Mejora de eficiencia de combustible con motores brushless en bombas de combustible en tanque

La mayoría de sistemas de combustible automotriz usan un Módulo de Entrega de Combustible (FDM) con componentes para filtrar y bombear gasolina a una presión y caudal especificados desde el tanque al motor. El FDM usa un conjunto de depósito para mantener suministro de combustible en la entrada de la bomba y soportar componentes como reguladores y/o limitadores de presión, filtros, sensor de nivel, y conexiones eléctricas e hidráulicas que pasan por el tanque. Los sistemas actuales usan predominantemente componentes eléctricos pasivos como bombas de escobillas y sensores de nivel de combustible resistivos conectados independientemente a una fuente de voltaje y módulo de control de carrocería, respectivamente. Los altos caudales de estos sistemas requieren bombas de alta potencia que pueden operar continuamente a condiciones de velocidad máxima. Algunos sistemas más nuevos pueden emplear un controlador de voltaje para modular el voltaje de suministro de la bomba a velocidades discretas según demanda proyectada del motor, y proporcionar cierta mejora en consumo de energía.

Nueva arquitectura con motor brushless y controlador integrado

Un nuevo FDM emplea un motor brushless (BL) en el conjunto de bomba, e incluye un controlador integrado para proporcionar conmutación eléctrica al motor. Dado que la bomba BL es más eficiente que la de escobillas, y el controlador proporciona control de velocidad en lazo cerrado, esta solución ofrece mejoras significativas en consumo de energía y, consecuentemente, emisiones de dióxido de carbono (CO2). Otro beneficio de la bomba BL se produce con el acoplamiento magnético entre el estator y rotor del motor, y la eliminación de contactos que pueden desgastarse y/o formar película en combustibles agresivos. Esto mejora la durabilidad y fiabilidad del FDM.

Adicionalmente, el controlador integrado proporciona diagnósticos de bomba y puede incluir circuito de procesamiento de señal de sensor dentro del conjunto del tanque para permitir información adicional de estado de salud y/o mejoras adicionales de rendimiento del sistema interfazando con tecnologías de sensado mejoradas como sensor de nivel de combustible sin contacto. El controlador BL se beneficia de la proximidad a la bomba además de la reducción de ruido acoplado a la fase de detección de fuerza contraelectromotriz (back EMF) para mediciones de velocidad del motor sin sensores.

La figura muestra una arquitectura de vehículo con el módulo integrado que incluye el controlador BL dentro del FDM. Usando técnica similar al controlador de voltaje para bombas de escobillas, el controlador de bomba BL modula la corriente que fluye a través de cada una de las tres fases cortando el voltaje de suministro a alta frecuencia. El tiempo de corte se ajusta para lograr el nivel de corriente de impulso requerido para mantener la velocidad de la bomba en el nivel ordenado por el Módulo de Control del Motor (ECM). Esta señal de voltaje modulada por ancho de pulso (PWM) permite control de velocidad en lazo cerrado para asegurar flujo de combustible independiente de factores ambientales como presión, voltaje de suministro, propiedades del combustible y temperatura.

Compensación y diagnóstico

Además, el controlador BL compensa variaciones en parámetros de la bomba y deriva inducida por tiempo. El conjunto FDM integrado optimiza el rendimiento del sistema minimizando la distancia a la bomba BL, y proporcionando un algoritmo de control sintonizado al diseño de la bomba y requisitos de aplicación. Además, el controlador BL incluye diagnósticos de bomba para monitorizar voltaje de suministro, corrientes de impulso, temperatura del controlador y velocidad del motor. Variaciones en estos parámetros fuera de límites predecibles y/o aceptables pueden provocar apagado del sistema para prevenir daños o simplemente comunicar una condición anormal al ECM.

Diseño optimizado mediante ingeniería robusta

Técnicas de ingeniería robusta y otras herramientas estadísticas se usaron para derivar la solución óptima para cumplir requisitos estrictos de par, velocidad, presión y caudal. Diseño factorial completo de experimentos se ejecutó usando herramientas analíticas para simular rendimiento del motor y derivar la combinación de parámetros que cumplen requisitos de par y eficiencia de la aplicación minimizando par de cogging, rizado de par y atracción magnética desbalanceada que resulta en vibración y ruido excesivos. La combinación óptima y resultados analíticos se confirmaron con pruebas de laboratorio usando ensamblajes de motor. Los experimentos llevaron a un diseño de motor con 9 polos en el estator y 10 en el rotor. La configuración de devanado se sintonizó para lograr par mayor a 0,10 Nm a 12 Voltios y 5000 rpm, con 68% eficiencia con los niveles de tolerancia de diseño del ensamblaje.

Este trabajo fue realizado por Duane Collins, Philip Anderson, Sharon Beyer y Daniel Moreno de Delphi Powertrain Systems. El artículo técnico completo sobre esta tecnología está disponible para compra a través de SAE International en https://papers.sae.org/2012-01-0426.