Cómo funciona GMs Hy-wire

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Sedán de GM modelo Hy-wire. Vea más imágenes de vehículos de combustible alternativo. Foto cortesía de General Motors

Los autos son máquinas inmensamente complicadas, pero cuando te pones manos a la obra, hacen un trabajo increíblemente simple. La mayoría de las cosas complejas en un automóvil se dedican a girar las ruedas, que se adhieren a la carretera para Halar la carrocería y los pasajeros a lo largo. El sistema de dirección inclina las ruedas de lado a lado para girar el automóvil, y los sistemas de freno y aceleración controlan la velocidad de las ruedas..

Dado que la función general de un automóvil es tan básica (solo necesita proporcionar movimiento giratorio a las ruedas), parece un poco extraño que casi todos los automóviles tengan la misma colección de dispositivos complejos apiñados debajo del capó y la misma masa general de componentes mecánicos. y conexiones hidráulicas que funcionan en todas partes. ¿Por qué los automóviles necesitan necesariamente una columna de dirección, pedales de freno y aceleración, un motor de combustión, un convertidor catalítico y el resto??

Según muchos ingenieros automotrices líderes, no lo hacen; y más concretamente, en un futuro próximo, no lo haré. Lo más probable es que muchos de nosotros conduzcamos automóviles radicalmente diferentes dentro de 20 años. Y la diferencia no solo estará bajo el capó: ser propietario y conducir automóviles también cambiará significativamente.

En este artículo, veremos una visión interesante del futuro, el notable concept car de General Motor, el Hy-alambre. Es posible que GM nunca venda el Hy-wire al público, pero ciertamente es un buen ejemplo de las diversas formas en que los autos podrían evolucionar en un futuro cercano..

Contenido
  1. Conceptos básicos de Hy-wire
  2. Energía de hidrógeno de Hy-Wire
  3. Control informático Hy-Wire
El auto conceptual AUTOnomy original La actualización manejable del AUTOnomy, el Hy-wire Foto cortesía de General Motors Foto cortesía de General Motors El auto conceptual AUTOnomy original La actualización manejable del AUTOnomy, el Hy-wire Foto cortesía de General Motors Foto cortesía de General Motors

Dos elementos básicos dictan en gran medida el diseño de automóviles en la actualidad: motor de combustión interna y enlaces mecánicos e hidráulicos.

Si alguna vez ha mirado debajo del capó de un automóvil, sabe que un motor de combustión interna requiere una gran cantidad de equipo adicional para funcionar correctamente. No importa qué más hagan con un automóvil, los diseñadores siempre tienen que dejar espacio para este equipo.

Lo mismo ocurre con los acoplamientos mecánicos e hidráulicos. La idea básica de este sistema es que el conductor maniobra los distintos actuadores del automóvil (ruedas, frenos, etc.) de manera más o menos directa, manipulando los controles de conducción conectados a esos actuadores por ejes, engranajes e hidráulica. En un sistema de dirección de piñón y cremallera, por ejemplo, girar el volante hace girar un eje conectado a un engranaje de piñón, que mueve un engranaje de cremallera conectado a las ruedas delanteras del automóvil. Además de restringir la forma en que se construye el automóvil, el concepto de articulación también dicta cómo conducimos: el volante, el pedal y el sistema de cambio de marchas se diseñaron en torno a la idea de la articulación..

El Hy-wire tiene ruedas, asientos y ventanas como un automóvil convencional, pero la similitud prácticamente termina ahí. No hay motor debajo del capó ni volante ni pedales en el interior. Foto cortesía de General Motors

La característica definitoria del Hy-wire (y su predecesor conceptual, AUTOnomy) es que no tiene ninguna de estas dos cosas. En lugar de un motor, tiene una pila de pilas de combustible, que alimenta un motor eléctrico conectado a las ruedas. En lugar de conexiones mecánicas e hidráulicas, tiene un conducir por cable sistema: una computadora en realidad opera los componentes que mueven las ruedas, activan los frenos, etc., en base a la entrada de un controlador electrónico. Este es el mismo sistema de control empleado en los aviones de combate modernos, así como en muchos aviones comerciales..

Este contenido no es compatible con este dispositivo.

Foto cortesía de General Motors

Ilustración del concepto de fijación corporal de AUTOnomy

El resultado de estas dos sustituciones es un tipo de automóvil muy diferente, y una experiencia de conducción muy diferente. No hay volante, no hay pedales y no hay compartimento del motor. De hecho, cada pieza de equipo que realmente mueve el automóvil por la carretera está alojada en un chasis de aluminio de 11 pulgadas de espesor (28 cm), también conocido como el patineta -- en la base del coche. Todo lo que se encuentra por encima del chasis está dedicado exclusivamente al control del conductor y la comodidad del pasajero..

Esto significa que el conductor y los pasajeros no tienen que sentarse detrás de una masa de maquinaria. En cambio, el Hy-wire tiene un enorme parabrisas delantero, que les da a todos una vista clara de la carretera. El piso del compartimiento de pasajeros de fibra de vidrio y acero puede ser totalmente plano y es fácil dejar mucho espacio para las piernas en cada asiento. Concentrar la mayor parte del vehículo en la sección inferior del automóvil también mejora la seguridad porque hace que sea mucho menos probable que el automóvil se vuelque..

Pero lo mejor de este diseño es que te permite quitar todo el habitáculo y reemplazarlo por uno diferente. Si desea cambiar de una camioneta a un automóvil deportivo, no necesita un automóvil completamente nuevo; solo necesitas un cuerpo nuevo (que es mucho más barato).

Siempre puede volver a cambiar cuando necesite la furgoneta de nuevo. La logística del cambio aún no está clara: si la idea se pone de moda, puede haber estaciones de conmutación especiales donde puede guardar sus diferentes carrocerías, o puede haber una forma para que los conductores cambien las carrocerías ellos mismos en su propio garaje..

Hasta la próxima

GM originalmente denominó su concepto de trabajo para un automóvil de celda de combustible drive-by-wire como el Autonomía, para resaltar la flexibilidad del control por computadora y las carrocerías conmutables. Cuando llegó el momento de nombrar la versión real para conducir, el equipo de diseño reclutó a un grupo de niños, de entre seis y 15 años, para que presentaran posibilidades interesantes. Las sesiones de lluvia de ideas impulsadas por dulces arrojaron cientos de nombres, incluidos Comodín, Moonshot, Jetson y Voltio. Finalmente, GM aceptó la sugerencia de Aleksei Dachyshyn, de 14 años, Hy-wire, porque resumía muy bien los conceptos de pila de combustible de hidrógeno y conducción por cable en el núcleo del vehículo..

Los tanques de hidrógeno y la pila de celdas de combustible en el Hy-wire Foto cortesía de General Motors

En una celda de combustible de hidrógeno, un catalizador rompe las moléculas de hidrógeno del ánodo en protones y electrones. Los protones se mueven a través de la membrana de intercambio, hacia el oxígeno en el lado del cátodo, y los electrones se abren paso a través de un cable entre el ánodo y el cátodo. En el lado del cátodo, el hidrógeno y el oxígeno se combinan para formar agua. Muchas celdas están conectadas en serie para mover una carga sustancial a través de un circuito..

El "Hy" en Hy-wire significa hidrógeno, el combustible estándar para un sistema de pila de combustible. Al igual que las baterías, las pilas de combustible tienen un terminal con carga negativa y un terminal con carga positiva que impulsan la carga eléctrica a través de un circuito conectado a cada extremo. También son similares a las baterías en que generan electricidad a partir de un reacción química. Pero a diferencia de una batería, puede recargar continuamente una celda de combustible agregando combustible químico, en este caso, hidrógeno de un tanque de almacenamiento a bordo y oxígeno de la atmósfera..

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La idea básica es usar un catalizador para dividir una molécula de hidrógeno (H2) en dos protones H (H +, átomos de hidrógeno individuales cargados positivamente) y dos electrones (e-). Oxígeno en el cátodo El lado (cargado positivamente) de la celda de combustible extrae iones H + del lado del ánodo a través de un membrana de intercambio de protones, pero bloquea el flujo de electrones. Los electrones (que tienen carga negativa) son atraídos por los protones (que tienen carga positiva) en el otro lado de la membrana, pero tienen que moverse a través del circuito eléctrico para llegar allí. Los electrones en movimiento forman la corriente eléctrica que alimenta las distintas cargas del circuito, como los motores y el sistema informático. En el lado del cátodo de la celda, el hidrógeno, el oxígeno y los electrones libres se combinan para formar agua (H2O), el único producto de emisión del sistema. (Consulte Cómo funcionan las pilas de combustible para obtener más información).

Una celda de combustible solo produce un poco de energía, por lo que debe combinar muchas celdas en una pila para aprovechar al máximo el proceso. La pila de pilas de combustible del Hy-wire está formada por 200 pilas individuales conectadas en serie, que colectivamente proporcionan 94 kilovatios de potencia continua y 129 kilovatios a potencia máxima. La pila de celdas compactas (tiene aproximadamente el tamaño de una torre de PC) se mantiene fría mediante un sistema de radiador convencional que funciona con las propias celdas de combustible..

Otra vista del Hy-wire Foto cortesía de General Motors

Este sistema entrega voltaje de CC que varía de 125 a 200 voltios, dependiendo de la carga en el circuito. El controlador del motor aumenta esto hasta 250 a 380 voltios y lo convierte en corriente CA para impulsar el motor eléctrico trifásico que hace girar las ruedas (esto es similar al sistema utilizado en los coches eléctricos convencionales).

El trabajo del motor eléctrico es aplicar torque al eje de la rueda delantera para hacer girar las dos ruedas delanteras. La unidad de control varía la velocidad del automóvil aumentando o disminuyendo la potencia aplicada al motor. Cuando el controlador aplica la máxima potencia de la pila de celdas de combustible, el rotor del motor gira a 12,000 revoluciones por minuto, entregando un torque de 159 libras-pie. Un engranaje planetario de una sola etapa, con una relación de 8.67: 1, aumenta el torque para aplicar un máximo de 1,375 libras-pie a cada rueda. Eso es suficiente torque para mover el automóvil de 4,200 libras (1,905 kg) a 100 millas por hora (161 kph) en una carretera nivelada. Motores eléctricos más pequeños maniobran las ruedas para dirigir el automóvil, y controlados eléctricamente pinzas de freno detener el auto.

El combustible de hidrógeno gaseoso necesario para impulsar este sistema se almacena en tres tanques cilíndricos, que pesan alrededor de 165 libras (75 kilogramos) en total. Los tanques están hechos de un especial material compuesto de carbono con la alta resistencia estructural necesaria para contener gas hidrógeno a alta presión. Los tanques del modelo actual contienen alrededor de 4.5 libras (2 kg) de hidrógeno a aproximadamente 5,000 libras por pulgada cuadrada (350 bares). En modelos futuros, los ingenieros de Hy-wire esperan aumentar el umbral de presión a 10,000 libras por pulgada cuadrada (700 bares), lo que aumentaría la capacidad de combustible del automóvil para extender el rango de conducción..

En última instancia, GM espera que la pila de pilas de combustible, los motores y los tanques de almacenamiento de hidrógeno sean lo suficientemente pequeños como para reducir el grosor del chasis de 11 pulgadas a 6 pulgadas (15 cm). Esta "patineta" más compacta permitiría aún más flexibilidad en el diseño del cuerpo.

Números de Hy-wire
  • Velocidad máxima: 161 kph (100 millas por hora)
  • Peso: 4,185 libras (1,898 kg)
  • Longitud del chasis: 4,3 metros (14 pies, 3 pulgadas)
  • Ancho del chasis: 5 pies, 5,7 pulgadas (1,67 metros)
  • Espesor del chasis: 11 pulgadas (28 cm)
  • Ruedas: llantas de aleación ligera de ocho radios.
  • Neumáticos: 20 pulgadas (51 cm) al frente y 22 pulgadas (56 cm) atrás
  • Energía de la pila de combustible: 94 kilovatios continuos, 129 kilovatios pico
  • Voltaje de la pila de combustible: 125 a 200 voltios
  • Motor: motor eléctrico asíncrono trifásico de 250 a 380 voltios
  • Protección contra choques: "zonas de choque" delanteras y traseras (o "cajas de choque") para absorber la energía del impacto
  • Patentes transgénicas relacionadas en curso: 30
  • Miembros del equipo de GM involucrados en el diseño: 500+
Diagrama de GM del diseño AUTOnomy Cortesía de General Motors

El "cerebro" del Hy-wire es una computadora central alojada en el medio del chasis. Envía señales electrónicas a la unidad de control del motor para variar la velocidad, el mecanismo de dirección para maniobrar el automóvil y el sistema de frenado para reducir la velocidad del automóvil..

A nivel del chasis, la computadora controla todos los aspectos de la conducción y el uso de energía. Pero recibe sus órdenes de una potencia superior, a saber, el conductor en la carrocería del automóvil. La computadora se conecta a la electrónica del cuerpo a través de un solo puerto de acoplamiento universal. Este puerto central funciona de la misma manera básica que un puerto USB en una computadora personal: transmite un flujo constante de señales de comando electrónico desde el controlador del automóvil a la computadora central, así como señales de retroalimentación desde la computadora al controlador. Además, proporciona la energía eléctrica necesaria para operar todos los componentes electrónicos a bordo del cuerpo. Diez vínculos físicos bloquear el cuerpo a la estructura del chasis.

X-drive del Hy-wire El X-drive puede deslizarse hacia cualquier lado del vehículo. Foto cortesía de General Motors Foto cortesía de General Motors X-drive del Hy-wire El X-drive puede deslizarse hacia cualquier lado del vehículo. Foto cortesía de General Motors Foto cortesía de General Motors

La unidad de control del conductor, denominada X-drive, está mucho más cerca de un videojuego controlador que una disposición convencional de volante y pedal. El controlador tiene dos agarraderas ergonómicas, ubicadas a la izquierda y a la derecha de un pequeño monitor LCD. Para conducir el automóvil, desliza las empuñaduras hacia arriba y hacia abajo ligeramente; no es necesario que sigas girando una rueda para girar, solo tienes que mantener la empuñadura en la posición de giro. Para acelerar, gire cualquiera de los puños, de la misma manera que haría girar el acelerador en una motocicleta; y para frenar aprietas cualquier agarre.

Los sensores de movimiento electrónicos, similares a los de los joysticks de computadora de alta gama, traducen este movimiento en una señal digital que la computadora central puede reconocer. Los botones en el controlador le permiten cambiar fácilmente de neutral a conducir a marcha atrás, y un botón de arranque enciende el automóvil. Dado que absolutamente todo está controlado a mano, puede hacer lo que quiera con sus pies (imagínese ponerlos en un masajeador durante el viaje hacia y desde el trabajo todos los días).

El monitor en color de 5,8 pulgadas (14,7 cm) en el centro del controlador muestra todo lo que normalmente se encuentra en el tablero (velocidad, kilometraje, nivel de combustible). También le brinda imágenes de vista trasera de cámaras de video en los lados y la parte trasera del automóvil, en lugar de los espejos convencionales. Un segundo monitor, en una consola al lado del conductor, le muestra información de navegación, control de clima y estéreo.

Dado que no conduce directamente ninguna parte del automóvil, el X-drive realmente podría ir a cualquier parte del compartimiento de pasajeros. En el modelo sedán Hy-wire actual, el X-drive gira hacia cualquiera de los dos asientos delanteros, por lo que puede cambiar de conductor sin siquiera levantarse. También es fácil ajustar el X-drive hacia arriba o hacia abajo para mejorar la comodidad del conductor, o para apartarlo completamente cuando no está conduciendo..

Concepto de GM del AUTOnomy con y sin carrocería adjunta Foto cortesía de General Motors Foto cortesía de General Motors Concepto de GM del AUTOnomy con y sin carrocería adjunta Foto cortesía de General Motors Foto cortesía de General Motors

Una de las cosas más interesantes del sistema drive-by-wire es que puede ajustar el manejo del vehículo sin cambiar nada en los componentes mecánicos del automóvil; todo lo que se necesita para ajustar la dirección, el acelerador o la sensibilidad de los frenos es un nuevo software de computadora. En futuros vehículos drive-by-wire, lo más probable es que pueda configurar los controles exactamente a su gusto presionando algunos botones, al igual que podría ajustar la posición del asiento en un automóvil hoy. En este tipo de sistema también sería posible almacenar preferencias de control distintas para cada conductor de la familia..

La gran preocupación con los vehículos drive-by-wire es la seguridad. Dado que no existe una conexión física entre el conductor y los elementos mecánicos del automóvil, una falla eléctrica significaría una pérdida total de control. Para que este tipo de sistema sea viable en el mundo real, los automóviles de conducción por cable necesitarán fuentes de alimentación de respaldo y enlaces electrónicos redundantes. Con medidas de seguridad adecuadas como esta, no hay ninguna razón por la que los automóviles de conducción por cable sean más peligrosos que los automóviles convencionales. De hecho, muchos diseñadores piensan que estarán mucho más seguros, porque la computadora central podrá monitorear la entrada del controlador. Otro problema es agregar una protección adecuada contra choques al automóvil.

El otro gran obstáculo para este tipo de automóvil es descubrir métodos energéticamente eficientes para producir, transportar y almacenar hidrógeno para las pilas de pilas de combustible a bordo. Con el estado actual de la tecnología, la producción real de combustible de hidrógeno puede generar tanta contaminación como el uso de motores de gasolina, y los sistemas de almacenamiento y distribución aún tienen un largo camino por recorrer (consulte Cómo funciona la economía del hidrógeno para obtener más información)..

Entonces, ¿alguna vez tendremos la oportunidad de comprar un Hy-wire? General Motors dice que tiene la intención de lanzar una versión de producción del automóvil en 2010, asumiendo que puede resolver los principales problemas de combustible y seguridad. Pero incluso si el equipo de Hy-wire no cumple con este objetivo, GM y otros fabricantes de automóviles definitivamente están planeando ir más allá del automóvil convencional pronto, hacia una alternativa computarizada y ecológica. Con toda probabilidad, la vida en la carretera verá algunos cambios importantes en las próximas décadas..

Para obtener más información sobre Hy-wire y otras tecnologías automotrices emergentes, consulte los enlaces en la página siguiente..

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Más enlaces geniales

  • TechTV: Hitching a Ride on the Hy-Wire
  • TechTV: crucero por el siglo XXI con Hy-Wire
  • CNN.com: Hy-wire diseñado para el papel ecológico
  • PopularMechanics.com: Fueling the Future
  • PopularMechanics.com: Ley Hy-Wire
  • El directorio de vehículos de combustible alternativo
  • Grupo de vehículos de combustible alternativo
  • FuelEconomy.gov



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