Fuel-saving designs improve efficiency of hydraulic systems

Investigadores de la Universidad de Purdue han demostrado cómo reducir drásticamente el consumo de combustible y mejorar la eficiencia de las bombas y motores hidráulicos en equipos de construcción pesada.

Los nuevos diseños incorporan dos innovaciones: Eliminan válvulas ahora necesarios para dirigir el flujo de fluido hidráulico en maquinaria pesada, y también podrían incorporar superficies texturizadas “microestructurados” dentro de bombas para mejorar el rendimiento. La investigación ha demostrado el diseño “sin válvulas” por sí sola podría reducir el consumo de combustible en un 40 por ciento.

Otros ahorros podrían realizarse mediante la combinación del diseño sin válvulas con el concepto de superficie microestructurada avanzada, dijo Monika Ivantysynova, Maha Fluid Power Systems profesor en la Facultad de Ingeniería Mecánica de Purdue.

Las superficies microestructurados se ha demostrado que reducir drásticamente las pérdidas de energía debido a la fricción causada por el fluido hidráulico, dijo Ivantysynova, director del Centro de Investigación de Energía de fluidos Maha de Purdue.
Los resultados se detallan en varios documentos técnicos presentados por su grupo de investigación a principios de este verano en la Quinta Fluid Power Net Internacional Ph.D. Simposio en Cracovia, Polonia.
“En la actualidad, las mejores bombas y motores pueden tener una eficacia superior del 92 por ciento, pero este nivel de eficiencia es sólo en un cierto rango de operación”, dijo Ivantysynova. “Estas bombas hidráulicas no siempre funcionan a este nivel máximo. A veces sólo es necesario que proporcionan una pequeña cantidad de presión o de flujo, por ejemplo, simplemente tienen una herramienta en su lugar. Entonces no se está ejecutando la bomba bajo su cargas más altas, y la eficiencia va hacia abajo “.
Los resultados han mostrado las superficies microestructurados reducir las pérdidas debidas a la fricción hasta en un 57 por ciento cuando la bomba está operando a niveles bajos y un 10 por ciento cuando se opera bajo cargas pesadas. Uno de los trabajos de investigación sobre las superficies microestructurados se citó como un “mejor trabajo” durante la conferencia y fue escrito por el estudiante graduado Jonathan Baker y Ivantysynova.
Ingenieros en el centro están trabajando en formas de diseño de bombas y motores que son más eficientes en toda su gama de funcionamiento.
Los sistemas hidráulicos utilizan una “bomba de desplazamiento variable” central que presuriza fluido, y válvulas dirigen el flujo de fluido a “actuadores”, que se mueven las herramientas tales como palas y cubos en equipos de excavación. En el nuevo diseño sin válvulas, cada actuador tiene su propia bomba, eliminando la necesidad de válvulas.
Una excavadora ha sido equipado con la nueva tecnología sin válvulas en el centro de Purdue.
Estas superficies microestructurados se encuentran en espacios estrechos en varios lugares dentro de una bomba que están llenos de fluido hidráulico. Las lagunas llenas de líquido, que tanto sellar la cámara de alta presión y también trabajar como un cojinete que permite a las partes que se mueven libremente, son una fuente importante de pérdidas de potencia.
“Estamos trabajando en esos huecos mediante el uso de simulaciones por ordenador para comprender todos los efectos físicos y para reducir las pérdidas de eficiencia debido a la fricción causada por la viscosidad del fluido hidráulico,” dijo. “Sabemos que nuestros simulaciones están muy cerca de la física real, y actualmente estamos trabajando para la fabricación de las superficies y haremos mediciones.”
La sabiduría convencional afirma que las superficies deben ser pulidas suave, pero Ivantysynova descubrió que tiene una superficie que contiene dispone de una micra alta mejora la eficiencia. Los huecos están situados entre las paredes de pistón y cilindro de la bomba y entre el bloque de cilindro y una parte llamada la placa de válvula, que conecta con el cilindro junto con los puertos de la bomba.
Ivantysynova hizo el descubrimiento superficie microestructurada, mientras que el estudio de los efectos de las superficies mecanizadas incorrectamente.
“Hemos aprendido que en realidad mejora el rendimiento al tener superficies que no estaban completamente lisa, lo cual fue inesperado”, dijo.
Purdue ha solicitado una patente para la innovación, la llamada “brecha de diseño de la superficie avanzada.”
Las innovaciones pueden ser aplicados a un nuevo concepto “híbrido hidráulico” para vehículos que utilizarían un motor hidráulico para ahorrar energía en los coches híbridos.
Aunque las bombas hidráulicos de trabajo mediante la compresión de un fluido, que luego se utiliza para conducir herramientas, motores hidráulicos operan de manera inversa: fluido a alta presión se introduce en una cámara, que se utiliza para conducir un eje y proporcionar par de torsión.
Los híbridos hidráulicos podrían almacenar energía mientras que un coche está frenando mediante la compresión del fluido hidráulico en un tanklike “acumulador”. A continuación, el fluido a alta presión en el acumulador se utiliza para accionar un motor hidráulico, proporcionando par a las ruedas y el ahorro de combustible.
En los híbridos eléctricos convencionales, la energía se almacena mediante el cobro de una batería mientras el vehículo está frenando.
“Con las baterías, sin embargo, sólo una parte de la energía de frenado se puede almacenar, ya que toma mucho más tiempo para cargar la batería que lo hace para cargar el acumulador de fluido hidráulico de alta presión”, dijo.
Ingenieros en el centro están construyendo un banco de pruebas del diseño híbrido hidráulico, y Purdue ha presentado una patente sobre el concepto.
El Centro de Investigación Maha Fluid Power es parte del Centro de Investigación de Ingeniería de Fluid Power compacto y eficiente, financiado por la Fundación Nacional de Ciencia, empresas y universidades participantes.

Source: http://www.purdue.edu/uns/x/2008b/080909IvantysynovaPumps.html