Mejora de la eficiencia del combustible con motores sin escobillas en bombas de combustible dentro del tanque

Sistemas de tren motriz Delphi, Troy, Michigan

La mayoría de los sistemas de combustible para automóviles utilizan un módulo de suministro de combustible (FDM) con componentes para filtrar y bombear gasolina a una presión y caudal específicos desde el tanque de combustible al motor. El FDM utiliza un conjunto de depósito para mantener el suministro de combustible en la entrada de la bomba y soportar componentes como reguladores y/o limitadores de presión, filtros, sensores de nivel y las conexiones eléctricas e hidráulicas que pasan a través del tanque. Los sistemas actuales utilizan predominantemente componentes eléctricos pasivos, como bombas de cepillos y sensores resistivos de nivel de combustible que están conectados de forma independiente a un suministro de voltaje y un módulo de control de la carrocería, respectivamente. Los altos niveles de flujo de estos sistemas requieren bombas de alta potencia que puedan operar continuamente en 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 dependiendo de la demanda proyectada del motor y proporcionar cierta mejora en el consumo de energía.

La arquitectura del vehículo con el módulo integrado que incluye el Brushless Controller dentro del FDM

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

Además, el controlador integrado proporciona diagnósticos de la bomba y puede incluir circuitos de procesamiento de señales de sensores dentro del conjunto del tanque para permitir información adicional sobre el estado de salud y/o proporcionar mejoras adicionales en el rendimiento del sistema mediante la interfaz con tecnologías de detección mejoradas, como un sensor de nivel de combustible sin contacto. El controlador BL se beneficia de la proximidad a la bomba además de la reducción del ruido acoplada a la fase de detección EMF (fuerza electromotriz) trasera 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. Utilizando una técnica similar a la del controlador de voltaje para bombas de cepillos, 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 apagado se ajusta para alcanzar el nivel de corriente de accionamiento necesario para mantener la velocidad de la bomba al nivel ordenado por el módulo de control del motor (ECM). Esta señal de voltaje modulada por ancho de pulso (PWM) permite el control de velocidad de circuito cerrado para garantizar el flujo de combustible independientemente de factores ambientales como la presión, el voltaje de suministro, las propiedades del combustible y la temperatura.

Además, el controlador BL compensa las variaciones en los parámetros de la bomba y la deriva inducida por el tiempo. El conjunto FDM integrado optimiza el rendimiento del sistema al minimizar la distancia a la bomba BL y al proporcionar un algoritmo de control adaptado al diseño de la bomba y los requisitos de la aplicación. Además, el controlador BL incluye diagnósticos de bombas para monitorear el voltaje de suministro, las corrientes de accionamiento, la temperatura del controlador y la velocidad del motor. Las variaciones en estos parámetros fuera de los límites predecibles y/o aceptables pueden provocar el apagado del sistema para evitar daños o simplemente comunicar una condición anormal al ECM.

Se utilizaron sólidas técnicas de ingeniería y otras herramientas estadísticas para obtener la solución óptima que cumpliera con los estrictos requisitos de par, velocidad, presión y flujo. Se ejecutó un diseño factorial completo de experimentos utilizando herramientas analíticas para simular el rendimiento del motor y derivar la combinación de parámetros que cumplen con los requisitos de eficiencia y torque de la aplicación, mientras se minimiza el torque dentado, la ondulación del torque y la tracción magnética desequilibrada que resulta en un exceso de vibración y ruido. La combinación óptima y los resultados analíticos se confirmaron con pruebas de laboratorio utilizando conjuntos de motores. Los experimentos condujeron a un diseño de motor con 9 polos en el estator y 10 polos en el rotor. La configuración del devanado se ajustó para alcanzar un par superior a 0,10 Nm a 12 voltios y 5000 rpm, con una eficiencia del 68% con los niveles de tolerancia de diseño del conjunto.

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