WO2011042587A1 - Sistema de almacenamiento de energía de utilidad en arranques y regulación de sistemas mecánicos - Google Patents

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WO2011042587A1
WO2011042587A1 PCT/ES2010/070652 ES2010070652W WO2011042587A1 WO 2011042587 A1 WO2011042587 A1 WO 2011042587A1 ES 2010070652 W ES2010070652 W ES 2010070652W WO 2011042587 A1 WO2011042587 A1 WO 2011042587A1
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hydraulic
rotating shaft
torque
shaft
spiral
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PCT/ES2010/070652
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Inventor
Juan Manuel MUÑOZ GUIJOSA
Julián CASERO FERNANDEZ-MONTES
José Luis MUÑOZ SANZ
Juan José Manso Garcia
Alfonso María GONZALEZ RICO
Original Assignee
Acumener Investigacion Y Desarrollo, S.L.
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60T1/00—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles
    • B60T1/02—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles acting by retarding wheels
    • B60T1/10—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles acting by retarding wheels by utilising wheel movement for accumulating energy, e.g. driving air compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N5/00—Starting apparatus having mechanical power storage
    • F02N5/02—Starting apparatus having mechanical power storage of spring type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • the present invention falls within the technical field of accumulation devices and use of energy generated in the braking of moving vehicles or devices, or surplus for some other reason in a mechanical, electrical, hydraulic or any other system, delivering said energy in a reduced time -that is, with high power-, so that it can be used in, for example, the start-up or regulation of mechanical systems, which are characterized by the demand for large amounts of energy in a short time.
  • the system is able to absorb said energy also in a short time interval - that is, at high power.
  • the main starting systems in vehicles with an internal combustion engine currently in existence are based on electric starters whose use is the traditional method of starting up motor vehicles. These engines are put into operation thanks to the electric power supplied by batteries, energy that will subsequently be replenished through an alternator, in many situations by consuming fuel with low conversion efficiency.
  • This starting system is a poorly optimized method, with a high fuel consumption, high emission level and does not allow automatic stopping of vehicles on hold.
  • Start-Stop that perform the automatic stop of the engines of the vehicles when the vehicle is stopped due to red light or traffic stops, thus avoiding consumption and emissions at idle speed. At the time of starting the vehicle, electric energy from the batteries is still used to power a starter, incurring fuel consumption.
  • Flow batteries in which a reversible fuel cell stores and releases electricity through an electrochemical reaction, which occurs when the electrolyte flows through a cell membrane.
  • Supercapacitors comprising two electrodes of opposite polarity that are separated by an electrolyte and store opposite electrical charges of equal magnitude on the surface of each electrode plate and during discharge a current is generated.
  • Storage of hydrogen according to which water is electrolyzed into hydrogen (and oxygen) and which is stored in a compressed state, and hydrogen is used to generate energy through a fuel cell or engine when necessary.
  • the start-up of an electric machine entails a high consumption of electric energy and the additional need to have to develop a high torque to overcome the resistant inertia that the motor is at rest, consuming several times the nominal operating current during said period and generating an overheating of the motor.
  • There are starting systems with voltage reduction such as triangle star starts, auto-transformer starts, primary resistance starts or soft starts. Although these systems allow to improve the problems described above, the results are not the most favorable, producing low yields, high consumption, deterioration of the electric motor, difficulty of control and an additional cost added by the introduction of these systems.
  • Another example would be the emergency power generation systems of the large electrical installations: from a short supply to the start-up of auxiliary generators, a short time usually passes, during which there is no supply. This can be a major inconvenience in hospitals, airports, etc.
  • spiral springs manufactured with high capacity of absorption and delivery of energy in elastic form for example, composite materials - composites - with polymeric matrix and reinforcement of fiberglass, carbon, etc., although later examples will be cited
  • energy in elastic form for example, composite materials - composites - with polymeric matrix and reinforcement of fiberglass, carbon, etc., although later examples will be cited
  • the energy accumulation systems described above suffer from disadvantages such as high cost, unfavorable energy efficiency, limited operating safety and / or a short-lasting useful life.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of the state of the art detailed above, by means of an energy storage system useful in start-ups and regulation of mechanical systems, particularly for storing energy generated from the braking of a system propelled by a motor, and especially suitable for storing energy generated from the braking of a motor vehicle provided with a motor and using the energy to start the vehicle, which comprises
  • an energy storage device comprising at least one spiral spring housed in a housing and arranged on a rotating shaft to store mechanical energy when the rotating shaft rotates in a first direction of tension by tensioning the spiral spring, and to release mechanical energy stored in spiral spring when the rotating shaft rotates in a second direction, opposite the first direction, in which the spiral spring is discharged;
  • charging means for delivering the energy generated in a rotating element propelled from the motor to the energy storage device
  • control means connected, on the one hand, to the charging means, to the unloading means and to the storage device, and, on the other, to a control system;
  • an interlocking system connected to the rotating shaft and controlled by interlocking control means, to keep the spiral spring alternately in a locked situation in which the rotating shaft does not rotate or in a released situation in which the rotation of the rotating shaft in said first direction actuated by the charging means tension the spiral spring to store mechanical energy, while the rotation of the rotating shaft in the second direction releases the mechanical energy stored in the spiral spring;
  • the discharge means comprise a system of transmission of rotating movements, coupling means for coupling and decoupling the transmission system controlled by coupling control means, and a system of variation of torque and speed;
  • the transmission system is interconnected between said propelled rotating element and the coupling means
  • the coupling means are interconnected between the transmission system and the torque and speed variation system
  • the torque and speed variation system is interconnected between the coupling means and the rotating shaft of the storage device.
  • the torque and speed variation system comprises a reversing device of direction of rotation controlled by control means of the inverting device.
  • the inverter device is connected to the torque and speed variation system such that, in said situation released from the spiral spring and when the coupling means are connected, when the torque and speed variation system receives rotational movements of the rotating propelled element , the torque and speed variation system rotates the rotating shaft of the storage device in said first direction of rotation with a first torque and at a first speed while, when the torque and speed variation system receives rotary movements in said second direction, said rotary axis transmits rotational movements with a second torque, greater than said first torque, and at a second speed , less than said first speed, to said rotating element propelled to start the vehicle.
  • the loading and unloading means are integrated in the same system.
  • a hydraulic system consisting of a hydraulic pump integral to the movement transmission shaft of the vehicle is installed so that said pump feeds a hydraulic motor that is responsible for driving in the required direction the rotating shaft of the spiral spring through gears that adapt the speed and torque conditions to those requested by the spiral spring.
  • said hydraulic system does not become operational, the movement being coupled in a manner similar to that described according to the previous arrangement.
  • the means of loading the spiral spring comprise a hydraulic pump, coupled to the motor driven element, and propelling a hydraulic motor coupled to the rotating shaft through a second torque and speed variation system.
  • a hydraulic circuit that connects the hydraulic pump with the hydraulic motor, as well as hydraulic control means to drive the hydraulic pump and connect the hydraulic pump to the hydraulic motor to rotate the rotating shaft in said first direction to load the spring, and to disconnect the hydraulic pump when the rotating shaft rotates in said second direction.
  • the hydraulic control means may comprise a control valve interconnected in the hydraulic circuit to allow hydraulic fluid to flow from the hydraulic pump to the hydraulic motor.
  • the hydraulic circuit may comprise a hydraulic supply line through which the hydraulic fluid flows from the hydraulic pump to the hydraulic motor, a hydraulic return line through which the hydraulic fluid flows from the hydraulic motor to the hydraulic pump, a bypass line that connects the hydraulic supply line with the hydraulic line return and that is interposed between the hydraulic pump and the hydraulic motor.
  • the control valve is arranged in such a way that it closes the hydraulic supply line before reaching the hydraulic motor by diverting the hydraulic fluid to the hydraulic return line when the rotating shaft rotates in said second direction.
  • the loading means may comprise second coupling means for coupling and decoupling the hydraulic pump of the propelled rotating shaft, controlled by second coupling control means. These second coupling means are interconnected between the propelled rotating shaft and the hydraulic pump.
  • the loading means may be jointly connected to the coupling means by means of a shaft.
  • the loading means may be connected to the engine timing chain, the engine timing belt, the engine crankshaft shaft, directly or through a auxiliary pulley system comprising a first pulley mounted on the shaft connected to the coupling means, a second pulley mounted on the shaft of the crankshaft and a transmission chain or belt arranged on the pulleys, to the flywheel directly or by a system of gear comprising at least a first gear that meshes with a perimeter teeth of the flywheel.
  • the second coupling means may comprise a friction clutch or a hydraulic clutch, while the second torque and speed variation system may comprise a parallel or epicycloidal gear reducer.
  • the invention provides a mechanical energy storage device by means of at least one spiral spring, which can be formed by one or a set of springs arranged in series or parallel, and which can be coupled to an internal combustion engine to allow it to start by discharging this previously stored mechanical energy, preferably in braking, although, as will be described in more detail below, it can also be carried out when the engine is running but the vehicle is on hold, idle or in other situations. In these situations, the system spring is compressed by absorbing energy and recharging, accumulating mechanical energy that is subsequently used to start the combustion engine by means of distension of the spiral spring.
  • the spring can be of the type described in patent application EP-A-2097655, different springs can also be used, such as spiral springs of non-constant torque, springs whose shape before being mounted in the housing, or already In operating arrangement, it is defined with any type of spiral (Archimedes, logarithmic, etc.), and the spring section may have different configurations: monolithic section with different shapes -rectangular, circular, elliptical, etc., hollow or not- , sandwich section - composed of skins on its outer faces and core in its central part, which can be, for example, foam, honeycomb, etc.
  • the spiral spring is attached to a central shaft and fixed to an outer housing, and is driven by said shaft by applying a torsor moment allowing the accumulation of energy mechanically for later reuse.
  • the system is preferably designed in such a way that it is capable of storing sufficient mechanical energy to start a certain number of times hot and cold.
  • the system is preferably designed to give an order to stop the engine at each moment of stopping or after a certain stopping time of the running of the vehicle. This results in additional savings in consumption and emissions to Eliminate all unnecessary consumption of idle motor consumption, allowing a rapid re-start of the engine by means of the exposed system and without additional expense of electrical energy stored in the batteries.
  • This transmission system is jointly connected by means of a shaft to coupling means that allow decoupling and coupling with respect to the movement of the engine.
  • This element may consist of a friction or hydraulic clutch or any other device of similar functionality together with a gear system, driven by a coupling actuator, preferably electromagnetic, although it can also be electric, pneumatic or hydraulic.
  • a torque and speed variation system is installed, preferably a gearbox such as a parallel or epicyclic gear reducer, which, in the case of the first preferred embodiment described above, also includes the mechanism inverter that allows the reversal of the turning movement to adapt the direction of operation to the loading or unloading of the storage system, thus allowing adjustment to the working conditions.
  • the drive can be operated by means of an actuator of the torque and speed variation system, preferably electromagnetic, although it can also be electric, pneumatic or hydraulic.
  • the torque and speed variation system can also be an element or device that allows to perform the functions of the gearbox and the movement reversal mechanism.
  • the energy storage system is arranged, joined in solidarity by means of a tree, belt, gear, chains or other transmission element as described above.
  • the system comprises a shaft to which the spring that is sized for this application is attached, and the housing to which the spring is attached.
  • the spiral spring may be formed by a set of springs arranged in series or in parallel in order to decrease the radial or longitudinal dimensions thereof.
  • springs arranged on separate axes are provided for loading and unloading of the storage system, the central axis being the load axis of the system, and the outer casing being attached to a secondary axis of the gearbox as the discharge axis or vice versa.
  • each spiral spring is attached at one end of the connecting element and at the opposite end It is attached to the connecting element of the next spring.
  • That of said connecting elements that is at one of the ends may be fixed and that of the opposite end may be integral with the drive shaft of the spiral spring or it may act as a motion and torque transmission shaft.
  • the connection between the different discs can be carried out through adhesive, through mechanical union of force or shape, or any fixing mechanism.
  • each of the springs of the energy storage device is respectively disposed between two connecting elements that are arranged on the rotating shaft and the connecting elements comprise a first end connecting element and a second end connection element, and at least one intermediate connection element capable of rotating on the rotating shaft.
  • One of the extreme connecting elements is integral with the rotating axis and rotates with the rotating axis, and the other is stationary and does not rotate with the rotating axis and each spiral spring is connected at one of its ends to a central part of an element of connection and at its other end to a peripheral part of the adjacent connection element.
  • each spiral spring is disposed between a front surface and a rear surface of two adjacent connecting elements, and is peripherally surrounded by an annular body of a connecting element comprising the annular body an open side, a side closed by a wall and an internal surface annular that together they form an inner cavity in which the corresponding spiral spring is housed.
  • At least one of the extreme connecting elements and each intermediate connecting element respectively has a central cylindrical projection with a diameter smaller than the annular body, which emerges from its front surface and has an axial passage through the rotating axis.
  • the first end of each spiral spring is fixed to the cylindrical projection of one of the connecting elements and the second end of each spiral spring is fixed in the annular body of the adjacent connecting element.
  • the connecting elements are immobilized with respect to each other, so that, with each spiral spring connected to two of the connecting elements, the rotation of the rotating shaft in said first direction successively tightens the spiral springs arranged between the connecting elements, and the rotation of the rotating shaft in said second direction successively releases the spiral springs arranged between the connecting elements.
  • the stationary end joint element can comprise a discoidal body from whose front surface said cylindrical projection emerges.
  • At least one of the spiral springs may comprise a first spiral body and a second spiral body disposed in offset with each other, each spiral body being connected at one end to a first part of said central part of a connecting element and at another end to a second part of said peripheral part of the adjacent connecting element, the respective turns of the spiral bodies being arranged alternately and concentrically.
  • the offset of the spiral bodies can be, for example, 180 g .
  • Attached to the rotary axis is an interlocking system that allows the spring to be fixed in stationary conditions.
  • the interlocking can be achieved by the use of a braking device which can be, for example, a device with brake discs, shoes, an electromagnetic or interlocking brake or other similar device, and / or a ratchet or other method of mechanical or retention interlock.
  • the interlocking system can be operated by means of an interlocking actuator, preferably electromagnetic, although it can also be electric, pneumatic or hydraulic.
  • an additional braking device can be provided to brake the shaft once the necessary energy has been discharged.
  • the braking device may be a device with brake discs, shoes, an electromagnetic or interlocking brake or other similar device.
  • the braking device can be operated by means of a braking actuator, preferably electromagnetic, although it can also be electric, pneumatic or hydraulic.
  • the mechanical energy used to recharge the system is obtained from the kinetic energy of the vehicle braking.
  • the storage system is activated.
  • the gear inverter of the gear unit is placed in the system load position, the system is coupled by means of coupling and the interlocking system is unlocked. Once the storage system is loaded or when it stops braking, the system is disengaged, braked and the spring shaft interlocked, and the inverter is placed in neutral position.
  • a control valve is activated at the time of the braking process of the vehicle, allowing the hydraulic pump to feed the hydraulic motor and cause the rotation of the spring tree that has previously been released from its interlocking.
  • the energy stored in it is released.
  • a drive signal corresponding to the clutch or the acceleration of the vehicle is received.
  • the release of the interlocking system of the spring axis, as well as the clutch coupling and actuation of the inverter mechanism in the proper direction of discharge occurs.
  • the system must give an engine draft signal under the conditions of stopping the gear using the system control system and the vehicle itself.
  • an additional recharge of the system is produced by coupling the system in the idle state of the engine or accelerating it in the idle state.
  • This recharging method will be activated automatically in case the system is completely downloaded and the process to be followed will be similar to the one explained above.
  • the system will have status measurement systems.
  • the temperature will be measured by a thermocouple, pyrometers, coolant temperature sensor of the vehicle or any other temperature measuring instrument, as well as the revolutions of the spring axis and the turns of the system when releasing the energy by infrared sensors , tachometers, vehicle speed sensors or any other element that allows the necessary measurements to be made.
  • auxiliary devices both actuators and sensing, will be powered electrically by the introduction of an additional power system or through the batteries already in the vehicle.
  • both the actuators and the sensors will be controlled by a control system, which can be the existing control unit in the vehicle itself, or an additional unit, a PLC or any other suitable control device.
  • a control system which can be the existing control unit in the vehicle itself, or an additional unit, a PLC or any other suitable control device.
  • the vehicle variables of the engine speed, wheel speed, clutch and brake pedal, start signal, etc. are required.
  • the system can be activated by automatic operation after starting the vehicle's engine and / or by an optional actuator that also allows it to be disconnected.
  • Figure 1 is a schematic view of the constituent elements of the system assembly according to a first embodiment of the system according to the invention, including the storage spring and the mechanisms of coupling, reduction / multiplication, reversal of movement and braking and clamping;
  • Figure 2 shows an embodiment of a control scheme for the system shown in Figure 1 formed by a control unit, control sensors and electromagnetic actuators;
  • Figure 3 shows a two-stage serial connection arrangement of two-input spiral springs;
  • Figure 4 shows another two-stage series spiral coil connection arrangement
  • Figure 5 shows a cross section of one of the spiral springs illustrated in Figure 3;
  • Figure 6 is a schematic view of the constituent elements of the system assembly according to a second embodiment of the system according to the invention.
  • Figure 7 shows an embodiment of a control scheme for the systems shown in Figure 6 formed by a control unit, control sensors and electromagnetic actuators;
  • Figure 8 is a schematic view of the constituent elements of the system assembly according to a third embodiment of the system according to the invention.
  • Figure 9 shows an embodiment of a control scheme for the systems shown in Figure 8 formed by a control unit, control sensors and electromagnetic actuators.
  • Figure 1 shows an embodiment of the energy storage and vehicle start-up system formed by a set of spiral springs arranged in series -1 - with interposition of different connecting discs -25- being all protected by a housing -2- .
  • the axis of the springs -3- is responsible for transmitting the rotational movement to the different springs.
  • the springs -1 - are connected to the disc brake -4- and the ratchet interlock mechanism -5-, which are controlled respectively by the electromagnetic brake actuator -6- and by the electromagnetic ratchet actuator -7-.
  • the rotating shaft -3- of the spring -1 - additionally is coupled to a gearbox -8- of the straight gear epicyclic type, which allows the inversion of movement thanks to the existence of an inverting mechanism -9- and an intermediate shaft - 21 -, its operating positions being controlled by the electromagnetic inverter actuator -10-.
  • Shaft -1 1 - of the gearbox -8- is connected to a friction clutch -12- that allows the storage mechanism to be coupled and uncoupled to the vehicle's motion transmission system, which, like the rest of the mechanism, is controls thanks to an electromagnetic actuator -17- of the clutch.
  • the axis -13- is the axis of movement transmission and is integral with the movement transmission pulley -14-.
  • the transmission of the movement to the coupling pulley -15- to the axis -24- of the engine crankshaft is achieved thanks to the transmission chain -16-.
  • the system control system shown in Figure 2 comprises sensors and control systems and subsequent monitoring of the real-time status of the system. For regulation, it works with state variables of the vehicle itself, such as speed, engine speed, clutch position, revolutions at which the wheels and brake pedal serial.
  • These signals are obtained from a sensor system -23- comprising sensors incorporated in the vehicle, and are collected by the control unit -18- installed in the vehicle.
  • the control unit -18- installed in the vehicle.
  • the corresponding signals are sent through the control unit
  • control device -20- is incorporated that allows activating or deactivating the operation of the system at the user's discretion. All the elements that make up the regulation system shown in Figure 2 are powered by the use of the battery -22- of the motor vehicle.
  • the engine start is achieved by actuating the actuator -17- that causes the clutch -12- to be coupled, and the actuator -10- that activates the inverter mechanism -9- so that the direction of rotation of the gearbox -8 - It is suitable for unloading, thus making the movement of the drive shaft -13- and the shaft -3- of the spring integral.
  • the actuator -7- causes the release of the ratchet -5- of the shaft -3- of the spring assembly -1 -, thus causing the release of energy from it and therefore the movement of the pulley -15- of the crankshaft shaft
  • the operation of the actuators -17- and -9- is deactivated, and the actuator -6- that controls the brake -4- is activated to lower the revolutions of the axis -3- of the spring assembly -1 -, to finally re-lock the axis -3- of the spring assembly -1 - by means of the actuator - ⁇ -.
  • the spring is recharged at the time the braking starts. For this, it is necessary to make the movement of the drive shaft -13- and the spring -3- again, by means of clutch coupling -12- by means of the actuator -17-, and of the inverter mechanism -9-.
  • the actuator -10- of the inverter mechanism -9- causes the position of the latter to be such that the reduction in the transmission of the movement is carried out in the proper direction to that of the recharge of the spring assembly -1 - by means of the reducer -8 -.
  • Figure 3 shows an embodiment of the series connection of several spiral springs.
  • the diagram shown is the corresponding two spiral springs -1 -, being possible the introduction of a greater number of spiral springs -1 - in a manner analogous to that described below.
  • the springs -1 - are arranged respectively between two connecting elements -25 - 25'-, -25 '- 26 - which are arranged on the rotating shaft (not shown in figure 3), there being a first element end connection -25- integral with the rotating shaft and rotating therewith, a second stationary end connecting element -26- that does not rotate with the rotating shaft which can be attached to the storage device housing (see Figure 1 ). and an intermediate connecting element -25'- capable of rotating on the rotating shaft.
  • each spiral spring -1 - is disposed between a front surface and a rear surface of two adjacent connecting elements -25-, -25'-, -26-, and is peripherally surrounded by an annular body -25a-, - 25a'- of one of the connecting elements -25-, 25'-.
  • the annular body -25-, -25'- comprises an open side, a loop closed by a front wall -25c-, -25c'- and an inner annular surface -25b-, -25b'- which together form an inner cavity to accommodate the corresponding spiral spring -1 -.
  • the connecting elements -25-, -25'-, -26- respectively have a central cylindrical projection -25d-, -25d'-, -26b- with a diameter smaller than the annular body
  • the stationary end joint element -26- comprises a discoidal body -26a- from whose front surface said cylindrical projection -26b- emerges.
  • Each spring -1 - is composed of two spiral bodies -1 A-, -1 B- offset from each other at an angle of 180 ° which can be seen in more detail in Figure 5.
  • the first end of each spiral body -1 A-, -1 B- is fixed to a part of the cylindrical projection -25d-, -25d'-, -26b- of one of the connecting elements -25-, 25 ' -, -26- and the second end of each spiral body -1 A-, -1 B- is fixed on the internal surface -25b-, -25b'- of the annular body -25a-, -25a'- of the adjacent connecting element -25-, 25'- .
  • the connecting elements -25-, -25'-. -26- are immobilized with respect to each other.
  • Figure 4 shows another possible form of serial arrangement of spiral springs -1 - by winding, alternatively, hourly and counterclockwise of every two -1 - consecutive springs, and joining, alternatively, annular body with annular body and cylindrical projection with cylindrical body.
  • the annular body By introducing a turn -A- on the axis of the first spiral spring 1-, the annular body will rotate in the -B- direction. If this annular body joins the annular body of a spiral spring -1 - wound in the opposite direction, the rotation -C- received by it will load that spring -1 -, and will produce a rotation in its axis in the direction -D-.
  • the reducer -8- does not comprise any inverter device since the loading of the springs -1 - is not carried out through the transmission system -13-, -14-, -15-, -16-, -17 -, but by means of a hydraulic system comprising a hydraulic pump -28- coupled by means of a drive shaft -36- to the crankshaft shaft -24- of the engine, which propels a hydraulic motor -29- coupled in turn to the shaft rotating -3- through a second torque and speed variation system -33-.
  • another coupling system (not shown in the figures) may be arranged to disconnect and connect the rotating shaft during discharge the energy stored in the assembly of springs -1 - to start the vehicle.
  • the hydraulic pump -28- is connected to the hydraulic motor through a hydraulic circuit -31, 32, 34-, the hydraulic system being controlled by means of hydraulic control means -30-, -35-, to drive the hydraulic pump -28 - and connect the hydraulic pump -28- to the hydraulic motor -29- to rotate the rotating shaft -3- in said first direction to load the spring -1 -, and to disconnect the hydraulic pump -28- when the rotating shaft - 3- rotates in said second direction.
  • the hydraulic circuit -31, 32- comprises a hydraulic supply line -31 - through which the hydraulic fluid flows from the hydraulic pump -28- to the hydraulic motor -29-, a hydraulic return line -32- through which the hydraulic fluid returns from the hydraulic motor -29- to the hydraulic pump -28-, a bypass -34- which connects the hydraulic supply line -31- to the hydraulic return line -32- and which is interposed between the hydraulic pump -28- and hydraulic motor -29-.
  • a control valve -30- is arranged so that it closes the hydraulic supply line -31 - before reaching the hydraulic motor -29- to divert the hydraulic fluid to the hydraulic return line -32- when the rotating shaft -3- rotates in said second direction.
  • the loading of the springs -1 - is done at the moment when the braking starts.
  • the clutch -12 is decoupled, the hydraulic pump -28- is activated, and the control valve -30- closes the bypass -34- opening the hydraulic fluid passage through the supply line -31 - to the hydraulic motor -29-.
  • the hydraulic motor -29- is driven by the passage of the hydraulic fluid and, therefore, rotates the rotating shaft -3- in said first direction to tension them.
  • the hydraulic fluid returns from the hydraulic motor -29- to the hydraulic pump -28- through the return duct -32- in which a non-return valve -35- is arranged to avoid backflows to the hydraulic motor -29- and prevent,
  • a non-return valve -35- is arranged to avoid backflows to the hydraulic motor -29- and prevent,
  • the hydraulic fluid flows through the bypass line -34-, it flows to the hydraulic motor -29- through the return line -32-.
  • the braking system -5- and the ratchet mechanism -5- act in a manner analogous to that described above with reference to figures 1 and 2.
  • the hydraulic pump -28- and the control valve -30- shut off the supply line -31- and divert the hydraulic fluid through the bypass -34-.
  • the additional coupling system mentioned above it disengages the rotating shaft -3-.
  • Engine start is achieved by actuator actuation -17- which causes clutch engagement -12-, thus making the movement of the drive shaft -13- and shaft -3- of the spring assembly integral.
  • the actuator -7- causes the release of the ratchet -5- of the axis -3- of the spring assembly -1 -, thus causing the release of energy from it and therefore the movement of the pulley -15- of the crankshaft axis - 24-.
  • the operation of the actuator -17- is deactivated and the actuator -6- that controls the brake -4- is activated to lower the revolutions of the axis -3- of the spring assembly -1 -, to finally re-lock the axis -3- of the spring assembly -1 - by means of the actuator - ⁇ -.
  • control system for the embodiment according to figure 6 is analogous to that described with respect to figures 1 and 2, except that, instead of the electromagnetic actuator of the inverter -10- , the control valve -30- is controlled.
  • the third embodiment of the invention shown in Figures 8 and 9, is Unlike the second embodiment illustrated in Figures 6 and 7 in that a bypass line is not provided, so that the control valve is limited to opening and closing the hydraulic fluid supply line -32-, and in that they are provided with second coupling means in the form of a clutch -27- driven by second coupling control means in the form of an electromagnetic actuator -27-, interconnected between the crankshaft shaft -24- and the hydraulic pump -28- for coupling and uncoupling the hydraulic pump -28- of the crankshaft shaft -24-, controlled by second coupling control means -37-.
  • the loading of the springs -1 - is carried out at the moment when the braking starts.
  • the actuator -17- the clutch -12 is disengaged, the hydraulic pump -28- is activated, and the control valve -30- opens the passage of the hydraulic fluid through the supply line -31 - to the hydraulic motor -29-.
  • the hydraulic motor -29- is driven by the passage of the hydraulic fluid and, therefore, rotates the rotating shaft -3- in said first direction to tension them.
  • the hydraulic fluid returns from the hydraulic motor -29- to the hydraulic pump -28- through the return duct -32-.
  • the braking system -5- and the ratchet mechanism -5- act in a manner analogous to that described above with reference to first and second realization.
  • the hydraulic pump -28- and the control valve -30- block the supply line -31-, and the hydraulic pump -28- is disengaged from the crankshaft shaft -24-.
  • the additional coupling system mentioned above is provided, it disengages the rotating shaft -3-.
  • Engine start is achieved by actuator actuation -17- which causes clutch engagement -12-, thus making the movement of the drive shaft -13- and shaft -3- of the spring assembly integral.
  • the actuator -7- causes the release of the ratchet -5- of the axis -3- of the spring assembly -1 -, thus causing the release of energy from it and therefore the movement of the pulley -15- of the crankshaft axis - 24-.
  • the operation of the actuator -17- is deactivated and the actuator -6- that controls the brake -4- is activated to lower the revolutions of the axis -3- of the spring assembly -1 -, finally interlock the shaft -3- of the spring assembly -1 - using the actuator -7-.
  • control system for the embodiment according to figure 6 is analogous to that described with respect to figures 1 and 2, except that. instead of the electromagnetic actuator of the inverter -10-, the control valve -30- and the actuator -37- of the second clutch -27- are controlled.

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Abstract

Sistema de almacenamiento de energía de utilidad en arranques y regulación de sistemas mecánicos que comprende medios de transmisión para transmitir energía mecánica entre, a través de medios de transmisión (8, 9, 11-16), un elemento giratorio (24) propulsado del vehículo y un dispositivo de almacenamiento de energía (1-4) que comprende un resorte espiral (1) dispuesto en un eje giratorio (3); un sistema de enclavamiento (5, 6) conectado al eje (3) para alternativamente bloquear el resorte (1) o mantenerlo en una situación liberada en la que los medios de transmisión hacen girar el eje giratorio (3) en un primer sentido tensando el resorte (3) para almacenar energía mecánica, mientras que el giro del eje (3) en sentido contrario, libera la energía mecánica almacenada en el resorte (1) de manera que los medios de transmisión hacen girar el elemento giratorio (24) para arrancar el vehículo.

Description

SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA DE UTILIDAD EN ARRANQUES Y REGULACIÓN DE SISTEMAS MECÁNICOS
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se encuadra en el campo técnico de los dispositivos de acumulación y aprovechamiento de energía generada en las frenadas de vehículos o aparatos en movimiento, o excedente por algún otro motivo en un sistema mecánico, eléctrico, hidráulico o de cualquier otra naturaleza, entregando dicha energía en un tiempo reducido -es decir, con potencia elevada-, de modo que aquélla pueda aprovecharse en, por ejemplo, el arranque o regulación de sistemas mecánicos, que se caracterizan por la demanda de grandes cantidades de energía en poco tiempo. El sistema es capaz de absorber dicha energía también en un intervalo corto de tiempo - es decir, a potencia elevada-.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Actualmente, la acumulación de energía en los vehículos automóviles ha adquirido una gran importancia, ya que mediante su aplicación se pretende optimizar los procesos de arranque para así conseguir reducir el consumo y las emisiones contaminantes de los mismos.
El proceso de arranque de un vehículo automóvil conlleva un gran consumo energético y, por tanto, un elevado consumo de combustible y unas elevadas emisiones contaminantes. Igualmente, el periodo de tiempo en el cual el motor del vehículo se encuentra al ralentí (por ejemplo en retenciones de tráfico, paradas en semáforos, etc.) presenta la misma problemática.
Los principales sistemas de arranque en los vehículos con motor de combustión interna existentes en la actualidad se basan en motores eléctricos de arranque cuya utilización supone el método tradicional de puesta en marcha de los vehículos automóviles. Estos motores se ponen en funcionamiento gracias a la energía eléctrica suministrada por baterías, energía que posteriormente se repondrá a través de un alternador, en muchas situaciones mediante el consumo de combustible con bajos rendimientos de conversión. Este sistema de arranque supone un método poco optimizado, con un elevado consumo de combustible, alto nivel de emisiones y no permite la detención automática de los vehículos en retenciones. Actualmente existen además sistemas denominados Start-Stop que realizan la detención automática de los motores de los vehículos cuando el vehículo se encuentra parado debido a retenciones o semáforos en rojo, evitando así el consumo y emisiones a ralentí. A la hora de puesta en marcha del vehículo, se sigue utilizando energía eléctrica proveniente de las baterías para alimentar un motor de arranque, incurriendo en consumo de combustible.
Se considera que la optimización de los procesos de arranque mediante sistemas de almacenamiento de energía (gracias a la acumulación de energía de frenada), junto con la supresión de la estancia del vehículo en ralentí, supondrá un gran ahorro de emisiones y de combustible y por lo tanto económico y medioambiental.
Conseguir almacenar energía con elevadas densidades de energía y potencia junto con elevados rendimientos constituye uno de los principales campos de investigación que se tienen actualmente. Se busca conseguir la mayor acumulación posible de energía, mediante el mínimo peso y volumen posible, junto con tiempos de carga y descarga adecuados a cada aplicación. Los sistemas más comunes de almacenamiento existentes en la actualidad, de aplicación en vehículos automóviles, son los siguientes:
Baterías de flujo (Pilas de combustible regenerativas) en las que una pila de combustible reversible almacena y libera electricidad por medio de una reacción electroquímica, que ocurre cuando el electrolito fluye a través de una membrana de la célula.
Baterías recargables con baterías de alta temperatura NaS que contienen azufre líquido y sodio separados por un electrolito de cerámica sólido y las baterías de iones de litio (Li-ion) que contienen óxidos de elementos metálicos y de carbono separados por un electrolito que contiene sales de litio.
Volantes con un cilindro rotatorio dentro de un medio a baja presión o en vacío conectado a un motor/generador que extrae energía eléctrica de una fuente primaria, en los que el motor del vehículo provoca que el volante actúe como un generador cuando la energía es necesaria.
Supercapacitadores que comprenden dos electrodos de polaridad opuesta que están separados por un electrolito y almacenan cargas eléctricas opuestas de igual magnitud en la superficie de cada placa de electrodos y durante la descarga se genera una corriente. Almacenamiento de hidrogeno de acuerdo con el que se electroliza agua en hidrogeno (y oxigeno) y el cual es almacenado en estado comprimido, y el hidrogeno se utiliza para generar energía mediante una pila de combustible o un motor cuando es necesario.
Existen adicionalmente sistemas de acumulación de energía elástica mediante la utilización de resortes espirales fabricados con materiales compuestos, tal y como se describe en la solicitud de patente EP-A-2097655 (Elastodynamic Energy Accumulator-Regulator) con respecto a aerogeneradores eléctricos, vehículos y sistemas de alimentación ininterrumpida, así como otros dispositivos de almacenamiento de energía elástica para vehículos, tal y como se detalla, por ejemplo, en la patente US-4762202, así como en las solicitudes de patente WO 03/083277 Y WO 03/019002.
La problemática de los procesos de arranque no se encuentra únicamente en los vehículos automóviles, presentándose también problemas de elevados consumos en el arranque de la mayor parte de sistemas mecánicos y eléctricos.
Por ejemplo, por lo general la puesta en marcha de una máquina eléctrica conlleva un gran consumo de energía eléctrica y la necesidad adicional de tener que desarrollar un elevado par para vencer la inercia resistente a la que se encuentra el motor en reposo llegándose a consumir varias veces la intensidad nominal de funcionamiento durante dicho periodo y generándose un sobrecalentamiento del motor. Existen sistemas de arranque con reducción de tensión como son los arranques estrella triángulo, arranques con auto- transformador, los arranques de resistencia primaria o los arranques suaves. Aunque dichos sistemas permiten llegar a mejorar los problemas anteriormente descritos, los resultados no son los más favorables, produciéndose bajos rendimientos, elevados consumos, deterioro del motor eléctrico, dificultad de control y un sobrecoste añadido por la introducción de estos sistemas.
Otro ejemplo serían los sistemas de generación eléctrica de emergencia de las grandes instalaciones eléctricas: desde el corte de suministro hasta la puesta en marcha de los generadores auxiliares suele pasar un corto tiempo, durante el cual no existe suministro. Esto puede ser un gran inconveniente en hospitales, aeropuertos, etc. Un sistema capaz de suministrar una cantidad pequeña de energía en un tiempo corto, sin gastos inútiles de energía en arranque de motores eléctricos, solucionaría este inconveniente. Lo mismo sucede, por ejemplo, en vehículos: por lo general, en el arranque es necesaria una mayor cantidad de energía, por la aceleración necesaria de toda la masa. Si el vehículo es, además, eléctrico, a este efecto se le une la necesidad de mayor cantidad de energía para el arranque del motor.
La contribución a la resolución de estos problemas haría también posible la mejora de los sistemas actuales de regulación de energía, que aportan energía cuando ésta falta en el sistema al que están conectados, y absorben energía de éste cuando existe en él un excedente: un sistema sencillo y de bajo coste como el presentado, capaz de entregar y absorber una cantidad industrialmente relevante de energía en intervalos cortos de tiempo -es decir, a potencias elevadas- es de aplicación inmediata y ventajosa en regulación.
Utilizando resortes espirales fabricados con elevada capacidad de absorción y entrega de energía en forma elástica (por ejemplo, los materiales compuestos - composites - con matriz polimérica y refuerzo de fibra de vidrio, carbono, etc., aunque posteriormente se citarán más ejemplos), es posible transmitir un par mecánico elevado durante un número de revoluciones considerable. Esto permite disponer de la energía en las condiciones necesarias para el arranque.
Los sistemas de acumulación de energía antes descritos adolecen de inconvenientes tales como un coste elevado, una eficiencia energética poco favorable, una seguridad de funcionamiento limitada y/o una vida útil poco duradera.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene por objeto superar los inconvenientes del estado de la técnica más arriba detallados, mediante un sistema de almacenamiento de energía de utilidad en arranques y regulación de sistemas mecánicos, particularmente para almacenar energía generada a partir de la frenada de un sistema propulsado por un motor, y especialmente idóneo para almacenar energía generada a partir de la frenada de un vehículo automóvil provisto de un motor y usar la energía para arrancar el vehículo, que comprende
un dispositivo de almacenamiento de energía que comprende al menos un resorte espiral alojado en una carcasa y dispuesto en un eje giratorio para almacenar energía mecánica cuando el eje giratorio gira en un primer sentido de carga tensando el resorte espiral, y para liberar energía mecánica almacenada en resorte espiral cuando el eje giratorio gira en un segundo sentido, opuesto al primer sentido, en el que se descarga el resorte espiral;
medios de carga para entregar la energía generada en un elemento giratorio propulsado del motor al dispositivo de almacenamiento de energía;
medios de descarga de energía almacenada para transmitir energía almacenada en el elemento giratorio a un elemento giratorio propulsor para arrancar el sistema propulsado desde un estado de parada; y
medios de control conectados, por una parte, a los medios de carga, a los medios de descarga y al dispositivo de almacenamiento, y, por otra, a un sistema de control;
cuyo sistema
comprende un sistema de enclavamiento conectado al eje giratorio y controlado por medios de control de enclavamiento, para mantener el resorte espiral alternativamente en una situación bloqueada en la que el eje giratorio no gira o en una situación liberada en la que el giro del eje giratorio en dicho primer sentido accionado por los medios de carga tensa el resorte espiral para almacenar energía mecánica, mientras que el giro del eje giratorio en el segundo sentido libera la energía mecánica almacenada en el resorte espiral;
los medios de descarga comprenden un sistema de transmisión de movimientos giratorios, medios de acoplamiento para acoplar y desacoplar el sistema de transmisión controlados por medios de control de acoplamiento, y un sistema de variación de par y velocidad;
el sistema de transmisión está interconectado entre dicho elemento giratorio propulsado y los medios de acoplamiento, los medios de acoplamiento están interconectados entre el sistema de transmisión y el sistema de variación de par y velocidad, y el sistema de variación de par y velocidad está interconectado entre los medios de acoplamiento y el eje giratorio del dispositivo de almacenamiento.
En una primera realización preferente, el sistema de variación de par y velocidad comprende un dispositivo inversor de sentido de giro controlado por medios de control del dispositivo inversor. El dispositivo inversor está conectado al sistema de variación de par y velocidad de tal forma que, en dicha situación liberada del resorte espiral y cuando los medios de acoplamiento están conectados, cuando el sistema de variación de par y velocidad recibe movimientos giratorios del elemento propulsado giratorio, el sistema de variación de par y velocidad hace girar el eje giratorio del dispositivo de almacenamiento en dicho primer sentido de giro con un primer par y a una primera velocidad mientras que, cuando el sistema de variación de par y velocidad recibe movimientos giratorios en dicho segundo sentido, dicho eje giratorio transmite movimientos de giro con un segundo par, mayor que dicho primer par, y a una segunda velocidad, menor que dicha primera velocidad, a dicho elemento giratorio propulsado para arrancar el vehículo. Según esta primera realización preferente, los medios de carga y descarga están integrados en un mismo sistema.
En una segunda realización preferente del sistema de la presente invención, se instala un sistema hidráulico compuesto por una bomba hidráulica solidaria al árbol de transmisión de movimiento del vehículo de manera que dicha bomba alimenta un motor hidráulico que es el encargado de accionar en el sentido requerido el eje giratorio del resorte espiral a través de engranajes que adecúan las condiciones de velocidad y par a las solicitadas por el resorte espiral. Cuando se pretende el movimiento del árbol de transmisión de movimiento en el sentido que permite el arranque del vehículo, dicho sistema hidráulico no entra en funcionamiento, realizándose el acoplamiento del movimiento de manera similar a la descrita según la disposición anterior. Para conseguir esto, en esta segunda realización preferente los medios de carga del resorte espiral comprenden una bomba hidráulica, acopiada ai elemento propulsado del motor, y que propulsa un motor hidráulico acoplado al eje giratorio a través de un segundo sistema de variación de par y velocidad, un circuito hidráulico que conecta la bomba hidráulica con el motor hidráulico, así como medios de control hidráulico para accionar la bomba hidráulica y conectar la bomba hidráulica al motor hidráulico para hacer girar el eje giratorio en dicho primer sentido para cargar el resorte, y para desconectar la bomba hidráulica cuando el eje giratorio gira en dicho segundo sentido.
De acuerdo con esta segunda realización preferente, los medios de control hidráulico pueden comprender una válvula de control interconectada en el circuito hidráulico para permitir que fluya fluido hidráulico desde la bomba hidráulica al motor hidráulico.
A su vez, el circuito hidráulico puede comprender un conducto hidráulico de alimentación por el que el fluido hidráulico fluye desde la bomba hidráulica al motor hidráulico, un conducto hidráulico de retorno por el que el fluido hidráulico fluye desde el motor hidráulico a la bomba hidráulica, un conducto de circunvalación que conecta el conducto hidráulico de alimentación con el conducto hidráulico de retorno y que está interpuesto entre la bomba hidráulica y el motor hidráulico. La válvula de control está dispuesta de tal forma que cierra el conducto hidráulico de alimentación antes de llegar al motor hidráulico desviando el fluido hidráulico al conducto hidráulico de retorno cuando el eje giratorio gira en dicho segundo sentido.
Por otra parte, los medios de carga pueden comprender segundos medios de acoplamiento para acoplar y desacoplar la bomba hidráulica del eje giratorio propulsado, controlados por segundos medios de control de acoplamiento. Estos segundos medios de acoplamiento están interconectados entre el eje giratorio propulsado y la bomba hidráulica. Los medios de carga pueden estar solidariamente conectados a los medios de acoplamiento mediante un árbol.
Cuando, en esta realización, el motor del vehículo es un motor de combustión los medios de carga pueden estar conectados a la cadena de distribución del motor, a la correa de distribución del motor, al eje del cigüeñal del motor, directamente o a través de un sistema auxiliar de poleas que comprende una primera polea montada en el árbol conectado a los medios de acoplamiento, una segunda polea montada en el eje del cigüeñal y una cadena o correa de transmisión dispuesta en las poleas, al volante motor directamente o mediante un sistema de engranaje que comprende al menos un primer engranaje que engrana con un dentado perimetral del volante motor. A su vez, los segundos medios de acoplamiento pueden comprender un embrague de fricción o un embrague hidráulico, mientras que el segundo sistema de variación de par y velocidad puede comprender una reductora de engranajes paralelos o epicicloidales.
A la vista de las características anteriormente descritas, la invención proporciona un dispositivo de almacenamiento de energía mecánica por medio de al menos un resorte espiral, que puede estar formado por uno o un conjunto de resortes dispuestos en serie o paralelo, y que se puede acoplar a un motor de combustión interna para permitir su arranque mediante la descarga de esta energía mecánica previamente almacenada, preferentemente en las frenadas, aunque, como se describirá con más detalle más adelante, también se puede llevar a cabo cuando el motor está en marcha pero el vehículo se encuentra en retenciones, al ralentí o en otras situaciones. En dichas situaciones el resorte del sistema se comprime absorbiendo energía y recargándose, acumulando energía mecánica que posteriormente se utiliza para el arranque del motor de combustión mediante la distensión del resorte espiral. El resorte puede ser de los del tipo que se describen en la solicitud de patente EP-A-2097655, pudiéndose utilizar también resortes diferentes, como resortes espirales de par no constante, resortes cuya forma antes de ser montado en la carcasa, o bien ya en disposición de funcionamiento, quede definida con cualquier tipo de espiral (Arquímedes, logarítmicas, etc.), pudiendo tener la sección resistente del resorte diferentes configuraciones: sección monolítica con diferentes formas -rectangular, circular, elíptica, etc., huecas o no-, sección en sándwich -compuesta de pieles en sus caras exteriores y núcleo en su parte central, que puede ser, por ejemplo, espuma, honeycomb, etc.-, sección en sándwich con una piel de anchura distinta que la otra, o laminados con láminas de anchuras diferentes, y pudiendo, en todos los casos, variar a lo largo de la longitud del resorte las características resistentes de las secciones (forma, anchura, espesor, refuerzo, material). Además, y con el objeto de aumentar la densidad de energía, pueden utilizarse materiales con cociente tensión admisible - módulo de Young elevado (como algunos elastómeros o materiales cerámicos de ingeniería). También se prevé el aprovechamiento de espacios poco solicitados mecánicamente -como, por ejemplo, el núcleo en secciones sándwich, o la parte hueca en secciones monolíticas huecas- para la disposición de sistemas de almacenamiento no elástico -por ejemplo, baterías-. Del mismo modo, se puede aumentar la densidad de energía si se colocan materiales (por ejemplo, polímeros) piezoeléctricos, piezorresistivos o electroactivos, o materiales orgánicos, reciclados, o composites de todos ellos en las zonas del resorte que van a sufrir más deformación.
En una realización de la invención, el resorte espiral esta unido a un árbol central y fijado a una carcasa exterior, y es accionado por dicho árbol mediante la aplicación de un momento torsor permitiendo la acumulación de energía en forma mecánica para su posterior reutilización.
Una vez almacenada la energía, ésta se puede utilizar para arrancar el vehículo. Para una mayor funcionalidad, el sistema preferentemente se diseña de forma tal que sea capaz de almacenar energía mecánica suficiente para arrancar un cierto número de veces en caliente y en frío. Además el sistema está preferentemente diseñado para dar orden de parada del motor en cada momento de parada o después de un determinado tiempo de parada de la marcha del vehículo. Con ello se consigue un ahorro adicional de consumo y emisiones al eliminar todo el gasto de consumo innecesario de ralentí del motor, permitiendo un re-arranque rápido del mismo mediante el sistema expuesto y sin un gasto adicional de energía eléctrica almacenada en las baterías.
La incorporación de este sistema en los vehículos automóviles principalmente urbanos, permite obtener considerables beneficios tanto económicos en el consumo de combustibles, como en el ahorro de emisiones contaminantes.
La conexión del sistema es posible realizarla mediante el sistema de transmisión conectado, por ejemplo, en el volante motor mediante engranajes, en un sistema auxiliar de poleas solidario con el eje del cigüeñal, en la correa o cadena de distribución del motor o en algún otro elemento de transmisión de movimiento del vehículo. La elección resultante es función del espacio disponible en el habitáculo del motor del vehículo en cuestión. De esta forma se asegura el continuo acoplamiento del sistema a la transmisión del vehículo y a su motor de combustión.
Este sistema de transmisión está unido solidariamente mediante un árbol a unos medios de acoplamiento que permiten el desacoplamiento y acoplamiento respecto del movimiento del motor. Este elemento puede consistir en un embrague de fricción o hidráulico o cualquier otro dispositivo de funcionalidad similar junto con un sistema de engranajes, accionado mediante un actuador de acoplamiento, preferentemente electromagnético, aunque también puede ser eléctrico, neumático o hidráulico.
A continuación de los medios de acoplamiento se instala un sistema de variación de par y velocidad, preferentemente una reductora como por ejemplo, una reductora de engranajes paralelos o epicicloidales, que, en el caso de la primera realización preferente anteriormente descrita, además incluye el mecanismo inversor que permite la inversión del movimiento de giro para adecuar el sentido de funcionamiento a la carga o descarga del sistema de almacenamiento, para así permitir el ajuste a las condiciones de trabajo. El accionamiento de la reductora se puede realizar mediante un actuador del sistema de variación de par y velocidad, preferentemente electromagnético, aunque también puede ser eléctrico, neumático o hidráulico. El sistema de variación de par y velocidad también puede ser un elemento o dispositivo que permita realizar las funciones de la reductora y del mecanismo de inversión del movimiento.
A continuación del sistema de variación de velocidad y par está dispuesto el sistema de almacenamiento de energía, unido solidariamente mediante un árbol, correa, engranaje, cadenas u otro elemento de transmisión como se ha descrito anteriormente. En una realización, el sistema comprende un árbol al que se encuentra fijado el resorte que está dimensionado para esta aplicación, y la carcasa a la que está fijado el resorte.
De acuerdo con lo anteriormente indicado en la presente memoria descriptiva, el resorte espiral puede estar formado por un conjunto de resortes dispuestos en serie o en paralelo con el fin de disminuir las dimensiones radiales o longitudinales del mismo. En otra realización, para la carga y descarga del sistema de almacenamiento están previstos resortes dispuestos en ejes separados, siendo el eje central el eje de carga del sistema, y estando la carcasa exterior unida a un eje secundario de la reductora como eje de descarga o viceversa.
Cuando se disponen varios resortes en serie es necesario introducir elementos de unión entre ellos de manera que el giro de cada resorte provoque el giro del siguiente resorte, por lo que cada resorte espiral va unido en un extremo del elemento de unión y por el extremo contrario va unido al elemento de unión del resorte siguiente. De igual manera para optimizar el espacio disponible se pueden introducir varias espirales desfasadas un cierto ángulo contenidas en cada elemento de unión. Aquel de dichos elementos de unión que se encuentra en uno de los extremos puede ser fijo y el del extremo contrario puede ser solidario al árbol de accionamiento del resorte espiral o puede actuar él mismo como árbol de transmisión de movimiento y par. La unión entre los diferentes discos se puede llevar a cabo a través de adhesivo, a través de unión mecánica de fuerza o forma, o cualquier mecanismo de fijación.
Particularmente, en la disposición en serie de varios resortes, cada uno de los resortes del dispositivo de almacenamiento de energía está respectivamente dispuesto entre dos elementos de unión que están dispuestos en el eje giratorio y los elementos de unión comprenden un primer elemento de unión extremo y un segundo elemento de unión extremo, y al menos un elemento de unión intermedio susceptible de girar sobre el eje giratorio. Uno de los elementos de unión extremos es solidario al eje giratorio y gira con el eje giratorio, y el otro es estacionario y no gira con el eje giratorio y cada resorte espiral está unido por uno de sus extremos a una parte central de un elemento de unión y por su otro extremo a una parte periférica del elemento de unión contiguo.
En una realización de la disposición en serie de varios resortes espirales, cada resorte espiral está dispuesto entre una superficie frontal y una superficie posterior de sendos elementos de unión contiguos, y está periféricamente rodeado por un cuerpo anular de un elemento de unión comprendiendo el cuerpo anular un lado abierto, un lado cerrado por una pared y una superficie interna anular que entre sí forman una cavidad interior en la que se aloja el resorte espiral correspondiente.
Al menos uno de los elementos de unión extremos y cada elemento de unión intermedio respectivamente presenta un saliente cilindrico central con un diámetro menor que el cuerpo anular, que emerge de su superficie frontal y presenta un paso axial atravesado por el eje giratorio. El primer extremo de cada resorte espiral está fijado al saliente cilindrico de uno de los elementos de unión y el segundo extremo de cada resorte espiral está fijado en el cuerpo anular del elemento de unión contiguo. A su vez, los elementos de unión están inmovilizados unos respecto de otros, de forma que, al estar cada resorte espiral conectado a dos de los elementos de unión, el giro del eje giratorio en dicho primer sentido sucesivamente tensa los resortes espirales dispuestos entre los elementos de unión, y el giro del eje giratorio en dicho segundo sentido sucesivamente libera los resortes espirales dispuestos entre los elementos de unión. A su vez, el elemento de unión extremo estacionario puede comprender un cuerpo discoidal de cuya superficie frontal emerge dicho saliente cilindrico.
Al menos uno de los resortes espirales puede comprender un primer cuerpo espiral y un segundo cuerpo espiral dispuestos en desfase entre sí, estando cada cuerpo espiral unido por un extremo a una primera parte de dicha parte central de un elemento de unión y por otro extremo a una segunda parte de dicha parte periférica del elemento de unión contiguo, quedando las respectivas espiras de los cuerpos espirales dispuestas en alternancia y concéntricamente. El desfase de los cuerpos espirales puede ser, por ejemplo, de 180g.
Unido al eje giratorio está dispuesto un sistema de enclavamiento que permite la fijación del resorte en condiciones estacionarias. El enclavamiento se puede conseguir mediante la utilización de un dispositivo de frenado que puede ser, por ejemplo, un dispositivo con discos de freno, zapatas, un freno electromagnético o de enclavamiento u otro dispositivo similar, y/o de un trinquete u otro método de enclavamiento mecánico o de retención. El accionamiento del sistema de enclavamiento se puede realizar mediante un actuador de enclavamiento, preferentemente electromagnético, aunque también puede ser eléctrico, neumático o hidráulico. Cuando el dispositivo de enclavamiento es un mecanismo de trinquete, se puede disponer adicionalmente un dispositivo de frenado para frenar el árbol una vez descargada la energía necesaria. El dispositivo de frenado puede ser un dispositivo con discos de freno, zapatas, un freno electromagnético o de enclavamiento u otro dispositivo similar. El accionamiento del dispositivo de frenado se puede realizar mediante un actuador de frenado, preferentemente electromagnético, aunque también puede ser eléctrico, neumático o hidráulico.
La energía mecánica utilizada para la recarga del sistema se obtiene de la energía cinética de la frenada del vehículo. En el momento del frenado del vehículo, se acciona el sistema de almacenamiento. El inversor de movimiento de la reductora se sitúa en posición de carga del sistema, se acopla el sistema mediante los medios de acoplamiento y se desenclava el sistema de enclavamiento. Una vez que el sistema de almacenamiento está cargado o cuando se deja de frenar, el sistema se desacopla, se frena y se enclava el eje del resorte, y el inversor se sitúa en posición neutra.
Si se utiliza para la recarga del sistema de almacenamiento de energía el circuito hidráulico descrito anteriormente, en el momento de iniciarse el proceso de frenado del vehículo se activa una válvula de control de manera que permite que la bomba hidráulica alimente al motor hidráulico y provoque el giro del árbol del resorte que previamente ha sido liberado de su enclavamiento.
Para la descarga del sistema de almacenamiento, se libera la energía almacenada en el mismo. Para ello se recibe una señal de accionamiento correspondiente al embragado o a la aceleración del vehículo. En respuesta a la señal se produce la liberación del sistema de enclavamiento del eje del resorte, así como el acoplamiento del embrague y actuación del mecanismo inversor en el sentido adecuado de descarga.
El sistema debe dar señal de calado del motor bajo las condiciones de parada de la marcha haciendo uso del sistema de control del sistema y del propio vehículo.
En una realización del sistema conforme a la presente invención se produce una recarga adicional del sistema mediante el acoplamiento del sistema en el estado de ralentí del motor o acelerando el mismo en estado de reposo. Este método de recarga se activará automáticamente en caso de que el sistema se encuentre descargado completamente y el proceso a seguir será análogo al anteriormente explicado. Preferentemente, el sistema dispondrá de unos sistemas de medición de estado. Según esta realización, se medirán la temperatura mediante un termopar, pirómetros, sensor de temperatura de refrigerante del vehículo o cualquier otro instrumento de medida de temperatura, así como las revoluciones del eje del resorte y las vueltas del sistema al liberar la energía mediante sensores infrarrojos, tacometros, sensores de revoluciones del vehículo o algún otro elemento que permita realizar las medidas necesarias.
Todos los dispositivos auxiliares, tanto actuadores como sensorización, estarán alimentados eléctricamente mediante la introducción de un sistema de alimentación adicional o a través de las baterías ya existentes en el vehículo.
A su vez, tanto los actuadores como los sensores se encontrarán controlados mediante un sistema de control, que puede ser la unidad de control existente en el propio vehículo, o una unidad adicional, un PLC o cualquier otro dispositivo de control adecuado.
Para el accionamiento del sistema y el control del mismo se necesitan las variables del vehículo de las revoluciones del motor, revoluciones de las ruedas, pedal de embrague y de freno, señal de arranque, etc.
El sistema puede ser activado mediante el funcionamiento automático tras el encendido del motor del vehículo y/o mediante un actuador opcional que además permita desconectarlo.
De la anterior descripción se desprende que la presente invención supera los inconvenientes de los sistemas del estado de la técnica mediante un sistema sencillo y eficaz.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
A continuación se describen aspectos y realizaciones de la invención sobre la base de unos dibujos, en los que
la figura 1 es una vista esquemática de los elementos constituyentes del conjunto del sistema según una primera realización del sistema conforme a la invención, incluyendo el resorte de almacenamiento y los mecanismos de acoplamiento, reducción/multiplicación, inversión de movimiento y frenado y sujeción;
la figura 2 muestra una realización de un esquema de control para el sistema mostrado en la figura 1 formado por una unidad de control, sensores de control y actuadores electromagnéticos; la figura 3 muestra una disposición de unión en serie de dos etapas de resortes espirales de dos entradas;
la figura 4 muestra otra disposición de unión en serie de dos etapas de resortes espirales;
la figura 5 muestra una sección transversal de uno de los resortes espiral ilustrados en el figura 3;
la figura 6 es una vista esquemática de los elementos constituyentes del conjunto del sistema según una segunda realización del sistema conforme a la invención;
la figura 7 muestra una realización de un esquema de control para los sistemas mostrado en la figura 6 formado por una unidad de control, sensores de control y actuadores electromagnéticos;
la figura 8 es una vista esquemática de los elementos constituyentes del conjunto del sistema según una tercera realización del sistema conforme a la invención;
la figura 9 muestra una realización de un esquema de control para los sistemas mostrado en la figura 8 formado por una unidad de control, sensores de control y actuadores electromagnéticos.
En estas figuras aparecen unas referencias numéricas que identifican los siguientes elementos:
1 conjunto de resortes espirales
1 A primer cuerpo espiral
1 B segundo cuerpo espiral
2 carcasa
3 eje de los resortes
4 freno de disco
5 mecanismo de trinquete
6 actuador electromagnético del freno
7 actuador electromagnético del trinquete
8 reductora
9 mecanismo inversor
10 actuador electromagnético del inversor
1 1 salida de la reductora
12 embrague de fricción 13 eje de transmisión del movimiento
14 polea de transmisión de movimiento
15 polea conectada al eje del cigüeñal del motor
16 cadena de transmisión
17 actuador electromagnético del embrague de fricción
18 unidad de control instalada en vehículo
19 sistema de arranque y acumulación de energía
20 dispositivo de mando
21 eje intermedio
22 batería el vehículo
23 sistema de sensorización
24 eje del cigüeñal del motor
25 primer elemento de unión extremo
25a cuerpo anular
25b superficie interna
25c pared frontal
25d saliente cilindrico
25e paso interior
25' elemento de unión intermedio
25a' cuerpo anular
25b' superficie interna
25c' pared frontal
25d' saliente cilindrico
25e' paso interior
26 segundo elemento de unión extremo
26a cuerpo discoidal
26b saliente cilindrico
26c paso interior
27 embrague de fricción adicional
28 bomba hidráulica
29 motor hidráulico
30 válvula de control
31 conducto hidráulico de alimentación
32 conducto hidráulico de retorno 33 segunda reductora
34 conducto hidráulico de circunvalación
35 válvula antirretorno
36 eje de accionamiento
MODOS DE REALIZAR LA INVENCIÓN
La figura 1 muestra una realización del sistema de almacenamiento de energía y de arranque de vehículos formado por un conjunto de resortes espirales dispuestos en serie -1 - con interposición de diferentes discos de unión -25- estando todo ello protegido mediante una carcasa -2-. El eje de los resortes -3- es el encargado de transmitir el movimiento de de rotación a los diferentes resortes. Los resortes -1 - están conectados al freno de disco -4- y al mecanismo de enclavamiento trinquete -5-, los cuales son controlados respectivamente por el actuador electromagnético de freno -6- y por el actuador electromagnético de trinquete -7-. El eje giratorio -3- del resorte -1 - adicionalmente está acoplado a una reductora -8- de tipo epicicloidal de engranajes rectos, que permite la inversión de movimiento gracias a la existencia de un mecanismo inversor -9- y de un eje intermedio -21 -, siendo sus posiciones de funcionamiento controladas mediante el actuador electromagnético de inversor -10-.
El eje -1 1 - de la reductora -8- está unido a un embrague de fricción -12- que permite acoplar y desacoplar el mecanismo de almacenamiento al sistema de transmisión de movimiento del vehículo, que al igual que el resto de mecanismo, se controla gracias a un actuador electromagnético -17- del embrague.
El eje -13- es el eje de transmisión del movimiento y es solidario a la polea de transmisión de movimiento -14-. La transmisión del movimiento a la polea de acoplamiento -15- al eje -24- del cigüeñal del motor se consigue gracias a la cadena de transmisión -16-.
El sistema de control del sistema mostrado en la figura 2, comprende sensores y sistemas de control y una posterior monitorización del estado en tiempo real del sistema. Para la regulación se trabaja con variables de estado del propio vehículo, como son la velocidad de marcha, régimen del motor, posición del embrague, revoluciones a las que se encuentran las ruedas y serial de pedal de freno. Estas señales de obtienen a partir de un sistema de sensorizacion -23- que comprende sensores incorporados en el vehículo, y son recogidas por la unidad de control -18- instalada en el vehículo. En función de dichas señales y de las obtenidas de los sensores -19- instalados en el sistema de arranque y acumulación de energía que detectan parámetros correspondientes a la posición del conjunto de resortes -1 -, la energía almacenada en el conjunto de resortes -1 -, al estado de los sistemas de enclavamiento, frenado, acoplamiento e inversión del sentido de movimiento, se mandan las señales correspondientes a través la unidad de control
-18- a los actuadores electromagnéticos -6-, -7-, -10- y -17- nombrados anteriormente.
Adicionalmente, se incorpora un dispositivo de mando -20- que permite activar o desactivar el funcionamiento del sistema a voluntad del usuario. Todos los elementos que forman el sistema de regulación mostrados en la figura 2, se encuentran alimentados mediante la utilización de la batería -22- del vehículo automóvil.
A continuación se describe una realización de los diferentes modos de funcionamiento del sistema, siendo imprescindible que el actuador -20- se encuentre activado permitiendo así el funcionamiento del sistema, ya que en caso contrario, este queda desactivado, y los procesos de arranque se realizan a través del motor eléctrico convencional. Las diferentes condiciones de funcionamiento son reconocidas y controladas por las señales provenientes de -17- y -20-.
El arranque del motor se consigue mediante el accionamiento del actuador -17- que provoca el acoplamiento del embrague -12-, y del actuador -10- que activa el mecanismo inversor -9- de manera que el sentido de giro de la reductora -8- es el adecuado para la descarga, haciéndose así solidarios el movimiento del eje de transmisión -13- y el eje -3- del resorte. El actuador -7- provoca la liberación del trinquete -5- del eje -3- del conjunto de resortes -1 -, provocando así la liberación de energía del mismo y por tanto el movimiento de la polea -15- del eje del cigüeñal
-24-.
En el momento que se detecta el fin del arranque, se desactiva el funcionamiento de los actuadores -17- y -9-, y se activa el actuador -6- que controla el freno -4- para bajar de revoluciones del eje -3- del conjunto de resortes -1 -, para finalmente volver a enclavar el eje -3- del conjunto de resortes -1 - mediante el actuador -Ί-.
La recarga del resorte se realiza en el momento en el que se inicie la frenada. Para ello, es necesario volver a hacer solidarios el movimiento del eje de transmisión -13- y del resorte -3-, mediante el acoplamiento del embrague -12- mediante el actuador -17-, y del mecanismo inversor -9-. El actuador -10- del mecanismo inversor -9-, provoca que la posición de éste sea tal que la reducción en la transmisión del movimiento se realice en el sentido adecuado al de la recarga del conjunto de resortes -1 - mediante la reductora -8-.
Cuando se dan las condiciones que establecen el fin del proceso de recarga del conjunto de resortes -1 -, se desacopla el movimiento del eje de transmisión -13- y del eje -3- del conjunto de resortes -1 - mediante los actuador -17- y -10- que respectivamente devuelven a sus posiciones de reposo al embrague -12- y al mecanismo inversor -9- de la reductora -8-. La retención del eje -3- del resorte -1 - se logra gracias al trinquete -5-.
Aprovechando las señales procedentes de la sensorizacion en marcha existente en el vehículo mediante el sistema de sensorizacion -22- y gracias a la actuación de la unidad de control -18- del vehículo, se procede a la detención del funcionamiento del motor en las retenciones, evitando así el funcionamiento del mismo en ralentí. Cuando se pretenda reanudar la marcha, se utilizará la energía almacenada en el conjunto de resortes -1 -. También existe la posibilidad de no detener el funcionamiento del motor en ralentí, y aprovechar el movimiento del motor para recargar el conjunto de resortes -1 - de manera análoga a la explicada anteriormente.
La figura 3 muestra una realización de la unión en serie de varios resortes espiral. El esquema representado es el correspondiente dos resortes espirales -1 -, siendo posible la introducción de un mayor número de resortes espirales -1 - de manera análoga a la descrita a continuación.
Como se puede observar, los resortes -1 - están dispuestos respectivamente entre dos elementos de unión -25 - 25'-, -25' - 26- que están dispuestos en el eje giratorio (no mostrado en la figura 3) existiendo un primer elemento de unión extremo -25- solidario al eje giratorio y que rota con el mismo, un segundo elemento de unión extremo -26- estacionario que no rota con el eje giratorio la lo que se le puede fijar a la carcasa del dispositivo de almacenamiento (véase figura 1 ). y un elemento de unión intermedio -25'- susceptible de girar sobre el eje giratorio.
Particularmente, cada resorte espiral -1 - está dispuesto entre una superficie frontal y una superficie posterior de sendos elementos de unión contiguos -25-, -25'-, -26-, y está periféricamente rodeado por un cuerpo anular -25a-, -25a'- de uno de los elementos de unión -25-, 25'-. El cuerpo anular -25-, -25'- comprende un lado abierto, un iado cerrado por una pared frontal -25c-, -25c'- y una superficie interna anular -25b-, -25b'- que entre sí forman una cavidad interior para alojar el resorte espiral -1 - correspondiente.
Los elementos de unión -25-, -25'-, -26- respectivamente presentan un saliente cilindrico central -25d-, -25d'-, -26b- con un diámetro menor que el cuerpo anular
-25a-, -25a'-, que emerge de su superficie frontal y presenta un paso axial -25e-, -25e'-, -26c- para el paso del eje giratorio. También se puede observar que el elemento de unión extremo estacionario -26- comprende un cuerpo discoidal -26a- de cuya superficie frontal emerge dicho saliente cilindrico -26b-.
Cada resorte -1 - se compone de dos cuerpos espirales -1 A-, -1 B- desfasados entre sí en un ángulo de 180° lo que puede apreciarse con más detalle en la figura 5. El primer extremo de cada cuerpo espiral -1 A-, -1 B- se fija a una parte del saliente cilindrico -25d-, -25d'-, -26b- correspondiente de uno de los elementos de unión -25-, 25'-, -26- y el segundo extremo de cada cuerpo espiral -1 A-, -1 B- se fija en la superficie interna -25b-, -25b'- del cuerpo anular -25a-, -25a'- del elemento de unión contiguo -25-, 25'-. Los elementos de unión -25-, -25'-. -26- se inmovilizan unos respecto de otros.
Al estar cada resorte espiral -1 - conectado a dos de los elementos de unión -25-, -25'-, 26- y al ser el segundo elemento de unión -26- estacionario, el giro del primer elemento de unión -25- solidario al eje giratorio en un sentido sucesivamente tensa los resortes espirales -1 - dispuestos entre los elementos de unión -25-, -25'-, -26-, mientras que el giro del elemento de unión -25- en el sentido opuesto sucesivamente libera los resortes espirales -1 -.
La figura 4 muestra otra posible forma de disposición en serie de los resortes espirales -1 - mediante el arrollamiento, de forma alternativa, horaria y antihoraria de cada dos resortes -1 - consecutivos, y la unión, de forma alternativa, de cuerpo anular con cuerpo anular y de saliente cilindrico con cuerpo cilindrico.
Introduciendo un giro -A- en el eje del primer resorte espiral 1 -, el cuerpo anular girará en el sentido -B-. Si este cuerpo anular se une a al cuerpo anular de un resorte espiral -1 - enrollado en sentido contrario, el giro -C- recibido por éste cargará ese resorte -1 -, y producirá un giro en su eje en sentido -D-.
Uniendo ahora el eje de este resorte -1 - con el de un tercer resorte espiral -1 -, enrollado en el mismo sentido que el primero, es decir, contrario que el segundo, se consigue cargar también el tercer resorte -1 -. La operación de descarga se produce de forma análoga pero en sentido inverso.
En la segunda realización del sistema ilustrada en las figuras 6 y 7, los resortes -1 - dispuestos en el eje giratorio -3- con sus elementos de unión -25-, -25'-, -26-, el sistema de enclavamiento y frenado -4-, -5-, -6-, -7-, el sistema de transmisión -13-, -14-, -15-, -16-, -17- así como el sistema de acoplamiento -1 1 -,
-12-, -17-, son análogos a los ya anteriormente descritos con referencia a la figura 1 . Sin embargo, la reductora -8- no comprende ningún dispositivo inversor ya que la carga de los resortes -1 - no se realiza a través del sistema de transmisión -13-, -14-, -15-, -16-, -17-, sino mediante un sistema hidráulico que comprende una bomba hidráulica -28- acopiada mediante un eje de accionamiento -36- al eje del cigüeñal -24- del motor, la cual que propulsa un motor hidráulico -29- acoplado a su vez al eje giratorio -3- a través de un segundo sistema de variación de par y velocidad -33-. Entre el eje giratorio -3- y el segundo sistema de variación de par y velocidad -33- puede estar dispuesto otro sistema de acoplamiento (no mostrado en las figuras) para desconectar y conectar el eje giratorio durante la descarga la energía almacenada en el conjunto de resortes -1 - para arrancar el vehículo.
La bomba hidráulica -28- está conectada al motor hidráulico a través de un circuito hidráulico -31 , 32, 34-, estando controlado el sistema hidráulico mediante medios de control hidráulico -30-, -35-, para accionar la bomba hidráulica -28- y conectar la bomba hidráulica -28- al motor hidráulico -29- para hacer girar el eje giratorio -3- en dicho primer sentido para cargar el resorte -1 -, y para desconectar la bomba hidráulica -28- cuando el eje giratorio -3- gira en dicho segundo sentido.
El circuito hidráulico -31 , 32- comprende un conducto hidráulico de alimentación -31 - por el que el fluido hidráulico fluye desde la bomba hidráulica -28- al motor hidráulico -29-, un conducto hidráulico de retorno -32- por el que el fluido hidráulico retorna desde el motor hidráulico -29- a la bomba hidráulica -28-, un conducto de circunvalación -34- que conecta el conducto hidráulico de alimentación -31 - con el conducto hidráulico de retorno -32- y que está interpuesto entre la bomba hidráulica -28- y el motor hidráulico -29-. En el conducto de alimentación -31 - está dispuesta una válvula de control -30- dispuesta de tal forma que cierra el conducto hidráulico de alimentación -31 - antes de llegar al motor hidráulico -29- para desviar el fluido hidráulico al conducto hidráulico de retorno -32- cuando el eje giratorio -3- gira en dicho segundo sentido.
Al igual que en la primera realización del sistema anteriormente descrita con referencia a las figuras 1 y 2,, la carga de los resortes -1 - se realiza en el momento en el que se inicia la frenada. Para ello, mediante el actuador -17- se desacopla el embrague -12, la bomba hidráulica -28- se activa, y la válvula de control -30- cierra el conducto de circunvalación -34- abriendo a su vez el paso del fluido hidráulico por el conducto de alimentación -31 - al motor hidráulico -29-. El motor hidráulico -29- es accionado por el paso del fluido hidráulico y, por tanto, hace rotar el eje giratorio -3- en el mencionado primer sentido para tensarlos. El fluido hidráulico vuelve del motor hidráulico -29- a la bomba hidráulica -28- a través del conducto de retorno -32- en el cual está dispuesta una válvula antirretorno -35- para evitar reflujos al motor hidráulico -29- e impedir que, cuando el fluido hidráulico fluye por el conducto de circunvalación -34-, éste fluya hacia el motor hidráulico -29- a través del conducto de retorno -32-.
Cuando se dan las condiciones que establecen el fin del proceso de recarga del conjunto de resortes -1 -, el sistema de frenada -5- y el mecanismo de trinquete -5- actúan de forma análoga a la anteriormente descrita con referencia a las figuras 1 y 2. Por otra parte, se desactiva la bomba hidráulica -28- y la válvula de control -30- obtura el conducto de alimentación -31 - y desvía el fluido hidráulico por el conducto de circunvalación -34-. A su vez, cuando está previsto el sistema de acoplamiento adicional más arriba mencionado, éste desacopla el eje giratorio -3-.
El arranque del motor se consigue mediante el accionamiento del actuador -17- que provoca el acoplamiento del embrague -12-, haciéndose así solidarios el movimiento del eje de transmisión -13- y el eje -3- del conjunto de resortes. El actuador -7- provoca la liberación del trinquete -5- del eje -3- del conjunto de resortes -1 -, provocando así la liberación de energía del mismo y por tanto el movimiento de la polea -15- del eje del cigüeñal -24-.
En el momento que se detecta el fin del arranque, se desactiva el funcionamiento del actuador -17- y se activa el actuador -6- que controla el freno -4- para bajar de revoluciones del eje -3- del conjunto de resortes -1 -, para finalmente volver a enclavar el eje -3- del conjunto de resortes -1 - mediante el actuador -Ί-.
Como se puede ver en la figura 7, el sistema de control para la realización conforme a la figura 6, es análogo al descrito con respecto a las figuras 1 y 2, a excepción de que, en vez del actuador electromagnético del inversor -10-, se controla la válvula de control -30-.
La tercera realización de la invención mostrada en las figuras 8 y 9, se diferencia de la segunda realización ilustrada en las figuras 6 y 7 en que no está previsto un conducto de circunvalación, de manera que la válvula de control se limita a abrir y cerrar el conducto de alimentación -32- de fluido hidráulico, y en que están previstos segundos medios de acoplamiento en forma de un embrague -27- accionado por segundos medios de control de acoplamiento en forma de actuador electromagnético -27-, interconectados entre el eje del cigüeñal -24- y la bomba hidráulica -28- para acoplar y desacoplar la bomba hidráulica -28- del eje del cigüeñal -24-, controlados por segundos medios de control de acoplamiento -37-.
Al igual que en la segunda realización del sistema anteriormente descrita con referencia a las figuras 1 y 2,, la carga de los resortes -1 - se realiza en el momento en el que se inicia la frenada. Para ello, mediante el actuador -17- se desacopla el embrague -12, la bomba hidráulica -28- se activa, y la válvula de control -30- abre el paso del fluido hidráulico por el conducto de alimentación -31 - al motor hidráulico -29-. El motor hidráulico -29- es accionado por el paso del fluido hidráulico y, por tanto, hace rotar el eje giratorio -3- en el mencionado primer sentido para tensarlos. El fluido hidráulico vuelve del motor hidráulico -29- a la bomba hidráulica -28- a través del conducto de retorno -32-.
Cuando se dan las condiciones que establecen el fin del proceso de recarga del conjunto de resortes -1 -, el sistema de frenada -5- y el mecanismo de trinquete -5- actúan de forma análoga a la anteriormente descrita con referencia a primera y segunda realización. Por otra parte, se desactiva la bomba hidráulica -28- y la válvula de control -30- obtura el conducto de alimentación -31 -, y la bomba hidráulica -28- se desacopla del eje del cigüeñal -24-. Cuando está previsto el sistema de acoplamiento adicional más arriba mencionado, éste desacopla el eje giratorio -3-.
El arranque del motor se consigue mediante el accionamiento del actuador -17- que provoca el acoplamiento del embrague -12-, haciéndose así solidarios el movimiento del eje de transmisión -13- y el eje -3- del conjunto de resortes. El actuador -7- provoca la liberación del trinquete -5- del eje -3- del conjunto de resortes -1 -, provocando así la liberación de energía del mismo y por tanto el movimiento de la polea -15- del eje del cigüeñal -24-.
En el momento que se detecta el fin del arranque, se desactiva el funcionamiento del actuador -17- y se activa el actuador -6- que controla el freno -4- para bajar de revoluciones del eje -3- del conjunto de resortes -1 -, para finalmente volver a enclavar el eje -3- del conjunto de resortes -1 - mediante el actuador -7-.
Como se puede ver en la figura 9, el sistema de control para la realización conforme a la figura 6, es análogo al descrito con respecto a las figuras 1 y 2, a excepción de que. en vez del actuador electromagnético del inversor -10-, se controla la válvula de control -30- y el actuador -37- del segundo embrague -27-.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema de almacenamiento de energía de utilidad en arranques y regulación de sistemas mecánicos, particularmente para almacenar energía generada a partir de la frenada de un sistema propulsado por un motor, como un vehículo automóvil, que comprende
un dispositivo de almacenamiento de energía (1 -4) que comprende al menos un resorte espiral alojado en una carcasa y dispuesto en un eje giratorio para almacenar energía mecánica cuando el eje giratorio gira en un primer sentido de carga tensando el resorte espiral, y para liberar energía mecánica almacenada en resorte espiral cuando el eje giratorio gira en un segundo sentido, opuesto al primer sentido, en el que se descarga el resorte espiral;
medios de carga para entregar la energía generada en un elemento giratorio propulsado (24) del motor al dispositivo de almacenamiento de energía,
medios de descarga de energía almacenada para transmitir energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento de energía (1 -4) a un elemento giratorio propulsor (24) para arrancar el el sistema desde un estado de parada; y medios de control conectados, por una parte a los medios de carga, a los medios de descarga y al dispositivo de almacenamiento y, por otra, a un sistema de control, caracterizado porque
comprende un sistema de enclavamiento (4,5) conectado al eje giratorio (3) y controlado por medios de control de enclavamiento (6, 7), para mantener el resorte espiral (1 ) alternativamente en una situación bloqueada en la que el eje giratorio (3) no gira o en una situación liberada en la que el giro del eje giratorio (3) en dicho primer sentido accionado por los medios de carga tensa el resorte espiral (1 ) para almacenar energía mecánica, mientras que el giro del eje giratorio (3) en el segundo sentido libera la energía mecánica almacenada en el resorte espiral (1 ); los medios de descarga (8, 1 1 -16) comprenden un sistema de transmisión (13-16) de movimientos giratorios, medios de acoplamiento (12) para acoplar y desacoplar el sistema de transmisión (13-16) controlados por medios de control de acoplamiento (17), y un sistema de variación de par y velocidad (8, 9, 1 1 );
el sistema de transmisión (13-16) está interconectado entre dicho elemento giratorio propulsado (24) y los medios de acoplamiento (12), los medios de acoplamiento (12) están interconectados entre el sistema de transmisión (13-16) y el sistema de variación de par y velocidad (8, 9, 1 1 ), y el sistema de variación de par y velocidad (8, 9, 1 1 ) está interconectado entre los medios de acoplamiento (12) y el eje giratorio (3) del dispositivo de almacenamiento.
2. Sistema según la reivindicación 1 , caracterizado porque el dispositivo de almacenamiento de energía (1 -4) comprende al menos un conjunto de resortes espiral (1 ) conectados al eje giratorio (3).
3. Sistema según la reivindicación 1 ó 3, caracterizado porque el sistema de enclavamiento (4, 5) comprende un mecanismo de trinquete (5) dispuesto en el eje giratorio (3).
4. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el sistema de enclavamiento (4, 5) comprende un dispositivo de frenado (4) dispuesto en el eje giratorio (3) y controlado por medios de control de frenado (7).
5. Sistema según la reivindicación 4, caracterizado porque el dispositivo de frenado (4) es un freno de disco.
6. Sistema según la reivindicación 4, caracterizado porque el dispositivo de frenado (4) es un freno electromagnético.
7. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el sistema de transmisión (13-16) está solidariamente conectado a los medios de acoplamiento (12) mediante un árbol (13).
8. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el sistema de transmisión (13-16) está conectado a la cadena de distribución de un motor de combustión del vehículo.
9. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el sistema de transmisión (13-16) está conectado a la correa de distribución de un motor de combustión del vehículo.
10. Sistema según la reivindicación 9, caracterizado porque el sistema de transmisión (13-16) está conectado al eje (24) del cigüeñal de un motor de combustión del vehículo.
1 1 . Sistema según la reivindicación 1 o, caracterizado porque el sistema de transmisión (13-16) está conectado al eje (24) del cigüeñal a través de un sistema auxiliar de poleas que comprende una primera polea (14) montada en el árbol (13) conectado a los medios de acoplamiento (12), una segunda polea (15) montada en el eje (24) del cigüeñal y una cadena o correa de transmisión (16) dispuesta en las poleas (14, 15).
12. Sistema según la reivindicación 7, caracterizado porque el sistema de transmisión (13-16) está conectado al volante motor de un motor de combustión del vehículo.
13. Sistema según la reivindicación 12, caracterizado porque el sistema de transmisión (13-16) está conectado al volante motor mediante un sistema de engranaje que comprende al menos un primer engranaje que engrana con un dentado perimetral del volante motor.
14. Sistema de según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque los medios de acoplamiento (12) comprenden un embrague de fricción o un embrague hidráulico.
15. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque el sistema de variación de par y velocidad (8, 9, 1 1 ) comprende un dispositivo inversor (9) de sentido de giro controlado por medios de control (10) del dispositivo inversor;
el dispositivo inversor (9) está conectado al sistema de variación de par y velocidad (8, 9, 1 1 ) de tal forma que, en dicha situación liberada del resorte espiral (1 ) y cuando los medios de acoplamiento (12) están conectados, cuando el sistema de variación de par y velocidad (8, 9, 1 1 ) recibe movimientos giratorios del elemento giratorio propulsado (24), el sistema de variación de par y velocidad (8, 9, 1 1 ) hace girar el eje giratorio (3) del dispositivo de almacenamiento (1 -4) en dicho primer sentido de giro con un primer par y a una primera velocidad mientras que, cuando el sistema de variación de par y velocidad (8, 9, 1 1 ) recibe movimientos giratorios en dicho segundo sentido, dicho eje giratorio (3) transmite movimientos de giro con un segundo par, mayor que dicho primer par, y a una segunda velocidad, menor que dicha primera velocidad, a dicho elemento giratorio propulsado (24) para arrancar el vehículo.
16. Sistema según la reivindicación 15, caracterizado porque el sistema de variación de par y velocidad (8, 9, 1 1 ) comprende una reductora (8) de engranajes paralelos o epicicloidales que comprende dicho dispositivo inversor (9).
17. Sistema según la reivindicación 16, caracterizado porque ei dispositivo inversor (9) comprende un mecanismo inversor interconectado con los engranajes de la reductora (8).
18. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque los medios de carga (28-37) del resorte espiral (1 ) comprenden
una bomba hidráulica (28), acoplada al elemento propulsado (24) del motor, y que propulsa un motor hidráulico (29) acoplado al eje giratorio (3) a través de un segundo sistema de variación de par y velocidad (33);
un circuito hidráulico (31 , 32, 34) que conecta la bomba hidráulica (28) con el motor hidráulico (29);
medios de control hidráulico (30. 35, 37) para accionar la bomba hidráulica (28) y conectar la bomba hidráulica (28) al motor hidráulico (29) para hacer girar el eje giratorio (3) en dicho primer sentido para cargar el resorte (1 ), y para desconectar la bomba hidráulica (28) cuando el eje giratorio (3) gira en dicho segundo sentido.
19. Sistema según la reivindicación 18, caracterizado porque los medios de control hidráulico comprenden una válvula de control (30) interconectada en el circuito hidráulico (31 , 32) para permitir que fluya fluido hidráulico desde la bomba hidráulica (28) al motor hidráulico.
20. Sistema según la reivindicación 19, caracterizado porque el circuito hidráulico (31 , 32) comprende un conducto hidráulico de alimentación (31 ) por el que el fluido hidráulico fluye desde la bomba hidráulica (28) al motor hidráulico (29), un conducto hidráulico de retorno (32) por el que el fluido hidráulico fluye desde el motor hidráulico (29) a la bomba hidráulica (28), un conducto de circunvalación (34) que conecta el conducto hidráulico de alimentación (31 ) con el conducto hidráulico de retorno (32) y que está interpuesto entre la bomba hidráulica (28) y el motor hidráulico (29), y porque la válvula de control (30) está dispuesta de tal forma que cierra el conducto hidráulico de alimentación (31 ) antes de llegar al motor hidráulico (29) desviando el fluido hidráulico al conducto hidráulico de retorno (32) cuando el eje giratorio (3) gira en dicho segundo sentido.
21 . Sistema según una de las reivindicaciones 18 ó 19, caracterizado porque el circuito hidráulico (31 , 32) comprende un conducto hidráulico de alimentación (31 ) por el que el fluido hidráulico fluye desde la bomba hidráulica (28) al motor hidráulico (29) y un conducto hidráulico de retorno (32) por el que el fluido hidráulico fluye desde el motor hidráulico (29) a la bomba hidráulica (28); y
los medios de carga (28-37) comprenden segundos medios de acoplamiento (27) para acoplar y desacoplar la bomba hidráulica (28) del eje giratorio propulsado (24), controlados por segundos medios de control de acoplamiento (37), estando los segundos medios de acoplamiento (27) interconectados entre el eje giratorio propulsado (24) y la bomba hidráulica (28).
22. Sistema según la reivindicación 21 , caracterizado porque los medios de carga (28-35, 37) están solidariamente conectados a los medios de acoplamiento (27) mediante un árbol (36).
23. Sistema según una de las reivindicaciones 18 a 21 , caracterizado porque los medios de carga (28-35, 37) están conectados a la cadena de distribución de un motor de combustión.
24. Sistema según una de las reivindicaciones 18 a 21 , caracterizado porque los medios de carga (28-35, 37) están conectados a la correa de distribución de un motor de combustión.
25. Sistema según una de las reivindicaciones 18 a 21 , caracterizado porque los medios de carga (28-35, 37) están conectados al eje (24) del cigüeñal de un motor de combustión.
26. Sistema según la reivindicación 25, caracterizado porque los medios de carga (28-35, 37) están conectados al eje (24) del cigüeñal a través de un sistema auxiliar de poleas que comprende una primera polea montada en el árbol (13) conectado a los medios de acoplamiento (12), una segunda polea (15) montada en el eje (24) del cigüeñal y una cadena o correa de transmisión (16) dispuesta en las poleas (14, 15).
27. Sistema según una de las reivindicaciones 18 a 21 , caracterizado porque los medios de carga (28-35, 37) están conectados al volante motor de un motor de combustión.
28. Sistema según la reivindicación 27, caracterizado porque los medios de carga (28-35, 37) están conectados al volante motor mediante un sistema de engranaje que comprende al menos un primer engranaje que engrana con un dentado perimetral del volante motor.
29. Sistema de según una de las reivindicaciones 21 a 28, caracterizado porque los segundos medios de acoplamiento (27) comprenden un embrague de fricción o un embrague hidráulico.
30. Sistema según una de las reivindicaciones 18 a 29, caracterizado porque el segundo sistema de variación de par y velocidad (33) comprende una reductora de engranajes paralelos o epicicloidales.
31 . Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los medios de control de enclavamiento (6, 7) comprenden al menos un actuador electromagnético.
32. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los medios de control de acoplamiento (17) de los medios de acoplamiento (12) del sistema de transmisión (13-16) están comprendidos por un actuador electromagnético.
33. Sistema según la reivindicación 21 caracterizado porque los medios de control de acoplamiento (37) de los medios de
34. Sistema según una de las reivindicaciones 15 a 17, caracterizado porque los medios de control (10) del dispositivo inversor (9) están comprendidos por un actuador electromagnético.
35. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los medios de control de frenado (6) están comprendidos por un actuador electromagnético.
36. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dispositivo de almacenamiento de energía comprende una pluralidad de resortes espirales (1 ) dispuestos en serie en el eje giratorio (3).
37. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dispositivo de almacenamiento de energía comprende una pluralidad de resortes espirales (1 ) dispuestos en serie en el eje giratorio (3), y porque el eje giratorio (3) está conectado a al menos un eje giratorio auxiliar en el que está montada una pluralidad de resortes espirales adicionales dispuestos en serie.
38. Sistema según la reivindicación 36 ó 37, caracterizado porque
los resortes (1 ) del dispositivo de almacenamiento de energía están respectivamente dispuestos entre dos elementos de unión (25, 25', 26) dispuestos en el eje giratorio (3);
los elementos de unión (25, 25', 26) comprenden un primer elemento de unión extremo (25) y un segundo elemento de unión extremo (26), y al menos un elemento de unión intermedio (25') susceptible de girar sobre el eje giratorio (3);
uno de los elementos de unión extremos (25, 26) es solidario al eje giratorio (3) y gira con el eje giratorio (3), y el otro es estacionario y no gira con el eje giratorio (3); cada resorte espiral (1 ) está unido por un extremo a una parte central de un elemento de unión (25, 25', 26) y por otro extremo a una parte periférica del elemento de unión contiguo (25, 25', 26).
39. Sistema según la reivindicación 38, caracterizado porque
cada resorte espiral (1 ) está dispuesto entre una superficie frontal y una superficie posterior de sendos elementos de unión (25, 25', 26) contiguos, y está periféricamente rodeado por un cuerpo anular (25a, 25a') de un elemento de unión (25, 25');
el cuerpo anular (25a, 25a') comprende un lado abierto, un lado cerrado por una pared (25c, 25c') y una superficie interna anular (25b, 25b'), que entre sí forman una cavidad interior;
al menos uno de los elementos de unión extremos (25, 26) y cada elemento de unión intermedio (25') respectivamente presenta un saliente cilindrico (25d, 25d', 26b) central con un diámetro menor que el cuerpo anular (25a, 25a') y que emerge de su superficie frontal;
cada saliente cilindrico presenta un paso axial (25e, 25e', 26c) atravesado por el eje giratorio (3);
el primer extremo de cada resorte espiral (1 ) está fijado al saliente cilindrico (25d, 26b) de un elemento de unión (25, 25', 26) y el segundo extremo de cada resorte espiral (1 ) está fijado en el cuerpo anular (25a, 25a') del elemento de unión contiguo (25, 25');
los elementos de unión (25, 25', 26) están inmovilizados unos respecto de otros;
de forma que el giro del eje giratorio (3) en dicho primer sentido sucesivamente tensa los resortes espirales (1 ) dispuestos entre los elementos de unión (25, 25', 26), y el giro del eje giratorio (3) en dicho segundo sentido sucesivamente libera los resortes espirales (1 ) dispuestos entre los elementos de unión (25, 25', 26).
40. Sistema según la reivindicación 39, caracterizado porque el elemento de unión extremo estacionario (26) comprende un cuerpo discoidal (26a) de cuya superficie frontal emerge dicho saliente cilindrico (26b).
41 . Sistema según una de las reivindicaciones 38 a 40, caracterizado porque al menos un resorte espiral (1 ) comprende un primer cuerpo espiral (1 A) y un segundo cuerpo espiral (1 B) dispuestos en desfase entre sí, estando cada cuerpo espiral (1 A,IB) unido por un extremo a una primera parte de dicha parte central de un elemento de unión (25, 25', 26) y por otro extremo a una segunda parte de dicha parte periférica del elemento de unión contiguo (25, 25', 26), quedando las respectivas espiras de los cuerpos espirales (1 A, 1 B) dispuestas en alternancia y concéntricamente.
42. Sistema según la reivindicación 41 , caracterizado porque el desfase de los cuerpos espirales (1 A, 1 B) está comprendido entre los 180Q y los 455.
43. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los medios de control (6, 7, 10, 17, 30, 37) son gobernados por una unidad de control (18) en función de señales emitidas por un sistema de sensores (19, 23) que comprende al menos un sensor de estado de carga (19) de cada resorte espiral (1 ).
44. - Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sistema se complementa con la inclusión de un sistema de amortiguamiento o absorción de las vibraciones, especialmente las torsionales derivadas de una carga o descarga rápida del sistema.
45. - Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sistema se complementa con un sistema limitador de par tanto de actuación durante la carga como en la descarga del sistema.
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