TEMA: MOTORES HIBRIDOS OBJETIVOS: • Conocer la historia y clases de los motores híbridos • Comprender el funcionamiento de dichos motores y para qué sirven cada una de sus partes • Defini Definirr las ventaj ventajas as y desvent desventaja ajass que presen presenta ta la utiliz utilizaci ación ón de dichos motores FUNDAMENTO TEÓRICO: 1. Introducción El término propulsión híbrida es utilizado para referirse a vehículos con más de una fuente de propulsión. Los sistemas híbridos pueden incorporar varios tipos de acumuladores de energía y/o conversores de energía. El objetivo del desarrollo de las tecnologías híbridas es combinar dos fuentes de energía, de manera que las cualidades de cada sistema sean utilizadas bajo condiciones de generación variables, de tal forma que las ventajas globales del desarrollo del sistema híbrido pesen más que el costo de su configuración. En este este trabaj trabajo o se present presenta a una clasif clasifica icació ción n de los vehícul vehículos os híbrid híbridos, os, una descripción de la tecnología incluyendo ventajas y desventajas de este tipo de vehículos, experiencias realizadas, una comparación con motores convencionales y por último una descripción del sistema s istema híbrido del tipo turbina-eléctrico. 2. Soluciones MCI-eléctricas Aquellos híbridos que combinan un motor de combustión interna (MCI) y un motor eléctrico son los únicos sistemas híbridos que han tenido un desarrollo serio. Existen dos tipos básicos de sistema: híbridos en serie e híbridos en paralelo.
2.1. Híbridos en serie: Utilizan el MCI acoplado a un generador, el que produce electricidad para el motor eléctrico que acciona el giro de las ruedas. Es llamado híbrido en serie pues el
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flujo de energía se mueve en línea directa. Al estar el MCI desacoplado de la tracción, es posible que opere a una velocidad constante en una vecindad próxima a su punto óptimo de operación en términos de eficiencia y emisiones, mientras carga la batería. Una desventaja del sistema es que la energía debe ser convertida varias veces, siendo la eficiencia mecánica entre el MCI y el eje de tracción difícilmente superior al 55% 55% (esto (esto incl incluye uye la efic eficie ienc ncia ia de alma almacen cenam amie ient nto o de la bate baterí ría) a).. Otra Otra desventaja es que requiere un motor más grande y pesado que en el sistema en paralelo, lo que no presenta graves consecuencias en buses para transporte público. Se presenta la configuración de un bus híbrido eléctrico de arreglo en serie.
Bus híbrido eléctrico en serie Motor eléctrico Compresor y bomba de dirección Ventilador Ventilador para motor eléctrico Motor Diesel con alternador Ventilador Ventilador para ventilación de baterías Control electrónico Baterías Equipo enfriamiento de baterías Resistor de freno. Dependiendo de la aplicación particular, el sistema eléctrico es diseñado para que los rendimientos sean aproximadamente similares al de un bus diesel estándar. 2.2. Híbridos en paralelo:
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pueden categorizar en cuatro tipos, de acuerdo a como combinan su energía, que se describen a continuación.
Combinación de fuerzas de Combinación de torques: el torque de tracción: el torque producido en cada ambos motores es combinado mediante motor es entregado a distintos pares un arreglo de ejes antes de ser aplicado de rued ruedas as,, por por ejem ejempl plo, o, el mot motor a la transmisión. eléctrico entrega torque a las ruedas trase traseras ras,, mien mientr tras as que que el segu segundo ndo motor entrega torque al tren delantero.
Combinación Combinación de torque en el eje: el Combinación Combinación de velocidades: velocidades: ambos torque de ambos motores es motore ores funci ncionan a velocidades des combinado en un mismo eje antes de distintas, y sus torques son acoplados en ser aplicado a la transmisión. una compleja caja de engranajes antes de la tran transm smiisión sión.. Este Este sist sistem ema a fue desarro desarrolla llado, do, constr construid uido o y probad probado o por "Southwest "Southwest Research Research Institute" Institute" (SWRI). (SWRI). El desarrollo comprendió un MCI de 1.0 [lt] Geo Metro, 3 cilindros y 40 [KW] como potenc encia máxi áxima, con un motor otor de inducción A. C. De 325 [V] y 53 [KW] como potencia máxima, además de un paqu paquet ete e de bat baterí erías de 7,5 7,5 [Kwh. Kwh.]. ]. Ambos siste stemas acopl oplado ados en un sistema planetario de engranajes capaz de desacop desacoplar lar al MCI permit permitien iendo do así
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discretas.
La tecnología híbrida fue diseñada para operar en zonas urbanas, donde existan problemas problemas de polución polución ambiental, por lo que el sistema sistema híbrido es muy adecuado para para cump cumplilirr con con el obje objetitivo vo de redu reducc cció ión n de emis emisio ione ness cont contam amin inan ante tess atmo atmosf sfér éric icas as,, espe especi cial alme ment nte e en buse busess de tran transp spor orte te públ públic ico. o. Oper Operan ando do únicamente como vehículo eléctrico, con la energía guardada en las baterías, tienen una autonomía de 80 a 200 km. 3. Elementos característicos: Sistema de frenos regenerativo: Al desacelerar o frenar, el motor eléctrico actúa como generador, recuperando la energía cinética desde las ruedas, convirtiéndola en electricidad que puede ser guardada en la batería. Frenos de fricción tradicionales son requeridos, así como un sistema de control electrónico que permita maximizar la recuperación de energía y pueda operar el sistema dual de frenos. Sistemas comerciales en uso uso perm permititen en recu recupe pera rarr alre alrede dedo dorr de un 30% 30% de la ener energí gía a ciné cinétitica ca típicamente perdida como calor en frenos de fricción. La energía recuperada al freno puede reducir el consumo energético en 15% en conducción en ciudad. Generador: Un generador sincrónico de corriente corriente alterna produce la electricida electricidad d para cargar las baterías. Funciona también como motor de partida para el motor diesel. Motor eléctrico: Un moto motorr sinc sincrón rónic ico o de corri corrient ente e alte altern rna, a, comp compac acto to,, de bajo bajo peso peso y alta alta eficiencia. Inversor: El inversor cambia la corriente continua de la batería en corriente alterna para
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Divisor de potencia (híbridos en paralelo): El sistema híbrido en paralelo necesita de un divisor de potencia, que utiliza un engrane planetario que distribuye el giro del motor C.I entre la tracción y el generador. Controlando las revoluciones del generador, el divisor funciona también como una transmisión continua y variable. Baterías: Se utilizan las baterías diseñadas para vehículos eléctricos, requiriendo una alta densidad de energía, peso liviano y una larga vida. Ultracapacitores: Se ha desa desarr rrol olla lado do tamb tambié ién n la tecno ecnollogí ogía de ultra ltraca capa paci cittores ores para para el almacenamiento de la energía. Al no depender de reacciones químicas (como las bat baterí erías) as) pued pueden en ser ser carg cargad ados os y desc descar arga gado doss rápi rápida dam ment ente. El ultracapacitor entrega la energía almacenada en él, como un pulso eléctrico poderoso. Se encuentran en etapa de desarrollo comercial. 4. Ventajas y desventajas 4.1. Ventajas: No necesitan de carga externa: Al contrario de los autos eléctricos, los híbridos no necesitan una carga externa, por lo que no tienen los problemas de autonomía de los vehículos eléctricos. El único abastecimiento que necesita es combustible, como los vehículos diesel convencionales - pero en una menor cantidad. Evitan marchas en vacío: Los vehículos híbridos encienden y apagan el MCI según lo requerido. Cuando el vehículo esta parado o se encuentra a bajas velocidades, el motor se apaga completamente. Los sistemas convencionales requieren que el motor sea diseñado para responder a los peak de demanda, sin embargo el vehículo usualmente opera a niveles significativamente menores, lo que implica que los motores sean mayores de lo necesario para la mayor parte de la operación, consumiendo por lo tanto más combustible y generando mayores emisiones. En los sistemas híbridos, los peak de demanda pueden ser satisfechos por la potencia de las baterías en combinación c ombinación con el motor. Menores Menores emisio emisiones: nes: La reducci reducción ón de emisio emisiones nes,, compara comparado do con un vehículo vehículo tradicional, es del orden de 90% para NOx, 70% para VOC, 30% para CO y 100% para material particulado. Comparación de la marcha con MCI convencional: Un bus híbrido en serie permite al motor diesel diesel trabajar trabajar de forma constante constante bajo condiciones condiciones óptimas, óptimas, reduciendo consumo y emisiones. Se muestra en la figura siguiente un esquema de la condición de marcha, comparándola con un bus diesel estándar.
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4.2. Desventajas: Emisiones: Emisiones: Los híbridos híbridos no son vehículos de cero emisión, emiten contaminantes contaminantes a la atmósfera. Más aún, como la performance de emisiones de un motor de combustión tiende a deteriorarse con el tiempo, las emisiones de contaminantes probablemente aumentaran con la antigüedad del vehículo. Costo: Los vehículos híbridos, al tener dos sistemas de generación a bordo, son más complejos y costosos de construir. Baterías: Las baterías están sujetas a altas cargas específicas, que incrementan las pérdidas internas y hacen necesario el uso de equipos auxiliares para el sistema de baterías. Como se muestra en la siguiente tabla, un vehículo híbrido puede recorrer el doble de la distancia distancia que uno tradicional tradicional con la misma cantidad de energía. El motor de combustión interna es ineficiente, no solo debido a las pérdidas al transformar la energía desde el combustible al tren de tracción, sino que también es ineficiente cuando el vehículo no se encuentra encu entra en movimiento y el motor está en marcha. mar cha.
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La utilización de una microturbina en remplazo de un MCI en un vehículo híbrido eléctrico ofrece ventajas adicionales a la configuración híbrida. Las turbinas tienen una operación casi silenciosa, y por ser motores rotatorios, ofrecen una operación casi libre de vibraciones. Además, las turbinas poseen mayores temperaturas de operación, permitiendo una combustión más completa del combustible, lo que incide en menores emisiones. e misiones. Características: Se utiliza una Microturbina, basada en una tecnología similar a la de las turbinas de los jet, pero utilizada como generador eléctrico. Un ejem ejempl plo o es la Micr Micro o Turbin urbina a cons constr trui uida da por por la empre empresa sa nort nortea eame meric rican ana a CAPSTONE, la que es capaz de utilizar diferentes combustibles y de realizar una operación silenciosa y limpia. Esta fue instalada en un bus de transporte público en la ciudad de Chattanooga, TN, originalmente diseñado para funcionamiento eléctrico, tal como se muestra en la figura siguiente. Se utilizó como combustible gas natural comprimido (GNC), incorporando pequeños estanques en el bus.
Este Este sist sistem ema a se encue encuent ntra ra en etap etapa a de desar desarrol rollo lo,, pero pero tien tiene e muy buena buenass expectativas, debido a su versatilidad y disminución en emisiones contaminantes. Resumen:
Muchos fabricantes están desarrollando vehículos híbridos.
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1. El límite límite entrópi entrópico co en el rendimiento rendimiento del combusti combustible ble – La energía aprovechable es la energía libre de Gibbs: –
–
∆G = ∆ H − T · ∆S
La pequeña entropía de formación del H 2O y del CO 2 hace que el fact factor or entr entróp ópic ico o sea sea nega negatitivo vo y, por por tant tanto, o, el aume aument nto o de la temperatura disminuye el rendimiento del combustible. Suponiendo que el motor funciona a 600 ºC (873 K), el rendimiento de la reacción de combustión del hidrógeno a esa temperatura es:
H
241 kJ/mol ∆ H2 = −241 ∆G =
T ∆S = −166kJ/mol
-241 + 166 = -75 kJ/mol (el 31% de ∆H)
2. El ren endi dimi mien ento to de los los mo moto tore ress térmi érmico coss de depe pend ndee de dell grad gradiien ente te térmico: –
Tmotor − Tambiente 893 893 − 298 298 = = = 0,65 Re n dim iento Si consideramos la temperatura de trabajo unos 600 ºC (mucho más Tmotor 893 893
no soportarían los materiales), la eficacia máxima teórica será: Es decir el rendimiento máximo por este concepto conce pto sería del 65%. combin inaci ación ón de ambo amboss fact factor ores es limi limita tant ntesp espar ara a un motor motor de – La comb explosión que funcionase con hidrógeno determina su rendimiento: Rendimiento = 0,31 · 0,65 = 0,20 Es decir, decir, el 20%. El rendimiento máximo de los mejores motores térmicos rara vez Alcanza el 25%. LOS MOTORES ELÉCTRICOS • El motor eléctrico eléctrico tiene un amplio amplio uso en la tracción tracción mecánica desde hace mucho: trenes, tranvías, submarinos y muchos barcos se mueven con motores eléctricos.
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Secundarias o acumuladores. Es posible regenerar los electrodos y el electrolito invirtiendo el sentido de la reacción. Para ello se suministra energía eléctrica (de este tipo son las actuales baterías de coches y pilas recargables) De combustible combustible.. Func Funcio iona nan n como como una pila pila prima primari ria, a, pero pero la masa masa de los los electr electrodo odoss se renueva renueva desde el exterior exterior,, de forma forma que su funcio funcionam namien iento to se alarga indefinidamente. Las batería bateríass son disposi dispositivo tivoss poco eficac eficaces es de acumula acumulación ción de energí energía: a: una 2+ batería de Pb / Pb de 70 A h y 12 V tiene tiene unas dimensiones dimensiones aproximadas aproximadas de 27 x14 x 17 cm (unos 6 litros) y pesa cerca de 20 kg. La máxima energía que acumula es: Energía = I · V · t = 70 · 12 · 3600 36 00 = 3024 kJ En el mismo volumen ocupado por la batería, ba tería, un depósito de un 1,5 kg de m asa se podría acumular hidrógeno a 25º y 150 atm: n=
pV
=
10 0· 6
= 37 mol
RT = 74 0,082·295 (g/mol) g de H 2que
Que equivale a 37 (mol) · 2 producirían unos 10500 kJ de energía (veremos una forma mejor de aprovechar este hidrógeno). Rend Rendim imie ient nto o de un moto motorr eléct eléctri rico co movi movido do por por una una pila pila de comb combus ustitibl ble e de hidrógeno – Producción de hidrógeno: Proces eso o de tran transf sfor orma maci ción ón del del hidr hidroc ocar arbu buro ro en H2: (no • Proc evaluado) • Proceso de electrólisis del agua: (no evaluado) – Proceso en la célula de combustible: H2+ ½ O2 Û H2O + energía eléctrica (80%) – Proceso en el motor eléctrico (transformación de energía eléctrica en mecánica): 90% – Rendim Rendimien iento to total total = 0,8 · 0,9 = 0,72 0,72 (un 72% del conten contenido ido
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Los vehículos vehículos híbridos, híbridos, encienden encienden y apagan los los MCI según lo requerido. requerido. Con esto, obtenemos un mejor rendimiento de nuestro combustible fósil en cuanto a distancia por volumen de consumo cons umo de combustible. Una Una gran gran desv desven enta taja ja es su cost costo o pues puesto to que que tien tienen en 2 sist sistem emas as de generación abordo por lo cual la tecnología que se usa para armas ambos. Este tipo de autos usa un sistema de frenos regenerativo, que actúan como generadores para recargar la batería cuando se activan los frenos. El moto motorr alte alterno rno de los los auto auto híbri híbridos dos,, gene general ralme ment nte e es un moto motorr de corriente alterna, compacto, de bajo peso y alta eficiencia. En general, los autos híbridos son el futuro de la humanidad ya que el consumo disminuido de hidrocarburos contamina menos y significan un ahorro.
Bibliografía: http://geocities.com\motoreshibridos\partes001 http://hibridengine.thermodinamic.com