Camiones Hibridos hidráulicos, Hydraulic Hybrid Trucks

Me caigo, como Condorito, esta tecnología me parece impresionante independientemente de su confiabilidad, ¿quien iba a pensar en esto hace 10 años?.

El tema de los autos híbridos eléctricos ya paso de moda, hablemos ahora de Hydraulic Hybrid Trucks/Camiones Híbridos hidráulicos… y porque no mejor de una Ford Expedition completamente híbrida hidráulica desarrollada por la E.P.A., en sociedad con Ford y otros.  Glup!

Lo que sigue a continuación es una traducción libre de un articulo titulado “Hydraulic Powertrains Propel These Hybrid Trucks”, publicado por Joseph Ogando, Editor Senior de la web Design News, en día 16 de julio de 2007.

La traducción la realice con ayuda de las   Herramientas de idioma de Google, apoyándome para las dudas en el maravilloso diccionario WordReference.com y mi criterio humano por supuesto. Antes que todo, aclaremos que la palabra powertrain en el mundo automotriz se refiere al conjunto Motor-Transmisión (caja de velocidades) y Diferencial. Pero principalmente al conjunto motor-transmisión, se traduciría como “tren de potencia”, pero esto puede ser confuso en español porque se puede pensar que se habla de un tren (ferrocarril ) potente o de un conjunto de instrumentos o dispositivos para una misma operación o servicio, para este caso, tomen la ultima y durante el artículo se usara la palabra en ingles para evitar confusiones.

Powertrains Hidráulicos propulsan camiones híbridos

“No todos los vehículos híbridos usan motores eléctricos, baterías y cables. Algunos vehículos son propulsados con una combinación de bombas, motores hidráulicos, fluidos y acumuladores de presión.”

Con los precios de los combustible alcanzando altos records recientemente, los consumidores y han sufrido el dolor en los expendios de combustible, pero esto es solo una puntada, en comparación con el dolor que sienten los operadores de flotas de vehículos de transporte pesado.

Los camiones que entregan nuestros paquetes y recogen nuestra basura tienen un par de cosas contra el punto de vista de economía de combustible. El peso es uno. Un camión completamente cargado cubre un rango desde 6,3  toneladas a mas de 31,7 toneladas y con el tope de carga muchos de esos camiones tienen un ciclo que quemado de combustible que requiere continuos arranques y paradas. Lo que aumenta aun mas su consumo de combustible.

Por lo tanto, no debería ser sorpresa para nadie que algunos de los mayores operadores de flotas de camiones hayan saltado al bando de los vehículos híbridos. Federal Express y UPS han añadido varias decenas de vehículos eléctricos híbridos a sus flotas en los últimos dos años, usando un powertrain híbrido suministrado por Eaton Corp. Waste Management, el mayor transportista de basura, están evaluando una variedad de soluciones de vehículos híbridos para sus camiones, de acuerdo a Lynn Brown, un vocero de la compañía.

Lo que puede ser sorprendente, sin embargo, es el tipo de flota que operadores de sistemas híbridos como Fed Ex, UPS  y Waste Management, están estudiando para algunos de sus vehículos más pesados. Estos híbridos no utilizan motores eléctricos, baterías y cables de la forma en que el Toyota Prius hace. En su lugar propulsan el vehículo con una combinación de motores y bombas hidráulicas de alta presión, líneas de fluido y acumuladores.

Las versiones mas radicales —y eficientes en el uso de combustible— de estos  híbridos hidráulicos, cambian la mecánica tradicional. En estos vehículos,  el motor diésel mueve una bomba-motor hidráulico,  que a su vez, carga un acumulador de alta presión, el acumulador a su vez, manda a una bomba-motor de eje axial, en las ruedas traseras para propulsar el vehículo.  Un tanque reservorio de baja presión completa el circuito,  recogiendo el líquido para enviarlo de nuevo a la primera bomba-motor.

Como en los vehículos eléctricos, los híbridos hidráulicos también tienen capacidad de frenado regenerativo.  Durante eventos de frenado, los cuales son muchos en un vehículos de entregas o un camión de recolección de residuos, la bomba-motor carga el acumulador de alta presión. La energía almacenada en el acumulador, se pueden utilizar para reducir la carga sobre el motor diésel cuando el camión arranque otra vez. La energía almacenada también podría permitir una propulsión limitada con el motor apagado — por ejemplo, cuando se opera el camión en el interior de un edificio.

A los consumidores e incluso algunos ingenieros, la hidráulica puede parecer tecnología anticuada en un mundo cada vez más electrónico. Sin embargo, las bombas-motores hidráulicas y acumuladores puede proporcionar un bajo costo y confiabilidad para aplicar el torque y almacenar energía —que es exactamente lo que requieren los vehículos híbridos. La hidráulica ofrece una significativa densidad de potencia  que supera a los sistemas eléctricos, al menos por ahora. “Parece que la hidráulica se tiene mucho sentido, al menos para el gran rango de camines pesados“, dice John DeCicco, un Ph.D. ingeniero mecánico que es un estratega automotriz senior para la fundación Environmental Defense.

Camión Híbrido Hidráulico de UPS

Estilos de Propulsión Hidráulica

Estilo Eaton Corp.—Gobierno de los EE-UU

Los sistemas híbridos hidráulicos actualmente vienen en tres principales variantes, todas pueden ser consideradas en desarrollo. Investigadores de la Oficina de Transporte y Calidad del Aire (QTAQ) de la U.S. Environmental Protection Agency, desarrollaron un híbrido en conjunto con Eaton Corp., Southwest Research Institute (SwRI) y otros socios. Desde junio de 2006, este sistema ha estado bajo evaluación  en un camión de entregas de UPS, en Detroit. La EPA, también ha trabajado en aspectos de diseño hidráulico híbrido con Parker Hannifin por bajo un acuerdo de investigación y desarrollo.

El estilo de Eaton Corp., y el estilo de Parker Hannifin

Eaton Corp. y Parker Hannifin también han desarrollados sus propios sistemas híbridos hidráulicos. El de Eaton es un sistema paralelo que usa la hidráulica como asistencia para andar, pero aun requiere la mayoría de la propulsión de un powertrain mecánico. En el ultimo año  y medio Parker Hannifin ha estado desarrollando un nuevo diseño híbrido hidráulico a partir de datos de los ciclos de recolección de desperdicios de Waste Management. Joe Kovach, un Ph.D. ingeniero mecánico y vice presidente de innovación para la división de hidráulica de Parker Hannifin, dice que su compañía esta construyendo un prototipo de camiones para recolección de desperdicios,  que incorporara este nuevo sistema híbrido hidráulico a finales de este año. Cambien están trabajando en sistemas similares para grandes camiones de entregas.

Los diferentes sistemas prometen significativas ganancias en la economía de combustible y la reducción de emisiones. Los mayores beneficios  sin embargo, es probable que procedan de series completamente híbridas —o que no se basen en un tren de accionamiento mecánico. Según John Kargul, director de transferencia de tecnológica de la OTAQ, la EPA estima que los híbridos paralelos producirán mejoras en la economía del combustible entre un 20 a un 40%. El modelado de la agencia de series completamente híbridas predice que pueden ofrecer un refuerzo en la economía de combustible de un 40 a un 80%.

En el caso del camión de UPS, el modelado de EPA y las pruebas en el dinamometro predicen 60 a 70% más mpg (millas por galón) que un vehículo de tamaño similar con tren de accionamiento mecánico, dice Kargul. La EPA acaba de empezar a analizar los datos de economía del combustible del camión de UPS y su rendimiento en el mundo real en las calles de Detroit. Kargul dice que es demasiado pronto para conocer los resultados públicamente, pero añade: “UPS está muy satisfecho con los primeros datos”.

Las estimaciones de Parker mientras tanto, indican que las potenciales mejoras en la economía del combustible asociadas a powertrains hidráulicos híbridos son de un 30 a un 70% dependiendo del ciclo de trabajo del vehículo, sus especificaciones de diseño y la estrategia de administración del motor.

La principal diferencia entre el camión de EPA y el diseño híbrido de Parker, vienen dada por el uso de un sistema de mando mecánico directo secundario para las ruedas traseras bajo ciertas condiciones de manejo. En la serie completamente híbrida de EPA, solo el sistema hidráulico acopla el motor a las ruedas traseras. Entonces toda la propulsión vienen dada por el sistema hidráulico permanentemente.  Parker, por el contrario, aumenta el mando hidráulico con un mando mecánico directo que  acopla el motor a las ruedas traseras durante la conducción en carretera, es decir, para velocidades constantes de alrededor de 50 mph o menos.

“Hemos construido sistemas híbridos de ambas formas —con y sin el motor”, dice Kovach. De hecho, Parker, a lo largo de los años, ha participado en toda la gama de híbridos hidráulicos. Una de sus divisiones Europea ha suministrado sistemas híbridos  paralelos que proporcionan asistencia hidráulica para el arranque, pero obtiene la mayor parte de su potencia de propulsión de un tren convencional. “Todavía tenemos cerca de 20 autobuses que utiliza un sistema como éste”, dice. Y en 1991, Parker, ayudó a desarrollar un camión de recolección de desperdicios con un sistema completamente hidráulico sin ningún tipo de tren de accionamiento mecánico.

¿Porque colocar un mando mecánico secundario en estos últimos sistemas hibridos? Kovach reconoce que los componentes de mando directo añaden alguna complejidad —en términos de componente mecánicos y controles— que pueden ser evitados con un diseño completamente híbrido. Pero el alega que el sistema de mando directo ofrece más eficiencia durante la conducción en carretera —mas que suficiente para compensar la complejidad.

Glenn Wendel, un ingeniero de la  SwRI que ayudo a desarrollar parte del sistema de EPA, estima que algunos sistemas híbridos hidráulicos pueden ver una disminución en su eficiencia hasta el 75% durante la conducción en carretera, mucho menos que el 90% de eficiencia que se obtienen durante la conducción en ciudad. Una caja de cambios y un tren de propulsión convencional también pueden ofrecer eficiencia por encima del 90% en carretera. “Es por eso que no vera automóviles híbridos hidráulicos o vehículos de 18 ruedas”, dice Wendel.

La EPA ha optado por compensar la perdida de eficiencia durante el manejo en carretera de una forma diferente a Parker. “Rediseñamos los motores-bombas para obtener una mayor eficiencia de la que se obtendría con un modelo comercial”, dice Kargul. Por ejemplo, los investigadores de EPA crearon un diseño de motor-bomba con mayores ángulos de desplazamiento que la mayoría de los motores-bombas de eje axial comerciales —el tipo usado para mover las ruedas traseras. “El angulo de desplazamientos de nuestras bombas en un rango de 45-50% para el mismo tamaño, las bombas comerciales tienen ángulos de desplazamiento en un rango de 20 a 25%”,  dice Kargul, señalando que sus bombas de desplazamiento variable funcionan mas eficientemente con altos desplazamientos.

¿Entonces, cual de estas dos opciones híbridas ganará?, “es realmente demasiado pronto para saberlo” dice Wendel.

Diferencia entre el híbrido hidráulico paralelo y el completamente hibrido hidraulico

¿Por qué tiene sentido la Hidráulica?

Sin embargo, si alguna vez hubo un tiempo de híbridos hidráulicos lo es ahora,  “las estrellas se han alineado finalmente”, dice Kovach. Una de las razones es el alto costo del combustible. El análisis hecho por Parker de los costos de sistema híbridos hidráulicos sugieren que ofrecen un retorno de la inversión en dos o tres años mientras el precio del combustible supere los 2$/galon. Y porque su uso ha demostrado ser una tecnología de bajo costo,  algunos observadores esperan que los híbridos hidráulicos sean relativamente más económicos que los camiones híbridos eléctricos. Según Kargul, un costo base de $ 7.000 lo haría factible para volúmenes de producción.

Las capacidades de los componentes hidráulicos han mejorado en los últimos años.  Los motores-bombas hidráulicas de pistones axiales y eje inclinado (doblado) usados en esos sistemas se han vuelto mas pequeños y eficientes con el pasar de los años. Kargul dice que puede sostener con una mano el motor-bomba usado en en vehículo de demostración e UPS, sin embargo, entrega 300 HP con un acumulador completamente cargado y alrededor de 150 HP con el acumulador vacío.

Un cambio más importante implica los acumuladores utilizados en estos sistemas hidráulicos de alta presión. Kovach recuerda cuando Parker pisó el terreno de diseño de híbridos hidráulicos en 1991, los acumuladores de metal para un camión de recolección desperdicios pesaron  1,3 toneladas, “ahora estamos utilizando materiales de la era espacial, utilizados en aviones, haciendo que nuestros acumuladores solo pesen entre 100 y 200 kg solamente.” Cita Kovach.

El SwRI también se ha centrado en  acumuladores de compuesto reforzado de fibra de carbono (CFRP) y sus ingenieros diseñaron los acumuladores para el vehículo EPA. Wendel dice, que “en general el peso de un acumulador compuesto es dos veces y medio menos que el de un acumulador convencional de tipo vegiga de acero y hasta 10 veces menos que un acumulador de pistón.

A pesar del costo y el peso y del propio sistema, la hidráulica sin embargo, tiene algo a su favor — la densidad de potencia. “Nada le gana a la hidráulica cuando se trata de densidad de potencia”, dice Kovach, quien explica que los los acumuladores de alta presión y motores-bombas tienen al menos 10 veces más densidad de potencia que las baterías y los motores eléctricos. En teoría, ultracondesadores (utltracapacitadores) pueden llegar a ofrecer una muy cercana densidad de poder. “Pero todavía son demasiado caros para estas aplicaciones”, dice Kovach, que estima que un ultra condensador del tamaño requerido para camiones costaría alrededor de 50 veces más que un acumulador que hace el mismo o mejor trabajo (ver gráfico de densidad de potencia y costo, al final).

Los proveedores de componentes hidráulicos tienen el camino fácil para aumentar la densidad de potencia —por el aumento de las presiones del sistema. El demo de EPA para UPS trabaja a 5.000 PSI, sobreto porque los ingenieros que lo construyeron no pudieron encontrar a tiempo acoples hidráulicos (fittings) calibrados para altas presiones. “Cuando encontramos acoples de alta presión se diseñaron los motores-bombas para pesiones de hasta 7.000 psi”, dice Kargul. En consecuencia, la próxima generación de camioneta de reparto urbano de EPA puede trabajar con un sistema de mayor presión. La escala de densidad de potencia con esas presiones de operación en el sistema, hace que el mismo motor-bomba que Kargul sostiene en su mano valla de 330 HP a 530 HP.

Kovach toca el mismo punto que Kargul y dice que Parker prodria multiplicar las presiones del sistema —y por lo tanto, la densida de potencia— por dos o incluso tres veces usando la tecnología hidráulica existente. “Ya tenemos sistemas que corren sobre barcos de la America’s Cup a 12.000 psi “, dice.

La densidad de potencia es útil para la generación rápida del par necesario para superar las altas cargas de inercia asociadas a la propulsión de un camión grande. “Las baterías tienen una mejor densidad de energía, pero no pueden conseguir que la energía entre y salga lo suficientemente rápido para el ciclo de parada y arranque de estos camiones, es en donde los híbridos hidráulicos tienen sentido”, dice Kovach.

Aplicaciones de los Híbridos Hidráulicos

Identificar sus aplicaciones todavía puede ser un poco complicado. En términos generales, los defensores de la tecnología hidráulica están promocionandola para aplicaciones donde el camión es grande y a la vez propenso a frecuentes arranques y paradas.

En términos de rango de peso de vehículos, la EPA considera elegibles para híbridos hidráulicos a camiones desde de la Clase 3 (4,5 ton – 6.3 ton de peso bruto vehicular = carga max + peso del vehículo) hasta los mas pesados de la Clase 8 ( mas de 14 ton), basados en la ganancia de la economía de combustible y los costos medidos en los vehículos de prueba. Kovach dice que en Parker creen que el sistema hidráulico empieza destacarse a partir de la Clase 5 (7,2-8,8 ton) en adelante. “La Clase 3 y 4 pueden ser mejor atendidas por híbridos eléctricos. La Clase 5 puede ser eléctrica o hidráulica”, dice Kovach. “Pero en la Clase 6 (8,8-11,7 ton), 7 (11,7-14 ton) y 8 con frecuentes arranques y paradas ninguna tecnología se acercará a la hidráulica en mucho tiempo.

Pero hay mas que considerar para el ciclo de servicio que la frecuencia de las paradas. Jeff Carpenter, jefe de ingenieria del equipo de sistemas híbridos de potencia  en Eaton Corp., señala la distancia entre paradas como otro factor del ciclo de servicio que puede favorecer un tipo de híbrido sobre otro. “¿Cual es la distancia entre paradas?, si es corta y el vehículo es pesado, la hidráulica puede tener sentido. Por ejemplo, si es 1 km o mas, tal vez el almacenamiento eléctrico tiene más sentido “, dice Carpenter. Dicho de otra manera, argumenta  que algunos camiones obtendrán el máximo beneficio de la ventaja de densidad de potencia suministrada por la hidráulica mientras que otros se beneficiaran del almacenamiento de energía superior que ofrecen las baterías. “Tanto los sistemas hidráulicos y eléctricos tienen ventajas y desventajas que dependen de cómo el cliente utiliza el vehículo”, dice.

Es igualmente difícil determinar que tipo de híbrido tiene la ventaja de eficiencia. Carpenter señala, que tanto los híbridos eléctricos como hidráulicos pueden alcanzar una eficiencia general superior al 90% —cuando se usan para el ciclo se servicio correcto. “Pueden tener uno o dos puntos de diferencia pero no es nada importante”, dice.

Pero la forma en que obtienen la eficiencia que pueden ayudar a determinar el mejor ajuste para cada tecnología. Kargul mantiene que los híbridos hidráulicos son mucho más eficientes en la recuperación de energía de frenado. Él dice que un hidráulico híbrido con un acumulador de tamaño adecuado devuelve alrededor del 70 por ciento de la energía de frenado a las ruedas, mientras que un híbrido  eléctrico típico devuelve algo alrededor de 21 por ciento. ¿La razón?, dice, tiene que ver con el tiempo que se tardan en cargar las baterías actualmente. Kargul dice que la energía de frenado de un camión podría causar incluso que una moderna batería de iones de litio exceda sus límites de carga, por lo que las baterías sólo recuperar la cantidad que pueden almacenar. Con más baterías, un híbrido podría aceptar tanta energía como los sistemas hidráulicos. “Pero entonces usted tiene que enfrentarse a cuestiones como el peso, el costo y la disposición o el empaque. El diseño de híbridos supone un compromiso entre la cantidad de regeneración de energía que desea recuperar frente a estos otros factores “, dice.

Hacer la elección entre los sistemas hidráulicos y eléctricos es menos clara cuando  se cruzan los ciclos de servicio, un destino determinado y la categoría de peso. Considere que el powertrain híbrido eléctrico propietario de Eaton y el hidráulico construido con la EPA, montados en los vehículos de UPS coinciden en términos de peso y ciclo de servicio. Carpenter, señala, no obstante,  que la versión totalmente eléctrica comercial está ahora en su segunda generación, UPS ahora cuenta con 50 de ellos en la gama de 7,2 ton a 11 ton La versión hidráulica sigue siendo un demo, aunque prometedor.

La elección probablemente no estara clara durante algún tiempo. “El veredicto todavía es fuera”, dice Kargul. Con sólo 150 híbridos  eléctricos Clase 6 y un tamaño similar hidráulico híbrido en el camino, no hay datos suficientes, en opinión de Kargul, para tener una idea de que la tecnología será la más rentable. “La conclusión es que los grandes propietarios de flotas seguirán buscando en cualquier tecnología híbrida que pueda reducir sus costos”, dice Kargul. “Esta sucediendo, tanto en FedEx como UPS.”

A la larga, sin embargo, incluso los defensores de la hidráulica creen sistemas eléctricos híbridos pueden prevalecer. DeCicco de Environmental Defense afirma que la adopción de propulsión eléctrica en algún punto  será tan común que su adopción será inevitable para uso comercial, mas que por razones puramente tecnicas. “La competencia entre los hidráulicos y eléctricos híbridos en cierto modo comienza a parecerse a la competencia entre Betamax y VHS”, dice.

Y Kovach, quien desarrolla la tecnología de fluidos de potencia para vivir, no piensa que los híbridos hidráulicos serán la mejor opción para camiones pesados para siempre. “Los ultracondensadores serian mejor”, dice. “En algún momento, pueden ofrecer una mejor relación costo-eficiencia que la solución hidráulica. Pero eso no ocurrirá por mucho tiempo, sobre todo porque podemos seguir aumentando nuestra presión y la densidad de potencia.  La hidráulica nos puede ayudar a ahorrar un montón de combustible hoy en día sin la necesidad de que cualquier nueva tecnología. “

De la Ford Expedition hidráulica híbrida que mencioné al principio del post, hablaremos después.

Más imágenes después del salto:

Gráfico de densidad de potencia y costo ¿Porque híbridos hidráulicos?, Los vehículos grandes con frecuentes arranques y paradas requieren sistemas de almacenamiento de energía de gran densidad de potencia y aquí la hidráulica se destaca.

Como un hibrido completamente hidraulico no tiene mandos mecanicos, el motor puede ser operado cerca de su optima eficiencia mas fecuentemente.

Para los menos entendidos en el campo de la hidráulica, me permito colocar a modo de ilustración algunos elementos hidráulicos mencionados durante el post, como motores-bombas hidráulicos y acumuladores; elementos que yo no conocía sino hasta hace poco mas de un año atrás.

Acumuladores hidráulicos tipo vejiga y tipo pistón (steel bladder-type accumulator and piston accumulator)

Acumuladores mencionados durante el articulo, acumulan energía en forma de presión. Observese lo grande que pueden llegar a ser, es una de las razones por las cuales los híbridos hidráulicos tienen aplicaciones sobre todo para camiones y vehículos pesados, si quiere aprender mas sobre acumuladores haga clic sobre cada una de la imágenes.

Bombas y motores hidráulicos de pistones axiales de eje inclinado (bent-axis pump-motor)

Bombas y motores hidráulicos de desplazamiento fijo y variable, de “eje inclinado” mencionados durante el articulo. Pueden trabajar como motor o como bombas indiferentemente. Si quiere aprender mas sobre motores y bombas hidráulicos haga clic sobre cada una de la imágenes.

Artículos Externos Relacionados

• Report: Truckers Moving to Hybrids, But Not Electric Ones, escrito por Spencer D. Chin, Editor Web de TMCnet.com (Technology Marketing Corporation) para la pagina Green TMCnet.com el 16 de julio de 2007.
• Pagina del Programa de Tecnología Automotriz Limpia (Clean Automotive Technology ) de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA)
• Como funcionan los carros híbridos (How Hybrid Cars Work), escrito por Karim Nice and Julia Layton en la página HowStuffWorks.
• Clasificación de los Camiones (Truck Classification), en Wikipedia.
• Hydraulic Hybrid Cars: No Batteries Required, Joseph Ogando, Senior Editor, Design News, 28 abril del 2008
• How Hydraulic Hybrids Work, por Jamie Page Deaton en HowStuffWorks

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