Como funciona o Hy-wire da GM

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Modelo sedan Hy-wire da GM. Veja mais fotos de veículos com combustível alternativo. Foto cedida pela General Motors

Carros são máquinas imensamente complicadas, mas quando você começa a trabalhar, eles fazem um trabalho incrivelmente simples. A maioria das coisas complexas em um carro é dedicada a girar as rodas, que aderem à estrada para puxar o corpo do carro e os passageiros junto. O sistema de direção inclina as rodas de um lado para o outro para virar o carro, e os sistemas de freio e aceleração controlam a velocidade das rodas.

Dado que a função geral de um carro é tão básica (ele só precisa fornecer movimento giratório às rodas), parece um pouco estranho que quase todos os carros tenham a mesma coleção de dispositivos complexos amontoados sob o capô e a mesma massa geral de mecânica e ligações hidráulicas funcionando por toda parte. Por que os carros precisam necessariamente de uma coluna de direção, pedais de freio e aceleração, um motor de combustão, um conversor catalítico e o resto?

De acordo com muitos dos principais engenheiros automotivos, eles não o fazem; e mais especificamente, em um futuro próximo, eles não vai. Muito provavelmente, muitos de nós dirigiremos carros radicalmente diferentes em 20 anos. E a diferença não estará apenas sob o capô - possuir e dirigir carros também mudará significativamente.

Neste artigo, veremos uma visão interessante do futuro, o notável carro-conceito da General Motor, o Hy-wire. A GM pode nunca realmente vender o Hy-wire ao público, mas é certamente uma boa ilustração de várias maneiras como os carros podem evoluir no futuro próximo.

Conteúdo
  1. Hy-wire Basics
  2. Energia do hidrogênio da Hy-Wire
  3. Hy-Wire Computer Control
O carro-conceito AUTOnomy original A atualização dirigível do AUTOnomy, o Hy-wire Foto cortesia da General Motors Foto cortesia da General Motors O carro-conceito AUTOnomy original A atualização dirigível do AUTOnomy, o Hy-wire Foto cortesia da General Motors Foto cortesia da General Motors

Dois elementos básicos ditam amplamente o design do carro hoje: o motor de combustão interna e ligações mecânicas e hidráulicas.

Se você já olhou sob o capô de um carro, sabe que um motor de combustão interna requer muitos equipamentos adicionais para funcionar corretamente. Não importa o que mais façam com um carro, os designers sempre precisam abrir espaço para esse equipamento.

O mesmo se aplica às ligações mecânicas e hidráulicas. A ideia básica deste sistema é que o motorista manobra os vários atuadores do carro (as rodas, freios, etc.) mais ou menos diretamente, manipulando os controles de direção conectados a esses atuadores por eixos, engrenagens e sistema hidráulico. Em um sistema de direção de cremalheira e pinhão, por exemplo, girar o volante gira um eixo conectado a uma engrenagem de pinhão, que move uma engrenagem de cremalheira conectada às rodas dianteiras do carro. Além de restringir a forma como o carro é construído, o conceito de articulação também dita como dirigimos: o volante, pedal e sistema de troca de marchas foram projetados em torno da ideia de articulação.

O Hy-wire tem rodas, bancos e janelas como um carro convencional, mas a semelhança acaba aí. Não há motor sob o capô e nenhum volante ou pedais dentro. Foto cedida pela General Motors

A característica definidora do Hy-wire (e seu predecessor conceitual, o AUTOnomy) é que ele não tem nenhuma dessas duas coisas. Em vez de um motor, ele tem uma pilha de células de combustível, que aciona um motor elétrico conectado às rodas. Em vez de ligações mecânicas e hidráulicas, tem um conduzir por fio sistema - um computador realmente opera os componentes que movem as rodas, ativam os freios e assim por diante, com base na entrada de um controlador eletrônico. Este é o mesmo sistema de controle empregado em jatos de combate modernos, bem como em muitos aviões comerciais.

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Foto cedida pela General Motors

Ilustração do conceito de fixação corporal do AUTOnomy

O resultado dessas duas substituições é um tipo de carro muito diferente - e uma experiência de direção muito diferente. Não há volante, não há pedais e não há compartimento do motor. Na verdade, cada peça de equipamento que realmente move o carro ao longo da estrada está alojada em um chassi de alumínio de 11 polegadas (28 cm) de espessura - também conhecido como o skate -- na base do carro. Tudo acima do chassi é dedicado exclusivamente ao controle do motorista e ao conforto dos passageiros.

Isso significa que o motorista e os passageiros não precisam se sentar atrás de uma massa de máquinas. Em vez disso, o Hy-wire tem um enorme pára-brisa dianteiro, que dá a todos uma visão clara da estrada. O piso do compartimento de passageiros de fibra de vidro e aço pode ser totalmente plano e é fácil dar a cada assento muito espaço para as pernas. Concentrar a maior parte do veículo na seção inferior do carro também melhora a segurança porque torna o carro muito menos propenso a tombar.

Mas o mais legal desse design é que ele permite remover todo o compartimento do passageiro e substituí-lo por um diferente. Se você quiser mudar de uma van para um carro esporte, não precisa de um carro inteiramente novo; você só precisa de um novo corpo (que é muito mais barato).

Você sempre pode voltar quando precisar da van novamente. A logística da troca ainda não está clara - se a ideia pegar, pode haver estações de troca especiais onde você pode manter as diferentes carrocerias ou pode haver uma maneira de os motoristas trocarem as carrocerias por conta própria em sua própria garagem.

A seguir

A GM originalmente apelidou seu conceito de trabalho para um carro de célula de combustível drive-by-wire de Autonomia, para destacar a flexibilidade do controle do computador e carrocerias comutáveis. Quando chegou a hora de nomear a versão real dirigível, a equipe de design recrutou um grupo de crianças, com idades entre seis e 15 anos, para propor possibilidades interessantes. Sessões de brainstorming movidas a doces renderam centenas de nomes, incluindo Curinga, Moonshot, Jetson e Volt. A GM finalmente aceitou a sugestão de Aleksei Dachyshyn de 14 anos, Hy-wire, porque resumia bem os conceitos de célula de combustível de hidrogênio e drive-by-wire no núcleo do veículo.

Os tanques de hidrogênio e a pilha de células de combustível no Hy-wire Foto cedida pela General Motors

Em uma célula a combustível de hidrogênio, um catalisador quebra as moléculas de hidrogênio no ânodo em prótons e elétrons. Os prótons se movem através da membrana de troca, em direção ao oxigênio no lado do cátodo, e os elétrons fazem seu caminho através de um fio entre o ânodo e o cátodo. Do lado do cátodo, o hidrogênio e o oxigênio se combinam para formar água. Muitas células são conectadas em série para mover uma carga substancial através de um circuito.

O "Hy" em Hy-wire significa hidrogênio, o combustível padrão para um sistema de célula de combustível. Como as baterias, as células de combustível têm um terminal carregado negativamente e um terminal carregado positivamente que impulsiona a carga elétrica através de um circuito conectado a cada extremidade. Eles também são semelhantes às baterias, pois geram eletricidade a partir de um reação química. Mas, ao contrário de uma bateria, você pode recarregar continuamente uma célula de combustível adicionando combustível químico - neste caso, hidrogênio de um tanque de armazenamento a bordo e oxigênio da atmosfera.

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A ideia básica é usar um catalisador para dividir uma molécula de hidrogênio (H2) em dois prótons H (H +, átomos de hidrogênio individuais carregados positivamente) e dois elétrons (e-). Oxigênio no cátodo (positivamente carregado) da célula de combustível atrai íons H + do lado do ânodo através de um membrana de troca de prótons, mas bloqueia o fluxo de elétrons. Os elétrons (que têm carga negativa) são atraídos pelos prótons (que têm carga positiva) do outro lado da membrana, mas eles precisam se mover através do circuito elétrico para chegar lá. Os elétrons em movimento constituem a corrente elétrica que alimenta as várias cargas do circuito, como motores e o sistema de computador. No lado catódico da célula, o hidrogênio, o oxigênio e os elétrons livres se combinam para formar a água (H2O), o único produto de emissão do sistema. (Veja Como funcionam as células de combustível para mais informações.)

Uma célula de combustível gasta apenas um pouco de energia, então você precisa combinar várias células em uma pilha para obter muito uso do processo. A pilha de células de combustível no Hy-wire é composta de 200 células individuais conectadas em Series, que coletivamente fornecem 94 quilowatts de potência contínua e 129 quilowatts na potência de pico. A pilha de células compacta (tem o tamanho de uma torre de PC) é mantida fria por um sistema de radiador convencional que é alimentado pelas próprias células de combustível.

Outra visão do Hy-wire Foto cedida pela General Motors

Este sistema fornece tensão DC variando de 125 a 200 volts, dependendo da carga do circuito. O controlador do motor aumenta isso até 250 a 380 volts e converte em corrente CA para acionar o motor elétrico trifásico que gira as rodas (é semelhante ao sistema usado em carros elétricos convencionais).

A função do motor elétrico é aplicar torque ao eixo da roda dianteira para girar as duas rodas dianteiras. A unidade de controle varia a velocidade do carro aumentando ou diminuindo a potência aplicada ao motor. Quando o controlador aplica a potência máxima da pilha de células de combustível, o rotor do motor gira a 12.000 revoluções por minuto, fornecendo um torque de 159 libras-pés. Uma engrenagem planetária de estágio único, com uma relação de 8,67: 1, aumenta o torque para aplicar um máximo de 1.375 libras-pés a cada roda. Isso é torque suficiente para mover o carro de 4.200 libras (1.905 kg) por 100 milhas por hora (161 km / h) em uma estrada plana. Motores elétricos menores manobram as rodas para dirigir o carro e controlados eletricamente pinças de freio pare o carro.

O combustível gasoso de hidrogênio necessário para alimentar este sistema é armazenado em três tanques cilíndricos, pesando cerca de 165 libras (75 quilogramas) no total. Os tanques são feitos de um material composto de carbono com a alta resistência estrutural necessária para conter gás hidrogênio de alta pressão. Os tanques no modelo atual mantêm cerca de 4,5 libras (2 kg) de hidrogênio a cerca de 5.000 libras por polegada quadrada (350 bar). Em modelos futuros, os engenheiros da Hy-wire esperam aumentar o limite de pressão para 10.000 libras por polegada quadrada (700 bares), o que aumentaria a capacidade de combustível do carro para estender a autonomia.

Em última análise, a GM espera obter a pilha de células de combustível, motores e tanques de armazenamento de hidrogênio pequenos o suficiente para que possam reduzir a espessura do chassi de 11 polegadas para 6 polegadas (15 cm). Este "skate" mais compacto permitiria ainda mais flexibilidade no design do corpo.

Números Hy-wire
  • Velocidade máxima: 100 milhas por hora (161 km / h)
  • Peso: 4.185 libras (1.898 kg)
  • Comprimento do chassi: 14 pés, 3 polegadas (4,3 metros)
  • Largura do chassi: 5 pés, 5,7 polegadas (1,67 metros)
  • Espessura do chassi: 11 polegadas (28 cm)
  • Rodas: rodas de liga leve de oito raios.
  • Pneus: 20 polegadas (51 cm) na frente e 22 polegadas (56 cm) atrás
  • Energia da célula de combustível: 94 quilowatts contínuos, pico de 129 quilowatts
  • Tensão da pilha de células de combustível: 125 a 200 volts
  • Motor: motor elétrico assíncrono trifásico de 250 a 380 volts
  • Proteção contra colisões: "zonas de esmagamento" dianteiras e traseiras (ou "caixas de colisão") para absorver a energia do impacto
  • Patentes relacionadas à GM em andamento: 30
  • Membros da equipe GM envolvidos no projeto: 500+
Diagrama da GM do design do AUTOnomy Cortesia da General Motors

O "cérebro" do Hy-wire é um computador central alojado no meio do chassi. Ele envia sinais eletrônicos para a unidade de controle do motor para variar a velocidade, o mecanismo de direção para manobrar o carro e o sistema de freios para reduzir a velocidade do carro.

No nível do chassi, o computador controla todos os aspectos da direção e do uso de energia. Mas ele recebe ordens de um poder superior - a saber, o motorista na carroceria do carro. O computador se conecta aos componentes eletrônicos do corpo por meio de um único porta de encaixe universal. Esta porta central funciona da mesma maneira básica que uma porta USB em um computador pessoal: ela transmite um fluxo constante de sinais de comando eletrônico do controlador do carro para o computador central, bem como sinais de feedback do computador para o controlador. Além disso, fornece a energia elétrica necessária para operar todos os componentes eletrônicos integrados do corpo. Dez ligações físicas travar o corpo à estrutura do chassi.

O X-drive do Hy-wire O X-drive pode deslizar para qualquer lado do veículo. Foto cedida pela General Motors Foto cedida pela General Motors O X-drive do Hy-wire O X-drive pode deslizar para qualquer lado do veículo. Foto cedida pela General Motors Foto cedida pela General Motors

A unidade de controle do motorista, apelidada de X-drive, é muito mais perto de um videogame controlador do que um volante convencional e arranjo de pedal. O controlador possui duas alças ergonômicas, posicionadas à esquerda e à direita de um pequeno monitor LCD. Para dirigir o carro, você desliza as manoplas para cima e para baixo levemente - você não precisa ficar girando uma roda para girar, apenas precisa segurar a manopla na posição de viragem. Para acelerar, gire qualquer uma das garras, da mesma forma que giraria o acelerador de uma motocicleta; e para frear, você aperta qualquer uma das garras.

Sensores eletrônicos de movimento, semelhantes aos dos joysticks de computador de última geração, traduzem esse movimento em um sinal digital que o computador central pode reconhecer. Os botões no controlador permitem que você alterne facilmente de neutro para dirigir para ré, e um botão de partida liga o carro. Uma vez que absolutamente tudo é controlado manualmente, você pode fazer o que quiser com os pés (imagine colocá-los em um massageador durante a ida e volta do trabalho todos os dias).

O monitor colorido de 5,8 polegadas (14,7 cm) no centro do controlador exibe todas as coisas que você normalmente encontra no painel (velocidade, quilometragem, nível de combustível). Ele também oferece imagens retrovisoras de câmeras de vídeo nas laterais e na traseira do carro, no lugar dos espelhos convencionais. Um segundo monitor, em um console ao lado do motorista, mostra estéreo, controle de temperatura e informações de navegação.

Uma vez que não dirige diretamente nenhuma parte do carro, o X-drive poderia realmente ir a qualquer lugar no compartimento do passageiro. No modelo sedan Hy-wire atual, o X-drive gira para qualquer um dos dois assentos dianteiros, então você pode trocar de motorista sem nem mesmo se levantar. Também é fácil ajustar o X-drive para cima ou para baixo para melhorar o conforto do motorista, ou tirá-lo completamente do caminho quando você não estiver dirigindo.

Conceito GM do AUTOnomy com e sem um corpo anexado Foto cedida pela General Motors Foto cedida pela General Motors Conceito GM do AUTOnomy com e sem um corpo anexado Foto cedida pela General Motors Foto cedida pela General Motors

Uma das coisas mais legais sobre o sistema drive-by-wire é que você pode ajustar o manuseio do veículo sem alterar nada nos componentes mecânicos do carro - tudo o que é necessário para ajustar a direção, o acelerador ou a sensibilidade do freio é um novo software de computador. Em futuros veículos drive-by-wire, você provavelmente conseguirá configurar os controles exatamente de acordo com sua preferência pressionando alguns botões, da mesma forma que ajusta a posição do assento em um carro hoje. Também seria possível neste tipo de sistema armazenar preferências de controle distintas para cada motorista da família.

A grande preocupação com os veículos drive-by-wire é segurança. Como não há conexão física entre o motorista e os elementos mecânicos do carro, uma falha elétrica significaria a perda total de controle. Para tornar esse tipo de sistema viável no mundo real, os carros drive-by-wire precisarão de fontes de alimentação de reserva e conexões eletrônicas redundantes. Com medidas de segurança adequadas como essa, não há razão para que os carros drive-by-wire sejam mais perigosos do que os carros convencionais. Na verdade, muitos projetistas acham que estarão muito mais seguros, porque o computador central será capaz de monitorar a entrada do driver. Outro problema é adicionar proteção adequada contra impactos ao carro.

O outro grande obstáculo para este tipo de carro é descobrir métodos de eficiência energética para produzir, transportar e armazenar hidrogênio para as pilhas de células de combustível a bordo. Com o estado atual da tecnologia, a produção de hidrogênio combustível pode gerar quase tanta poluição quanto o uso de motores a gasolina, e os sistemas de armazenamento e distribuição ainda têm um longo caminho a percorrer (veja Como funciona a economia do hidrogênio para obter mais informações).

Será que algum dia teremos a chance de comprar um Hy-wire? A General Motors diz que pretende lançar uma versão de produção do carro em 2010, assumindo que pode resolver os principais problemas de combustível e segurança. Mas mesmo que a equipe Hy-wire não cumpra essa meta, a GM e outras montadoras estão definitivamente planejando ir além do carro convencional em breve, em direção a uma alternativa computadorizada e ecologicamente correta. Com toda a probabilidade, a vida na rodovia verá algumas mudanças importantes nas próximas décadas.

Para obter mais informações sobre o Hy-wire e outras tecnologias automotivas emergentes, verifique os links na próxima página.

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  • Quais são as diferentes maneiras de armazenar energia além de usar baterias recarregáveis?

Mais ótimos links

  • TechTV: pegando uma carona no Hy-Wire
  • TechTV: um cruzeiro do século 21 com o Hy-Wire
  • CNN.com: Hy-wire projetado para papéis verdes
  • PopularMechanics.com: Alimentando o Futuro
  • PopularMechanics.com: Hy-Wire Act
  • The Alternative-fuel Vehicle Directory
  • Grupo de veículos de combustível alternativo
  • FuelEconomy.gov



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