno de disco Porsche [16]
Además de estos dos mecanismos de frenado, otros sistemas fueron adquiriendo
importancia a lo largo del pasado siglo. Gabriel Voisin en 1929 creó el freno antibloqueo, un
mecanismo que impedía el bloqueo completo de la rueda en situaciones de frenadas bruscas y
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
21
prolongadas. De esta forma, se permitía a la rueda seguir girando para poder corregir la dirección
de avance, puesto que si la rueda permaneciese bloqueada, se perdería toda posibilidad de
redireccionar el vehículo. Se incorporó exclusivamente en aviones, y no fue hasta mediados de
siglo cuando se consideró su incorporación en automóviles y motocicletas.
El primer automóvil que se comercializó incorporando el sistema antibloqueo fue el
Maxaret de Dunlop Jensen FF en 1966 [17]. Ya desde 2007 más del 75% de los coches producidos
a nivel mundial incorporan el sistema antibloqueo.
Ilustración 9: Maxaret de Dunlop Jensen FF primer coche comercial con ABS [17]
La energía cinética del vehículo es desperdiciada en forma de calor al accionar el freno. Ya
se empezó a estudiar el aprovechamiento de esta energía durante el tercer cuarto del siglo XX
cuando en 1976 se desarrolla el sistema Volvo Cumulo [18]. Este sistema se ayudaba en un
mecanismo hidroneumático para almacenar parte de la energía de la frenada.
Hammerström en 1984 desarrolla este mecanismo, de tal forma que es un fluido el que
comprime un gas en el momento de la frenada, almacenando con la compresión de éste último
parte de la energía. A raíz de estos estudios se comienza a investigar la transmisión y
aprovechamiento de esta energía recuperada en la frenada.
En 1996, Chicurel y Lara buscan una solución a la durabilidad de las baterías de los
vehículos eléctricos, implementando un acumulador hidroneumático. Siguiendo con esta idea en
2001 la empresa Transidrive en colaboración con la New York State Energy Research and
Development Authority desarrolla un proyecto de incorporación de acumuladores de este tipo en
los autobuses eléctricos y vehículos híbridos de la ciudad.
Como último exponente de la frenada regenerativa hidráulica, la empresa Valentin
Technologies Inc. comenzó a comercializar el Ingocar en 2009. Este vehículo es un híbrido con
sistema de propulsión hidráulico que extrae su energía de propulsión de la frenada.
Paralelamente se investigó el almacenamiento y posterior aprovechamiento de la energía
de la frenada haciendo uso de tecnología eléctrica. En este caso en lugar de acumuladores
hidráulicos que almacenan la energía en forma de gas comprimido, son baterías las que se cargan
ayudados por la deceleración del vehículo. El primer vehículo con esta tecnología fue el AMC
Amitron de 1967, un prototipo eléctrico de velocidad muy limitada pero autonomía de hasta 240
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
22
km. A partir de este momento, se comienza a desarrollar el sistema, con un alto nivel de
adaptación al sector ferroviario.
En 1997 Toyota comenzó a comercializar el Prius, modelo con freno regenerativo. Sin
embargo, el freno regenerativo eléctrico no suele montarse en exclusiva puesto que puede resultar
insuficiente si se requiere de una detención repentina y rápida.
En 2009 se adopta el KERS en la fórmula 1. Este dispositivo almacena la energía cinética
que tenía el coche en un disco de inercia durante la frenada, posteriormente, esta energía
almacenada en una batería permite un incremento de potencia puntual de unos 80 CV cuando el
piloto acciona el dispositivo.
La eficiencia de estos sistemas se ha ido mejorando durante los últimos años, llegando a
tener especial relevancia en vehículos de transporte de pasajeros o mercancías con habituales
detenciones y puestas en marcha. Se estima que el nivel de aprovechamiento del total de energía
disipada en forma de calor es de entre el 20 y el 30%.
Actualmente los sistemas de recuperación de energía mediante la frenada son insuficientes
para lograr la propulsión completa del vehículo, por tanto, se conciben como sistemas auxiliares
que permiten un ahorro de combustible. Es más marcada la influencia en este ahorro en vehículos
con abundantes paradas y puestas en marcha como es el caso de los medios de transporte urbanos
como autobuses, trenes y taxis.
Frenada regenerativa en trenes
En el sector ferroviario el potencial de aprovechamiento de esta tecnología es mucho
mayor, principalmente por dos razones. La enorme masa de los trenes así como su alta velocidad
que conlleva una enorme energía cinética (recuperable en la frenada), así como también las
sucesivas paradas que implica el servicio de transporte.
En el sistema ferroviario español se pueden distinguir dos formas de tracción que conviven.
La tracción diésel-eléctrica, formada por un motor diésel, un motor eléctrico y un motor de
tracción eléctrico que permite el funcionamiento sin necesidad de la electrificación de la vía y el
sistema de tracción puramente eléctrico conectando la locomotora con la red mediante la
catenaria. Es este último el más extendido tendiendo a desaparecer el primero.
Los primeros sistemas de tracción eléctrica fueron de corriente continua, ya que la
velocidad en los motores con esta corriente era fácilmente regulable modificando la tensión
(primeras líneas ferroviarias en España de CC en 1911). Ya avanzado el siglo XX y con el
desarrollo de la electrónica de potencia comenzó a ser técnica y económicamente viable el uso de
motores asíncronos trifásicos. Con la corriente alterna se comenzó a utilizar mayores tensiones
disminuyendo consecuentemente las pérdidas en el transporte de la electricidad.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
23
Ilustración 10: Red ferroviaria española [19]
En la actualidad, se emplea CC para las redes de ferrocarriles metropolitanos (metro y
cercanías) y CA en las redes de larga distancia y alta velocidad [20]. Son muchos los trenes que
ya incorporan un sistema de recuperación de energía por frenada regenerativa, fundamentalmente
eléctrica, pues resulta sencillo almacenar la energía en baterías o incluso poder devolverla a la red
mediante las catenarias.
Ilustración 11: Perfil de consumo energético de un ferrocarril en marcha tendida [21]
Diversos estudios aseguran que se puede llegar a recuperar más del 30% de la energía
mediante este tipo de frenada. En concreto según un artículo de la revista Anales de mecánica y
electricidad:
La ilustración 10 “permite obtener una idea del potencial del frenado regenerativo para la
reducción del consumo en sistemas eléctricos ferroviarios. En ella se muestra la potencia en
pantógrafo y el perfil de velocidad de un tren de tipo metropolitano que recorre el trayecto entre
dos estaciones separadas 1.4 km sin ningún desnivel y empleando el mínimo tiempo posible
(marcha tendida). Se han distinguido tres fases distintas en la marcha del tren: una primera en
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
24
la que, con un determinado rendimiento, la potencia consumida se emplea en acelerar el
vehículo; una segunda fase en la que el consumo se emplea en mantener la velocidad; y la última
fase en la que se frena el tren y en la que se podría devolver una determinada fracción de la
energía cinética almacenada en el mismo.
Los consumos durante las tres fases mencionadas en el ejemplo son de 23.7 kWh, 4 kWh y
-10 kWh respectivamente. La energía devuelta durante la fase de frenado representa el 44% de
la energía consumida para acelerar al tren y el 38% de la empleada en las dos fases en las que
el tres es consumidor de potencia.” [21]
Sin embargo, factores como las pérdidas por el efecto Joule en los conductores de la red
ferroviaria así como los rendimientos en las conversiones impiden recuperar un porcentaje tan
alto de energía. A su vez “la normativa aplicable a estas redes (UIC-600) prohíbe que la tensión
en cualquier punto de la red alcance valores superiores al 20% de la tensión estandarizada (salvo
para redes a 750V, en las que este requisito se relajó a 1000V (33%) para mejorar su
funcionamiento). Debido a que la regeneración de potencia conlleva una elevación de la tensión
en pantógrafo, se hace necesario que los trenes con frenado regenerativo también incorporen
reóstatos para disipar el exceso de potencia regenerada y evitar así eventos de sobretensión.”
“(…) estos eventos son bastante recurrentes en redes electrificadas en corriente continua
(CC), lo que puede hacer que en determinadas situaciones no se aproveche todo el potencial del
frenado regenerativo.” [21]
Por consiguiente la frenada regenerativa es muy recomendable en el sector ferroviario, sin
embargo el uso de sistemas de acumulación (o devolución a la red) de forma eléctrica tiene sus
limitaciones. Todo ello abre las puertas a la investigación en sustitución de la anterior tecnología
de la frenada regenerativa neumática.
Frenada regenerativa en coches y autobuses
Ya en 1997 Toyota comienza a comercializar el modelo Prius, un coche eléctrico con un
sistema de recuperación de energía mediante frenada regenerativa. Desde entonces son muchos
los avances que se han realizado en este sector.
En una industria tan competitiva como la del automóvil, cualquier pequeño avance puede
suponer la diferencia con la competencia. Son varios los factores que han facilitado la
investigación y desarrollo de estos sistemas de recuperación de energía. El incremento de las
exigencias a nivel de contaminación así como la dependencia total del petróleo ha provocado un
intento desesperado por reducir el consumo. En el caso de los coches eléctricos, es la baja
autonomía la que está provocando más de un quebradero de cabeza.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
25
Ilustración 12: Totoyta Prius con frenada regenerativa eléctrica [22]
La tecnología de frenada regenerativa permite con la energía recuperada, alimentar los
sistemas eléctricos básicos del coche como pueden ser el climatizador, el ordenador de a bordo la
calefacción… O aportar una potencia adicional en el arranque del vehículo. Si bien estos sistemas
son insuficientes para la propulsión completa, ayudan a reducir el consumo de combustible, o en
el caso de los vehículos eléctricos incrementan su autonomía.
Actualmente se puede llegar a recuperar hasta un 10% de la energía total. La limitación
fundamental es el espacio disponible. Es por esto por lo que los sistemas empleados suelen basarse
en la recuperación eléctrica, acumulando la energía en baterías. La necesidad de grandes depósitos
de gas comprimido para los sistemas hidráulicos imposibilita su fácil incorporación en tan
reducido espacio.
Mazda ha desarrollado en 2011 el “i-ELOOP” (Intelligent Energy Loop) un sistema que
emplea un condensador acumulador. Elemento capaz de almacenar una gran cantidad de
electricidad durante poco tiempo, en un proceso de carga y descarga más rápido al de las baterías
convencionales [23].
Ilustración 13: Sistema i-ELOOP desarrollado por Mazda [23]
Otro sistema con cada vez más acogida es el denominado start-stop el cual aprovecha la
energía recuperada para mover el motor de arranque poniendo en marcha de nuevo el motor tras
pararlo en las detenciones para ahorrar combustible.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
26
En lo que a autobuses se refiere, la incorporación de estos sistemas aún no está muy
estudiada. Sin embargo, su mayor tamaño proporcionando mayor energía cinética así como un
mayor espacio para la incorporación del sistema hace pensar en una positiva acogida. Destaca el
proyecto desarrollado en conjunto por Automation Alley, Altair ProductDesign y la FTA
(administración federal de tráfico norteamericana). Han desarrollado el llamado BUSolutions, un
autobús urbano híbrido con un sistema hidráulico de recuperación de energía. Dispone de dos
tanques de fluido a alta presión (encargados de almacenar la energía) logrando un consumo un
110% mejor con respecto a los autobuses urbanos diésel y un 30% mejor respecto de los autobuses
híbridos eléctricos. Actualmente ya se ha fabricado el primer prototipo obteniendo resultados muy
alentadores.
Ilustración 14: Sistema hidráulico de recuperación de energía implementado en el BUSolutions [24]
En el marco de la frenada regenerativa hidráulica destaca el papel de Bosch Rexroth
Corporation con varias patentes asociadas como la presentada en 2004 titulada “Hybrid hydraulic
drive system with engine integrated hydraulic machine”. La cual es descrita de la siguiente forma:
“A hybrid hydraulic drive system for a motor vehicle in accordance with the preferred
embodiment of the present invention comprises a prime mover, a transmission connecting the
prime mover to drive wheels, at least one fluid energy storage accumulator operable to store and
release a pressurized fluid, and a reversible hydraulic machine drivingly coupled to the prime
mover upstream of the transmission. The reversible hydraulic machine is in fluid communication
with the energy storage accumulator” [25].
Sobre esta idea se basa el proyecto tratando de estudiar su alcance en automóviles y
autobuses así como fundamentalmente la adaptación del mismo en trenes. Es en estos últimos
donde se piensa puede llegar a tener mayor recorrido fundamentalmente por el gran espacio
disponible así como la enorme energía cinética que adquiere este tipo de transportes y sus
sucesivas paradas y puestas en marcha en cada estación.
El sistema básicamente estaría compuesto por un dispositivo capaz de funcionar como
bomba y motor alternativamente. Éste estaría conectado a la transmisión del vehículo de tal forma
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
27
que cuando se quisiese frenar se acoplaría el eje del vehículo al de la bomba, la cual mediante un
circuito hidráulico opondría resistencia al giro frenando el vehículo. Simultáneamente la energía
cinética del vehículo propulsaría la bomba la cual aprovecharía esta energía para, a través del
circuito, comprimir un gas contenido en un cumulador. Cuando se quisiese reanudar la marcha u
obtener un extra de potencia el sistema actuaría de forma opuesta, en este caso se descomprimiría
el gas contenido en el acumulador transmitiendo su energía a través del circuito hidráulico hasta
el dispositivo reversible, el cual, actúa ahora como motor. Este motor transmitiría la potencia
directamente al eje motriz del vehículo.
Ilustración 15: Sistema hidráulico de recuperación de energía. Bosch Rexroth Corporation en colaboración
con PSA Peugeot Citroën [26]
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
28
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
29
Introducción al sistema de frenada regenerativa
Tras los conocimientos adquiridos tras el detallado estudio y documentación sobre el estado
del arte relacionado con las tecnologías de recuperación de energía a través de la frenada, se
procede a dar unas pinceladas generales al sistema a desarrollar.
Aunque se pretende centrarse fundamentalmente en los trenes, por los beneficios ya
comentados (espacio y mayor cantidad de energía cinética para almacenar), también se realizarán
cálculos asociados con coches y autobuses. El sistema ideado inicialmente es el siguiente:
Ilustración 16: Sistema de frenada regenerativa con bomba/motor reversible
1
2
2
3
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
30
Se busca la máxima simplicidad y la mayor compactación. Siguiendo estos requisitos el
sistema estaría compuesto por un acumulador (1), encargado de almacenar la energía de la frenada
hasta que sea demandada. Una válvula (2) que permita conectar y desconectar el sistema con el
acumulador y un dispositivo (3) capaz de actuar como bomba y motor alternativamente.
Se precisa que el dispositivo sea capaz de trabajar tanto a altas como a bajas revoluciones,
tanto como bomba como motor. Pensando en el funcionamiento como bomba, el dispositivo debe
ser capaz de, acoplándose al eje motriz, frenar el vehículo desde la velocidad máxima, hasta la
velocidad mínima (parada). Al mismo tiempo se le requiere una cilindrada variable, pues al
comprimir el gas contenido en el acumulador, la presión irá variando en función del nivel de
compresión necesitando de esta forma adaptar el par y potencia que entrega la bomba. Esto se
puede conseguir regulando su cilindrada.
Si se piensa ahora en el dispositivo como motor, precisará de unos requisitos similares. Al
ser el encargado de reiniciar la marcha, debe ser capaz de entregar un elevado par desde velocidad
nula, y mantener su eficiencia hasta alcanzar la velocidad máxima. Para regular el par entregado
según la velocidad alcanzada y la presión variable en el acumulador, se precisa de un sistema de
cilindrada variable con regulación.
La regulación estará a cargo de un regulador de potencia constante. Como se explicará más
adelante, el regulador de potencia constante mantiene el par constante, si a su vez la velocidad de
giro de la máquina es constante entonces resultará potencia constante. En este caso, la velocidad
de giro será variable, quedando solamente regulado el par.
La válvula permitirá alternar entre la posición de conexión con el acumulador y la de
desconexión. Cuando se precise cargar o descargar el acumulador, se situará en la segunda
posición permitiendo su directa conexión con la bomba/motor. Por el contrario, si el sistema no
está siendo utilizado, para evitar innecesarias pérdidas de presión en el acumulador se posicionará
la válvula en su primera posición, desconectando la máquina reversible del acumulador.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
31
Acumuladores [27]
El estudio de la frenada regenerativa neumática requerirá el conocimiento de los
acumuladores. Éstos son elementos capaces de almacenar energía, para devolverla posteriormente
cuando es requerida. En la fase de carga, un gas o resorte es comprimido alcanzando cierto nivel
de compresión. Posteriormente, durante la fase de descarga, la descompresión del gas o del resorte
devuelve al sistema su energía. Suelen conectarse a circuitos hidráulicos que permiten el
aprovechamiento de esta energía en forma de presión.
Los acumuladores se clasifican en función del sistema empleado para lograr la presión de
trabajo. Mediante un peso (acumuladores de gravedad), mediante un resorte (de resorte) o
mediante la compresión de un gas (de gas).
Ilustración 17: Tipos de acumuladores (1) de gravedad, (2) de resorte, (3, 4, 5) de gas [27]
Pueden desarrollar diferentes funciones:
- Compensación de fugas.
- Actuador en caso de parada o fallo repentino del motor de accionamiento
- Satisfacer picos de demanda.
- Amortiguación de las pulsaciones consecuencia de las bombas especialmente
las de pistones y de engranajes.
- Compensación de las variaciones de volumen del fluido como consecuencia
de los cambios de temperatura.
- Recuperación de la energía de frenado de cargas con mucha inercia.
Tipos de acumuladores:
Acumulador de gravedad: Compuesto por un cilindro buzo (vástago y pistón de igual
diámetro) colocado en vertical con una masa en la parte superior. Cuando la fuerza producida por
la presión en el circuito iguala al peso de la masa, se dice que el acumulador ha entrado en carga.
En estos acumuladores la presión de trabajo p permanece constante independientemente del
volumen de fluido almacenado ya que viene determinada exclusivamente por el peso de la masa.
Presentan una elevada inercia por lo que no se recomiendan para ciclos de carga y descarga
rápidos.
Acumulador de resorte: Consta de un pistón con uno o varios resortes precomprimidos.
Es esta precompresión la que determina la presión inicial p de carga. Como consecuencia de la
constante elástica del muelle, la presión ira incrementándose ligeramente según aumente el
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
32
g
ravedad
volumen de fluido almacenado. Presentan una elevada inercia (aunque inferior a la de los
acumuladores de gravedad) por lo que tampoco se recomiendan para ciclos rápidos.
Ilustración 18: Presión de carga según volumen almacenado [27]
Acumulador de gas o hidroneumático: Está compuesto por una cavidad hueca separada
en dos por un elemento intermedio (pistón, vejiga o membrana). Esta separación se realiza para
impedir la absorción del gas por parte del fluido de trabajo del circuito. Por uno de los lados se
introduce la fase gaseosa, que determinará (según su presión de llenado p0) la presión de carga
del acumulador p, por el otro se conecta con el circuito hidráulico. Si la presión del gas es superior
a la del fluido de trabajo, el acumulador devolverá parte de la energía que había almacenado
anteriormente comprimiendo el gas.
Ilustración 19: Acumulador de gas de vejiga [27]
Aplicaciones de los acumuladores
La mayoría de los acumuladores justifican su uso por el ahorro energético que permiten ya
que su colocación posibilita la utilización de bombas de menor tamaño, reduciendo así su
consumo energético.
Reserva de energía: Hay ciertas máquinas como por ejemplo las de estampación, soplado
o inyección que requieren un caudal enorme durante un corto espacio de tiempo. Si se
dimensionase la bomba de estos sistemas para ser capaz de satisfacer ese pico de caudal, se
necesitaría una de tamaño descomunal. Para evitar esto se colocan acumuladores que, cargados
por una bomba más reducida, permiten satisfacer la demanda de caudal en esos instantes
concretos.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
33
Ilustración 20: Suministro de caudal punta [27]
Compensación de fugas: Las instalaciones que están sometidas a elevada presión durante
un tiempo prolongado terminan teniendo elevadas fugas. Un sistema de reposición de estas fugas
muy eficaz es el uso de un acumulador. Éste inserta fluido en el circuito hidráulico manteniendo
en todo momento constante el volumen de fluido circulando.
Accionamiento de dispositivos de seguridad: El acumulador actúa en caso de avería o
fallo del sistema de propulsión principal. De esta forma se puede seguir funcionando durante el
tiempo de descarga del acumulador. Muy utilizado en circuitos de lubricación de cojinetes de
grandes equipos que deben estar permanentemente lubricándose. También suelen emplearse para
accionar cierres o compuertas de seguridad.
Ilustración 21: Suministro de aceite lubricante [27]
Recuperación de energía: En sistemas con una inercia elevada, puede conectarse una
bomba al eje de giro del sistema aprovechando esta energía para, durante la frenada, cargar el
acumulador. La energía almacenada puede servir para arrancar de nuevo la carga cuando sea
requerido, siendo por tanto un sistema reversible.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Ilustración 22: Acumulación de energía [27]
Suspensión: Permite el contacto permanente con la carretera, aumentando la adherencia y
por consiguiente la estabilidad del vehículo. El pasajero aprecia muy atenuados los baches y
defectos en la calzada. Su función es puramente elástica.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
35
Regulador
La presencia del acumulador en el sistema da lugar a un continuo cambio de la presión
soportada por la bomba (aumenta durante el proceso de frenada) así como por el motor (disminuye
durante la marcha). Este permanente cambio de presión obliga a introducir un regulador que
permita controlar la cilindrada variable de las máquinas a través de una consigna de par, sin la
cual éste experimentaría permanentes perturbaciones a lo largo de todo el proceso de frenada
regenerativa.
Regulador de potencia constante para un sistema con velocidad constante
La potencia se puede expresar desde los puntos de vista hidráulico y mecánico de la
siguiente forma:
𝑁 = ∆𝑝 ∙ 𝑄 = 𝑀 ∙ 𝜔
Pero dado que la presión de entrada, se considera la del ambiente (nula si trabajamos con
presiones relativas) y la de salida será igual a la del acumulador quedará:
∆𝑝 = 𝑝𝑠 − 𝑝𝑒 = {𝑝𝑠 = 𝑝𝑝𝑒 = 0} = 𝑝
Pudiendo expresar el caudal en función de la cilindrada:
𝑄 = �̅� 𝜔 =𝑉
2𝜋𝜔
Si se quiere mantener la potencia constante, debe serlo el producto de la presión p, la
cilindrada V y la velocidad como se observa a continuación:
𝑁 = 𝑐𝑡𝑒 → 𝑝 ∙ 𝑉 ∙ 𝜔 = 𝑐𝑡𝑒
Y cuando la velocidad sea constante, como ocurre en buena parte de las aplicaciones de
interés con reguladores de potencia constante, la condición anterior se simplifica a:
𝑁 = 𝑐𝑡𝑒 → 𝑝 ∙ 𝑉 = 𝑐𝑡𝑒
A esta misma conclusión se habría llegado a través del análisis de las variables mecánicas
M y . Continuando con la idea de que sea constante y teniendo en cuenta que:
𝑀 = ∆𝑝 ∙ 𝑉 = 𝑝 ∙ 𝑉
Se llega a la condición 𝑁 = 𝑐𝑡𝑒 → 𝑝 ∙ 𝑉 = 𝑐𝑡𝑒, obtenida anteriormente. Llegado este
punto debe hacerse notar que la función del regulador de potencia es la de modificar la cilindrada
recibiendo una consigna de par de tal forma que se adapta para según la presión del calderín,
mantener el par constante. De esta forma, cuando la presión aumente en el proceso de carga del
acumulador, la cilindrada disminuirá y cuando la presión disminuya durante la marcha, la
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
36
cilindrada aumentará. El hecho de que la velocidad de funcionamiento sea también constante es
el que hace que no solo el par, sino también la potencia se mantengan constantes.
Regulador de par constante para un sistema con velocidad no constante
La expresión del par es:
𝑀 = ∆𝑝 ∙ �̅�
Expresión válida tanto si la velocidad de la máquina es constante como si no lo es. Bajo las
consideraciones hechas anteriormente en el apartado del regulador de potencia constante, se llega
a:
𝑀 = 𝑐𝑡𝑒 → 𝑝 ∙ 𝑉 = 𝑐𝑡𝑒
Esto es, que un regulador de potencia constante, concebido para trabajar con velocidad
constante, es un regulador de par constante cuando dicha velocidad no permanece constante, tal
como ocurre en los dispositivos de frenada regenerativa concebidos para trenes, autobuses y
coches [28].
Funcionamiento del regulador
El regulador como se ha comentado anteriormente regula la cilindrada de la bomba en
función de la presión de servicio de manera que se adapte el par a la consigna. A continuación se
explicará brevemente su funcionamiento.
Ilustración 23: Regulador de par constante [29]
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
37
Inicialmente se introduce la consigna del regulador mediante la precompresión del resorte
ajustable (3). El pistón de medición (5) está en contacto con el fluido a la presión p (7), presión
del acumulador en cada instante. Cuando la presión aumenta, el pistón es desplazado por el fluido
hacia arriba, actuando sobre el soporte basculante. Éste a su vez actúa sobre la servo válvula (1)
(cuyo funcionamiento estudiaremos más adelante) produciendo un incremento de presión en la
cara de mayor área del cilindro de posicionamiento (6) desplazándolo hacia la izquierda. De esta
forma disminuye la cilindrada. El pistón de posicionamiento está unido al plato inclinado de la
bomba/motor permitiendo variar su ángulo de inclinación el cual determina la cilindrada (mirar
ilustración 25).
El desplazamiento del cilindro de posicionamiento hace que cambie la distancia s que
marca el brazo de basculamiento (8). Variando esta distancia deberá producirse un incremento
mayor de la presión para seguir desplazando el cilindro, puesto que al disminuir el brazo de
palanca se requerirá más fuerza sobre el pistón de medición.
Al mismo tiempo, una disminución de la presión p hará que la fuerza ejercida por el resorte
ajustable sea mayor a la del pistón de medición, venciendo a este y desplazándolo hacia abajo. En
este desplazamiento el soporte basculante volverá a su posición actuando sobre la servo válvula
y disminuyendo la presión en la cara derecha del pistón de posicionamiento. Esta disminución de
la presión producirá un desplazamiento hacia la derecha del cilindro aumentando la cilindrada de
la máquina.
Ilustración 24: Característica p-Q de un regulador de resorte [29]
En función de la velocidad de giro (variable en nuestro caso) el regulador trata de mantener
al sistema funcionando en su correspondiente hipérbola de potencia. Así al aumentar la presión
se observa en el gráfico como disminuye el caudal (directamente relacionado con la cilindrada) y
viceversa.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
38
Ilustración 25: Bomba variable con regulador de potencia [29]
Se puede observar en la ilustración 25 cómo el cilindro de posicionamiento está unido al
plato de la bomba permitiendo según su desplazamiento modificar la cilindrada. También se
aprecia muy bien la totalidad del sistema, lo que será útil para explicar a continuación la función
de la servo válvula.
Servo válvulas
Las servo válvulas permiten la conexión de dos o más vías, diferenciándose de las válvulas
en su capacidad para controlar la presión o el caudal. Como válvula de mando del regulador se
emplea una servo válvula cuyo funcionamiento es muy similar a un divisor de presión,
permitiendo la existencia de distintas presiones (variables según las circunstancias del circuito)
en sus diferentes vías [30].
Ilustración 26: Servo válvula de centro abierto [31]
Antes de comenzar la explicación debe hacerse notar que los números 1, 2 y 3 de la
ilustración 26 se corresponden con los de la ilustración 25. En estado de equilibrio, la presión que
llega por el punto 2 es la correspondiente a la de la bomba (en este caso definida por el
acumulador), al mismo tiempo la presión 3 se corresponde con la ambiental (cero si se trabaja en
presiones relativas). La presión 1 será una intermedia entre la ambiente y la de la vía 2 según sean
las caídas de presión provocadas por los espacios a0.
1
2 3
1
2
3
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
39
Cuando la presión p aumenta, el pistón de medición desplaza el soporte basculante,
ejerciendo una mayor fuerza X. Esta fuerza desplaza el pistón de la servo válvula hacia la
izquierda. El espacio a0 izquierdo disminuye, pero el derecho se incrementa asemejando la presión
de la vía 1 a la de la 2. La vía 1 se conecta con el área grande del cilindro de posicionamiento
incrementando ahí su presión hasta alcanzar el equilibrio con la otra cara. Como se comentó en
el apartado del regulador, al desplazarse el cilindro de posicionamiento hacia la izquierda se
disminuye el brazo de palanca que el pistón de medición ejerce sobre el soporte basculante.
Disminuyendo este brazo de palanca para seguir desplazando el cilindro hacia la izquierda se
requerirá cada vez más fuerza.
El razonamiento puede seguirse de forma inversa si la presión p en lugar de aumentar
disminuyese, produciendo en este caso un desplazamiento del cilindro de posicionamiento hacia
la derecha y con él un incremento de la cilindrada. Aunque generalmente suelen usarse servo
válvulas de centro abierto (a0 positivo) también existen las de centro crítico (a0 nulo) y las de
centro cerrado (a0 negativo).
Ilustración 27: Servo válvula de centro crítico (1), de centro cerrado (2) y de centro abierto (3)
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
41
Transmisión hidrostática
Una vez realizado el esquema del sistema que sirve de primera aproximación y tras recibir
algún consejo por parte de distribuidores del sector de la hidráulica, se considera el estudio de los
sistemas de transmisión hidrostática para analizar su recorrido en el marco de este proyecto.
La transmisión hidrostática es aquella que permite la transmisión de energía por medio de
un fluido. En concreto, con un caudal reducido considerado prácticamente constante permite
transmitir una potencia variable regulando también la presión. Se emplea desde la segunda mitad
del siglo XX fundamentalmente en maquinaría agrícola así como en el sector de la construcción.
Su éxito en este sector es debido a la enorme capacidad de adaptación del caudal, logrando
respuestas muy rápidas con un nivel de control extraordinario. Al mismo tiempo pueden generar
enormes fuerzas resultando dispositivos compactos y no excesivamente pesados.
El principio básico de funcionamiento de estos sistemas es el de la prensa hidráulica, al
aplicar una fuerza f sobre una superficie con diámetro d, el fluido hidráulico (supuesto
incompresible) en ausencia de pérdidas, transmite esta fuera a la segunda superficie de diámetro
H, resultando un módulo F. Tal y como se aprecia en la figura:
Ilustración 28: Prensa hidráulica [32]
La fuerza F resultante será igual a:
𝐹 =𝐷2
𝑑2∗ 𝑓
De esta expresión se deduce que a mayor sea el diámetro de la segunda superficie (D)
respecto del de la primera (d), la fuerza necesaria para obtener la resultante F resulta ser cada vez
menor. A su vez, dado que el volumen de aceite desplazado es el mismo en todo el sistema (el
volumen que baja la primera superficie debe ser igual al volumen que sube la segunda), se puede
concluir que a mayor diferencia de diámetros, el desplazamiento de la segunda superficie es
menor:
𝐻 =𝑑2
𝐷2∗ ℎ
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
42
Para evitar la limitación de desplazamiento producida por el limitado volumen de fluido (la
segunda superficie solo podría subir hasta que la primera tocase fondo), se sustituye la primera
superficie por una bomba que bombea el fluido hacia la segunda superficie cogiéndolo de un
depósito.
En cuanto al análisis de la energía, la energía total, puede considerarse como suma de la
energía de presión, la energía cinética, la potencial y la térmica. Si se toman dos secciones
cualesquiera del circuito con distintas secciones S1 y S2, siendo v1 y v2 las velocidades medias del
fluido en esa sección, Z1 y Z2 las alturas de sus centros de gravedad respecto de un plano de
referencia, p1 y p2 las presiones estáticas y e1 y e2 las energías térmicas en cada una de las
secciones, se cumplirá según la ecuación de Bernouilli [32]:
𝑍1 +𝑣1
2
2 ∗ 𝑔+
𝑝1
𝛾+ 𝑒1 = 𝑍2 +
𝑣22
2 ∗ 𝑔+
𝑝2
𝛾+ 𝑒2 = 𝑐𝑡𝑒
Ilustración 29: Ecuación de Bernouilli [32]
Para entender su funcionamiento, se emplea como modelo el sistema de transmisión
hidrostática disponible en el Laboratorio de Fluidos de ICAI (OIL-GEAR LEM 41-001). Se trata
de un sistema compuesto por [33]:
-Motor eléctrico asíncrono encargado de dar la potencia necesaria a la bomba principal.
Gira a una velocidad constante de 1200 rpm.
-Bomba principal OIL-GEAR DH-411 de pistones radiales de alimentación interior y
cilindrada variable. Cilindrada máximaO 26,5 cm3/rev. Encargada de transmitir la potencia al
fluido del sistema hidráulico.
-Motor OIL-GEAR C-411 de pistones radiales y cilindrada fija igual a 21,9 cm3/rev,
admitiendo una presión máxima en funcionamiento continuo de 70 bar y de 115 bar en
funcionamiento intermitente. Encargada de transmitir la potencia a una carga.
-Dinamómetro con regulación haciendo las veces de carga variable desplazada por el
motor.
-Caudalímetro de engranajes exteriores, V=14,67 cm3/rev.
-Filtro, sistemas de refrigeración y válvulas para mantener la presión de la rama de baja así
como válvulas de seguridad para evitar la sobrecarga del sistema
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
43
Brevemente explicado, el motor eléctrico mueve la bomba principal a velocidad variable,
la cual desplaza un caudal diferente según como se regule su cilindrada. Este caudal será el
encargado de desplazar el motor hidráulico que mueve la carga representada por el dinamómetro.
Éste último se puede regular para estudiar el comportamiento del sistema a distintas cargas.
A la hora de adaptar este tipo de sistema al proyecto actual, se presentan una serie de
necesidades. En primer lugar el motor eléctrico desaparece, siendo el propio vehículo el que, con
su energía cinética, desplaza el eje de la bomba. En segundo lugar surge la necesidad de incorporar
un dispositivo capaz de almacenar la energía recogida a través de la bomba durante el proceso de
frenado. De esta forma, habría que colocar un acumulador en la rama A. El dinamómetro en este
caso resultaría ser el propio vehículo y la resistencia que opone al relanzamiento de la marcha.
En una primera fase (durante la frenada), se comprimiría el gas en el acumulador,
desconectándose toda la parte derecha del circuito. En una segunda fase (la de marcha) el
acumulador se acoplaría a la parte derecha para mover el motor encargado de reanudar la marcha,
siendo en este caso innecesaria la parte izquierda del circuito. Llegados a este punto, y
consecuencia del funcionamiento por fases del sistema podemos considerar la inutilidad de este
circuito. No es necesaria una transmisión hidrostática, puesto que en ningún momento se verán
conectados los dos lados del circuito, es el acumulador el que los separa en dos, siendo por tanto
más simple el siguiente esquema:
Ilustración 30: Circuito hidráulico Transmisión Hidrostática OIL-GEAR LEM 41-001 [33]
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Ilustración 31: Sistema de frenada regenerativa con bomba/motor reversibles
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Si bien es cierto, la dificultad de encontrar sistemas reversibles bomba/motor nos hace
plantearnos la siguiente alternativa:
Ilustración 32: Sistema de frenada regenerativa con bomba y motor en paralelo
Con esta idea en mente, se procede a la realización de los cálculos necesarios para
determinar el sistema.
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Cálculos sistema de frenada regenerativa
A continuación se procederá a realizar los cálculos necesarios para la fabricación del
sistema completo de frenada regenerativa. Este estará compuesto fundamentalmente por los
siguientes elementos:
-Un acumulador de vejiga o de pistón que almacenará la energía y posteriormente la
devolverá descomprimiendo el gas. Se eligen estos tipos de acumulador por ser los más
recomendados para soportar altas presiones y llevar asociados poca inercia de movimiento.
-Un sistema reversible bomba/motor conectado al eje del vehículo funcionando como
bomba durante la frenada, la cual aprovechará esta energía cinética para comprimir el gas
contenido en un acumulador. La bomba será preferiblemente de cilindrada variable para poder
controlar la potencia y el par según requerimientos.
-Un sistema reversible bomba/motor cuya función como motor es la de reiniciar la marcha
del vehículo tras la parada aprovechando la energía que le brinda el acumulador. Será
preferiblemente de cilindrada variable para poder regular su potencia y par según requerimientos.
-Un regulador que permita, modificando la cilindrada de la bomba o el motor, regular la
potencia y par entregados.
-El sistema hidráulico formado por las tuberías y válvulas que permitan la interconexión
entre los distintos elementos.
-Sistema de transmisión entre la bomba, el motor y el eje motriz del vehículo, tanto para
recoger su energía cinética como para relanzar la marcha.
Los cálculos se realizarán tanto para trenes como para autobuses y coches. Se toman como
referencia los siguientes modelos:
-Tren de la serie 3000 perteneciente al parque móvil de la red de Metro de Madrid
-Autobús de transporte público perteneciente al parque móvil de la EMT Madrid
-Automóvil Wolkswagen Golf GTI
En primer lugar se procederá al cálculo del acumulador, siguiendo con el cálculo asociado
a la bomba y el motor. Posteriormente se realizarán los cálculos relacionados con el regulador. Se
explicará detalladamente el proceso de cálculo para el tren, en el caso del autobús y el automóvil,
se presentarán los datos de forma resumida siguiendo para los cálculos el mismo proceso seguido
con el tren. Se detallarán solamente los aspectos de cálculo diferentes a los del tren.
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Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Cálculo acumulador [27]
Un acumulador de gas, antes de entrar en operación, debe ser cargado con el gas (en
ausencia de líquido del circuito hidráulico). Esta presión de carga inicial del gas se denominará
p0. En este caso se emplea el N2 como gas de operación. Una vez cargada la vejiga de nitrógeno,
el acumulador puede entrar en funcionamiento admitiendo la entrada en ésta del fluido hidráulico.
Como fluido hidráulico se ha elegido Aceite Mineral HLP 46. Un aceite hidráulico (H) con
aditivos que evitan la corrosión e incrementan su durabilidad (L), así como mejoran su habilidad
de portar cargas (P). El 46 es un código de viscosidad según norma DIN 51517 [34]. La vejiga
durante todo instante de trabajo permanece comprimida, tanto más cuanto mayor sea el volumen
de líquido admitido en el interior del acumulador.
A la presión mínima de trabajo del acumulador se la denominará p1 y es habitual que sea
ligeramente superior a p0 para evitar posibles pérdidas y deterioro de la vejiga por rozamiento con
las paredes del acumulador. Del mismo modo se llamará p2 a la presión máxima de trabajo, siendo
en los acumuladores de vejiga aproximadamente cuatro veces superior a p0. V0, V1 y V2 son
respectivamente los volúmenes de gas a presiones p0, p1 y p2.
La diferencia entre V1 y V2 (ΔV) representa el volumen total de líquido que puede
almacenarse en el interior del acumulador (volumen útil) en el rango de presiones p1 y p2.
Ilustración 33: Posibles estados del acumulador [27]
El cálculo de un acumulador consiste en la determinación del volumen apropiado marcado
por V0, capaz de dar cabida a una cantidad de líquido igual a ΔV en el intervalo de presiones p1 y
p2. Al trabajar con un gas, entre las ecuaciones necesarias para determinar el acumulador se
encuentran las de los gases ideales. En función de la velocidad de carga y descarga, los gases se
comportarán de forma adiabática (en procesos rápidos que no permitan intercambio de calor) o
siguiendo un proceso isotermo (procesos más lentos). Por norma general, en el cálculo de los
acumuladores se establece:
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 < 5 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠: 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑎𝑑𝑖𝑎𝑏á𝑡𝑖𝑐𝑜
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 > 5 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠: 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑖𝑠𝑜𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
50
La carga del acumulador suele realizarse a través de una bomba, la cual requiere poco
tiempo para llenar completamente el acumulador. Por ello siempre se considerarán los procesos
de carga como adiabáticos.
En el sistema estudiado, la descarga se producirá durante el proceso de aceleración del
vehículo, teniendo éste lugar en un breve lapso de tiempo (siempre inferior a 5 minutos) por lo
que parece razonable considerar también como adiabático el proceso de descarga.
Cálculo acumulador tren
A continuación se detallan los cálculos asociados a la aplicación del sistema en trenes. En
concreto se toma como referencia el tren de la Serie 3000 perteneciente al parque móvil del Metro
de Madrid. El tren se compone de seis coches o vagones dispuestos:
Ilustración 34: Disposición Serie 3000 [35]
Los datos técnicos necesarios para los cálculos se recogen en la tabla siguiente:
Velocidad máxima vmax [km/h] 80
Aceleración máxima de marcha amax_m [m/s2] 1
Aceleración máxima de frenada amax_f [m/s2] 0,8
Masa del tren m0 [Tn] 159,7
Carga máxima (pasajeros) m_pas [Tn] 78
Masa total a carga máxima mt [Tn] 238
Masa reducida de las inercias miner [Tn] 13
Masa máxima con inercias mmax [Tn] 250,7
Pendiente máxima pmax [%] 5
Radio de las ruedas R [m] 0,4
Tabla 1: Datos técnicos tren Serie 3000 [35]
Estos datos se han obtenido gracias a la colaboración de Antonio Fernández Cardador,
director del Máster Ferroviario en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería ICAI. También ha
resultado muy útil el documento “Parque de Material Móvil Plano 22.500” de Enero de 2009
publicado por el Metro de Madrid.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
51
El objetivo es acumular la máxima energía posible. Por ello se calcula el acumulador para
ser capaz de admitir toda la energía de un tren en movimiento. El dato de partida es la presión
máxima del mismo (p2 = 400 bar). De tal forma que:
𝑝0 =𝑝2
4= 100 𝑏𝑎𝑟 (20)
Se establece este valor de p0 no inferior a la cuarta parte de p2 para evitar un rápido deterioro
de la vejiga. Al mismo tiempo y como se explica anteriormente p1 se establece ligeramente
superior a p0 para evitar el roce de la vejiga con las paredes del acumulador:
𝑝1 =𝑝0
0,9= 111,1 𝑏𝑎𝑟 (21)
Conocidas las presiones y los datos técnicos del tren se calcula la energía cinética del
mismo en su momento de velocidad máxima y a carga máxima (máxima energía que podrá
acumularse):
𝐸𝑐 =1
2∗ 𝑚𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑣𝑚𝑎𝑥
2 = 61911 𝑘𝐽 (22)
La energía que deberá almacenar el acumulador será ligeramente mayor como
consecuencia de las pérdidas en la bomba y en el circuito hidráulico (ƞb y ƞh respectivamente),
quedando la energía hidráulica del acumulador:
𝐸ℎ =𝐸𝑐
ƞ𝑏∗ƞℎ= 66500 𝑘𝐽 (23)
Siendo el proceso adiabático según consideraciones anteriores, se determina el exponente
adiabático del N2 según el siguiente gráfico:
Ilustración 35: Variación del exponente adiabático del nitrógeno con la presión y la temperatura [27]
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
52
Considerando T0 y T1 = 300 K y siendo p0 = 100 bar, se puede aproximar el exponente
adiabático por k = 1,5. La expresión de la energía contenida en un proceso adiabático en función
de la masa de gas presente es la siguiente (siendo R la constante particular del N2 como gas ideal):
𝐸ℎ =𝑚𝑁2
∗𝑅∗𝑇1
1−𝑘∗ (1 − (
𝑝1
𝑝2)
1−𝑘
𝑘 (24)
Y despejando la masa de nitrógeno:
𝑚𝑁2= 701 𝑘𝑔 (25)
Al tratarse el nitrógeno de un gas ideal, a partir de su masa podemos determinar V0_t (igual
al volumen del acumulador):
𝑉0_𝑡 =𝑚𝑁2∗𝑅∗𝑇0
𝑝0= 6,2 𝑚3 (26)
Sin embargo, se disponen de seis coches lo que permite repartir este volumen total en
distintos acumuladores situados de forma individual por vagón, quedando:
𝑉0 =𝑉0_𝑡
6= 1,04 𝑚3 (27)
Resumiendo los resultados:
Presión máxima p2 [bar] 400
Presión de carga del gas p0 [ba] 100
Presión mínima de funcionamiento p1 [bar] 111,1
Masa de Nitrógeno m_N2 [kg] 701
Volumen total del acumulador V0_t[m3] 6,2
Volumen acumulador por coche V0 [m3] 1
Tabla 2: Resumen acumulador para tren
Una vez conocido el volumen necesario del acumulador, se selecciona uno que se adecúe
a los resultados obtenidos. Tras valorar varias posibilidades así como distribuidores, se eligen los
acumuladores de la marca HYDAC INTERNACIONAL. En concreto un acumulador de vejiga
con presión máxima de 400 bar (o la marcada por la bomba y el motor) y volumen de 200 litros.
Dado que el tren necesita consecuencia de su enorme masa un volumen en acumuladores de
aproximadamente 1 m3, se emplearán cinco en serie alcanzando la capacidad deseada.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
53
Ilustración 36: Acumulador de vejiga HYDAC modelo estándar [36]
Entre las ventajas que presentan los acumuladores de HYDAC cabe destacar la posibilidad
que ofrecen de fabricarlos completamente de acero inoxidable, algo muy recomendable para
evitar cualquier tipo de corrosión. Además, permiten sobrepresiones de hasta 550 bar lo que
ofrece cierto margen para trabajar a presiones más altas que los 400 bar estimados en los cálculos.
Cálculo acumulador autobús
Para los cálculos relacionados con el autobús, se emplea como modelo el Iveco Cityclass
12.29 perteneciente a la flota de autobuses de la EMT de Madrid. Los datos técnicos necesarios
para el cálculo del acumulador son los siguientes:
Velocidad máxima vmax [km/h] 100
Aceleración máxima de marcha amax_m [m/s2] 1,39
Aceleración máxima de frenada amax_f [m/s2] 3,9
Masa del autobús m0 [Tn] 13
Carga máxima (pasajeros) m_pas [Tn] 7,5
Masa total a carga máxima mt [Tn] 21
Masa reducida de las inercias miner [Tn] 0,6
Masa máxima con inercias mmax [Tn] 21,6
Pendiente máxima pmax [%] 10
Radio de las ruedas R [m] 0,48
Tabla 3: Datos técnicos autobús EMT Madrid
Para la obtención de estos datos se ha utilizado documentación de la EMT de Madrid
disponible en su web, así como algunas aproximaciones estimativas. Para la aceleración máxima
de marcha se ha supuesto una aceleración de 0 a 100 km/h en un intervalo de 20 segundos. Para
la de frenada, se supone un espacio de frenado de 400 metros para pasar de su velocidad máxima
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
54
a parado. En cuanto a la pendiente máxima, diversas normativas no recomiendan pasar del 10%
en cualquier tipo de vía. Como caso más desfavorable se toma este máximo.
El peso de las ruedas influye enormemente en la masa total del conjunto, consecuencia de
la inercia que adquieren al girar. Diversos cálculos experimentales aseguran que, en concreto, se
puede aproximar considerando que cada kilogramo de peso que aporta la rueda puede
contabilizarse como cuatro kilogramos en el global del conjunto en movimiento. Esta ha sido la
aproximación empleada para el cálculo de las inercias.
Por último, se han considerado los neumáticos 275/70 R22.5 del fabricante Handkook,
distribuidor oficial de los autobuses de la EMT de Madrid. El primer término se corresponde con
la anchura, en este caso 275 mm. El segundo hace referencia a la relación entre la altura del flanco
y la anchura de la sección del neumático (Porcentaje del ancho al que corresponde el flanco del
neumático). La R indica la fabricación interna del neumático, en este caso radial (es lo más común
en la actualidad). El último término hace referencia al diámetro interno del neumático, es decir,
la altura de la llanta expresada en pulgadas. Conocida la altura de la llanta y añadiéndole el flanco
de la rueda se puede obtener fácilmente el radio del neumático.
Tras realizar los cálculos empleando los datos arriba mostrados y siguiendo el mismo
proceso de cálculo que se empleó con el tren, se obtiene:
Presión máxima p2 [bar] 400
Presión de carga del gas p0 [bar] 100
Presión mínima de funcionamiento p1 [bar] 111,1
Masa de Nitrógeno m_N2
[kg] 94
Volumen total del acumulador V0_t[m3] 0,8
Tabla 4: Resumen acumulador para autobús
En el caso del autobús, y al necesitar únicamente un volumen aproximado de 0,8 m3 se
emplearán cuatro acumuladores de vejiga HYDAC dispuestos en serie, cada uno con una presión
de trabajo de 400 bar (o la marcada por la bomba y el motor) y un volumen de 0,2 m3.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
55
Cálculo acumulador coche
Para los cálculos relacionados con el coche, se elige como modelo el Wolkswagen Golf
GTI cuyas características técnicas necesarias para la realización de los cálculos asociados al
acumulador son:
Velocidad máxima vmax [km/h] 120
Aceleración máxima de marcha amax_m [m/s2] 3,33
Aceleración máxima de frenada amax_f [m/s2] 10,1
Masa del coche m0 [Tn] 1,3
Carga máxima (pasajeros) m_pas [Tn] 0,4
Masa total a carga máxima mt [Tn] 1,6
Masa reducida de las inercias miner [Tn] 0,1
Masa máxima con inercias mmax [Tn] 1,7
Pendiente máxima pmax [%] 10
Radio de las ruedas R [m] 0,3
Tabla 5: Datos técnicos coche Wolkswagen Golf GTI
Para la obtención de los datos se ha empleado la web oficial de Wolkswagen. La velocidad
máxima escogida ha sido la máxima permitida en carretera. Para la aceleración máxima de marcha
se ha supuesto una aceleración de 0 a 100 km/h en un tiempo de 10 segundos. La aceleración
máxima de frenada se ha obtenido suponiendo una distancia de frenado de 55 metros para pasar
de velocidad máxima a parado.
Para las masas reducidas se ha empleado la misma aproximación empleada en los
autobuses, se incrementa en cuatro veces la masa de los neumáticos para considerar la inercia
adquirida por éstos durante la marcha. Los neumáticos que utiliza son del tipo 225/45 R17,
obteniendo su radio de la misma forma que se detalla en el apartado del cálculo para autobuses.
Tras realizar los cálculos empleando los datos arriba mostrados y siguiendo el mismo
proceso de cálculo que se empleó con el tren, se obtiene:
Presión máxima p2 [bar] 400
Presión de carga del gas p0 [bar] 100
Presión mínima de funcionamiento p1 [bar] 111,1
Masa de Nitrógeno m_N2
[kg] 11
Volumen total del acumulador V0_t[m3] 0,1
Tabla 6: Resumen acumulador para coche
Finalmente, se empleará un acumulador HYDAC de vejiga con un volumen de 100 litros
y una presión de trabajo de 400 bar o la marcada por la bomba y motor.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
56
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
57
F
marcha
Cálculos bomba/motor
Para poder continuar con el desarrollo del sistema de acumulación de energía, se hace
necesario determinar los parámetros funcionales del sistema bomba/motor que se conectarán al
circuito hidráulico. Por simplificar se realizarán los cálculos como si se tratase de dos dispositivos
independientes, una bomba y un motor.
Ambos trabajarán a la presión determinada en cada instante por el acumulador, suponiendo
ausencia de pérdidas en el circuito hidráulico. Conocida la presión de trabajo (variable en función
de la carga del acumulador) falta por conocer la cilindrada de los mismos así como su rango de
velocidades de trabajo.
Lo más adecuado es el uso de máquinas volumétricas de cilindrada variable, que puedan
ajustarse según lo requieran las circunstancias. Por ello lo que se determina será la máxima
cilindrada necesaria, la cual tendrá lugar en las peores condiciones de frenada (para la bomba) y
las más exigentes condiciones de aceleración (para el motor).
Cálculo bomba/motor tren
Ilustración 37: Diagrama de cuerpo libre vehículo ascendiendo [37]
Para el cálculo de la cilindrada, previamente es necesario conocer el par máximo que
soporta el sistema. Partiendo de una situación de arranque a máxima aceleración admisible y con
una pendiente igual a la máxima (peores condiciones), se determina la fuerza necesaria (Fmarcha)
para mantener una aceleración constante e igual a la máxima.
𝐹𝑚𝑎𝑟𝑐ℎ𝑎 − 𝐹ú𝑡𝑖𝑙 = 𝑚𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑎max _𝑚 (28)
Según los datos de la tabla 1 y sabiendo que la fuerza útil es la componente del peso
paralela a la dirección de avance:
F
útil
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
58
𝐹𝑚𝑎𝑟𝑐ℎ𝑎 = 367 𝑘𝑁
Siendo el radio de las ruedas igual a 0,4 m (tabla 1), se determina el par máximo en
situación de marcha como el producto de Fmarcha por el radio de las ruedas:
𝑀max _𝑚_𝑡 = 𝐹𝑚𝑎𝑟𝑐ℎ𝑎 ∗ 𝑅 = 147 𝑘𝑁 ∗ 𝑚 (29)
Éste sería el par que necesitaría un único motor para desplazar todo el tren, dado que se
dispone de seis coches, se instalará un sistema en cada uno de ellos resultando un par por motor:
𝑀max _𝑚 = 24 𝑘𝑁 ∗ 𝑚 (30)
Simultáneamente, el cálculo para la bomba (necesaria en la frenada) es semejante al del
motor solo que empleando la aceleración máxima de frenada quedando:
𝑀max _𝑓 = 21 𝑘𝑁 ∗ 𝑚 (31)
Si se dispusiera un sistema por eje, dado que cada coche dispone de dos ejes, el par
resultante por eje sería:
𝑀max _𝑚_𝑒𝑗𝑒 = 12 𝑘𝑁 ∗ 𝑚 (32)
𝑀max _𝑓_𝑒𝑗𝑒 = 11 𝑘𝑁 ∗ 𝑚 (33)
Si se aproxima el rendimiento hidromecánico del motor y la bomba a un valor de 0,8 y
siendo la presión máxima admisible la del acumulador (400 bar según tabla 2) según la hidráulica:
𝑉𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 =𝑀max _𝑚
∆𝑝𝑚𝑎𝑥∗ƞℎ𝑚= 4806 𝑐𝑚3/𝑟𝑒𝑣 (34)
𝑉𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 =𝑀max _𝑓∗ƞℎ𝑚
∆𝑝𝑚𝑎𝑥= 2656 𝑐𝑚3/𝑟𝑒𝑣 (35)
Conocidas las cilindradas falta por establecer el rango de velocidades de trabajo (igual para
el motor y la bomba), fácilmente calculable a partir del dato de velocidad máxima y el radio de la
rueda (tabla 1):
𝑛𝑚𝑖𝑛 =𝑣𝑚𝑖𝑛
𝑅= 0 𝑟𝑝𝑚 (36)
𝑛𝑚𝑎𝑥 =𝑣𝑚𝑎𝑥
𝑅= 531 𝑟𝑝𝑚 (37)
Por último se puede calcular la potencia como producto del par por la velocidad con los
correspondientes cambios de unidad quedando:
𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟_𝑒𝑗𝑒 = 𝑀max _𝑚_𝑒𝑗𝑒 ∗ 𝑛𝑚𝑎𝑥 = 680 𝑘𝑊 (38)
𝑃𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎_𝑒𝑗𝑒 = 𝑀max _𝑓_𝑒𝑗𝑒 ∗ 𝑛𝑚𝑎𝑥 = 587 𝑘𝑊 (39)
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
59
Resumiendo los resultados:
MOTOR BOMBA
Par máximo marcha por eje [kN·m] 12
Par máximo frenada por eje [kN·m] 11
VMOTOR [cm3/rev] 4806 VBOMBA [cm3/rev] 2656
nMOTOR MÍNIMA [rpm] 0 nBOMBA MÍNIMA [rpm] 0
nMOTOR MÁXIMA [rpm] 531 nBOMBA MÁXIMA [rpm] 531
PMOTOR [kW] 680 PBOMBA [kW] 587
Tabla 7: Resumen resultados bomba/motor para tren
Según los datos obtenidos, y tras consultar con un experto de Bosch Rexroth se elige un
motor variable de pistones axiales A6VM y una bomba doble variable de pistones axiales A20VO
(catálogos en anexos). La comparativa entre características ideales y las alcanzadas con las
máquinas seleccionadas queda:
MOTOR TREN
BOSCH Motor variable a pistones axiales A6VM IDEAL
Par máximo marcha por eje [kN·m] 5,571 12
VMOTOR [cm3/rev] 1000 4806
nMOTOR MÍNIMA [rpm] 0 0
nMOTOR MÁXIMA [rpm] 1600 531
PMOTOR [kW] 746,7 680
Presión [bar] 350 (400 max) 400 Tabla 8: Comparativa motor ideal vs real para tren
BOMBA TREN
BOSCH Bomba doble variable de pistones axiales A20VO IDEAL
Par máximo frenada por eje [kN·m] 5,793 11
VBOMBA [cm3/rev] 1040 2656
nBOMBA MÍNIMA [rpm] 0 0
nBOMBA MÁXIMA [rpm] 1450 531
PBOMBA [kW] 880 587
Presión [bar] 350 (400 max) 400 Tabla 9: Comparativa bomba ideal vs real para tren
Se han seleccionado las máquinas más grandes que comercializa Bosch desde su página
web, si se quisiese alcanzar la cilindrada o el par previstos según cálculos se precisaría más de
una máquina de cada. Sin embargo debe recordarse que los cálculos están hechos suponiendo una
recuperación del 100% de la energía, lo cual es muy optimista. Para una aproximación no tan
optimista las máquinas seleccionadas podrían servir holgadamente.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
60
Cálculo bomba/motor autobús
Recurriendo a la página web oficial de IVECO [38], se extraen los datos fundamentales
asociados al motor. Se trata de un motor Cursor 8 GNC Euro VI cuyas características
fundamentales son:
Ilustración 38: Motor Cursor 8 GNC Euro VI [38]
Conocida la potencia y el par a una velocidad de 2000 rpm, puede calcularse la cilindrada
de la máquina hidráulica necesaria para alcanzar esos valores quedando 216 cm3. Posteriormente,
y siguiendo el mismo proceso de cálculo que con el tren y según los datos de la tabla 3, se obtienen
los resultados de la bomba y motor (velocidades a la salida de la rueda, no del motor):
MOTOR BOMBA
Par máximo marcha [kN·m] 1,1
Par máximo frenada [kN·m] 10
VMOTOR [cm3/rev] 216 VBOMBA [cm3/rev] 1227
nMOTOR MÍNIMA [rpm] 0 nBOMBA MÍNIMA [rpm] 0
nMOTOR MÁXIMA [rpm] 555 nBOMBA MÁXIMA [rpm] 555
PMOTOR [kW] 230 PBOMBA [kW] 567
Tabla 10: Resumen resultados bomba/motor para autobús
Teniendo en cuenta estos datos se eligen un motor variable a pistones axiales A6VM series
71 (Bosch Rexroth) y una bomba doble variable de pistones axiales A20VO (Bosch Rexroth)
cuyos catálogos se pueden consultar en los anexos, quedando:
MOTOR AUTOBÚS
BOSCH Motor variable a pistones axiales A6VM series 71 IDEAL
Par máximo marcha [kN·m] 1,55 1,1
VMOTOR [cm3/rev] 216,5 216
nMOTOR MÍNIMA [rpm] 0 0
nMOTOR MÁXIMA [rpm] 2900 2000
PMOTOR [kW] 376,8 230
Presión [bar] 450 400
Tabla 11: Comparativa motor ideal vs real para autobús
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
61
BOMBA AUTOBÚS
BOSCH Bomba doble variable de pistones axiales A20VO IDEAL
Par máximo frenada por eje [kN·m] 5,793 10
VBOMBA [cm3/rev] 1040 1227
nBOMBA MÍNIMA [rpm] 0 0
nBOMBA MÁXIMA [rpm] 1450 555
PBOMBA [kW] 880 567
Presión [bar] 350 (400
max) 400
Tabla 12: Comparativa bomba ideal vs real para autobús
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
62
Cálculo bomba/motor coche
Para los cálculos asociados al coche (Wolkswagen Golf GTi) se recurre a sus curvas
características de par y potencia:
Ilustración 39: Curvas par/potencia características motor Golf GTi [39]
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
63
Se puede observar que el par máximo es de 308,5 Nm, teniendo lugar a 2183 rpm. Al mismo
tiempo, la potencia en las ruedas desarrollada para ese par puede apreciarse que resulta ser de
aproximadamente 84 BHP, o lo que es lo mismo, 62,6 kW. Si se conectase directamente la bomba
o el motor hidráulicos al motor de combustión, podría superarse la velocidad máxima admitida
por las primeras. El motor de combustión puede alcanzar hasta las 6000 rpm mientras que las
máquinas hidráulicas no suelen sobrepasar las 3500 rpm. Para evitar dañar el sistema hidráulico
se conectará tanto la bomba como el motor directamente a las ruedas, donde la velocidad de giro
es menor a la del motor y viene determinada por la velocidad máxima (supuesta en 140 km/h y el
radio de las ruedas según tabla 5).
Para el cálculo de la cilindrada, empleando los datos anteriores y siguiendo el mismo
proceso de cálculo que con el tren se obtiene un valor de 61 cm3 en el caso del motor y de 39 cm3
en el de la bomba:
MOTOR BOMBA
Par máximo marcha [kN·m] 0,3
Par máximo frenada [kN·m] 0,3
VMOTOR [cm3/rev] 61 VBOMBA [cm3/rev] 39
nMOTOR MÍNIMA [rpm] 0 nBOMBA MÍNIMA [rpm] 0
nMOTOR MÁXIMA [rpm] 1215 nBOMBA MÁXIMA [rpm] 1215
PMOTOR [kW] 62,6 PBOMBA [kW] 62,6
Tabla 13: Resumen resultados bomba/motor para coche
Ante estos resultados se elige un motor variable de pistones axiales A6VM series 65 (Bosch
Rexroth) y una bomba variable de pistones axiales A4VSO (Bosch Rexroth) cuyos catálogos se
pueden consultar en los anexos quedando en comparación con los datos teóricos:
MOTOR COCHE
BOSCH Motor variable a pistones axiales A6VM series 65 IDEAL
Par máximo marcha [kN·m] 0,681 0,3
VMOTOR [cm3/rev] 68 61
nMOTOR MÍNIMA [rpm] 0 0
nMOTOR MÁXIMA [rpm] 3550 1215
PMOTOR [kW] 202 62,6
Presión [bar] 400 400
Tabla 14: Comparativa motor ideal vs real para coche
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
64
BOMBA COCHE
BOSCH Bomba variable de pistones axiales A4VSO IDEAL
Par máximo frenada [kN·m] 0,223 0,3
VBOMBA [cm3/rev] 40 39
nBOMBA MÍNIMA [rpm] 0 0
nBOMBA MÁXIMA [rpm] 2600 1215
PBOMBA [kW] 61 62,6
Presión [bar] 350 (400 max) 400
Tabla 15: Comparativa bomba ideal vs real para coche
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
65
Cálculo regulador
El regulador de potencia constante elegido para el sistema, como ya se comentó
anteriormente, al ser variable la velocidad del sistema, terminará por mantener en lugar de la
potencia, el par constante. Su funcionamiento es puramente mecánico, logrando modificar la
cilindrada de la bomba o motor según la información de presión que le llegue. A continuación se
explicará en detalle todo el proceso que permite entender el mecanismo de regulación.
En la ilustración siguiente se muestra el regulador con sus parámetros característicos tales
como las constantes de los muelles así como las distintas áreas de los pistones que intervienen en
el mecanismo de regulación y los brazos de palanca del soporte basculante.
Ilustración 40: Parámetros característicos regulador
Inicialmente, y en estado de equilibrio, la fuerza ejercida por el pistón de medición sobre
el soporte basculante (ver ilustración 23) debe ser igual a la que ejerce el resorte ajustable:
𝐾2 ∗ 𝑋20 = 𝑃𝑎
0 ∗ 𝐴3 (40)
Siendo 𝑋20 la precompresión del resorte. Para todos los cálculos se considerará que el
resorte se mantiene permanentemente vertical. Para lograr esto se puede suponer que dispone de
una terminación cilíndrica que es la que está en contacto con el soporte basculante. Cuando éste
se desplaza un ángulo, el cilindro desliza por la superficie manteniendo el resorte vertical.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
66
Ilustración 41: Fuerzas presentes en el regulador
De la misma forma, el cilindro de posicionamiento debe encontrarse en equilibrio:
𝐾1 ∗ 𝑋10 + 𝑃𝑎
0 ∗ 𝐴2 = 𝑃𝑠𝑣0 ∗ 𝐴1 (41)
Siendo 𝑋10 la precompresión del resorte del cilindro de posicionamiento. Si se incrementa
la presión hasta 𝑃𝑎 = 𝑃𝑎0 + ∆𝑃𝑎, se desplazará el pistón de medición, empujando el soporte
basculante, hasta alcanzar un nuevo equilibrio:
𝑃𝑎 ∗ 𝐴3 = 𝐾2 ∗ 𝑋2 (42)
𝑋2 =𝐴3∗𝑃𝑎
𝐾2=
(𝑃𝑎0+∆𝑃𝑎)∗𝐴3
𝐾2= 𝑋2
0 +∆𝑃𝑎∗𝐴3
𝐾2 (43)
Ilustración 42: Ángulo inclinación soporte basculante
𝛽 = 𝑡𝑔−1 ∗ (∆𝑃𝑎∗𝐴3
𝐾2∗𝐿2) (44)
𝑋3 → 𝑡𝑔 𝛽 =𝑋3
𝐿1→ 𝑋3 = 𝐿1 ∗ 𝑡𝑔 𝛽 = 𝐿1 ∗ 𝑡𝑔 (𝑡𝑔−1 (
∆𝑃𝑎∗𝐴3
𝐾2∗𝐿2)) = 𝐿1 ∗
∆𝑃𝑎∗𝐴3
𝐾2∗𝐿2 (45)
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
67
Ilustración 43: Parámetros válvula de mando
Una vez conocido 𝑋3 (desplazamiento de la válvula de mando al inclinarse el soporte
basculante un ángulo 𝛽), se puede determinar la presión de salida de la válvula haciendo las
siguientes consideraciones:
𝑎1 = 𝑎0 + 𝑋3 (46)
𝑎2 = 𝑎0 − 𝑋3 (47)
𝐴𝑣1 = 𝜋 ∗ 𝐷´ ∗ (𝑎0 + 𝑋3) (48)
𝐴𝑣2 = 𝜋 ∗ 𝐷´ ∗ (𝑎0 − 𝑋3 (49)
Tanto 𝐴𝑣1 como 𝐴𝑣2 se corresponden con el área de paso del fluido a través de la válvula.
Dado que el caudal debe ser el mismo a ambos lados del cilindro de la válvula:
𝑄 = 𝐶𝑞1 ∗ 𝐴min 𝑣1 ∗ √∆𝑃1
𝜌= 𝐶𝑞2 ∗ 𝐴min 𝑣2 ∗ √
∆𝑃2
𝜌 (50)
Considerando los coeficientes de caudal (𝐶𝑞1 y 𝐶𝑞2) iguales, y teniendo en cuenta:
∆𝑃1 = 𝑃𝑎0 − 𝑃𝑠𝑣
0 (51)
∆𝑃2 = 𝑃𝑠𝑣0 − 𝑃0 (52)
Igualando los caudales de la ecuación 50:
(𝑎0 + 𝑋3) ∗ √𝑃𝑎0 − 𝑃𝑠𝑣
0 = (𝑎0 − 𝑋3) ∗ √𝑃𝑠𝑣0 (53)
(𝑎0 + 𝑋3)2 ∗ (𝑃𝑎0 − 𝑃𝑠𝑣
0 ) = (𝑎0 − 𝑋3)2 ∗ 𝑃𝑠𝑣0 (54)
(𝑎0 + 𝑋3)2 ∗ 𝑃𝑎0 − (𝑎0 + 𝑋3)2 ∗ 𝑃𝑠𝑣
0 = (𝑎0 − 𝑋3)2 ∗ 𝑃𝑠𝑣0 (55)
(𝑎0 + 𝑋3)2 ∗ 𝑃𝑎0 = (𝑎0 + 𝑋3)2 ∗ 𝑃𝑠𝑣
0 + (𝑎0 − 𝑋3)2 ∗ 𝑃𝑠𝑣0 (56)
𝑃𝑠𝑣0 =
(𝑎0+𝑋3)2∗𝑃𝑎0
(𝑎0−𝑋3)2+(𝑎0+𝑋3)2=
(𝑎0+𝑋3)2∗𝑃𝑎0
2∗(𝑎02+𝑋3
2) (57)
Con 𝑃𝑎 = 𝑃𝑎0 + ∆𝑃𝑎:
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
68
𝑃𝑠𝑣0 =
(𝑎0+𝑋3)2∗𝑃𝑎
2∗(𝑎02+𝑋3
2)=
(𝑎0+𝑋3)2∗𝑃𝑎0
2∗(𝑎02+𝑋3
2)+
(𝑎0+𝑋3)2∗∆𝑃𝑎
2∗(𝑎02+𝑋3
2) (58)
𝑃𝑠𝑣 = 𝑃𝑠𝑣0 +
(𝑎0+𝑋3)2∗∆𝑃𝑎
2∗(𝑎02+𝑋3
2) (59)
Una vez conocida la presión de salida de la servo válvula, se puede determinar la nueva
posición de equilibrio del cilindro de posición:
𝐾1 ∗ 𝑋1 = 𝑃𝑠𝑣 ∗ 𝐴1 − 𝑃𝑎 ∗ 𝐴2 (60)
𝐾1 ∗ 𝑋1 = (𝑃𝑠𝑣0 +
(𝑎0+𝑋3)2∗∆𝑃𝑎
2∗(𝑎02+𝑋3
2)) ∗ 𝐴1 − (𝑃𝑎
0 + ∆𝑃𝑎) ∗ 𝐴2 (61)
𝑋1 =𝑃𝑠𝑣
0 ∗𝐴1−𝑃𝑎0∗𝐴2
𝐾1+
(𝑎0+𝑋3)2∗∆𝑃𝑎
2∗(𝑎02+𝑋3
2)∗ 𝐴1 −
∆𝑃𝑎∗𝐴2
𝐾1 (62)
𝑋1 = 𝑋10 +
(𝑎0+𝑋3)2∗∆𝑃𝑎
2∗(𝑎02+𝑋3
2)∗ 𝐴1 −
∆𝑃𝑎∗𝐴2
𝐾1 (63)
El cilindro de posición está unido al plato inclinado de la bomba/motor por lo que cualquier
desplazamiento del primero se traduce en un cambio de inclinación del plato inclinado y por
consiguiente en una variación de la cilindrada.
El primer término de la ecuación 63 muestra la precompresión inicial del muelle unido al
cilindro de posición (𝑋10), mientras que el resto de términos hacen referencia a la compresión
adicional consecuencia del cambio de presión de 𝑃𝑎0 a 𝑃𝑎 = 𝑃𝑎
0 + ∆𝑃𝑎. Es precisamente esta
compresión adicional del muelle el desplazamiento que se producirá en el cilindro de posición
(llamado desplazamiento en las fórmulas).
Ilustración 44: Máquina de pistones axiales de plato inclinado [40]
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
69
Ilustración 45: Desplazamiento plato inclinado de la bomba/motor
𝑡𝑔 𝛼 =𝐿0−𝐷𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐷 (64)
Ilustración 46: Cilindrada máquina de pistones axiales de plato inclinado [40]
Conocida la expresión de la cilindrada, se puede determinar la nueva cilindrada tras el
cambio de presión estudiado (𝑃𝑎 = 𝑃𝑎0 + ∆𝑃𝑎) y la consiguiente regulación llevada a cabo por el
regulador objeto de estudio:
𝑉 =𝜋∗𝑑2
4∗ 𝐷 ∗
𝐿0−𝐷𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐷∗ 𝑧 (65)
𝑉 =𝜋∗𝑑2
4∗ 𝐷 ∗
𝐿0
𝐷∗ 𝑧 −
𝜋∗𝑑2
4∗ 𝐷 ∗
𝐷𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐷∗ 𝑧 (66)
𝑉 = 𝑉0 −𝜋∗𝑑2
4∗ 𝐷 ∗
𝐷𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐷∗ 𝑧 (67)
Sustituyendo el desplazamiento por su expresión correspondiente calculada anteriormente:
𝑉 = 𝑉0 −𝜋∗𝑑2
4∗ 𝑧 ∗ (
(𝑎0+𝑋3)2∗𝐴1
2∗(𝑎02+𝑥3
2)∗𝐾1−
𝐴2
𝐾1) ∗ ∆𝑃𝑎 (68)
Dado que la expresión del par es resultado del producto de la cilindrada por la presión (𝑀 =
𝑉 ∗ ∆𝑃), según la ecuación 68 se puede observar que un incremento de presión igual a ∆𝑃𝑎da
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
70
lugar a un decremento de la cilindrada igual a 𝜋∗𝑑2
4∗ 𝑧 ∗ (
(𝑎0+𝑋3)2∗𝐴1
2∗(𝑎02+𝑥3
2)∗𝐾1−
𝐴2
𝐾1) ∗ ∆𝑃𝑎. Si se quiere
mantener un par constante, debe conseguirse que el decremento de cilindrada sea tal que el
producto del par por la presión se mantenga constante:
𝑀 = 𝑉 ∗ 𝑃 = 𝑐𝑡𝑒 (69)
𝑀 = (𝑃𝑎0 + ∆𝑃𝑎) ∗ (𝑉0 −
𝜋∗𝑑2
4∗ 𝑧 ∗ (
(𝑎0+𝑋3)2∗𝐴1
2∗(𝑎02+𝑥3
2)∗𝐾1−
𝐴2
𝐾1) ∗ ∆𝑃𝑎) (70)
𝑀 = 𝑃𝑎0 ∗ 𝑉0 − 𝑃𝑎
0 ∗𝜋 ∗ 𝑑2
4∗ 𝑧 ∗ (
(𝑎0 + 𝑋3)2 ∗ 𝐴1
2 ∗ (𝑎02 + 𝑥3
2) ∗ 𝐾1
−𝐴2
𝐾1) ∗ ∆𝑃𝑎 + ∆𝑃𝑎 ∗ 𝑉0
−∆𝑃𝑎2 ∗
𝜋∗𝑑2
4∗ 𝑧 ∗ (
(𝑎0+𝑋3)2∗𝐴1
2∗(𝑎02+𝑥3
2)∗𝐾1−
𝐴2
𝐾1) (71)
Dado que ∆𝑃𝑎 tiene un valor pequeño, al estar elevado al cuadrado puede despreciarse,
quedando la expresión del par aproximadamente como:
𝑀 ≈ 𝑃𝑎0 ∗ 𝑉0 − 𝑃𝑎
0 ∗𝜋∗𝑑2
4∗ 𝑧 ∗ (
(𝑎0+𝑋3)2∗𝐴1
2∗(𝑎02+𝑥3
2)∗𝐾1−
𝐴2
𝐾1) ∗ ∆𝑃𝑎 + ∆𝑃𝑎 ∗ 𝑉0
(72)
El objetivo es mantener un par constante y de valor 𝑃𝑎0 ∗ 𝑉0 por lo que el resto de
términos de la ecuación deben anularse:
𝑃𝑎0 ∗
𝜋∗𝑑2
4∗ 𝑧 ∗ (
(𝑎0+𝑋3)2∗𝐴1
2∗(𝑎02+𝑥3
2)∗𝐾1−
𝐴2
𝐾1) ≈ 𝑉0 (73)
Sustituyendo 𝑋3 por su correspondiente valor según la ecuación 45:
𝑃𝑎0 ∗
𝜋∗𝑑2
4∗ 𝑧 ∗ (
(𝑎0+𝐿1∗∆𝑃𝑎∗𝐴3𝐾2∗𝐿2
)2
∗𝐴1
2∗(𝑎02+(𝐿1∗
∆𝑃𝑎∗𝐴3𝐾2∗𝐿2
)2)∗𝐾1
−𝐴2
𝐾1) ≈ 𝑉0 (74)
Debe lograrse que la expresión del lado izquierdo sea igual a la cilindrada inicial, sin
embargo, tal y como se encuentra en la ecuación 74, depende del cambio de presión ∆𝑃𝑎 por lo
que cada instante tomará un valor diferente. La igualdad en su conjunto se puede simplificar en
gran medida si se hace la consideración 𝑎0 = 0. Esto se corresponde con el uso de una servo
válvula de centro crítico (caracterizada precisamente por ser 0 su holgura inicial). Haciendo estas
consideraciones:
𝑃𝑎0 ∗
𝜋∗𝑑2
4∗ 𝑧 ∗ (
(𝐿1∗∆𝑃𝑎∗𝐴3𝐾2∗𝐿2
)2
∗𝐴1
2∗(𝐿1∗∆𝑃𝑎∗𝐴3𝐾2∗𝐿2
)2∗𝐾1
−𝐴2
𝐾1) ≈ 𝑉0 (75)
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
71
𝑃𝑎0 ∗
𝜋∗𝑑2
4∗ 𝑧 ∗ (
𝐴1
2∗𝐾1−
𝐴2
𝐾1) ≈ 𝑉0
(76)
𝑃𝑎0 ∗
𝜋∗𝑑2
4∗ 𝑧 ∗ (
𝐴1−2∗𝐴2
𝐾1) ≈ 𝑉0 (77)
Todos los parámetros que intervienen en la igualdad 77 son constantes.
Independientemente del cambio de presión que se produzca, esa expresión se mantendrá igual a
la cilindrada inicial. Por consiguiente, para mantener el par constante simplemente deben
diseñarse los parámetros del regulador de tal forma que cumplan esa igualdad. Lográndose de
esta forma que la cilindrada decrezca en relación con el aumento de presión, manteniendo siempre
constante el par.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
72
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
73
Conclusiones y futuras aproximaciones
En lo que se refiere a la primera parte de este proyecto, el motor neumático, tras un primer
cálculo de exergía, se obtuvo que la autonomía alcanzable con unos depósitos de aire de tamaño
estándar era muy baja. La autonomía sería quizá suficiente para maquinaria industrial de
transporte de mercancías en lugares de tamaño limitado, sin embargo pareció insuficiente como
para poder competir con los actuales vehículos de propulsión por combustibles fósiles e incluso
los eléctricos. Dado que el objetivo que se perseguía era diseñar un sistema de propulsión útil a
nivel particular y no solo industrial, se decidió focalizar la atención en el sistema de frenada
regenerativa.
Este proyecto se constituye como una primera aproximación a un sistema de frenada
regenerativa tanto para trenes como para autobuses y coches. Se han realizado los cálculos de
dimensionamiento del sistema suponiendo una recuperación del 100% de la energía. Esta primera
aproximación ha permitido seleccionar las máquinas que se comercializan más cercanas a lo
deseado.
De forma ideal, al inicio del proyecto se supuso una instalación que contase con máquinas
bomba/motor reversibles, de tal forma que con una sola máquina se pudiese funcionar
alternativamente como una cosa u otra. Tras consultar con un especialista de Bosch Rexroth (uno
de los grandes dominantes del mercado de la hidráulica) se aseguró la existencia de este tipo de
máquinas. Sin embargo no se encuentran a libre disposición (fácil acceso a sus catálogos) por lo
que se decidió centrarse en un sistema con dos máquinas: una bomba y un motor.
Si bien es cierto que esta decisión incrementa considerablemente el tamaño del sistema,
por otro lado, se dispone de la ventaja de poder contar con máquinas de normal comercialización
y fácil acceso. Al mismo tiempo, tanto en trenes como en camiones el espacio no debería ser un
problema. Una vez seleccionadas las máquinas más adecuadas para el desarrollo del sistema
completo, se plantean una serie de cuestiones a desarrollar en futuros proyectos.
Una vez conocidos los datos teóricos, se hace fundamental una etapa de ensayo con
maquinaria real, por lo que se propone como estudio complementario al proyecto la construcción
del sistema y el ensayo del mismo, para valorar el nivel real de recuperación de energía que se
alcanza.
Especial atención debería ponerse en el sistema para trenes, si se lograse alcanzar una
recuperación de más del 30% se estaría hablando de un sistema más eficaz que el que actualmente
se utiliza en el Metro de Madrid, pudiendo constituirse como una inversión segura y fuente de
interés por parte del sector.
Otro aspecto complementario sería el análisis económico completo asociado a la
fabricación e instalación en vehículos existentes del sistema en cuestión. Tras los ensayos si se
demuestra la eficacia del sistema, éste podría ser el siguiente paso de cara a una comercialización
real.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
74
Por último, una cuestión que podría ayudar en la buena acogida del producto por parte del
mercado sería el análisis pormenorizado de la reducción de emisiones contaminantes que la
instalación de la frenada regenerativa hidráulica supondría.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
75
Bibliografía
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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us_Update/Urbanway/Urbanway_Cursor8/Urbanway_Cursor8_12m.pdf.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
79
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http://defahult.blogspot.com.es/2010/08/curva-de-potencia-vw-golf-v-gti-20-
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[41] http://www.vialibre-ffe.com/PDF/red_ferro_esp.pdf.
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Anexos
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Normativa aplicada
-DIN 51524 referida a los distintos requerimientos que debe cumplir un determinado fluido
hidráulico para ser aplicado en un equipo según las condiciones de trabajo del sistema.
Normativa empleada 1: http://www.essomobilborur.com/files/consejos/Consejo%20195-
%20Normas%20DIN%2051524%20Sistemas%20Hidraulicos.pdf
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
84
-DIN 51517 referida a los lubricantes empleados en un sistema.
Normativa empleada 2: http://www.essomobilborur.com/files/consejos/Consejo%20202-
DIN%2051517%20Engranajes.pdf
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
85
-ISO 4126 referida a los equipos de alta presión.
Normativa empleada 3:
http://www.aenor.es/aenor/normas/normas/fichanorma.asp?tipo=N&codigo=N0052927&pdf=#.VWWgFM_tlBc
Normativa empleada 4:
http://www.aenor.es/aenor/normas/normas/fichanorma.asp?tipo=N&codigo=N0029806#.VWWgY8_tlBc
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
86
Normativa empleada 5:
http://www.aenor.es/aenor/normas/normas/fichanorma.asp?tipo=N&codigo=N0038086#.VWWguM_tlBc
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Catálogos
Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa
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-Acumuladores HYDAC:
http://www.hydac.com/fileadmin/pdb/pdf/PRO0000000000000000000003000080031.pdf
-Motor variable de pistones axiales A6VM (Bosch Rexroth):
http://www.hydba.com/docs/product_pdfs/Fixed-Axial-Piston-Motor-Bosch-Rexroth-
A6VM-1422361058.pdf
-Motor variable de pistones axiales A6VM series 71 (Bosch Rexroth):
https://brmv2.kittelberger.net/modules/BRMV2PDFDownload-
internet.dll/re91610_2014-
06.pdf?db=brmv2&lvid=1181161&mvid=11493&clid=20&sid=1680E2111F5F19AAE3BA77
A2DAA1088F.borex-tc&sch=M&id=11493,20,1181161
-Motor variable de pistones axiales A6VM series 65 (Bosch Rexroth):
https://brmv2.kittelberger.net/modules/BRMV2PDFDownload-
internet.dll/re91607_2014-
06.pdf?db=brmv2&lvid=1181167&mvid=11493&clid=20&sid=1680E2111F5F19AAE3BA77
A2DAA1088F.borex-tc&sch=M&id=11493,20,1181167
-Bomba doble variable de pistones axiales A20VO (Bosch Rexroth):
https://brmv2.kittelberger.net/modules/BRMV2PDFDownload-
internet.dll/RS93100_2006-
05.pdf?db=brmv2&lvid=56501&mvid=11493&clid=20&sid=1680E2111F5F19AAE3BA77A2
DAA1088F.borex-tc&sch=M&id=11493,20,56501
-Bomba variable de pistones axiales A4VSO (Bosch Rexroth):
https://brmv2.kittelberger.net/modules/BRMV2PDFDownload-
internet.dll/rs92050_2009-
04.pdf?db=brmv2&lvid=1142470&mvid=11493&clid=20&sid=1680E2111F5F19AAE3BA77
A2DAA1088F.borex-tc&sch=M&id=11493,20,1142470
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