Sistema de aire comprimido en buses y camiones eléctricos

Sistema de aire comprimido en buses y camiones eléctricos

 Como se verá a continuación el aire comprimido se utiliza en buses y camiones desde hace varias décadas, con una tecnología que logro un grado de madurez conformando en la actualidad un sistema altamente confiable y eficaz.

Ahora bien, la energía primaria para obtener  el aire comprimido es diferente se trate desde un motor de combustión que de un banco de baterías.    

 

Breve descripción del sistema básico

La función principal de un compresor de aire para bus/camión es suministrar aire comprimido para los sistemas de frenos, suspensión neumática, sistemas auxiliares, etc.

Por lo general, este tipo de compresor es accionado por el motor de  combustión (gas- oil). En la mayoría de los casos, el compresor de aire se lubrica a través del suministro de aceite del motor de combustión y se enfría con el refrigerante del motor.

Según el modelo del compresor, extraerá aire filtrado, ya sea de aspiración natural (a presión atmosférica) directamente del filtro de aire del vehículo o ya a mayor presión del turbocompresor del motor de combustión. Luego, comprime el aire hasta que alcanza la presión requerida del sistema.

El sistema en general y de frenos en particular, requiere un suministro constante de aire comprimido dentro de una presión máxima y mínima predeterminada para funcionar correctamente.

Todos los compresores tienen un regulador, que controla la presión de aire en el depósito de suministro y controla cuándo el compresor necesita bombear aire al sistema; esto se denomina "ciclo de acumulación de aire" en el que el compresor funciona con carga. Una vez que el sistema tiene suficiente aire, el compresor puede girar sin generar presión, lo que se denomina "funcionamiento sin carga".

 

El gobernador (Gobernor) monitorea cuando la presión de aire en el sistema se vuelve mayor que la del "corte" preestablecido. Cuando la presión de aire excede la presión preestablecida, el gobernador activa el mecanismo de descarga del compresor, evita que el compresor acumule aire y hace que se purgue el secador de aire. A medida que la presión de aire del depósito de servicio cae al ajuste de "conexión" (mínimo preestablecido) del gobernador. Durante este proceso, el aire atmosférico se comprime. Como resultado, todo el vapor de agua que originalmente estaba en el aire ahora viaja al sistema. Además, una pequeña cantidad del aceite lubricante del compresor se transfiere al sistema en forma de vapor.

El ciclo de trabajo del compresor es la relación entre el tiempo que dedica a generar aire en relación con el tiempo total de funcionamiento del motor. Los compresores de aire para buses/camiones acumulan presión de aire o funcionan "cargados" hasta el 25 por ciento del tiempo.

Si un compresor ejecuta ciclos de trabajo más altos, lo que provoca temperaturas más altas en el cabezal del compresor, esto puede afectar negativamente el rendimiento del sistema de frenos de aire. Además, los ciclos de trabajo continuos significan que el sistema de aire requerirá mantenimiento adicional debido a que más gotas de vapor de aceite pasan al sistema de frenos de aire.

Los factores que pueden causar ciclos de trabajo más altos innecesarios en los compresores de aire son:

>> Tener un compresor sub dimensionado

>> Funcionamiento de accesorios de aire adicionales

>> Aplicaciones frecuentes de los frenos

>> Fugas en el sistema de aire (a través de accesorios, conexiones o válvulas)

>> Oscilación excesiva de la suspensión neumática

 

Uno de los compresores de aire más comunes que se encuentran en los vehículos pesados  modernos hoy en día es un compresor  de un solo cilindro con una salida de desplazamiento nominal de 18,7 cfm (pies cúbicos por minuto) a 1250 rpm.

El aire comprimido viaja desde el secador de aire hacia los depósitos o tanques de aire. Normalmente, el aire se entrega primero al depósito del sistema de frenos primario y luego al depósito del sistema de frenos secundario. Para cada sistema, el aire presuriza el depósito y las mangueras  hasta la siguiente válvula de control, donde permanece a la presión, lista para usar.

Cuando el conductor presiona el freno de pie, el émbolo dentro de la válvula de pedal del freno de pie se mueve, abriendo canales dentro de la válvula de pedal que permiten que la presión de aire que espera allí pase a los sistemas de freno primario y secundario.

Ahora la presión de aire aumenta rápidamente en las cámaras de freno, aplicando fuerza a la varilla de empuje del freno, transfiriendo esta fuerza al freno de disco  o mediante un ajustador a un freno de tambor en las ruedas.

Cuando se suelta el pedal del freno, el aire de las cámaras del freno se expulsa rápidamente, lo que permite que las pastillas o zapatas del freno vuelvan a su posición normal.

 

La pieza clave: el compresor

Los compresores  comprimen el aire  limpio y proporcionan la presión creada a través de la unidad de procesamiento  para todos los dispositivos del vehículo que requieren aire comprimido, por ejemplo, el sistema de frenos y a los consumidores secundarios como, por ejemplo, la suspensión neumática y los controles de las puertas.

Los compresores son compresores de pistón de diseño de una o dos etapas. Normalmente son accionados directamente por engranajes desde el motor de combustión del vehículo o por medio de transmisiones por correas.

Características de los compresores:

- Número de cilindros: uno o dos cilindros

- Principios de compresión: etapa simple o doble

- Tipos de accionamiento: rueda dentada o transmisión por correa

- Presiones de funcionamiento: presión normal (NDR) ≥ 8 bar a ≥ 14 bar (en casos extremos hasta 18 bar)

-  Refrigeración: refrigeración por agua y/o aceite, refrigeración por aire

-  Tipo de lubricación: se usa comúnmente la lubricación de alimentación forzada.

 Las presiones del sistema de hasta 14 bar en los vehículos actuales provocan temperaturas muy por encima de los 300°C en la cámara de compresión con compresión de una etapa. Estas altas temperaturas desencadenan reacciones químicas indeseables que pueden provocar fallos de funcionamiento en el propio compresor y en los dispositivos aguas abajo. Estos problemas se reducen en gran medida mediante el uso de compresores de dos etapas.

 

Comprimiendo aire:   motores de combustión (MCI)  o  motores eléctricos (ME)

Aunque prácticamente idénticos por fuera a un autobús diésel (gas–oil) convencional, por dentro, los autobuses/camiones eléctricos son fundamentalmente diferentes cuando se trata de producir el aire comprimido que proporciona la fuente de energía para los frenos de aire, la suspensión neumática, el sistema de puertas, etc.

Mientras que los camiones/autobuses MCI utilizan compresores de aire accionados por el motor de combustión, los vehículos eléctricos están equipados con compresores  accionados eléctricamente por separado. Conocidos como "compresores electrónicos", estos sistemas se componen de un compresor, un motor de accionamiento eléctrico y un inversor.

 A diferencia de los compresores accionados por MCI que son lubricados y enfriados por el circuito de aceite del motor de combustión, los compresores eléctricos cuentan con un sistema de lubricación independiente. Además, a diferencia de los compresores convencionales que reciben aire limpio del filtro de aire del motor de combustión, los compresores electrónicos toman el aire del ambiente a través de un filtro de aire integrado. Estos sistemas requieren cambios regulares de aceite y filtro de acuerdo con las recomendaciones del fabricante y el ciclo de trabajo del vehículo para proteger la vida útil del sistema. Los compresores convencionales requieren un mantenimiento mínimo y están diseñados para brindar una vida útil promedio de cinco años.

 Por ejemplo, se muestra un compresor de aire Scroll Air End, 2.2Kw 3Hp, 100% libre de aceite 250L/Min 8.8CFM,  concentrador de oxígeno, 0.6-1.2Mpa  (6 bar – 12 bar)

 

 

Teniendo en cuenta la limitada disponibilidad de energía proporcionada por los bancos de baterías en comparación con un tanque de combustible líquido, todos los componentes auxiliares de los vehículos, como este caso, deben ser calculados para lograr la máxima eficiencia de funcionamiento.  De tal manera que la incidencia sobre la reducción de autonomía sea la menor posible.  

 

 

Ing. Ricardo Berizzo

Cátedra: Movilidad Eléctrica

U.T.N. Regional Rosario                                                                              2022.-