Impulsados por la escalada de los objetivos de emisiones globales, los fabricantes de equipos originales están recurriendo cada vez más a la electrificación para reducir el consumo de combustible y las emisiones de gases de efecto invernadero. Una opción popular en este sentido es el vehículo eléctrico híbrido, a menudo impulsado por un motor muy reducido.
El problema con estos motores reducidos es que los sistemas auxiliares que agotan la potencia perjudican gravemente la capacidad de conducción y el rendimiento. Afortunadamente, estas pérdidas parásitas se pueden reducir significativamente reemplazando los componentes tradicionalmente mecánicos con unidades accionadas eléctricamente. Debido a esto, las bombas accionadas eléctricamente están encontrando rápidamente su camino hacia la producción en serie; particularmente accionando bombas de aceite y agua.
Imagen 1: Ejemplo de una bomba de aceite eléctrica
Fuente de la imagen: Rheinmetall Automotive
Pero si bien los beneficios son obvios, la electrificación, en particular la bomba de aceite, es técnicamente compleja: los ingenieros no solo desean hacer circular el aceite a un caudal y presión particulares, sino que también les gustaría adaptarlos inteligentemente a los requisitos del motor.
Para optimizar el rendimiento, es importante que la fricción y las pérdidas de bombeo se minimicen mediante un control cuidadoso del flujo de aceite en diferentes ramas del circuito de aceite y, al mismo tiempo, garantizar que la presión correcta esté disponible en todo momento.
La simulación se basa en información precisa sobre el caudal y la presión del aceite del banco de pruebas
Una bomba de aceite accionada eléctricamente se compone de tres subsistemas: la bomba, el motor y el controlador electrónico. Por lo tanto, el principal desafío de cualquier desarrollo de una nueva aplicación es la integración eficiente de estos módulos para reducir el tamaño y el peso general, así como el número de componentes, al tiempo que se optimiza el rendimiento.
La función principal de la bomba de aceite es entregar un flujo de aceite específico a una presión óptima. Por esta razón, su diseño, que es un proceso iterativo, comienza con los ‘engranajes de bombeo’. Para la mayoría de las aplicaciones, se requiere que la bomba suministre presiones superiores a 1 a 2 bar, que a menudo llegan hasta 10 bar.
Como en la mayoría de los desarrollos de motores, se utiliza una combinación de simulación y pruebas del mundo real para acelerar el diseño.
El ciclo de diseño comienza con la evaluación preliminar de la eficiencia volumétrica basada en los resultados experimentales recopilados en bombas y aplicaciones similares. Estos incluyen la velocidad de la bomba, la temperatura del aceite, la presión y el caudal.
Es importante que la información utilizada para la estimación sea precisa, por lo tanto, la recopilación de datos debe realizarse utilizando un equipo de medición preciso y altamente confiable que pueda brindar lecturas precisas en las condiciones extremas que se encuentran dentro y alrededor del motor.
Para garantizar la precisión y la repetibilidad, es importante que solo se utilicen sensores de la mejor calidad al medir la presión. Estos sensores de presión no solo deben proporcionar lecturas confiables en una amplia gama de presiones y temperaturas, sino que también deben soportar vibraciones.
Durante muchos años, STS ha desarrollado sensores de presión que cumplen con los requisitos de los diseñadores de motores de OEM, de primer nivel y especialistas en el desarrollo de motores.
Desarrollo de una bomba de aceite eléctrica que supera a la unidad mecánica
Con la información recopilada sobre los requisitos hidráulicos a varios caudales, presiones de entrega y temperaturas del aceite, se finaliza un diseño preliminar de los engranajes. Con el software Simulink de Matlab, la información sobre el comportamiento del sistema físico se puede racionalizar en un código unidimensional.
En esta etapa, es importante tener en cuenta que para generar el flujo requerido a una presión especificada, se debe seleccionar una velocidad de rotación que facilite el mejor empaque del motor y la bomba sin crear problemas de cavitación o ruido: por lo tanto, un rango de velocidad típico para operación continua suele ser entre 1500 y 3500 rpm.
En el siguiente paso, se pueden generar varios diseños usando LMS Imagine. El software Amesim de Lab que optimiza los parámetros de diseño, por ejemplo, el número de dientes y la excentricidad, al tiempo que satisface todas las condiciones límite de presión, flujo y temperatura.
Después de implementar las características geométricas de la hidráulica calculada y el diseño intermedio se ha finalizado, el par total requerido para impulsar la bomba en los puntos críticos de trabajo se puede calcular de la siguiente manera:
Mtot = MH + MCL + Mμ
Dónde:
- MH es el par hidráulico debido a la generación de presión y flujo requeridos
- MCL es la contribución culombiana generada donde hay contactos secos o lubricados entre partes deslizantes
- Mμ es la contribución viscosa debida al movimiento del fluido dentro de los espacios libres.
Una vez que se completa el diseño, se construyen prototipos de ingeniería para la evaluación del mundo real en un banco de pruebas de motores.
Una vez más, se miden la presión, el caudal y la temperatura del aceite a distintas velocidades del motor y de la bomba para validar los resultados obtenidos mediante la simulación. Si los resultados cumplen con las especificaciones, se finaliza el programa de desarrollo y el proyecto entra en la fase de industrialización.
Para un rendimiento y una durabilidad óptimos, es obvio que todas las mediciones se registren con precisión , pero el peso dado a la información generada por el sensor de presión posiblemente supere a todos los demás: una presión insuficiente en cualquier punto puede provocar una falla catastrófica; mientras que una presión excesiva desperdicia energía y puede ocasionar problemas con los sellos de aceite.
