GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Especialidad Mecánica · iii (c) Comunicarla y ponerla a...

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

ii

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

iii

(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.

iv

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……………………………………………………………

vi

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

1

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.

4

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.

5

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.

7

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)


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)


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.

9

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.

11

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

12

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)


13

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)


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.

Vehículo con motor neumático y frenada regenerativa

1

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


2


3

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


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


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


6


7

MEMORIA


8


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].


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


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.


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.


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.


14


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)


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)


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)


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.


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.


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


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


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.


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


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.


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.


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


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]


28


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


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.


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


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.


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.


34

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.


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


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]


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.


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


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)


40


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


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


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]


44

Ilustración 31: Sistema de frenada regenerativa con bomba/motor reversibles


45

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.


46


47

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.


48


49

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


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.


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]


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.


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:


Aceleración máxima de marcha amax_m [m/s2] 1,39


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




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


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 de carga del gas p0 [bar] 100


Masa de Nitrógeno m_N2

[kg] 94


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.


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:


Aceleración máxima de marcha amax_m [m/s2] 3,33


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




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 de carga del gas p0 [bar] 100


Masa de Nitrógeno m_N2

[kg] 11


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.


56


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


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)


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.


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




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



PMOTOR [kW] 376,8 230

Presión [bar] 450 400

Tabla 11: Comparativa motor ideal vs real para autobús


61

BOMBA AUTOBÚS

BOSCH Bomba doble variable de pistones axiales A20VO IDEAL

Par máximo frenada por eje [kN·m] 5,793 10




PBOMBA [kW] 880 567

Presión [bar] 350 (400

max) 400

Tabla 12: Comparativa bomba ideal vs real para autobús


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]


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




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



PMOTOR [kW] 202 62,6

Presión [bar] 400 400

Tabla 14: Comparativa motor ideal vs real para coche


64

BOMBA COCHE

BOSCH Bomba variable de pistones axiales A4VSO IDEAL

Par máximo frenada [kN·m] 0,223 0,3




PBOMBA [kW] 61 62,6

Presión [bar] 350 (400 max) 400

Tabla 15: Comparativa bomba ideal vs real para coche


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.


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)


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:


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]


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


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)


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.


72


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.


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.


75

Bibliografía


76


77

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[22] Autoblog, 19 Octubre 2010. http://es.autoblog.com/2010/10/19/las-luces-y-las-

sombras-del-toyota-prius/print/.

[23] Mazda, 25 Octubre 2011. http://www.mazda.es/noticias/tecnologia/sistema-

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[32] U. d. C. l. Mancha, «UCLM,»

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[33] D. i. m. ICAI, «Ensayo Máquinas Hidráulicas Volumétricas,» Madrid, 2014.

[34] OCV.

http://ocw.uc3m.es/ingenieria-mecanica/neumatica-y-

oleohidraulica/trasparencias/tuberiasHidraulicas.pdf.

[35] U. d. i. d. m. móvil, Plano 22.500, Madrid: Metro de Madrid S.A., Enero 2009.

[36] H. Internacional, «Hydac Internacional,»

http://www.hydac.com/fileadmin/pdb/pdf/PRO0000000000000000000003000

080031.pdf.

[37] http://mitosytimos.blogspot.com.es/2012/05/la-energia-no-se-crea-ni-se-

destruye-se.html.

[38] IVECO, «IVECO,»

http://www.iveco.com/Spain/collections/technical_sheets/Documents/Iveco_B

us_Update/Urbanway/Urbanway_Cursor8/Urbanway_Cursor8_12m.pdf.


79

[39] Defahult, «Defahult,» 30 Agosto 2010.

http://defahult.blogspot.com.es/2010/08/curva-de-potencia-vw-golf-v-gti-20-

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[40] L. M. Mochón, Apuntes máquinas volumétricas, Madrid, 2014.

[41] http://www.vialibre-ffe.com/PDF/red_ferro_esp.pdf.


80


81

Anexos


82


83

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


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


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


http://www.aenor.es/aenor/normas/normas/fichanorma.asp?tipo=N&codigo=N0029806#.VWWgY8_tlBc


86


http://www.aenor.es/aenor/normas/normas/fichanorma.asp?tipo=N&codigo=N0038086#.VWWguM_tlBc


87

Catálogos


88


89

-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):


internet.dll/re91607_2014-



-Bomba doble variable de pistones axiales A20VO (Bosch Rexroth):


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):


internet.dll/rs92050_2009-




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GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Especialidad Mecánica · iii (c) Comunicarla y ponerla a...

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