universidad internacional del ecuador facultad de ... · de mi carrera, y a todos los profesores de...
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Universidad Internacional del Ecuador
Facultad de Ingeniería Automotriz
Proyecto de Titulación previo a la obtención del título de Ingeniero en Mecánica
Automotriz
Estudio de flujometría de los gases de escape para un sistema de carga
Carlos Antonio Gallardo Velastegui
Director: Ing. Miguel Granja
Quito, Julio 2016
II
III
Certificación
Yo, Carlos Antonio Gallardo Velastegui, declaro bajo juramento, que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido presentado anteriormente para ningún grado
o calificación profesional y que se ha consultado la bibliografía detallada.
Cedo mis derechos de propiedad intelectual a la Universidad Internacional del
Ecuador, para que sea publicado y divulgado en internet, según lo establecido en la
ley de propiedad intelectual, reglamento y leyes.
Carlos Antonio Gallardo Velastegui.
CI: 1723956734
Yo, Miguel Granja certifico que conozco al autor del presente trabajo siendo el
responsable exclusivo tanto de su originalidad y autenticidad, como de su contenido.
Ing. Miguel Granja Paredes
Director del Proyecto de Grado
IV
Dedicatoria
Dedico este proyecto de titulación a Dios por ser el centro de mi vida, mi fuerza y mi
guía para salir adelante, a mi madre por ser el pilar y fortaleza en mi vida y
enseñarme los valores para ser una persona de bien, a Leslie Tais por ser mi gran
apoyo e inspiración a lo largo de este trayecto y enseñarme que en la vida nunca hay
que darse por vencido hasta cumplir nuestros sueños.
A mi padre por ser un gran ejemplo a seguir y por siempre apoyarme en mis
sueños, a mi hermana por darme fuerzas y ánimos para cumplir mis objetivos
planteados y a mis amigos que me apoyaron y me supieron aconsejar a lo largo de
mis estudios universitarios.
V
Agradecimiento
Agradezco a Dios por darme salud y vida para poder terminar mis estudios
profesionales, a mis padres y a mi hermana que fueron mi apoyo en todo el trayecto
de mi carrera, y a todos los profesores de la facultad de ingeniería automotriz de la
universidad internacional del ecuador por todo su aporte profesional a lo largo de
esta hermosa carrera universitaria, gracias por sus enseñanzas tanto académicas como
personales.
VI
ÍNDICE
CERTIFICACIÓN ..................................................................................................... III
DEDICATORIA ......................................................................................................... IV
AGRADECIMIENTO ................................................................................................. V
INDICE DE FIGURAS ............................................................................................... X
INDICE DE TABLAS ............................................................................................. XV
ÍNDICE DE ECUACIONES .................................................................................. XVII
RESUMEN .............................................................................................................. XIX
ABSTRACT ............................................................................................................. XX
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 1
CAPÍTULO I ................................................................................................................ 2
1 SISTEMA DE ESCAPE DEL AUTOMÓVIL ..................................................... 2
1.1 Definición ...................................................................................................... 2
1.2 COMPONENTES DEL SISTEMA .................................................................... 2
1.2.1 Culata ............................................................................................................ 2
1.2.2 Válvulas de admisión y de escape ................................................................. 3
1.2.3 Colector o Múltiple de Escape ...................................................................... 4
1.2.4 Tubos de escape ............................................................................................ 4
1.2.4.1 Tubo de escape final .................................................................................. 4
1.2.5 Convertidor catalítico .................................................................................... 4
1.2.5.1 Convertidor catalítico de dos vías ............................................................. 4
1.2.5.2 Convertidor catalítico de tres vías ............................................................. 5
1.2.6 Silenciador ..................................................................................................... 5
1.3 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE ESCAPE ........ 5
1.4 TEORÍA CINÉTICA DE LOS GASES Y ESTADO GASEOSO .................... 10
VII
1.4.1 Estado Gaseoso ........................................................................................... 11
1.4.1.1 Propiedades ............................................................................................. 11
1.4.1.1.1 Presión ................................................................................................. 12
1.4.1.1.2 Volumen .............................................................................................. 13
1.4.1.1.3 Temperatura......................................................................................... 13
1.5 PROCESO DE ESCAPE ................................................................................... 14
1.5.1 Emisiones del Proceso de Escape ................................................................ 15
1.5.1.1 Gases Tóxicos y elementos sólidos ...................................................... 15
1.5.2 Resultados Químicos del Proceso de Escape ............................................... 17
1.5.3 Propiedades de cada gas resultante de la combustión .................................. 19
1.5.4 Temperatura de los gases de escape ............................................................. 20
1.5.5 Velocidad de los Gases de Escape ............................................................... 21
CAPÍTULO II ............................................................................................................ 23
2 GENERADORES ELÉCTRICOS ..................................................................... 23
2.1 Características y Aplicaciones...................................................................... 24
2.2 Clasificación ................................................................................................. 26
2.2.1 Generadores de Corriente Continua ..................................................... 26
2.2.2 Generadores de Corriente Alterna ........................................................ 27
2.3 FUNCIONAMIENTO DE LOS GENERADORES ELÉCTRICOS DE
CORRIENTE ALTERNA .......................................................................................... 27
CAPÍTULO III ........................................................................................................... 31
3 COMPONENTES DEL ALTERNADOR Y SISTEMA DE
SOBREALIMENTACIÓN (TURBOCOMPRESOR) ............................................... 31
3.1 ALTERNADORES .......................................................................................... 31
3.1.1 Características ............................................................................................. 31
VIII
3.1.2 Componentes ............................................................................................... 33
3.1.3 Funcionamiento y Principios Físicos .......................................................... 34
3.2 TURBOCOMPRESOR .................................................................................... 36
3.2.1 Componentes ................................................................................................ 36
3.2.2 Funcionamiento ............................................................................................ 39
CAPÍTULO IV ........................................................................................................... 43
4 DISEÑO DEL SISTEMA, FABRICACIÓN Y CONSTRUCCIÓN ................ 43
4.1 Diseño Conceptual ....................................................................................... 43
4.2 SELECCIÓN DE ELEMENTOS ................................................................. 44
4.2.1 Motor ...................................................................................................... 44
4.2.2 Turbocompresor ..................................................................................... 45
4.2.3 Banco de Pruebas ................................................................................... 48
4.2.4 Resortes de apoyo para la base del motor .............................................. 52
4.2.5 Acople Sistema de Escape ...................................................................... 53
4.2.6 Generador Eléctrico ................................................................................ 54
4.2.7 Soporte del generador ............................................................................. 55
4.2.8 Sistema de Aceleración .......................................................................... 57
4.2.9 Tablero de control .................................................................................. 58
4.3 CONSTRUCCIÓN Y DISPOSICIÓN DE ELEMENTOS ........................... 58
4.3.1 Motor ...................................................................................................... 59
4.3.2 Banco de Pruebas, Plano y Cálculo Estructural ..................................... 60
4.3.3 Turbocompresor ..................................................................................... 65
4.3.4 Acople y Modificación del Sistema de Escape ...................................... 67
4.4 ACOPLE Y MONTAJE DE ELEMENTOS ................................................. 71
4.5 MONTAJE DEL GENERADOR ELÉCTRICO ........................................... 87
IX
CAPÍTULO V .......................................................................................................... 103
5 CÁLCULOS DE FLUJOMETRÍA, PRUEBAS Y ANÁLISIS DE
RESULTADOS. ....................................................................................................... 103
5.1 Cálculo de la Velocidad de los Gases de Escape .................................. 103
5.1.1 Cálculo Volumétrico ....................................................................... 109
5.1.2 Caudal Másico ................................................................................. 112
5.1.3 Cálculo de las Velocidades de entrada y de salida de los Gases de
Escape en el Turbocompresor .................................................................................. 113
5.2 PRUEBAS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................... 115
5.2.1 Pruebas .................................................................................................. 115
5.2.2 Análisis de resultados ............................................................................ 122
5.2.2.1 Análisis para la medición con anemómetro .................................... 122
5.2.2.2 Análisis para la medición con multímetro (Voltaje) ....................... 124
5.2.2.3 Análisis para la medición con multímetro (Amperaje) ................... 125
6 CONCLUSIONES ....................................................................................... 129
7 RECOMENDACIONES .............................................................................. 131
8 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................... 132
9 ANEXOS ...................................................................................................... 135
X
Índice de Figuras
Figura 2.1 Generador de Corriente Continua, vista interna ................................. 23
Figura 2.2 Generadores de Corriente Continua ................................................... 23
Figura 2.3 Generador Eléctrico General (Dinamo) ............................................. 24
Figura 2.4 Conversión de Energía en un Generador ............................................ 24
Figura 2.5 Elementos de un Aerogenerador ........................................................ 26
Figura 2.6 Curva de Generador de Corriente Continua ....................................... 27
Figura 2.7 Espira en posición perpendicular ....................................................... 28
Figura 2.8 Fuerza electromotriz máxima ............................................................. 28
Figura 2.9 Espira invertida, fuerza electromotriz nula ........................................ 29
Figura 2.10 Valor máximo de fuerza electromotriz en sentido negativo ............ 29
Figura 2.11 Espira en posición inicial ................................................................. 29
Figura 2.12 Curva de Tensión de un Generador .................................................. 30
Figura 3.1 Ubicación del Alternador en el Motor ................................................ 32
Figura 3.2 Elementos Básicos del Alternador ..................................................... 33
Figura 3.3 Despiece el Alternador ....................................................................... 33
Figura 3.4 Variación de los Campos Magnéticos ............................................... 34
Figura 3.5 Rectificación Corriente Trifásica ....................................................... 35
Figura 3.6 Elementos y Conexión Alternador Trifásico con Diodos rectificadores
.................................................................................................................................... 36
Figura 3.7 Partes de un Turbocompresor ............................................................. 37
Figura 3.8 Despiece Detallado de un Turbocompresor ....................................... 37
Figura 3.9 Funcionamiento de la Válvula de Regulación de Presión de un
turbocompresor ........................................................................................................... 39
Figura 3.10 Corte Transversal de un Turbocompresor ........................................ 40
XI
Figura 3.11 Fase 1: Salida de los Gases de Escape hacia la Turbina del
turbocompresor ........................................................................................................... 41
Figura 3.12 Fase 2: Intercambio de Gases de Escape y Gas a Sobrepresión ....... 41
Figura 3.13 Fase 3: Ingreso del Aire a Sobrepresión dentro del Cilindro ........... 42
Figura 4.1 Diseño Teórico o Conceptual ............................................................. 44
Figura 4.2 Motor Fiat 125, 1500cc/Modelo 79, Vista Frontal............................. 45
Figura 4.3 Motor Fiat 125, 1500cc/Modelo 79, Vista Lateral ............................. 45
Figura 4.4 Turbocompresor Garrett, modelo GT2056, vista frontal ................... 47
Figura 4.5 Turbocompresor Garrett, modelo GT2056, despiece ......................... 48
Figura 4.6 Medidas del Ángulo en L utilizado para el Banco de Pruebas ........... 50
Figura 4.7 Resorte Utilizado como Soporte y Elemento de Amortiguación para el
motor de Pruebas ........................................................................................................ 52
Figura 4.8 Generador eléctrico utilizado en el proyecto ...................................... 55
Figura 4.9 Propiedades de la Plancha Utilizada para el Tablero de Control ....... 58
Figura 4.10 Limpieza externa del Motor de Pruebas, vista superior ................... 59
Figura 4.11 Limpieza externa del Motor de Pruebas, vista lateral ...................... 59
Figura 4.12 Limpieza y revisión Interna del Motor de Pruebas .......................... 60
Figura 4.13 Características de las Ruedas colocadas en el banco de pruebas ..... 64
Figura 4.14 Ruedas instaladas para el apoyo y transporte en el Banco de Pruebas
.................................................................................................................................... 65
Figura 4.15 Altura de las ruedas de apoyo .......................................................... 65
Figura 4.16 Limpieza externa del turbocompresor .............................................. 66
Figura 4.17 Limpieza interna, despiece y revisión completa del Turbocompresor
.................................................................................................................................... 66
XII
Figura 4.18 Despiece del Turbocompresor, Sellos de Lubricación y buje dañados
.................................................................................................................................... 66
Figura 4.19 Salida del Múltiple de Escape .......................................................... 67
Figura 4.20 Pieza Cónica, unión entre el múltiple de escape y el turbocompresor
.................................................................................................................................... 67
Figura 4.21 Salida Original del Múltiple de Escape, con unión hacia el tubo de
escape ......................................................................................................................... 68
Figura 4.22 Pieza Cónica acoplada al Múltiple de Escape .................................. 68
Figura 4.23 Modificación Cónica de 2 a 1 para la salida del Múltiple de Escape
con acople al Turbocompresor, conjunto armado ...................................................... 69
Figura 4.24 Tubo de Escape, configuración en el Diseño Final .......................... 69
Figura 4.25 Unión entre el tubo de Escape y la Salida del Turbocompresor ...... 70
Figura 4.26 Disposición del Tubo de Escape en el Diseño Final ........................ 70
Figura 4.27 Bases del Motor, Camioneta Chevrolet Luv Doble Cabina, año 97 72
Figura 4.28 Ubicación de los Soporte Laterales .................................................. 73
Figura 4.29 Ángulo para el Soporte Lateral Derecho .......................................... 74
Figura 4.30 Ángulo para el Soporte Lateral Izquierdo ........................................ 74
Figura 4.31 Extensión para soporte del Motor al lado Derecho, perfil cuadrado 75
Figura 4.32 Extensión para el Soporte del Motor al lado Izquierdo, perfil en U. 75
Figura 4.33 Medidas de un Resorte ..................................................................... 76
Figura 4.34 Fórmulas para el Cálculo del diseño de Resortes ............................. 76
Figura 4.35 Posición Final de los Resortes en el Banco de Pruebas ................... 81
Figura 4.36 Montaje del Sistema de Escape, Salida desde el Múltiple de Escape
.................................................................................................................................... 82
Figura 4.37 Pernos de sujeción de la pieza cónica .............................................. 82
XIII
Figura 4.38 Bypass dese la Bomba de Aceite, con bifurcación hacia la entrada
de lubricación del turbocompresor ............................................................................. 84
Figura 4.39 Manguera para la Salida de Aceite de Lubricación desde el
turbocompresor hacia el Carter del Motor ................................................................. 84
Figura 4.40 Mangueras de entrada y salida de aceite, sistema de lubricación del
turbocompresor ........................................................................................................... 85
Figura 4.41 Perno del Turbocompresor para el Sistema de Refrigeración por
agua ............................................................................................................................ 85
Figura 4.42 Acople para Manguera de Entrada y Salida de Agua en el
turbocompresor ........................................................................................................... 86
Figura 4.43 Perno con Acople y Manguera de Entrada de Agua para el Cuerpo
del Turbocompresor ................................................................................................... 86
Figura 4.44 Mangueras, entrada y salida de agua, sistema de refrigeración del
turbocompresor ........................................................................................................... 87
Figura 4.45 Manguera desde la Salida del Turbocompresor hacia la Entrada al
radiador ....................................................................................................................... 87
Figura 4.46 Generador Eléctrico Utilizado en el Proyecto .................................. 88
Figura 4.47 Configuración del eje del generador eléctrico .................................. 89
Figura 4.48 Mecanizado del bocín, extremo del eje generador ........................... 90
Figura 4.49 Mecanizado del bocín, extremo del eje generador ........................... 90
Figura 4.50 Conjunto de Acople Generador-Eje del Turbocompresor ................ 91
Figura 4.51 Conjunto de Acople Armado............................................................ 91
Figura 4.52 Conjunto de Unión, Bocín y Superficie de Contacto ....................... 92
Figura 4.53 Elementos del Conjunto de Acople .................................................. 93
Figura 4.54 Dimensiones del eje motriz del turbocompresor .............................. 93
XIV
Figura 4.55 Área del alabe ................................................................................... 94
Figura 4.56 Diagrama de cuerpo libre, eje motriz del turbocompresor ............... 94
Figura 4.57 Diagrama de cuerpo libre en 3D, eje motriz .................................... 95
Figura 4.58 Plano: Soporte del Generador .......................................................... 98
Figura 4.59 Soporte del Generador y Pernos de Fijación .................................... 98
Figura 4.60 Base del Soporte del Generador, Puntos de Sujeción ...................... 99
Figura 4.61 Posición Final del Soporte del Generador, Generador Instalado ..... 99
Figura 4.62 Esquema de la Instalación Eléctrica ............................................... 100
Figura 4.63 Palanca de aceleración en forma de T ............................................ 101
Figura 4.64 Tablero de Control, instrumentos instalados .................................. 102
Figura 5.1 Pieza Cónica, acople al Múltiple de Escape ..................................... 105
Figura 5.2 Salida del múltiple de escape ........................................................... 105
Figura 5.3 Turbina (salida de la turbina) ........................................................... 106
Figura 5.4 Turbina (medida de la turbina) ......................................................... 107
Figura 5.5 Turbina (ancho total) ........................................................................ 107
Figura 5.6 Gráfica entre RPM vs. Caudal Volumétrico .................................... 111
Figura 5.7 Multímetro utilizado para la medición ............................................. 115
Figura 5.8 Aplicación de anemómetro utilizado para la medición .................... 116
Figura 5.9 Proceso de medición con aplicación de anemómetro ....................... 118
Figura 5.10 Proceso de medición con multímetro ............................................. 119
Figura 5.11 Proceso de medición con multímetro (amperaje) ........................... 120
XV
Índice de Tablas
Tabla 1.1 Características, ventajas y desventajas de la fundición de Hierro ......... 6
Tabla 1.2 Características, ventajas y desventajas del Acero Inoxidable ............... 7
Tabla 1.3 Características, ventajas y desventajas del Aluminio ............................ 8
Tabla 1.4 Características, ventajas y desventajas del Titanio ................................ 9
Tabla 1.5 Propiedades de los Gases resultantes de la combustión a 750 °C y 1,5
bares de presión .......................................................................................................... 19
Tabla 1.6 Propiedades medias de la mezcla total de los Gases de Escape a una
temperatura de 750 ° C y 1,5 bares de presión ........................................................... 20
Tabla 4.1 Especificaciones de turbocompresores y sus características ............... 46
Tabla 4.2 Turbocompresor: Tabla de Ponderación, Opciones Viables ............... 46
Tabla 4.3 Material para el Banco de Pruebas: Tabla de Ponderación, opciones
posibles ....................................................................................................................... 48
Tabla 4.4 Propiedades: Acero al Carbón Estructural ASTM A-36 ..................... 49
Tabla 4.5 Características Perfil en U de alas iguales inclinadas, utilizado en el
banco de Pruebas ........................................................................................................ 51
Tabla 4.6 Características y Propiedades Perfil en U alas iguales inclinadas,
utilizado en el Banco de Pruebas ................................................................................ 51
Tabla 4.7 Propiedades Mecánicas de Aceros para Resortes ................................ 53
Tabla 4.8 Constantes A y m para el resorte utilizado .......................................... 53
Tabla 4.9 Propiedades de Tubo de Acero Inoxidable ASTM A53 GrB .............. 54
Tabla 4.10 Datos Técnicos del Generador usado en este diseño ......................... 55
Tabla 4.11 Propiedades Mecánicas del ángulo utilizado para el soporte ............ 56
Tabla 4.12 Soporte: Tabla de Ponderación de los Materiales Posibles ............... 56
Tabla 4.13 Propiedades Mecánicas del Perfil Seleccionado ............................... 57
XVI
Tabla 4.14 Características del cable utilizado para el sistema de aceleración ..... 57
Tabla 4.15 Trabajos de mantenimiento realizados al motor de pruebas .............. 59
Tabla 4.16 Propiedades de los Pernos (Grados 5 a 7) Utilizados para la unión
entre los soportes y las bases del motor ..................................................................... 75
Tabla 4.17 Cálculo teórico del eje motriz ............................................................ 93
Tabla 4.18 Características de las barras utilizadas en la construcción de la
palanca de aceleración .............................................................................................. 101
Tabla 5.1 Datos, Motor de Pruebas ................................................................... 103
Tabla 5.2 Datos para el Caudal Volumétrico del Motor de Pruebas a los
diferentes rangos de revoluciones ............................................................................ 111
Tabla 5.3 Datos de los Gases de Escape Mezclados, para el motor de pruebas
(1.5Ly 4000rpm) ...................................................................................................... 112
Tabla 5.4 Datos y Resultados obtenidos con el anemómetro (Aplicación ........ 118
Tabla 5.5 Resultados de la medición con anemómetro (aplicación para celular)
.................................................................................................................................. 119
Tabla 5.6 Datos de la medición de voltaje ......................................................... 120
Tabla 5.7 Datos de la Medición de amperaje .................................................... 121
Tabla 5.8 datos del cálculo de potencia ............................................................. 121
Tabla 5.9 Resultados de medición con anemómetro ......................................... 122
Tabla 5.10 comparación de la velocidad de los gases de escape teoría vs
experimental ............................................................................................................. 124
Tabla 5.11 Resultados de la Medición de Voltaje ............................................. 125
Tabla 5.12 Resultados de la medición de amperaje ........................................... 126
Tabla 5.13 Potencia eléctrica ............................................................................. 127
XVII
Índice de Ecuaciones
Ec (1.1) presión .................................................................................................... 12
Ec (1.2) Presión sobre la columna de aire ........................................................... 13
Ec (1.3) Comparación Temperaturas ................................................................... 14
Ec (1.4) Densidad del Gas ................................................................................... 19
Ec (1.5) Velocidad de los Gases de Escape ......................................................... 22
Ec (1.6) Velocidad media del Pistón ................................................................... 22
Ec (4.1) Fuerza Admitida por el Perfil Utilizado ................................................ 61
Ec (4.2) Momento Máximo en el centro del claro ............................................... 61
Ec (4.3) Esfuerzo Generado por el Travesaño ..................................................... 61
Ec (4.4) Fuerza máxima de Pandeo ..................................................................... 62
Ec (4.5) Fuerza aplicada por el Peso del Motor ................................................... 63
Ec (4.6) Diámetro Medio del Resorte Helicoidal ................................................ 77
Ec (4.7) Número de Espiras Activas del Resorte Helicoidal ............................... 77
Ec (4.8) Paso del Resorte Helicoidal ................................................................... 78
Ec (4.9) Constante Elástica del Resorte Helicoidal ............................................. 78
Ec (4.10) Fuerza Máxima permisible antes de la deformación del resorte
helicoidal .................................................................................................................... 79
Ec (4.11) Ley de Hooke ....................................................................................... 80
Ec (4.12) Área ...................................................................................................... 94
Ec (4.13) Presión ................................................................................................. 95
Ec (4.14) Fuerza ................................................................................................... 95
Ec (4.15) Torque .................................................................................................. 95
Ec (4.16) Esfuerzo de fluencia ............................................................................. 96
Ec (4.17) Esfuerzo por torsión ............................................................................. 96
XVIII
Ec (4.18) Momento polar de inercia .................................................................... 96
Ec (4.19) Factor de seguridad .............................................................................. 97
Ec (5.1) Velocidad Media del Pistón ................................................................. 103
Ec (5.2) Área de una Elipse ............................................................................... 104
Ec (5.3) Velocidad de los Gases de Escape ....................................................... 108
Ec (5.4) Volumen por Cilindro .......................................................................... 109
Ec (5.5) Caudal Volumétrico Parcial ................................................................. 110
Ec (5.6) Caudal Volumétrico Total ................................................................... 111
Ec (5.7) Caudal Másico ..................................................................................... 112
Ec (5.8) Caudal Volumétrico de Salida ............................................................. 113
Ec (5.9) Velocidad de Entrada del Gas de Escape ............................................. 113
Ec (5.10) Velocidad de Salida del Gas de Escape ............................................. 114
Ec (5.11) Potencia eléctrica ............................................................................... 121
XIX
Estudio de flujometría de los gases de escape para un sistema de carga
Este proyecto se basa en el estudio de viabilidad de la implementación de un sistema
de carga eléctrica para la batería de un motor de combustión interna impulsada por
los gases de escape. Para ello se detallará la metodología, los procedimientos,
medidas y los resultados obtenidos durante el desarrollo del proyecto.
Teniendo en cuenta los temas actuales, y con una mentalidad centrada en la
ecología, es necesario hacer una contribución a esta causa. Este proyecto tiene la
intención de lograr un objetivo principal, que es la reducción de la resistencia
producida en el motor por el sistema de carga convencional. Esto de hecho se dará
con un sistema mecánico que a través de la energía cinética de los gases de escape,
produce la fuerza de rotación requerida para mover una turbina de un turbo, soldado
al eje de un generador eléctrico y por consecuente generar suficiente energía para
cargar la batería de 12 V del vehículo.
Los datos recogidos durante las mediciones y pruebas del sistema, de mostrar
una respuesta favorable, conducirán a la conclusión de que el proyecto tiene un
resultado positivo y se está logrando el objetivo planteado en este proyecto.
XX
Flowmetry study of exhaust gas to a charging system
This Project is based on the feasibility study of the implementation of an electric
charging system for the battery of an internal combustion engine driven by the
exhaust fumes. For this purpose there will be detailed the methodology, procedures,
measures and results obtained during the development of the proyect.
Taking into consideration today topics such as a mindedness focused on ecology,
it is necessary to make a contribution to this cause. This proyect is intended to
achieve a main goal which is the reduction of the resistance produced on the engine
by the conventional charging system. This is to be made with a mechanical system
that through the kinetic energy of the exhaust fumes, produces the required rotational
force for moving a turbo- compressor welded to the axis of an electric generator and
therefore generate enough energy to charge the 12v battery of vehicle.
Data gathered during the measurements and tests of the system show a favorable
answer which lead to the conclusion that the project has a positive result and the
objective of the project has being achieved.
1
Introducción
La siguiente investigación trata sobre el análisis para la posible utilización de la
fuerza que contienen los gases de escape al momento de ser expulsados por el motor
luego de realizar el tiempo de explosión dentro de los cilindros del mismo y con esto
lograr la generación de energía eléctrica suficiente para llegar a cargar la batería del
motor de prueba. El objetivo de este proyecto es el de aprovechar los gases de escape
tomando en cuenta dos factores principales, el primero tratar de reducir carga al
motor al quitar el alternador como elemento de carga eléctrica principal, con ello
intentar reducir las emisiones contaminantes por el hecho de reducir carga al motor;
el otro factor es el de aportar con alguna idea que pueda ayudar el avance tecnológico
en nuestro campo de investigación y estudio.
En los automóviles, para hacer funcionar el sistema de encendido, el motor de
arranque, las luces y todos los demás accesorios eléctricos, se necesita un generador
de corriente que, en los primeros tiempos, estaba constituido por una pila, una
magneto, un acumulador o un dinamo.
El presente tema de investigación tiene como objetivo principal; llegar a estudiar
el comportamiento de los gases de escape del motor y como estos actuarán en el
sistema de carga del vehículo.
Como finalidad de la presente investigación es determinar si el estudio de
flujometría de los gases puede influir en el sistema de carga del vehículo y de esta
manera poder optimizar los gases de combustión y contribuir a reducir la
contaminación al medio ambiente.
El presente proyecto de investigación será realizado en un motor de cuatro
cilindros y ciclo Otto, de un vehículo marca Fiat 125 1500cc, año 1979, provisto de
carburador.
Los objetivos de esta investigación son los siguientes:
Estudiar la flujometría de los gases de escape en un motor de cuatro tiempos y
ciclo Otto y analizar cómo estos actúan en el sistema de carga.
Analizar el funcionamiento del sistema de carga del vehículo y como este se
comporta con la aplicación de los gases de escape en el mismo.
Utilizar un multímetro, para analizar la variación de voltaje y amperaje que se
va a tener en el sistema de carga, que será accionado por los gases de escape.
2
CAPÍTULO I
1. Sistema de escape del automóvil
Es el más importante de todos los sistemas que conforman este proyecto, ya que todo
lo que se va a investigar, analizar y construir se girará en torno a este sistema, debido
a que este proyecto se basa en analizar y comprobar la posible capacidad de los gases
de escape para producir energía eléctrica. Por ello a continuación se hace un breve
análisis de sus elementos, funcionamiento y características, así como también un
análisis sobre los gases de escape los cuales son transportados por medio de este
sistema.
1.1. Definición
El sistema de escape del automóvil es un conjunto de elementos localizados desde la
zona de las toberas de escape en la culata, dirigiéndose por debajo del automóvil
hasta la parte posterior del mismo, por el cual van a ser evacuados de manera segura
los gases producto de la combustión mezcla aire-combustible hacia la atmósfera,
siendo estos canalizados hacia una salida común, durante este trayecto; se reduce su
impacto ambiental tanto en forma acústica como en forma de emisiones toxicas
resultantes, para así lograr generar la menor cantidad de polución. El sistema de
escape también cumple la función de ser el sostén de la potencia dentro del motor sin
reducir en el rendimiento del mismo.
1.2. Componentes del sistema
El sistema de escape del automóvil se encuentra generalmente conformado por un
colector, dispositivos purificadores de gases, elementos amortiguadores de sonido y
un conjunto de tubos que canalizan los gases sirviendo también como unión del
sistema. A continuación se detallaran los elementos que comprenden el sistema.
1.2.1. Culata
Lugar en el que se encuentran alojadas: la cámara de combustión, las válvulas de
admisión y escape, elementos de accionamiento como resortes, sellos de válvulas,
seguros, etc.
3
1.2.2. Válvulas de admisión y de escape
La función principal de las válvulas, es poner a los cilindros en contacto con el
exterior, gracias a los orificios de admisión destinados al ingreso de la mezcla o por
los orificios de escape destinados a la expulsión de los gases residuales, produciendo
también el hermetismo necesario en los cilindros para que se produzca la compresión
necesaria de la mezcla.
Válvula de admisión
Esta válvula comúnmente se fabrica de aceros al carbono con níquel, cromo, silicio y
manganeso, debido al gran esfuerzo mecánico y térmico al que se encuentran
sometidas.
La función de esta válvula es permitir el ingreso de la mezcla aire- combustible
hacia la cámara de combustión y posteriormente formar un sello hermético para
llevar a cabo el tiempo de trabajo dentro del cilindro.
Válvula de escape
La función de esta válvula es la de permitir la salida de los gases de combustión y
también de formar el sello hermético durante el tiempo de trabajo.
Generalmente fabricada en aceros auténticos con una mayor cantidad de cromo y
níquel, pero una reducida cantidad de manganeso y silicio; o también se las puede
encontrar fabricadas de aceros silicrom, que tiene como base el silicio y cromo y de
igual manera menor cantidad de manganeso y molibdeno. Debido al golpeteo contra
el asiento de la válvula al que se encuentra sometida la misma, se la puede encontrar
en aleaciones de carbono, cromo, cobalto y tungsteno para alcanzar altos rangos de
dureza.
La válvula de escape debe disponer de estas características para soportar
temperaturas que van desde los 500 0C hasta los 800
0C, a eso se añade la corrosión y
oxidación a la que se encuentra expuesta.
Para mejorar su refrigeración generalmente tiene el vástago hueco y suele ser
rellenado de sodio metálico o con sales de litio o potasio.
4
1.2.3. Colector o Múltiple de Escape
Está diseñado para cumplir la función de recolectar los gases de escape de cada
cilindro para luego llevarlos hacia una tubería de escape común.
Generalmente construido de una fundición de hierro, está ubicado a continuación
de las toberas de escape acoplándose mediante espárragos y encontrándose aislado
por medio de un empaque el cual va a tener la función de mantener la hermeticidad
al compensar las irregularidades entre la culata y el colector, al mismo sirviendo de
elemento aislante a estos dos.
1.2.4. Tubos de escape
Los tubos de escape son utilizados para transportar los gases de escape desde el
múltiple hacia los distintos procesos de reducción de agentes contaminantes hasta su
total expulsión al medio ambiente.
1.2.4.1. Tubo de escape final
Este tubo se encuentra ubicado en la parte final del sistema de escape, su función es
la de culminar en el 4to tiempo del ciclo del motor, enviando los gases de escape
hacia una zona segura fuera del vehículo.
1.2.5. Convertidor catalítico
El convertidor catalítico se encuentra ubicado a continuación del colector de escape
constituido principalmente por una carcasa de acero inoxidable que sirve de
protección y contenedor de las miles de celdas catalíticas en forma de panal que la
conforman por las cuales circulan los gases de escape; a más de los elementos
anteriormente mencionados posee un recubrimiento de una capa amortiguadora para
evitar los golpes y vibraciones excesivas.
Los componentes activos que se encuentran dentro de un convertidor catalítico
para el proceso de catálisis son oxido de aluminio, platino, rodio, paladio, elementos
que se encargan de realizar y controlar la función catalítica del mismo.
1.2.5.1. Convertidor catalítico de dos vías
Este tipo de convertidor actúa mediante el uso de metales preciosos tales como el
rodio, platino y paladio para reducir los óxidos de nitrógeno (NOx) y en la segunda
5
sección por medio de una toma de aire se reducen los hidrocarburos no
combustionados (HC) y monóxido de carbono (CO) procedentes de la cámara de
combustión para obtener como resultado vapor de agua (H2O) y dióxido de carbono
(CO2).
1.2.5.2. Convertidor catalítico de tres vías
Son así llamados por los tres agentes contaminantes que este tipo de convertidor
elimina, los cuales son hidrocarburos no combustionados (HC), monóxido de
carbono (CO) y óxidos de nitrógeno (NOx), mediante oxidación y reducción para
finalmente tener como resultado nitrógeno (N), agua (H2O) y dióxido de
carbono(CO2) los cuales con compuestos no contaminantes.
1.2.6. Silenciador
El silenciador es un dispositivo diseñado para reducir los niveles altos de sonido
producido por los gases de escape mediante un conjunto de cámaras de afinamiento
de sonido que están conformadas por secciones con tubos apersianados y sólidos. El
diseño de este elemento encierra, disipa y absorbe el sonido, al mismo tiempo que
deja fluir de una manera cómoda los gases de escape.
El silenciador está constituido generalmente por componentes tales como: una
carcasa, la cual va a contener a los demás elementos del silenciador, tubos
apersianados, los cuales tienen la función de brindar un mejor flujo de los gases,
mantener una temperatura uniforme y reducir las frecuencias sonoras.
1.3. Materiales de construcción de un sistema de escape
Se tiene que tomar en cuenta que para fabricar un sistema de escape los elementos
que intervienen tanto en su diseño como en su construcción son muchos, como por
ejemplo: las válvulas de escape, el múltiple de escape, sensor de oxígeno,
convertidor catalítico, silenciador, resonador, los tramos de tubo y el tubo de cola
(segmento final del sistema de escape), cada uno de ellos contiene y es construido
bajo características especiales ya que dependen mucho de cuál es la función que
cumplen y a lo que estén sometidos, así como a: esfuerzos de tracción, dilatación,
contracción, presiones, temperatura, medio ambiente, etc.
Por todo lo antes mencionado los materiales que generalmente se utilizan para la
fabricación de un sistema de escape son los que a continuación se van a definir,
6
señalando sus características y propiedades, así como también las ventajas y
desventajas que poseen.
Tabla 1.1 Características, ventajas y desventajas de la fundición de
Hierro
MATERIAL
CARACTERISTICAS
VENTAJAS
DESVENTAJAS
FUNDICIÓN DE HIERRO
Elemento más
común.
Excelente
resistencia
térmica.
Frágil
Muy buena
mecanizabilidad
con arranque de
virutas.
Más fáciles de
maquinar que los
aceros.
Absorben
vibraciones
mecánicas
Resistentes al
choque térmico, a la
corrosión y al
desgaste.
Precio económico y
accesible.
No pueden ser
sometidas a
deformaciones
plásticas.
No son dúctiles
ni maleables.
Poco soldables.
Peso excesivo.
Fuente: Gallardo, 2016
7
Tabla 1.2 Características, ventajas y desventajas del Acero Inoxidable
MATERIAL
CARACTERISTICAS
VENTAJAS
DESVENTAJAS
ACERO INOXIDABLE
Excelente durabilidad.
Mejor acabado estético.
Excelente resistencia a
altas temperaturas.
Resistencia a la tensión,
herrumbre y corrosión.
Reducción considerable
de peso en relación a la
fundición de hierro.
Bajo costo de
mantenimiento.
Excelentes propiedades
mecánicas.
Reciclable.
Muy propenso a ralladuras
y deformaciones.
Dependiendo del tipo de
aleación que contenga, su
costo se vuelve elevado.
Fuente: Gallardo, 2016
8
Tabla 1.3 Características, ventajas y desventajas del Aluminio
MATERIAL
CARACTERISTICAS
VENTAJAS
DESVENTAJAS
ALUMINIO
Peso muy ligero (1/3 de la
densidad del acero).
Ciertas aleaciones soportan
elevadas temperaturas.
Alta resistencia a la
corrosión.
Alta relación entre resistencia
y peso.
Facilidad de mecanizado.
Buenas propiedades de
soldadura.
Resistente a la fatiga por
vibraciones.
Mantenimiento bajo o
nulo.
Mayor capacidad auto
portante.
Facilidad para el
armado y ensamble.
Buena adaptabilidad
(formas, colores)
Muy buen conductor.
Pulible.
Utilización muy
versátil.
Dificultad de unión entre
el mismo material o con
otros materiales.
Módulo de elasticidad es
menor que el acero.
Fuente: Gallardo, 2016
Tabla 1.4 Características, ventajas y desventajas del Titanio
MATERIAL
CARACTERISTICAS
VENTAJAS
DESVENTAJAS
TITANIO
Cualidades inoxidables.
Material ligero que
presenta polimorfismo.
Mejor densidad.
Mejor respuesta al
tratamiento térmico.
Mejor resistencia a la
tracción.
Buena soldabilidad.
Resistencia a la
corrosión.
Disminución
considerable del peso
en todo el sistema.
Mayor durabilidad con
relación a otros
materiales.
Reducción de
turbulencias dentro del
sistema de escape por
ser un material con
mejor acabado.
Precio muy elevado.
No brinda mucha rentabilidad
como para una producción
en masa.
Mayor hierro en su
configuración disminuye
propiedades anticorrosivas.
Problema de agrietamiento
en secciones grandes.
Fuente: Gallardo, 2016
10
1.4. Teoría Cinética de los Gases y Estado Gaseoso
La teoría cinética de los gases comprende todo lo que son gases en movimiento, sus
partículas y su comportamiento. Es un tema sumamente extenso, no se lo tratará a
fondo ya que esta teoría no se utiliza en ningún momento al realizar los cálculos
necesarios para cumplir el objetivo de este proyecto, se la ubica aquí para tener una
referencia sobre el comportamiento que tienen los gases de escape ya sea dentro de la
cámara de combustión en el cilindro o durante todo el recorrido que debe hacer dicho
gas hasta llegar al final del sistema de escape del vehículo, para con ello entender
cómo podemos de una mejor manera conseguir medir la velocidad final de los gases
de escape, la cual es un dato fundamental para la conclusión de este proyecto.
Esta teoría contiene la explicación fundamental del comportamiento de los gases
en general y se basa en diferentes puntos, la mayoría relacionados con la mecánica
clásica, dicha teoría se centra en el comportamiento de un gas ideal bajo diferentes
situaciones.
Con esta teoría se logra comprender el comportamiento físico de los gases
mediante la comprensión y el estudio de una molécula de gas como una pieza sólida
de materia. Sin embargo hay que tomar en cuenta de que los gases contienen una
cantidad inmensa de moléculas, por ello el comportamiento físico de los mismos se
lo puede considerar como el promedio estadístico de todas sus partículas o
moléculas.
Dentro de esta teoría se estudian diferentes factores como: el análisis del
comportamiento bajo presión de los gases, se logra entender y ver que las
velocidades de las partículas de un gas pueden poseer distintos valores, pero es
posible calcular su distribución, así como su velocidad promedio en diversas formas.
También se considera la cantidad de veces que las partículas chocan entre si y las
distancias que estas recorren y a qué distancia pueden llegar tomando un punto de
partida arbitrario. (David, 2004, p.651-652).
Entre todo lo dicho anteriormente la teoría cinética de los gases se basa en
distintos postulados a los cuales tiene que responder, estos principios o postulados
están dados por hecho sin demostración y estos son:
Los gases están compuestos por partículas materiales diminutas.
11
Estas partículas están en constante movimiento cuando se encuentran en
estado gaseoso, con trayectorias rectilíneas que cambian constantemente de
dirección, debido a los choques con otras moléculas y con las paredes del
recipiente.
Estos choques son elásticos y se producen de acuerdo a las leyes normales de
la mecánica.
Las moléculas se consideran cuerpos geométricos ya que el volumen de las
mismas es tan pequeño comparado con el volumen del gas, que se lo puede
considerar despreciable.
La separación entre las moléculas del gas es tanta que no logran influirse
unas a otras por ninguna clase de fuerza ya sea de atracción o de repulsión.
(Gutiérrez & Ríos, 1985, p. 131-132).
Aparte de todos estos postulados en los que se basa esta teoría, también hay
algunos temas que serán de mucha ayuda para lograr entender el comportamiento de
los gases en movimiento.
Ya que esta teoría se basa en lo que es un gas ideal, se necesita tener claro
algunos conceptos como: que es el estado gaseoso, que es un gas ideal, sus
propiedades, características, leyes de los gases, etc. Todo esto ayuda a comprender
de una mejor manera cómo se comportan los gases y porque.
1.4.1. Estado Gaseoso
La materia comúnmente se conoce que puede tener 3 estados: sólido, líquido y
gaseoso. El estado gaseoso se comporta como el estado líquido, por ello se lo
considera como un fluido pero con características diferentes, en este estado las
fuerzas de atracción de las moléculas son menores que las cinético-molecular, las
moléculas son extremadamente pequeñas, los espacios entre ellas son muy grandes,
sus moléculas no tienen forma definida, el volumen de un gas es indeterminado ya
que tratan de ocupar el mayor espacio posible, parecido a un líquido, se difunden
fácilmente y son compresibles.
1.4.1.1. Propiedades
El estado gaseoso contiene las siguientes propiedades:
12
a) Un gas se compone de un número extremadamente grande de partículas
llamadas moléculas, las cuales se encuentran en constante movimiento, un
movimiento caótico y totalmente al azar.
b) En condiciones normales, esto quiere decir sin algún tipo de presión o
compresión que actúe sobre el gas, las moléculas se encuentran muy
separadas unas de otras.
c) Cuando las moléculas chocan entre sí o contra las paredes del recipiente se
considera a este choque completamente elástico, ya que después de cada
choque que se produzca la molécula se dirige a otra posición con la misma
energía cinética que tenía antes del choque, por esta razón las moléculas de
un gas nunca están en reposo.
d) El choque que se produce entre las moléculas del gas y el recipiente que las
contiene es lo que da lugar a la presión del gas
e) La energía cinética media de las moléculas es directamente proporcional a la
temperatura del gas.
Factores que determinan el comportamiento de un gas
Los factores que determinan el comportamiento de un gas son los siguientes:
1.4.1.1.1. Presión
Se define a la presión como la fuerza que actúa sobre una unidad de área de la
superficie sobre la que se le aplica.
𝑃 =𝐹 (𝑁)
𝐴 (𝑚2)
Ec (1.1) presión
Donde: P= Presión
F= Fuerza
A= Área
La presión que actúa sobre una columna de fluido es:
13
P = ∆𝑥 (m) * Pe (𝑁𝑚3⁄ )
Ec (1.2) Presión sobre la columna de aire
Donde: P= presión
∆𝑥 = Altura
Pe= peso específico del fluido
La unidad internacional de la presión es el Pascal, que se define como la presión
ejercida por una fuerza de 1 Newton sobre una superficie de 1m2. El aire pesa, por lo
tanto ejerce una presión. La presión atmosférica se debe al peso de la capa de aire
que se tiene encima, esto equivale a:
1 atmósfera= 760 mmHg.
1.4.1.1.2. Volumen
Los gases, ya que son muy propensos a compresibilidad y dilatación térmica en
comparación con los líquidos y sólidos ocupan volúmenes que dependen de agentes
externos o factores externos como son la presión y la temperatura. Por eso se presta
mucha atención a esos factores para determinar el volumen de un gas.
Pero en términos generales el volumen es el espacio que ocupa un cuerpo, la
unidad internacional en la que se mide el volumen es el metro cúbico (m3).
1.4.1.1.3. Temperatura
Es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas de todo cuerpo
existente. Existen dos escalas mediante las cuales se mide la temperatura, la escala
Centígrada o Celsius (0C) y la escala Fahrenheit (
0F). En la escala centígrada se
registran 2 temperaturas extremas: 00
C = Punto de congelación del agua. 1000
C =
Punto de ebullición del agua. Para tener esta escala se toman esos dos puntos y se lo
divide en 100 partes iguales, esto significa que cada parte corresponde a un grado
centígrado. En la escala Fahrenheit también se registran 2 temperaturas extremas:
320F = Punto de congelación del agua. 212
0 F = Punto de ebullición del agua.
Entre estos dos puntos existen 180 partes a cada una se la considera como un grado
Fahrenheit.
14
De la comparación de estas dos temperaturas se obtiene la conclusión de:
°𝐶 =5
9 °𝐹 − 32
Ec (1.3) Comparación Temperaturas
Donde: °C = Grados Centígrados
°F = Grados Fahrenheit
1.5. Proceso de Escape
El proceso de escape inicia en el cuarto tiempo del ciclo Otto de un motor de
combustión interna cuando las válvulas de escape se encuentran abiertas y el pistón
se dirija del punto muerto inferior (PMI) hacia el punto muerto superior (PMS)
expulsando los gases producto de la combustión de la mezcla aire-combustible. A
continuación estos gases se van a dirigir desde los cilindros dependiendo el tiempo
en el que se encuentre cada uno de ellos, por medio de las toberas de escape hacia el
colector de escape, finalmente se aglomeran en una tubería común, para así dirigirse
hacia el convertidor catalítico donde por medio de oxidación y reducción convertirá
los hidrocarburos no combustionados (HC), monóxido de carbono (CO) y óxidos de
nitrógeno (NOx) en compuestos no contaminantes tales como: nitrógeno (N), agua
(H2O) y dióxido de carbono (CO2). Posteriormente estos gases se dirigirán por medio
del tubo intermedio de escape hacia el silenciador el mismo que se encargará de
reducir las frecuencias sonoras, para que finalmente sean expulsados hacia la
atmosfera sin ningún tipo de contaminación tanto acústica como tóxica.
En este proceso se consigue como resultado algunos elementos, entre los cuales
están:
1. Temperatura de los gases de escape: esta temperatura es relativamente
elevada, puede llegar a los 800 °C o incluso más dependiendo del tipo de
motor que se esté analizando, pero generalmente se encuentra entre los 250 a
750 °C.
2. Presión de los gases de escape: Fluctúa entre 0,105 y 0,12 Mpa.
3. Sonido: el ruido o sonido que producen los gases de escape, por lo general, se
encuentran entre los 100 a 110 db, en un motor de combustión interna sin
silenciador.
15
4. Por último, diferentes elementos moleculares tóxicos y no tóxicos que
resultan de dicha combustión, tales como: nitrógeno, oxigeno, vapor de agua,
dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrocarburos no combustionados,
óxidos de nitrógeno y partículas sólidas. Estos residuos están enfocados en el
estudio de un motor de combustión interna que funciona con gasolina común.
1.5.1. Emisiones del Proceso de Escape
Una vez que el motor realizó el 4to. Tiempo, se produce la expulsión de los gases de
escape, los mismos que se encuentran conformados por diferentes elementos
químicos productos de la combustión incompleta que se produce, aquí se puede decir
que: no existe ninguna combustión completa dentro de un motor, sin importar el
modelo, diseño o materiales de construcción, tampoco al existir una gran cantidad
extra de oxígeno dentro de la cámara de combustión.
La cantidad en la cual se combustiona la mezcla aire- combustible depende
mucho también de las condiciones y del estado en el que encuentre el motor.
1.5.1.1. Gases Tóxicos y elementos sólidos
a) Óxido de carbono (CO)
Gas incoloro e inodoro, extremadamente tóxico. Este gas se genera cuando la
combustión es incompleta, con una mezcla rica, carencia de aire y gran cantidad de
combustible, este gas tiene un gran porcentaje dentro del total de las sustancias
tóxicas en los gases de escape. Es muy peligroso ya que en el ser humando reduce la
capacidad de absorción de oxígeno en la sangre, causando envenenamiento. “Según
el reglamento MAK (Maximale Arbeitsplatz- Konzentration = Concentración
máxima en el puesto de trabajo) vigente en Alemania, R.F., se admite 50 ppm=
50/100000 de óxido de carbono en el aire”. (Thomas, 2003, p.44.)
En las concentraciones de vehículos como días o lugares de tráfico excesivo se
puede ver que las concentraciones de este gas pueden llegar a cuadriplicar su valor
admisible.
b) Hidrocarburos no combustionados (HC)
La definición de hidrocarburos abarca todos los compuestos químicos que incluyen
en su estructura molecular Carbono (C) e Hidrógeno (H). Estos se producen
16
igualmente debido a una mezcla rica, en la combustión de la misma pueden aparecer
nuevos compuestos hidrocarburos que no se encontraban originalmente dentro del
combustible, esto se debe a que durante el proceso de combustión las largas cadenas
moleculares sufren rupturas, juntándose posteriormente unas con otras formando así
los diferentes hidrocarburos no combustionados que encontramos al final de dicho
proceso.
Estos hidrocarburos son los responsables del olor desagradable característico de
los gases de escape, se los conoce como hidrocarburos oxidados (ej. aldehídos,
cetonas). A estos elementos se los considera bajo una acción duradera y continua con
determinado nivel de concentración como cancerígenos.
c) Óxidos de Nitrógeno (NOx)
Este nombre abarca de una forma general a todos los compuestos que contienen
Nitrógeno y Oxígeno. Estos compuestos se producen debido a las reacciones
secundarias en cualquier proceso de combustión con aire, ya que este contiene
nitrógeno.
El motor de combustión interna tiene como producto de los siguientes óxidos de
nitrógeno: óxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2), en pequeñas
cantidades también óxido nitroso (N2O).
El óxido de nitrógeno (NO) es un gas incoloro e inodoro; cuando entra en
contacto con el oxígeno lentamente se convierte en dióxido de nitrógeno (NO2), el
cual es un gas que en su forma pura y concentrada es altamente venenoso, tiene un
color pardo rojizo, con un olor penetrante. En concentraciones como las que se
presenta en caso de estar muy vaciado el aire, el dióxido de nitrógeno puede causar
irritaciones en la membrana pituitaria. (Thomas, 2003, p.44.).
Este gas es un veneno activo que en concentraciones mayores a 150 ppm o
150/1000000 produce fuerte irritación en los órganos respiratorios. El hombre puede
soportar sin experimentar ningún daño concentraciones de 0,5 ppm. (Gerschler,
p.297.)
Los óxidos de nitrógeno en general son los causantes así como los responsables
de la lluvia ácida y en conjunto con los hidrocarburos no combustionados, forman el
smog.
17
d) Plomo
Este elemento se lo añade al combustible para darle resistencia al autoencendido. El
plomo es un elemento tóxico para el organismo humano, así como también es tóxico
para los animales y vegetales. El plomo es más fácilmente absorbido por el cuerpo
humano que eliminado, esto produce acumulaciones de plomo dentro del cuerpo que
son perjudiciales para la salud a largo plazo.
Estas acumulaciones de plomo no solo se producen debido a la inhalación de los
gases de escape sino también debido al consumo de animales y vegetales que hayan
estado expuestos a dichos gases.
e) Dióxido de Azufre (SO2)
Todos los compuestos de azufre que están presentes en los gases de escape se deben
a la cantidad de azufre que contiene originalmente el combustible, especialmente el
dióxido de azufre que se produce debido a la combustión en los cilindros ya que el
azufre se desprende el combustible reaccionando con el oxígeno, de esta forma se
consigue el dióxido de azufre, el mismo que no puede experimentar ningún tipo de
conversión en el catalizador.
Por esta razón este compuesto se impregna en las paredes del catalizador
reduciendo su eficiencia en depuración del resto de componentes de los gases de
escape.
El valor límite es de 500 ppm de contenido de azufre en el combustible, válido hasta
fines de 1999 (Thomas, 2003, p.73.), fue fijado más bajo por la legislación de la UE
(Unión Europea). Desde el año 2000 rigen 150 ppm para la gasolina, a partir de
2005, solo ya 50 ppm.
Las demás sustancias nocivas que están formando parte de los gases de escape
(ej. ácido sulfúrico, ácido carbónico, amoniaco, etc.) no se las puede considerar como
venenos activos para la salud de los seres humanos debido a que se encuentran en
concentraciones totalmente mínimas.
1.5.2. Resultados Químicos del Proceso de Escape
El proceso de combustión dentro de un motor es muy complejo, por ello solo se
realizará un resumen y análisis de las reacciones químicas que se producen al final de
18
dicho proceso mediante la reacción con el oxígeno del aire. Con este objetivo se debe
tener en cuenta lo que es la composición química del combustible, que no es más que
la cantidad de masa o volumen de cada elemento dentro del combustible.
La composición química del combustible líquido se expresa en unidades de
masa, ej. 1kg de Iso-octano (C8H18) contiene 0,842 kg de carbono (C) y 0,158 kg de
Hidrógeno (H). (Jovaj, 1982, p.42)
Para 1 kg de combustible líquido que está compuesto por oxígeno, carbono e
hidrógeno, con ausencia de azufre se puede decir que la fórmula para calcular la
cantidad de masa de cada elemento es:
C + H + Oc = 1kg.
Cuando todo el combustible llega a combustionarse por completo, teóricamente
se obtendría como resultado químico entre la reacción del oxígeno y todos los
elementos del combustible, carbono e hidrógeno: anhídrido carbónico y vapor de
agua respectivamente. (Jovaj, 1982, p.42)
En este caso sería una combustión ideal, con todos los parámetros
estequiométricos necesarios, esto se representa mediante la siguiente reacción:
C + O2 = CO2 y 2H2 + O2 = 2H2O
Hay que tomar en cuenta que el aire está compuesto por diferentes gases, estos
también entre en la reacción química de la combustión por lo tanto se podría decir
que la oxidación del combustible es un caso estequiométrico y la combustión
completa sería la siguiente:
En el caso de la combustión con exceso de aire (λ> 1)
Combustible + aire → CO2 + H2O + N2 + O2
En el caso de la combustión con defecto de aire (λ< 1)
Combustible + aire → CO2 + CO + H2O + N2 + H2
La reacción estequiométrica del Iso-octano (Jovaj, 1982, p.42), el combustible
utilizado en los motores de combustión interna es la siguiente:
19
Oxígeno:
C8H18 + 12.5O2 → 8CO2 + 9H2O
Aire:
C8H18 + (12.5O2 + 3.76N2) → 8CO2 + 9H2O + 12.5 (3.76) N2.
1.5.3. Propiedades de cada gas resultante de la combustión
En la tabla 1.5 que se muestra a continuación, se resumen las características de cada
gas producto de la combustión de la mezcla aire-combustible en un motor Otto de 4
tiempos a una temperatura de 750º C y 1,5 bares de presión, presión de salida del gas
de escape en el motor de pruebas.
Para el cálculo de la densidad del gas, se utilizó la siguiente formula:
𝑑 =𝑀𝑚 ∗ 𝑃
𝑅𝑇
Ec (1.4) Densidad del Gas
Donde: d = densidad del gas (g/lts → kg/m3)
Mm = Masa molar (g/mol)
P = Presión (atm)
R = Constante General de los Gases (𝐿𝑡𝑠 ∗ 𝑎𝑡𝑚𝑚𝑜𝑙 ∗ °K ⁄ )
T = Temperatura (°K)
Tabla 1.5 Propiedades de los Gases resultantes de la combustión a 750 °C y 1,5 bares de presión
GAS TEMPERATURA (°C)
*CALOR ESPECIFICO
[𝑱
𝑲 ∗ 𝑲𝒈⁄ ]
DENSIDAD
[𝑲𝒈
𝒎𝟑⁄ ]
CO2 750 2032 0,786
H2O 750 1739 0,321
N2 750 1345 0,5
CO 750 1356 0,5
Fuente: energianow, 2016
20
Una vez obtenido e investigado las propiedades de los gases resultantes de la
combustión, a la temperatura y presión de salidas del motor de pruebas, se realizó la
investigación de las mismas propiedades de la mezcla total de los gases de escape,
los resultados se presentan en la tabla 1.6:
Tabla 1.6 Propiedades medias de la mezcla total de los Gases de Escape a una temperatura de 750 ° C y 1,5 bares de presión
Mezcla de gases de escape
*Cp (Calor específico) 1487 𝐽𝐾 ∗ 𝐾𝑔⁄
d (Densidad) 0,516 𝐾𝑔𝑚3⁄
Fuente: energianow, 2016
1.5.4. Temperatura de los gases de escape
La temperatura de los gases de escape no tiene constante alguna ya que varía de
acuerdo a diferentes factores como pueden ser el cilindraje del motor, si es un motor
sobre alimentado o no, el material con el que está hecho el múltiple de escape ya que
este puede disipar más rápidamente o no el calor que se produce como resultado de la
combustión, entre muchos otros factores.
Para llegar a tener un valor aproximado sobre la correcta temperatura de los
gases de escape en esta investigación se han tomado tres parámetros reales con los
que se puede trabajar.
El primero; es la temperatura con la cual ingresan los gases de escape y la
temperatura a la cual se activan los componentes en el convertidor catalítico
(catalizador). La temperatura es uno de los factores que afecta directamente al
comportamiento y a la eficacia del catalizador.
La temperatura de los gases de escape a la entrada del catalizador debe oscilar
entre 250 a 500 °C. (Pérez, 2011, p.193).
Desde los 250°C es cuando las reacciones empiezan a tener lugar dentro del
catalizador y no es hasta que se alcanza una temperatura de 450°C cuando el
catalizador llega a su punto de plena eficacia. Como se necesita alcanzar estas
temperaturas lo más rápidamente posible se necesita ubicar el catalizador lo más
cerca de la salida del múltiple de escape, pero esta proximidad no debe ser excesiva
ya que por encima de los 800°C el aislante térmico del catalizador que contiene al
21
monolito del cuerpo metálico que sirve para realizar las reacciones químicas se
deterioraría muy rápidamente. (Andrés, 2005, p.364).
El segundo parámetro a tomar en cuenta es el de la temperatura a la cual está
sometida la carcasa y la turbina de escape de un turbocompresor, este elemento es el
que recibe directamente los gases de escape que vienen del múltiple de escape. En un
caso estándar, un turbocompresor recibe los gases a una temperatura aproximada
hasta de 800°C, con esta temperatura no se debe realizar ningún tipo de refrigeración
adicional a los cojinetes del turbocompresor para su correcto funcionamiento.
Para la utilización de un turbocompresor con superiores temperaturas como por
ejemplo con motores a gasolina con hasta 1.000°C se debe introducir carcasas de
cojinetes de refrigeración por agua. (Jäger, 2005, p.532).
Por último, el tercer parámetro; es el campo de medición que tiene el sensor de
temperatura de los gases de escape.
Este sensor va montado en puntos térmicamente críticos, se lo emplea también
para realizar el tratamiento de los gases de escape, la resistencia que contiene este
sensor generalmente es de platino y tiene un campo de medición que va desde -40
hasta +1000°C. (Jäger, 2003, p.27)
Con estos conceptos ya establecidos se puede deducir un valor promedio de la
temperatura que tienen los gases de escape en un motor en condiciones normales, la
misma que tomando en cuenta los valores más altos, se encuentra entre unos 750 a
770 °C.
1.5.5. Velocidad de los Gases de Escape
No existe un valor promedio o previamente investigado que indique cuál es la
velocidad con la que los gases de escape salen del motor, ya que este valor se ve
afectado por una infinidad de factores los cuales hacen muy difícil determinar un
valor promedio para todos los motores o máquinas que funcionan con el principio de
combustión interna. Muchos de los factores que intervienen para obtener este valor
se dan a lo largo de todo el proceso de combustión, sobre la cabeza de los pistones y
dentro de los cilindros.
Por ello, la forma más sencilla para obtener este valor es, mediante la aplicación
de ciertas fórmulas.
22
Las fórmulas utilizadas para la obtención de la velocidad de los gases fueron
obtenidas del libro; Manual de la Técnica del Automóvil BOSCH (4a edición 2005),
dichas formulas son las siguientes:
𝑉𝐺 =𝑉𝑀𝑃 ∗ 𝑆𝑝
𝑆𝑋
Ec (1.5) Velocidad de los Gases de Escape
Donde: VG = Velocidad de los gases de Escape (𝑚 𝑠⁄ )
VMP = Velocidad media del Pistón (𝑚𝑠⁄ )
SP = Sección del Pistón (m2)
Sx = Sección donde calcular (m2)
𝑉𝑀𝑃 =𝑅𝑃𝑀 ∗ 𝑆
30
Ec (1.6) Velocidad media del Pistón
Donde: VMP = Velocidad media del pistón (𝑚𝑠⁄ )
RPM = Revoluciones del Motor (𝑟𝑝𝑚 → 𝑟𝑚𝑖𝑛⁄ )
S = Carrera del pistón (m)
Con estas ecuaciones, se deduce cual será la velocidad aproximada a la cual
pasaran los gases de escape ya sea desde el múltiple de escape como cualquier
sección posterior del tubo de escape. Este dato servirá posteriormente para
comprobar si la velocidad de los gases de escape con la que son expulsados desde la
cámara de combustión es lo suficientemente fuerte para lograr producir el empuje
necesario para mover cualquier elemento adicional al realizar las modificaciones
necesarias a todo el sistema de escape para cumplir con el objetivo principal de este
proyecto. Con la teoría que nos proporciona este capítulo, el cual abarca todos los
elementos que intervienen en el sistema de escape, sus materiales de fabricación, así
como también los conocimientos básicos sobre los gases de escape y los factores que
pueden afectar su comportamiento, se analizará de una mejor manera las posibles
soluciones, ideas y conceptos para poder desarrollar este proyecto de una manera
más óptima y concreta, buscando cumplir con el objetivo y la meta planteada.
23
Capítulo II
2. Generadores eléctricos
Un generador eléctrico básicamente es un elemento que funciona al contrario de un
motor eléctrico, en un motor eléctrico la energía eléctrica es transformada en energía
mecánica por medio de campos electromagnéticos, estos campos generan un
movimiento mecánico.
Figura 2.1 Generador de Corriente Continua, vista interna
Fuente: http://blog.espol.edu.ec/crielectric
Figura 2.2 Generadores de Corriente Continua Fuente: http://blog.espol.edu.ec/crielectric
Mientras que un generador eléctrico es todo aquel mecanismo capaz de producir
y mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos del mismo, los
cuales para motivos de estudio se los llamaran bornes, convirtiendo así la energía
eléctrica en energía mecánica, todo esto se produce gracias a la generación de un
campo magnético en los conductores eléctricos montados sobre la carcasa del
generador, este elemento se lo denomina estator. Al producir un movimiento
mecánico, se hace girar al inducido que es un eje metálico en el cual se encuentran
24
otros conductores eléctricos, el movimiento entre esos dos campos magnéticos
genera corriente eléctrica.
Figura 2.3 Generador Eléctrico General (Dinamo)
Fuente: http://proyectoh2.tk/electrica.html
2.1. Características y Aplicaciones
En todos los generadores se produce el cambio o la transformación de energía
partiendo de cualquier otra forma de energía, esta puede ser mecánica, térmica,
química o de cualquier otro tipo dando como resultado energía eléctrica.
Figura 2.4 Conversión de Energía en un Generador Fuente: Hermosa, 1999, p.1.
Como característica principal de los generadores se tiene su clasificación, la cual
según algunos autores es variada, pero para este estudio se usará la siguiente
clasificación, más sencilla y resumida:
a) Corriente Continua.
Pilas: Que transforman la energía química en energía eléctrica.
Acumuladores: También son un tipo de pilas que transforman la energía
química en eléctrica, con la capacidad de acumular energía eléctrica, de ahí
su nombre.
25
Dínamos: Transforman la energía mecánica en energía eléctrica.
b) Corriente Alterna.
Alternadores: Transforman la energía mecánica en energía eléctrica.
Células Fotoeléctricas Emisoras-Celdas Fotovoltaicas: Transforman la
energía luminosa obtenida de los rayos del sol en energía eléctrica.
Pares Termoeléctricos: Estos transforman la energía calorífica en energía
eléctrica.
Estos dos últimos son generadores con poca potencia pero con una amplia gama
de aplicaciones y muy útiles cuando de trabajos específicos se trata. (Ney-G, 1977,
p.34.)
Los generadores eléctricos debido a su gran variedad y a su gran capacidad de
aplicación se los puede encontrar en diferentes lugares, los cuales van desde
generadores para plantas auxiliares de energía en el ámbito industrial hasta las
comúnmente llamadas pilas.
Las aplicaciones de los generadores varían dependiendo de la cantidad de
energía que necesitemos, de la capacidad de almacenamiento, de la transformación
de energía que necesitemos o del uso que le queramos dar.
Una de las más importantes aplicaciones de los generadores de corriente eléctrica
que vale la pena mencionar son los Aerogeneradores ya que tiene conexión directa
con el proyecto de tesis que se está desarrollando.
Un Aerogenerador no es más que un generador eléctrico que transforma la
energía cinética del viento en energía eléctrica mediante el giro de un rotor eólico,
este rotor eólico está formado por 3 palas o 3 aspas, las cuales hacen girar al rotor
mediante la fuerza cinética del viento, produciendo así energía eléctrica limpia sin
necesidad de combustibles fósiles o contaminantes.
26
Figura 2.5 Elementos de un Aerogenerador
Fuente: http://bruschenko-t3.blogspot.com/
La cantidad de KW que puede llegar a producir un aerogenerador depende
mucho de algunos factores: como por ejemplo, la altura que tiene el aerogenerador,
la dimensión de las aspas y sobre todo la velocidad del viento, ya que todos los
aerogeneradores dependen de a qué velocidad el viento puede mover las aspas para
así poder producir mayor o menor energía eléctrica.
2.2. Clasificación
2.2.1. Generadores de Corriente Continua
Es un dispositivo que se encarga de transformar la energía mecánica en energía
eléctrica utilizando inducción electromagnética, estas máquinas generalmente son
llamadas dínamos.
Los dínamos, elementalmente hablando no son más que un generador de
corriente alterna (c.a) pero provistos de un rectificador mecánico al cual se lo
denomina como conmutador.
La diferencia más contrastada entre un generador (c.d) y un generador de (c.a) es
la conexión ya que en el primero se encontrará un cilindro metálico (conmutador)
dividido en dos partes y aisladas, cada una de ellas conectadas a cada extremo de la
bobina; este elemento llamado conmutador lleva ese nombre ya que este desempeña
la función de cambiar o conmutar la polaridad del generador cada media vuelta (90°).
27
Además cabe establecer que la dínamo es una máquina reversible la cual puede
funcionar como un motor si se entrega a través de las escobillas corriente continua
con una intensidad conveniente.
Figura 2.6 Curva de Generador de Corriente Continua
Elaboración: Gallardo, 2016
2.2.2. Generadores de Corriente Alterna
Este tipo de generadores son comúnmente llamados: Alternador, ya que con ellos se
va a tener como resultado eléctrico de su generación una corriente alterna, la cual se
crea cambiando constantemente la polaridad dentro del mismo, la cual dará como
resultado un movimiento el cual generará energía eléctrica.
El alternador elemental se encuentra conformado por dos partes que son:
inducido o estator y el inductor o rotor.
2.3. Funcionamiento de los Generadores Eléctricos de Corriente Alterna
El funcionamiento de los alternadores es esencialmente el mismo que el de una
dínamo o generador de corriente continua, únicamente se va a diferenciar en la
conexión ya que no va a disponer de un conmutador o colector, ahora este generador
dispondrá de un anillo acoplado a cada terminal de la bobina o espira por lo cual se
obtendrá una variación de la f.e.m. A continuación se describirá de una forma más
grafica el proceso de obtención de corriente por medio de este mecanismo.
a) Al encontrarse la espira en posición perpendicular del campo
magnético se obtendrá una f.e.m. equivalente a 0 como se puede observar en el
voltímetro de la Fig. 2.7, también un flujo magnético al máximo.
28
Figura 2.7 Espira en posición perpendicular
Fuente: http://motoreselectricoscecytej.blogspot.de/2013/01/generador-elictrico.html
b) Desplazando 90° de la posición inicial se tiene como resultado una
f.e.m. máxima, el campo magnético reducido y la particularidad que se
manifiesta aquí es en el segmento a-a’ la corriente inducida es de un valor
positivo mientras tanto que en el segmento b-b’ se genera una corriente con valor
negativo.
Figura 2.8 Fuerza electromotriz máxima
Fuente: http://motoreselectricoscecytej.blogspot.de/2013/01/generador-elictrico.html
c) Girando 90° más se conseguirá los mismos resultados que en el literal
b) con la diferencia de que se verá invertido en lo que respecta a la espira, y se
obtiene f.e.m. nula, ahora el segmento a-a’ será negativo y el segmento b-b’ será
positivo, de esta manera se evidencia que las corrientes que circulan han
cambiado la polaridad.
29
Figura 2.9 Espira invertida, fuerza electromotriz nula
Fuente: http://motoreselectricoscecytej.blogspot.de/2013/01/generador-elictrico.html
d) Girando 90° más a la espira expondrá al segmento b-b’ directamente
con el polo norte del imán y al segmento a-a’ con el sur, como las conexiones no
cambiaron, lo que arrojara como resultado es un valor máximo en la f.e.m. pero
en sentido negativo.
Figura 2.10 Valor máximo de fuerza electromotriz en sentido negativo
Fuente: http://motoreselectricoscecytej.blogspot.de/2013/01/generador-elictrico.html
e) En la siguiente posición la espira vuelve a su lugar de partida
obteniendo un ciclo completo.
Figura 2.11 Espira en posición inicial
Fuente: http://motoreselectricoscecytej.blogspot.de/2013/01/generador-elictrico.html
30
Finalmente se deduce que la energía aquí generada es alterna por el hecho de
oscilar de un valor positivo de corriente a uno negativo.
Figura 2.12 Curva de Tensión de un Generador
Elaboración: Gallardo, 2016
31
Capítulo III
3. Componentes del alternador y sistema de sobrealimentación
(turbocompresor)
La energía requerida por el sistema eléctrico de cualquier automóvil se la obtiene de
la batería, el problema con una batería es que no es un elemento que produzca
grandes cantidades de energía continuamente, por ello se requiere otro elemento que
ayude a producir la energía necesaria para alimentar todos los sistemas del vehículo e
incluso brindar la energía necesaria para que esta se acumule dentro de la batería y
así cuando el auto este fuera de funcionamiento la misma pueda brindar la energía
suficiente para poner en marcha al motor de arranque y por consiguiente al motor del
vehículo, este elemento se lo conoce como alternador.
En este capítulo se detallarán los componentes y características principales del
alternador y del sistema de sobrealimentación en este caso el turbocompresor, ya que
estos dos elementos serán el enfoque de estudio para este proyecto. Y con esto saber
que tan factible es reemplazar al alternador con otro elemento eléctrico para que sea
movido por una turbina, mediante el accionamiento de los gases de escape.
3.1. Alternadores
La definición de un alternador varía según la forma de ver la función de este, la
definición que se consideró más óptima es la siguiente:
Alternador es un generador eléctrico rotativo de corriente alterna que transforma
la energía mecánica transmitida por el movimiento del motor mediante una polea, en
energía eléctrica para brindar la corriente eléctrica necesaria a la batería para que esta
siempre se encuentre cargada; y por otro lado mantener energizados los elementos en
el vehículo, cuando este se encuentre en marcha.
3.1.1. Características
La forma en la que produce corriente el alternador es de forma similar a la de una
dínamo, con la diferencia de que las bobinas permanecen estáticas y el inductor o
rotor es el que realiza el movimiento. El campo inductor se alimenta de corriente
continua mediante dos anillos que se encuentran en los extremos del eje, la corriente
proviene del mismo generador.
32
Las diferencias con la dínamo se dan en algunos aspectos como: el alternador
consigue una mayor potencia eléctrica utilizable para un mismo volumen y peso no
así la dínamo. Otro aspecto es que la ubicación de sus elementos le brinda al
alternador una mayor ventaja en relación a la dínamo ya que le permite girar en altas
revoluciones sin que se deterioren sus elementos móviles, no ocurría así con la
dínamo ya que su velocidad era restringida por el efecto del colector y de las
escobillas. En resumen se puede decir que el funcionamiento de alternador es muy
simple y se lo puede entender de la siguiente manera:
Empieza cuando el motor de combustión interna se pone en marcha, previo al
poner en contacto el switch de encendido, la corriente acumulada en la batería pasa
por las bobinas de excitación en el rotor, gracias a ellas se produce un campo
magnético entre las espiras del bobinado y el estator. Así el rotor es obligado a girar
por medio del arrastre que genera el conjunto entre la correa del motor y la polea del
alternador, el campo magnético que se genera interrumpe las espiras inmóviles del
estator y rápidamente se produce la creación de corriente eléctrica, la cual después de
unos segundos obtiene la tensión o voltaje necesarios para abastecer las necesidades
de los componentes del automóvil así como devolver la energía eléctrica que la
batería le entregó previamente al momento de arranque.
Figura 3.1 Ubicación del Alternador en el Motor
Fuente: http://ptycaraudio.bligoo.com
33
3.1.2. Componentes
El alternador en un vehículo debe estar diseñado para proporcionar corriente eléctrica
necesaria para la carga de la batería así como suministrar corriente a todos los
consumidores eléctricos que lo requieran. El alternador se encuentra compuesto por
los siguientes 4 elementos como se muestra en la figura 3.2:
a) Polea
b) Rotor
c) Bobina del estator
d) Bobina del rotor
Figura 3.2 Elementos Básicos del Alternador
Fuente: http://www.automotriz.net
Figura 3.3 Despiece el Alternador
Fuente: http://iguerrero.wordpress.com
34
Dentro del cuerpo del alternador se encuentran los siguientes elementos que se
muestran en la figura 3.3:
a) Ventilador
b) Tapa Delantera y Trasera
c) Rodamiento Delantero y Trasero
d) Rotor
e) Escobilla
f) Porta Escobilla
g) Estator
h) Puente Rectificador
3.1.3. Funcionamiento y Principios Físicos
Los principios de funcionamiento del alternador, se basan en los mismos principios
que utiliza cualquier generador de corriente alterna, por medio de inducción
magnética.
Cuando el polo norte del imán se presenta en la bobina, esta es afectada por el
campo magnético que se genera produciéndose así una fuerza electromotriz alterna,
si en el polo sur se produce la fuerza electromotriz , esta se presenta en sentido
contrario, debido a la variación de flujo magnético.
Figura 3.4 Variación de los Campos Magnéticos
Fuente: Alonso, 2007, p.205.
Como muestra la figura 3.4 los polos cambian continuamente de posición debido
al giro que se está produciendo en el rotor o en el estator, produciendo la fuerza
electromotriz alterna, cuya magnitud y sentido está variando contantemente. Con el
35
giro del imán la fuerza electromotriz va aumentando en medida que el polo norte se
va acercando a la bobina, mientras que cuando se aleja la tensión inducida va
disminuyendo hasta anularse, en este punto el imán se encuentra en paralelo a la
bobina y así se cumple una media vuelta. En la siguiente media vuelta ahora es el
polo sur el que se acerca y se aleja de la bobina, produciendo el mismo efecto que el
polo norte pero la fuerza electromotriz ahora es en sentido contrario, produciéndose
así la corriente alterna por el cambio continuo de polaridad por el número de vueltas
que dan ya sea el estator o el inducido.
Se conoce el hecho de que cuando un conductor eléctrico se mueve dentro de un
campo magnético cortando sus líneas de fuerza es cuando se produce en el conductor
una fuerza electromotriz, sin importar que el campo magnético este fijo y el
conductor sea el que se mueva o viceversa. De todas formas se obtiene el mismo
efecto.
Como se tiene conocimiento los alternadores trifásicos pueden conectarse en
estrella o en triángulo, en cualquiera de los tipos de conexión se tiene tres terminales,
por ello para rectificar la corriente alterna trifásica se necesita colocar 6 diodos
rectificadores, 3 positivos y 3 negativos. La conexión sigue el mismo principio que
para un alternador monofásico.
Figura 3.5 Rectificación Corriente Trifásica
Fuente: Serrano, 2008, p. 152
En la figura 3.5 (A), se observa la corriente trifásica alterna sin rectificar, aquí la
polaridad y las ondas cambian constantemente.
En la figura 3.5 (B), se observa la corriente trifásica ya rectificada mediante los 6
diodos rectificadores, aquí los 3 diodos positivos impiden el paso de la onda positiva
mientras que los 3 diodos negativos lo hacen con la onda negativa, esto permite
36
aprovechar en cada ciclo la onda completa y la tensión completa del alternador
trifásico.
Figura 3.6 Elementos y Conexión Alternador Trifásico con Diodos
Rectificadores Fuente: Serrano, 2008, p.152
3.2. Turbocompresor
Los turbocompresores de gases de escape generalmente se utilizan en motores de
gran cilindrada, ya sean trenes, motores estacionarios, generadores eléctricos, barcos,
camiones, tractores, etc. Aunque también tienen un gran campo de utilización en los
motores a gasolina y de poca cilindrada, las aplicaciones más comunes en motores
de turismo son para autos de competencia, hoy en día también se los aplica en autos
de fabricación en serie, tiene la gran ventaja de que no restan energía efectiva al
motor ya que su funcionamiento se basa exclusivamente en la energía proporcionada
por los gases de escape.
3.2.1. Componentes
El turbocompresor se encuentra conformado por dos elementos principales que
realizan todo el trabajo que requiere el motor para ser sobrealimentado, estos son:
una turbina y un compresor, la particularidad en este sistema es que esos dos
elementos se encuentran montados sobre el mismo eje.
Todos los casos de aplicación exigen diferentes tipos de características
constructivas, basándose en las mismas partes importantes del turbocompresor (el
rodete y el alojamiento de los cojinetes que juntos forman el cuerpo central), para
37
cada caso varía su constitución con algunos elementos adicionales que los diferencia
unos de otros, generalmente estos cambios se dan en el alojamiento de la turbina o
puede ser también en los elementos de regulación.
Los elementos que conforman tanto interna como externamente un
turbocompresor son los siguientes:
Figura 3.7 Partes de un Turbocompresor Fuente: Dietsche & Klingebiel, 2005, p. 532
(1) Turbina “Eje Turbina” (2) Arandela de empuje (3) Centrifugador de aceite (4) Segmento (compresor, grande) (5) Segmento (compresor, pequeño) (6) Segmento (turbina) (7) Tuerca principal (8) Compresor (9) Placa cuerpo central (10) Cojinete de fricción (11) Cojinete de empuje
(12) Caracola de admisión (13) Tornillo (14) Luneta (15) Caracola de escape (16) Tornillo (17) Luneta (lado de la turbina) (18) Cuerpo central (19) Circlip (20) Tornillo (21) Tornillo (22) Escudo de calor “Cortafuegos”
(23) Actuador “Válvula de descarga” (24) Manguito (25) Adaptador (26) Abrazadera (27) Freno vástago (28) Válvula “by-pass” (31) Separador
Figura 3.8 Despiece Detallado de un Turbocompresor Fuente: http://www.turbocoche.com
38
Para aislar el compartimiento de aceite de la caja del cojinete con respecto al aire
y los gases de escape se utilizan aros de presión tanto en el lado de la turbina como
en el del compresor, en algunos casos según las características del turbocompresor se
mejora esta estanquidad con algún tipo de cierre mecánico.
Los cojinetes que predominan dentro del turbocompresor son los de
deslizamiento en función radial, pueden ser dos casquillos flotantes o de casquillo
simple no giratorio. Por otro lado en función axial están los cojinetes de cuñas
múltiples.
En la constitución de un turbocompresor normal los cojinetes no tienen ninguna
refrigeración adicional ya que se encuentran aislados del cuerpo caliente de la turbina
mediante una plantilla térmica así como la separación del acoplamiento de la misma.
Para el trabajo con temperaturas mayores a 850°C existen cuerpos de cojinetes
refrigerados por agua. La pared trasera del compresor aísla completamente el cuerpo
de cojinetes del mismo.
La lubricación de los turbocompresores se la realiza mediante la conexión directa
al circuito de lubricación del motor, se realiza un bypass directamente de una toma
de salida de la bomba de aceite. La entrada y salida de ese aceite están ubicadas entre
los cuerpos del compresor y de la turbina, comúnmente conocidos como caracola de
escape y admisión.
El cuerpo del compresor normalmente suele estar construido de aluminio, en
casos especiales se puede adicionar en él, una válvula de aire de circulación.
Por otro lado el cuerpo de la turbina se diferencia mucho en su construcción
según las aplicaciones para las que se use el turbocompresor, los materiales que se
utilizan para la construcción de la misma son variados, van desde: GGG 40, hasta:
NiResist D5, estos materiales dependen mucho de la temperatura a la cual van a
trabajar dichos cuerpos de turbina, así como la turbina en sí.
Los turbocompresores que se utilizan en motores de autos turismo, están
fabricados con cuerpos de turbina de un solo paso, a diferencia del cuerpo que se usa
en los camiones que es de cámaras gemelas, en estas cámaras los fluidos se unen
directamente después de la entrada del rodete. Con esta disposición en los motores
39
Diesel se consigue una compresión dinámica de los gases, aprovechando la energía
dinámica que tienen, la misma que se transforma en energía cinética.
Ya que los motores a gasolina funcionan en un gran rango de revoluciones se
hace muy necesario incluir en el turbocompresor un tipo de regulador de gases de
escape, para lograr con esto, a cualquier número de revoluciones una presión se
sobrealimentación casi constante. El elemento que se usa para la regulación de la
presión de sobrealimentación puede ser una válvula o una mariposa, la misma que se
acciona neumáticamente, esta puede estar integrada o aparte del cuerpo de turbina, la
función que cumple es hacer que una parte de los gases de escape no pasen por la
turbina, produciendo así un efecto de bypass o desvío de dichos gases.
1. Tubo que transmite la presión del turbo en el colector de admisión
2. Diafragma o membrana
3. Muelle
4. Válvula
5. Colector de escape
9. Bypass
Figura 3.9 Funcionamiento de la Válvula de Regulación de Presión de
un Turbocompresor Fuente: http://www.aficionadosalamecanica.net/turbo2.htm
3.2.2. Funcionamiento
El funcionamiento del turbocompresor es sencillo, para tener una idea general se dice
que, la turbina aprovecha la energía con la que salen los gases de escape de los
cilindros del motor por medio del múltiple de escape, esta energía dinámica del gas
se transforma en energía cinética y a continuación en energía mecánica la cual hace
girar al compresor, este absorbe el aire de la atmosfera y lo comprime, enviándolo
40
hacia el múltiple de admisión, este aire comprimido lo absorben los cilindros y se
produce la sobrealimentación deseada.
Figura 3.10 Corte Transversal de un Turbocompresor
Fuente: Gil, 2002, p. 19
En la figura 3.10, se aprecia el corte transversal de un turbocompresor con todos
sus elementos tanto internos como externos para una mejor comprensión de su
funcionamiento.
El turbocompresor aprovecha la fuerza de los gases de escape con la cual son
expulsados del múltiple de escape, estos gases entran al turbo por (A), la fuerza de
los gases producen el movimiento a la turbina (B) para lograr salir al exterior del
turbocompresor a través del tubo de escape en (C).
Como se observa, la turbina (B) está formando un solo conjunto con el
compresor (D) mediante un eje común (E) el cual transmite el movimiento de la
turbina empujada por los gases de escape hacia el compresor. En este proceso no
interviene de ninguna manera directa el motor, por lo tanto la potencia efectiva del
motor no se ve afectada en ningún momento.
El proceso de funcionamiento del turbocompresor se lo puede resumir en 3 fases,
las cuales están representadas por 3 figuras para una mejor explicación, que se
detallan a continuación:
41
Figura 3.11 Fase 1: Salida de los Gases de Escape hacia la Turbina del
Turbocompresor Fuente: Gil, 2002, p. 21
En esta fase, los gases de escape son enviados hacia el múltiple de escape, fuera
del cilindro por medio de la fuerza ascendente del pistón cuando la válvula de escape
se encuentra abierta, en el proceso de escape. Estos gases se dirigen hacia la turbina,
produciendo un movimiento giratorio, este movimiento a su vez por medio del eje
común es transmitido hacia el compresor por la parte opuesta, haciendo que este
acumule aire de la atmosfera comprimiéndolo.
Figura 3.12 Fase 2: Intercambio de Gases de Escape y Gas a
Sobrepresión Fuente: Gil, 2002, p. 21
En la segunda etapa el pistón se ha desplazado hacia el P.M.S. y la válvula de
admisión empieza con el proceso de apertura (sin cerrarse todavía la válvula de
escape), esto se conoce como cruce de válvulas, en este momento el aire acumulado
en el múltiple de admisión generado por el compresor empieza su ingreso
rápidamente a la cámara, colaborando con el barrido del resto de gases de escape
residuales en dicha cámara y colaborando con el enfriamiento de la cabeza del
pistón.
42
Figura 3.13 Fase 3: Ingreso del Aire a Sobrepresión dentro del Cilindro
Fuente: Gil, 2002, p. 21
En la última etapa de todo el proceso de sobrealimentación, el pistón se dirige
hacia el P.M.I. comenzando el proceso de admisión del motor, en este momento la
válvula de escape se encuentra totalmente cerrada y la válvula de admisión
completamente abierta, el aire comprimido por el turbo entra completamente en la
cámara de compresión de los cilindros, con un aire que contiene mayor densidad que
el atmosférico y por ello es más rico en oxígeno. Como resultado de este proceso se
tiene para el siguiente momento de inyección de combustible y compresión una más
perfecta combustión de la mezcla, si la inyección de combustible a su vez es de
mayor cantidad, se obtiene una mayor potencia como resultado de la combustión.
Este es el comportamiento teórico de un turbocompresor, pero en la práctica este
funcionamiento se ve afectado por algunas circunstancias críticas secundarias que
hay que tomar muy en cuenta para que este tipo de sobrealimentación pueda
adaptarse correctamente a cualquier motor. Uno de estos problemas es la presencia
del autoencendido de la mezcla, esto se da cuando las presiones de compresión son
demasiado altas, esto ocurre con el aire comprimido que ingresa a la cámara de
combustión ya con una presión elevada.
Para evitar este fenómeno, los motores que van a contener un sistema de
sobrealimentación mediante un turbocompresor deben tener una relación de
compresión relativamente baja, en el rango de 7 a 8,50: 11 con estas relaciones de
compresión iniciales se puede asegurar que no exista el auto-encendido. Una
desventaja de esto es que el motor va a tener poca potencia en bajas revoluciones,
cuando el turbocompresor todavía no ha logrado su régimen de revoluciones
necesarias para producir la sobrealimentación requerida.
43
Capítulo IV
4. Diseño del sistema, fabricación y construcción
El principal objetivo que se planteó conseguir con este proyecto como se lo
mencionó en la introducción, es el de demostrar que tan factible es llevar a la
práctica una idea que se planteó como premisa, la cual consiste en construir un
sistema que reemplace al alternador y que logre cargar la batería mediante el
aprovechamiento de los gases de escape.
Para cumplir el objetivo planteado se inició con la planificación y el desarrollo
de un diseño conceptual. Este diseño se lo realizó aplicando todos los conocimientos
adquiridos a lo largo de la carrera, los mismos que han sido bien fundamentados,
mediante la investigación científica y teórica de los elementos que intervendrán en
este diseño.
4.1. Diseño Conceptual
El diseño básico o diseño conceptual que se utilizó como punto de partida para
encontrar y presentar una solución a la premisa que fue planteada para realizar este
proyecto, se basa prácticamente en la aplicación sencilla del principio físico y teórico
que se aplica a cualquier tipo de turbina, la cual dice que: si a una turbina se le aplica
un flujo tangencial de aire o gas se provoca un movimiento giratorio en dicha
turbina.
El tipo de diseño utilizado en este proyecto, se lo escogió en base a una idea ya
planteada por alumnos de la facultad de mecánica automotriz que realizaron pruebas
con un dinamo y también con un alternador, tratando de encontrar algún resultado
favorable en este tipo de sistema, pero en ninguno de estos casos los gases de escape
lograron hacer girar a dichos elementos, por lo cual su proyecto no tuvo resultados
positivos y no continuaron con el mismo. Entonces se ideó este nuevo sistema con
generador eléctrico como el diseño principal de este proyecto, debido a sus
características que lo hacen idóneo para realizar este estudio de flujometría de gases,
por lo cual se va a centrar la atención en este diseño y así ver si es factible o no su
uso en el proyecto.
Este diseño está conformado por dos elementos principales, los cuales son: un
turbocompresor, el cual se utilizará la sección de la turbina y un generador eléctrico.
44
A continuación en la figura 4.1 se presenta un esquema de dicho diseño, este
diseño es el utilizado en este proyecto, para luego realizar las pruebas necesarias y
así estudiar el comportamiento de los gases de escape en el motor de pruebas y como
estos influirán en el sistema de carga del mismo.
Figura 4.1 Diseño Teórico o Conceptual
Elaboración: Gallardo, 2016
La idea principal que se tomó como punto de partida para realizar este proyecto a
parte del principio físico y teórico mencionando anteriormente fue: que se quería
aprovechar la energía cinética de los gases de escape producidos por el motor y
transformarla en energía eléctrica mediante el movimiento giratorio de una turbina
acoplada a un generador eléctrico, con la ayuda de un turbo para producir mayor
flujo de aire y que mediante el aumento de presión del mismo sirva como empuje,
para así mover el eje de la turbina, la cual estaría acoplada al generador que
posteriormente ver si logra mantener cargada la batería.
4.2. Selección de Elementos
Una vez plasmada la idea con el cual se desarrollaría el diseño conceptual, se
comenzó con la selección de los elementos principales que compondrían la base de
este diseño y todos sus componentes.
4.2.1. Motor
Para comenzar con este proceso se necesitó conseguir un motor, el cual pudiera
facilitar la realización de todas las modificaciones necesarias que se van a realizar
posteriormente según se avance con la investigación.
Ya que este proyecto se lo tomo de la idea base de otros alumnos de la facultad y
que no consiguieron ningún resultado favorable con su investigación, se consideró
como opción a utilizar, el motor que estaban utilizando para sus pruebas, como el
45
más adecuado para la realización de este trabajo. La opción seleccionada fue el
motor de un Fiat 125, 1500cc, año 1979.
Figura 4.2 Motor Fiat 125, 1500cc/Modelo 79, Vista Frontal
Fuente: Gallardo, 2016
Figura 4.3 Motor Fiat 125, 1500cc/Modelo 79, Vista Lateral
Fuente: Gallardo, 2016
4.2.2. Turbocompresor
Debido a dos factores muy importantes como son: costo y estado de funcionamiento,
la selección de este elemento las opciones fueron reducidas. Investigando en el
mercado se pudo apreciar y conocer que cualquier turbocompresor construido para
un motor de la cilindrada que tiene el motor seleccionado para este proyecto, su costo
oscilaba entre los 400 a 1500$.
Ya que el precio de este elemento fue muy elevado, se decidió buscar un
turbocompresor de segunda mano (usado), con algún imperfecto que no sea crítico o
grave para que sea posible cualquier tipo de reparación y así poder abaratar costos.
Se consiguieron dos opciones que mediante un análisis tanto interno como externo,
se pensó que serían los más óptimos para este trabajo, y se realizó un análisis bajo los
parámetros presentados en la tabla 4.1 que se observa a continuación:
46
Tabla 4.1 Especificaciones de turbocompresores y sus características
Fuente: Turbocoche, 2015
Como se muestra en la tabla 4.1, se encuentran las características de los
turbocompresores que se tomaron como opciones posibles, siendo necesarios estos
datos para realizar una comparación entre sus características y decidir cuál es el más
adecuado, de esta tabla se obtuvieron los siguientes datos: relación entre área/radio, y
sobre todo los caballos de potencia (HP) para los cuales están diseñados cada
turbocompresor y su desplazamiento que será de gran relevancia por el cilindraje del
motor a utilizar.
Con los datos técnicos que se obtuvo se realizó una tabla comparativa de las dos
opciones analizadas, para llegar a la conclusión de cuál sería el turbocompresor a
adquirir, en la tabla 4.2 se observa dicha comparación:
Tabla 4.2 Turbocompresor: Tabla de Ponderación, Opciones Viables
TURBOCOMPRESOR
TIPO DE ENFRIAMIENTO
RELACIÓN ENTRE
AREA/RADIO (A/R)
CABALLOS DE POTENCIA (HP)
DESPLAZAMIENTO
(L)
COSTO
GARRETT GT1544 3 3 2 2 2
GARRETT GT2056 3 2 3 3 3
Fuente: Gallardo, 2016
LEYENDA
1 Malo
2 Regular
3 Bueno
47
Basándose en los parámetros y características que se presentan en la tabla 4.2, se
optó por seleccionar y comprar la segunda opción, este elemento tanto por sus
características como por su costo se presentó como el más idóneo para poder
construir y desarrollar este diseño.
El turbocompresor seleccionado fue un turbo de la marca Garrett, modelo
GT2056, las principales características por las cuales se lo seleccionó, fue por los
caballos de potencia con que este trabaja: 110-260 HP y también porque es un turbo
construido para funcionar con motores de 1.4L – 2.0L, y el cilindraje del motor de
pruebas seleccionado es de 1500c, lo cual hace que la inercia que necesita este turbo
para ser accionado puede ser vencida de manera correcta por este motor ya que
puede llegar a producir suficiente masa de aire y presión para realizar un empuje
adecuado de cualquier elemento que reciba este el aire.
Este turbocompresor como se dijo antes se lo consiguió de segunda mano,
presentaba dos averías no muy graves, por ello se lo compró a un precio muy
económico inmediatamente, estas averías eran las siguientes: descentramiento del eje
de la turbina y fugas de lubricación. Estas averías fueron resueltas y reparadas, con
ello se comprobó el perfecto funcionamiento del mismo mediante ciertas pruebas,
realizadas en un taller especializado en turbos, dando como resultado positivo a todas
ellas.
Figura 4.4 Turbocompresor Garrett, modelo GT2056, vista frontal
Fuente: Gallardo, 2016
48
Figura 4.5 Turbocompresor Garrett, modelo GT2056, despiece
Fuente: Gallardo, 2016
4.2.3. Banco de Pruebas
Posteriormente se procedió a seleccionar el material para el soporte del motor de
pruebas, en el cual se pudiera montar y anclar dicho motor con el fin de facilitar la
realización de todos los trabajos necesarios, así como también se lo ideó con la
finalidad de facilitar su transporte y posteriormente para su presentación final.
Para la construcción de este banco de pruebas se analizó la posible utilización de
diferentes materiales que tengan las propiedades estructurales para que pueda resistir
tanto el peso del motor con todos sus demás accesorios, así como el peso de sus
respectivos fluidos, el peso de los elementos adicionales que se le irán añadiendo
según sea necesario y sobre todo que se capaz de soportar las vibraciones que el
motor de pruebas generará al estar encendido y realizar su trabajo normal, todo esto
se lo resumió en la tabla 4.3:
Tabla 4.3 Material para el Banco de Pruebas: Tabla de Ponderación, opciones posibles
MATERIAL
RESISTENCIA A LA
TEMPERATURA
RESISTENCIA A
LA TRACCIÓN
COSTO
Aluminio TS-
4060
3
2
1
Acero al
Carbono
Estructural
ASTM A-36
3
3
3
Hierro Gris
ASTM- 20
2
2 2
Fuente: Gallardo, 2016
LEYENDA
1 Malo
2 Regular
3 Bueno
49
El material seleccionado luego de haber sido analizado y haber hecho una
comparación entre las diferentes propiedades de cada uno de los otros materiales, se
escogió el Acero al Carbón Estructural ASTM A-36, este material se lo adquirió en
una presentación de producto laminado en ángulo con perfil en L, ya que su forma
brinda mayor resistencia y soporte al peso, este tipo de acero tiene una resistencia a
la tracción de 4800 kg/cm2, por ser una acero fundido con carbón, presenta una gran
resistencia a la temperatura, ya que la estructura a fabricarse será utilizada como
soporte del motor de pruebas, la mayor temperatura que tendrá que soportar será la
del motor en funcionamiento, debido al diseño del banco de pruebas, esta
temperatura no afecta directamente en ningún momento a la estructura ni al material
utilizado ya que no se encuentra en contacto directo el motor con respecto a la
estructura, la tabla 4.4 refleja las características que contiene el material
seleccionado, esta tabla servirá de referencia posteriormente para obtener datos los
cuales son necesarios para cualquier cálculo posterior.
Tabla 4.4 Propiedades: Acero al Carbón Estructural ASTM A-36
Fuente:
http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m1/tablas%20y%20graficas.pdf
El tipo de ángulo seleccionado fue un ángulo con perfil en L como se muestra en
la figura 4.6, este elemento es ideal para fabricar este tipo de estructuras, con él se
puede asegurar que el banco de pruebas será una estructura sólida y más que nada
estable, ya que brindará el soporte necesario al motor de pruebas, tanto en soportar su
peso y el de los demás elementos, temperatura, y sobre todo a las vibraciones
producidas por su normal funcionamiento, así como también facilitar su transporte.
50
Figura 4.6 Medidas del Ángulo en L utilizado para el Banco de Pruebas
Elaboración: Gallardo, 2016
Para la estructura, como se presentó en el plano de la misma, que se adjunta en
anexos, se utilizó dos travesaños, estos travesaños estarían formados por dos perfiles
en forma de U, de 74 cm de longitud, este perfil es un producto laminado en caliente
de acero no aleado para construcciones metálicas de uso general según las normas
UNE EN 10025, designación: S235JO.
El objetivo principal de estos dos travesaños es la de realizar las veces de
soporte, uno de ellos soportaría la parte frontal del motor de pruebas para darle
mayor fijación así como seguridad al momento de montarlo y el segundo cumpliría la
función de fijar al radiador en una posición adecuada, a la altura necesaria para que
no haya ninguna interrupción del flujo de agua refrigerante y así este pueda cumplir
su propósito de refrigerar al motor de pruebas como al turbo compresor que se
montaría posteriormente.
A continuación en la tabla 4.5 y 4.6 se presentarán las características para este
tipo de perfil en U, la razón por la que se escogió este tipo de perfil fue por sus
características mecánicas, así como su precio, se podría escoger un perfil de mejores
características pero según el cálculo estructural que se desarrolló al momento de
realizar el diseño, no se vio necesario utilizar uno de mejores características, además
de ser uno de los perfiles más comerciales en el medio de la construcción de este tipo
de estructuras.
51
Tabla 4.5 Características Perfil en U de alas iguales inclinadas, utilizado en el Banco de Pruebas
Fuente: http://www.aq.upm.es/Departamentos/Estructuras/e96-380/alfonso_del_rio/practicas/catalogo_arcelor.pdf
Tabla 4.6 Características y Propiedades Perfil en U alas iguales inclinadas, utilizado en el Banco de Pruebas
Fuente: http://www.aq.upm.es/Departamentos/Estructuras/e96-380/alfonso_del_rio/practicas/catalogo_arcelor.pdf
52
4.2.4. Resortes de apoyo para la base del motor
Se consideró la opción de brindar un apoyo extra al motor y con ello asegurar la
firmeza de todos los soportes sobre todo cuando este se encuentre encendido, ya que
en el diseño del banco de pruebas se colocó un travesaño justamente buscando
cumplir con este objetivo, el mismo se lo aprovechó para realizar una mejora al
soporte.
Esta mejora consistió en colocar dos resortes en la parte delantera del motor de
pruebas, esto se lo pensó ya que analizando el comportamiento de cualquier motor al
momento de encenderlo y este empiece a realizar su funcionamiento, se producirán
vibraciones por el efecto del movimiento de las piezas internas del mismo, estas
vibraciones serán transmitidas hacia toda la estructura del banco de pruebas poniendo
en riesgo la sujeción de los soportes adaptados, así como a toda la estructura.
Figura 4.7 Resorte Seleccionado como Apoyo y Elemento de
Amortiguación para el Motor de Pruebas Fuente: Gallardo, 2016
La selección de los resortes se la consideró en base al material de construcción, y
a la disponibilidad en el mercado, todos estos parámetros se los presentará a
continuación en las tablas 4.7 y 4.8.
53
Tabla 4.7 Propiedades Mecánicas de Aceros para Resortes
Fuente:
http://repositorio.bib.upct.es/dspace/bitstream/10317/3379/1/pfc5169.pdf, pág.:33
Tabla 4.8 Constantes A y m para el resorte utilizado
Fuente:
http://repositorio.bib.upct.es/dspace/bitstream/10317/3379/1/pfc5169.pdf,pág.:34
4.2.5. Acople Sistema de Escape
Con el fin de que los elementos que van a formar parte del diseño base tengan una
correcta unión, se realizaron diferentes modificaciones en el múltiple de escape, la
razón por la cual se realizó esta modificación se debe a que para el diseño base se
utilizaría un turbocompresor, y con la salida normal instalada en el múltiple de
escape de este motor, no se podría tener un acoplamiento perfecto entre dicha salida
y el turbocompresor, al realizar esta modificación ese inconveniente quedó
solucionado.
54
La ubicación del turbocompresor tenía que ser lo más cerca posible de la salida del
múltiple de escape con el fin de aprovechar en lo mayor posible toda la energía
cinética de los gases de escape, debido a este principio se diseñó y fabricó una pieza
que pueda realizar la función antes mencionada.
Por tratarse de una pieza especial, se solicitó ayuda en un lugar especializado en
tubos de escape, el material que se utilizó fue un tubo de acero inoxidable ASTM
A53 GrB, de 2” (pulgadas), diámetro exterior: 60,30mm, espesor 5,54mm, presión de
prueba: 176 kg/cm2, como se puede apreciar en la tabla 4.9:
Tabla 4.9 Propiedades de Tubo de Acero Inoxidable ASTM A53 GrB
Fuente: http://www.dipacmanta.com/alineas.php?ca_codigo=3802
4.2.6. Generador Eléctrico
El elemento seleccionado se trata de un generador tipo dínamo como se muestra
en la figura 4.8. Debido a que hoy en día la tecnología se ha desarrollado y ha
avanzado muy rápidamente se logró conseguir este elemento, el cual es un elemento
muy compacto y se lo considero ideal para reemplazar al alternador e instalarlo en
este proyecto. Según sus características que se presentarán en la Tabla 4.10 a
continuación, y analizando los datos técnicos de este elemento se decidió utilizarlo
para realizar las pruebas necesarias y poder comprobar si este elemento seria el ideal
para cumplir el objetivo planteado en este proyecto. Se puede observar de que este
55
elemento cumple con los requerimientos necesarios como: el voltaje nominal que
puede producir, el límite de amperaje, límite de temperatura de trabajo, etc. Para con
esos parámetros acercarnos un poco más hacia el cumplimiento del objetivo
planteado.
Figura 4.8 Generador eléctrico utilizado en el proyecto
Fuente: www.amazon.com
Tabla 4.10 Datos Técnicos del Generador usado en este diseño
Fuente: www.amazon.com
4.2.7. Soporte del generador
Se escogió para realizar el soporte del generador un ángulo de 34"⁄ × 1
3"⁄ de
ADELCA.
56
Se realizó la unión de las piezas y su fijación mediante una suelda MIG con
suelda de hilo 0,8 mm.
Tabla 4.11 Propiedades Mecánicas del ángulo utilizado para el soporte
Fuente: ADELCA, 2015
Tabla 4.12 Soporte: Tabla de Ponderación de los Materiales Posibles
Material E Rm Tw Promedio Ponderación
Fundición Gris GG-15 1 1 1 3
Fundición Gris GG-25 2 2 2 6
Fundición Gris GGG-40 1 1 2 4
Acero común St 37 3 2 2 7
Acero común St 60 3 3 3 9
Fuente: Gallardo, 2016
Como se aprecia en la ponderación que se realizó en la tabla 4.12, entre los
posibles materiales del ángulo a ser utilizado, se escogió un ángulo de acero común
St 60, por ser el que presenta mejores propiedades mecánicas en su material, las
cuales con primordiales al tratar con elementos que van a recibir movimiento, ya que
estos al ser expuestos a vibraciones pueden llegar a romperse por fatiga del material.
Para la elaboración del soporte también se necesitó de un perfil, para realizar la
fijación del resto de la estructura del soporte, en la tabla 4.13 se presentan sus
propiedades mecánicas.
Leyenda
1 Malo
2 Regular
3 Bueno
57
Tabla 4.13 Propiedades Mecánicas del Perfil Seleccionado
Fuente: Gallardo, 2016
Se eligió el perfil laminado en caliente de 90° de arriostramiento, de grado E275
porque su composición química, propiedades mecánicas y estructura brindan una
óptima resistencia a la torsión y un reducido volumen lo cual ayuda al soporte a ser
más práctico al momento de desplazarlo o en caso de colocarlo en otra posición.
4.2.8. Sistema de Aceleración
Para la selección de elementos del sistema de aceleración se decidió utilizar un cable
acerado de 1,6 mm de diámetro nominal, 6x7 hilos, el cual fue un elemento idóneo
ya que este por sus cualidades ofrecía una alta resistencia a la torsión y una excelente
transmisión de movimiento, su principal uso se encuentra en los frenos de bicicleta, a
más del cable se utilizaron candados igualmente para frenos de bicicleta para aportar
con mayor fijación al sistema.
Tabla 4.14 Características del cable utilizado para el sistema de aceleración
Fuente: http://www.nexcomperu.com/productos.htm
58
También se empleó un par de poleas por medio de las cuales el cable transmite el
movimiento a los elementos del acelerador, estos elementos aportaban con un mayor
cuidado y extendían la vida útil del cable al momento de absorber la mayor cantidad
de fricción generada por el arrastre y el accionamiento del cable.
4.2.9. Tablero de control
El tablero de control se lo construyó de una placa de aluminio AA 110 H14 Lisa, esta
placa presentó las características necesarias como: buena maleabilidad, muy
resistente, buena adherencia al metal, alta resistencia a la corrosión, entre otras, como
se presenta en la figura 4.9:
Figura 4.9 Propiedades de la Plancha Utilizada para el Tablero de
Control Fuente: http://www.acerosotero.cl/pdf/catalogo_aceros_otero.pdf
4.3. Construcción y disposición de Elementos
Una vez seleccionado los elementos para este diseño, se procedió a la construcción
del mismo, armando todo el diseño naturalmente con los elementos seleccionados, el
proceso de construcción fue el siguiente:
59
4.3.1. Motor
Ya obtenido el motor, la parte y elemento primordial para esta investigación, se le
realizó algunos trabajos, tanto de mantenimiento como de reparación dentro y fuera
del mismo, entre estos trabajos realizados se los puede apreciar en la tabla 4.15:
Tabla 4.15 Trabajos de mantenimiento realizados al motor de pruebas
Limpieza externa e interna del motor. Cambio de bomba de combustible.
Revisión de compresión. Calibración de válvulas.
Cambio de bujías y cables de bujías. Cambio de empaques: tapa válvulas, bomba de agua, bomba de aceite.
Afinamiento del carburador Cambio de empaque: múltiple de escape.
Cambio de bobina de encendido. Limpieza y reparación de Carter.
Cambio de la bomba de agua. Reparación del radiador.
Fuente: Gallardo, 2016
A continuación se presenta una documentación del proceso y algunos de los
trabajos realizados en el motor de pruebas:
Figura 4.10 Limpieza externa del Motor de Pruebas, vista superior
Fuente: Gallardo, 2016
Figura 4.11 Limpieza externa del Motor de Pruebas, vista lateral
Fuente: Gallardo, 2016
60
Figura 4.12 Limpieza y revisión Interna del Motor de Pruebas
Fuente: Gallardo, 2016
Realizados todos los cambios y reparaciones necesarias, así como el reemplazo
de los elementos dañados para poder contar con el motor de pruebas en óptimas
condiciones para realizar las pruebas necesarias, se procedió con el siguiente punto,
construir un soporte o banco de pruebas.
4.3.2. Banco de Pruebas, Plano y Cálculo Estructural
El banco de pruebas se lo diseñó tomando en cuenta el tamaño del motor de pruebas
y tomando las dimensiones necesarias para que este ofrezca un verdadero soporte
tanto al motor de pruebas con todos sus elementos, piezas adicionales, así como
también para que soporte el peso del tablero de control, reservorio de gasolina y la
batería, elementos indispensables para el correcto funcionamiento de este proyecto.
Realizando un cálculo aproximado de la cantidad de masa y peso que este banco
de pruebas debería soportar, se escogió el material, el cual se lo detalló en la sección
4.2.3 pág.48, de la selección del material para este banco, posteriormente se diseñó la
forma y las medidas con las cuales se iba a construir el banco de pruebas.
Se adjunta en anexos el plano del diseño que se realizó para la construcción del
banco de pruebas.
Cálculo Estructural para el Banco de Pruebas
Para realizar el cálculo estructural del banco de pruebas a construir, se tenía que
contestar la siguiente interrogante: ¿Cuánto peso podría soportar la estructura a
construir, en base a las características del material seleccionado, el tipo de ángulo
seleccionado y las dimensiones escogidas para su construcción?
61
Los datos que se poseían:
El peso estimado a soportar incluyendo el motor y sus elementos (97kg).
La estructura a soldar, se lo realizó con una suelda oxiacetilénica y MIG.
Material a utilizar, acero al carbón estructural ASTM A-36.
Ángulo utilizado: ángulo en L.
Análisis
Acero A36
Fy = 36 ksi
Fy = 2530 𝑘𝑔
𝑐𝑚2⁄
Fadm = 0,60 Fy
Ec (4.1) Fuerza Admitida por el Perfil Utilizado
Fa = 1518 𝑘𝑔
𝑐𝑚2⁄
Sx (Para un AL50x6) = 3,62 cm3
Sx (Para ambos largueros) = 7,24 cm3
Se analizará la carga máxima para el par de largueros (AL50x6) de: L=1,25
m como una carga (P) en el centro del claro.
Mmax = 𝑃𝐿
4
Ec (4.2) Momento Máximo en el centro del claro
Donde: Mmax= Momento máximo en el centro del claro
Esfuerzo (σ)
σ = 𝑀𝐶
1 =
𝑀
𝑆𝑥
Ec (4.3) Esfuerzo Generado por el Travesaño
62
Igualando el esfuerzo máximo σ al esfuerzo admisible (Fa) e igualando el
momento (M) al momento máximo (Mmax) tenemos lo siguiente:
Fa = 𝑃𝐿
4𝑆𝑥
Dónde despejamos la carga P:
P =[4(𝐹𝑎)(𝑆𝑥)]
𝐿
P = [4(1518)(7,24)]
125
P = 351,70 kg
P = 351,70 kg (Carga máxima repartida en ambos largueros)
Carga de servicio (Cs) Aprox. 97 Kg.
Factor de seguridad (Fs)
Fs = 𝑃
𝐶𝑠=
351,70
97= 3,62 > 2 𝑂𝐾
Cálculo de la fuerza máxima de pandeo resistida por el Perfil en L de la
estructura.
𝐹𝑘 = 𝜋2 𝐸𝐼
𝑙𝑘2
Ec (4.4) Fuerza máxima de Pandeo
Para este caso de estructura:
𝑙𝑘 = 2𝑙
𝐹𝑘 = 𝜋2𝐸𝐼
(2𝑙)2𝓈
Donde: E = Módulo de Elasticidad.
𝑙 = Distancia de la sección.
I = Momento de Inercia.
𝓈 = Factor de seguridad
63
E = 210 𝑘𝑁
𝑚𝑚2
𝑙 = 520𝑚𝑚
I = Ixx = Iyy = 13,1258 cm4 → 13.1258 mm
4
𝓈 = 3 ≤ 10;
Se tomará el valor máximo para mayor seguridad = 10
𝐹𝐾 =𝜋2 (210
𝑘𝑁𝑚𝑚2 ∗ 131.258 𝑚𝑚4)
[2(520𝑚𝑚)]2(10)
𝐹𝑘 = 𝜋2 (27´546.180)
(10´816.000)
𝐹𝐾 = 25,14 𝑘𝑁
La fuerza aplicada debido al peso del motor es:
𝐹 = 𝑃 ∗ 𝑔
4
Ec (4.5) Fuerza aplicada por el Peso del Motor
Donde: Fuerza = fuerza
P = peso
G = gravedad
𝐹 = 97𝑘𝑔 ∗ 9,81 𝑚
𝑠2⁄
4
𝐹 = 237,89𝑁
Por lo tanto, se deduce que la fuerza aplicada por el motor (F = 237,89N), no es
suficiente para que se produzca alguna deformación en las vigas laterales de la
estructura (patas), ya que la fuerza máxima de pandeo que resiste dichos perfiles es
mucho mayor 𝐹𝐾 = 25,14 𝑘𝑁.
La fuerza total aplicada del motor debido al peso en el travesaño frontal donde se
encuentran los soportes de resorte es:
𝐹 =97𝑘𝑔 ∗ 9,81 𝑚
𝑠2⁄
1
64
𝐹 = 951,57𝑁
Con el diseño, el plano y el cálculo estructural respectivo se procedió a comprar
el material y empezar con su construcción, de acuerdo con el plano se fue juntando
uno a uno todas las piezas requeridas, debido al material de los ángulos utilizados en
la estructura el proceso de soldadura se hizo mucho más fácil, ya que este material
tiene la propiedad, de que puede ser unido mediante cualquier proceso de soldadura,
para este caso, con la finalidad de darle un acabado estético se utilizó soldadura con
arco metálico y gas (GMAW metal arc welding) y suelda oxiacetilénica.
Ya construida la estructura se procedió a colocar en su base, 4 ruedas, las cuales
facilitaran el traslado de todo el banco de pruebas una vez montando el motor y todos
sus demás elementos adicionales. Las ruedas que se utilizaron para esta estructura
tienen las mismas características que las que se presentan a continuación en la figura
4.13:
Figura 4.13 Características de las Ruedas colocadas en el banco de
pruebas Fuente: http://www.tente.com/fr-es/forte-
charge.html?housing=0&p=2&wheel-diameter=150
Ya que no fue factible encontrar las especificaciones de las ruedas colocadas en
este banco de pruebas, se hizo una homologación con las características que
proporciono el vendedor y una empresa encargada de la fabricación de este tipo de
ruedas, esa información es la de la figura 4.13 descrita anteriormente.
Se escogió estas ruedas ya que son ideales para soportar el peso que va a tener
las estructura y el motor con todos sus elementos. En total las 4 ruedas llegarían a
soportar un peso total de: 2.600 kg, lo cual lo hace más que resistente al peso
completo de todos los elementos que se coloque sobre esta estructura.
65
Figura 4.14 Ruedas instaladas para el apoyo y transporte en el Banco
de Pruebas Elaboración: Gallardo, 2016
Figura 4.15 Altura de las ruedas de apoyo
Elaboración: Gallardo, 2016
4.3.3. Turbocompresor
Adquirido el turbocompresor en las condiciones antes mencionadas en la sección
4.2.2 pág. 45, se procedió a realizar los cambios de las partes y arreglos necesarios
para que así este elemento este en perfectas condiciones para su uso en la
construcción de este diseño.
Los trabajos realizados fueron varios, incluyendo el cambio de las piezas
dañadas y faltantes así como la reparación de las que lo necesitaban. Entre los
trabajos que se realizó constan los siguientes:
h=
170,8
mm
66
a. Cambio del eje de la turbina. b. Elaboración de acople para la manguera
de aceite.
c. Cambio completo del kit de
lubricación.
d. Limpieza interna y externa.
A continuación se presenta la documentación de los trabajos realizados en el
turbocompresor para lograr su correcto funcionamiento:
Figura 4.16 Limpieza externa del turbocompresor
Fuente: Gallardo, 2016
Figura 4.17 Limpieza interna, despiece y revisión completa del
Turbocompresor Fuente: Gallardo, 2016
Figura 4.18 Despiece del Turbocompresor, Sellos de Lubricación y buje
dañados Fuente: Gallardo, 2016
67
4.3.4. Acople y Modificación del Sistema de Escape
Para el correcto acople entre el múltiple de escape y el turbocompresor se realizó una
modificación en la salida del mismo, ya que dicha salida estaba diseñada para
juntarse con el tubo de escape normal del auto y no con un turbocompresor.
Figura 4.19 Salida del Múltiple de Escape
Fuente: Gallardo, 2016
La modificación realizada consistió en hacer una pieza adicional, cambiando la
unión final de los tubos que conforman el múltiple de escape, para el motor de
pruebas, la configuración original era una salida de 4 a 2 y la pieza final tenía una
forma cónica como se muestra a continuación en la figura 4.20 y su salida quedo de 2
a 1.
Figura 4.20 Pieza Cónica 2 a 1, unión entre el múltiple de escape y el turbocompresor
Fuente: Gallardo, 2016
68
Figura 4.21 Salida Original del Múltiple de Escape, con unión hacia el
tubo de escape Fuente: Gallardo, 2016
Se procedió a quitar el segmento final del tubo de escape original del motor de
pruebas y se realizó la respectiva modificación.
Para lograr la correcta unión entre el múltiple de escape y la entrada de los gases
de escape en la zona de compresión del turbocompresor, se realizó una pieza de
forma cónica, como se muestra en la figura 4.22, la misma que se colocó en la salida
final del múltiple de escape, la salida normal de los gases de escape hacia el tubo de
escape era de 2 orificios, mediante la pieza fabricada esta salida se la convirtió en
una, con el fin de evitar en su mayor parte las turbulencias que se pudieran producir
por el paso del gas, para así lograr que el paso de flujo de aire sea lo más laminar y
constante posible, con ello los gases de escape puedan ingresar sin restricciones a la
caracola de escape del turbocompresor y este realice su trabajo de compresión sin
ningún problema aprovechando la mayor cantidad de caudal posible que traen los
gases de escape expulsados de la cámara de combustión.
Figura 4.22 Pieza Cónica 2 a 1, acoplada al Múltiple de Escape
Fuente: Gallardo, 2016
69
Figura 4.23 Modificación Cónica de 2 a 1 para la salida del Múltiple de
Escape con acople al Turbocompresor, conjunto armado Fuente: Gallardo, 2016
Debido a que en este proyecto se necesitaba instalar un turbocompresor, la
modificación que se realizó desde la salida del múltiple de escape hacia la entrada de
la caracola de escape del turbocompresor hizo que cambie completamente la posición
en el cual se encontraba el tubo de escape, por ello una vez instalada esta
modificación de la salida del múltiple de escape se procedió a montar el
turbocompresor, posteriormente se tomaron las medidas necesarias observando la
correcta disposición del tubo de escape dentro del banco de pruebas. Ya realizado
esto se envió a fabricar un nuevo sistema de escape, en concreto se lo fabricó dando
una nueva configuración al tubo de escape, especialmente hecho para el motor de
pruebas. Y así se pueda obtener la correcta expulsión de los gases de escape sin
restricciones y lo más alejado posible del tablero de control que se encuentra en el
frente del motor de pruebas, para que no afecte de ninguna manera a los operarios.
Figura 4.24 Tubo de Escape, modificación en el Diseño Final
Fuente: Gallardo, 2016
70
Como se mencionó en la selección de elementos para el tubo de escape en la
sección 4.2.5 pág. 54, el material utilizado para modificar el tubo de escape acorde a
este diseño, fue un Tubo de Acero Inoxidable ASTM A53 GrB, de 2” (pulgadas),
diámetro exterior: 60,30mm, espesor 5,54mm, Presión de Prueba: 176 kg/cm2,
manteniendo el catalizador original.
Figura 4.25 Unión entre el tubo de Escape y la Salida del
Turbocompresor Fuente: Gallardo, 2016
Una vez realizado todas las modificaciones básicas al motor de pruebas, así
como construido todos los demás elementos adicionales, se comenzó con la
disposición, acople, montaje y unión de los elementos principales, que según la idea
principal compondrían este diseño básico, con ello se podría dar inicio a todo el
proceso de investigación para este proyecto.
Figura 4.26 Disposición del Tubo de Escape en el Diseño Final
Fuente: Gallardo, 2016
71
4.4. Acople y Montaje de Elementos
Con todos los elementos listos, en perfecto estado y funcionamiento, se procedió a
juntarlos mediante un proceso en el cual se tuvieron que cumplir con los siguientes
puntos según la planificación para disponer del diseño conceptual materializado,
estos puntos fueron los siguientes:
a) Montaje del Motor en el Banco de Pruebas
Con el banco de pruebas construido y listo, se procedió a colocar el motor en él, se
tomaron las medidas respectivas para analizar la mejor forma en el cual se podría
fijar al motor, tomando en cuenta algunos factores como: la distancia que debería
existir entre el radiador y el panel de control, el centro del banco de pruebas ya que
se conoce que en este punto se tiene la mayor resistencia que puede brindar la
estructura, la ubicación correcta de donde se colocarán las bases sobre las cuales irá
anclado el motor para que así tenga la mejor sujeción y apoyo posible, ya que al
momento en que el motor se encuentre en funcionamiento, este empezará a producir
vibraciones y el movimiento generará fuerzas en diferentes direcciones las cuales
serán fuerzas extras al peso normal del motor.
Ya obtenido todo esos datos, se procedió a colocar el motor en la posición
determinada, con un tecle se elevó hasta la altura necesaria para realizar el siguiente
y muy importante paso, que fue la soldadura de las bases del motor, en las cuales el
motor de prueba reposará y se mantendrá fijo durante todas las fases de pruebas, así
como de transporte y su posterior presentación.
b) Soldadura de las Bases o Soportes del Motor, ajuste de las mismas
Los soportes del motor tienen un diseño muy sencillo, simplemente consisten en
placas de fijación del metal con un bloque de goma en medio, el cual actúa como
asilamiento para los golpes y vibraciones que produzca el motor en el momento que
se encuentra en funcionamiento, como se aprecia en la figura 4.27. La pieza de goma
absorbe los impactos y vibraciones de las placas metálicas conectadas al perno de
goma, al bastidor y al bloque del motor, en este caso el travesaño del banco de
pruebas.
Debido a que no se disponía de los soportes originales del motor de pruebas, se
buscaron unos nuevos, los cuales se los obtuvo de una camioneta Chevrolet Luv
72
Doble Cabina, modelo 1997. Ya que el motor de una camioneta de este tipo pesa
alrededor de unos 113 a 118kg, fue una opción muy factible para utilizarlo como
soporte del motor de pruebas. Por lo tanto se puede decir que los soportes que se
encuentran sosteniendo al motor están sobredimensionados, sabiendo esto se tiene la
tranquilidad de que los soportes pueden aguantar sin ningún problema el peso
completo del motor, más los elementos adicionales que se colocarán en él.
Figura 4.27 Bases del Motor, Camioneta Chevrolet Luv Doble Cabina,
año 97 Fuente: Gallardo, 2016
Como se observa en la figura 4.27, debido a la distancia que existió entre el
punto de anclaje para las bases del motor y la estructura del banco de pruebas se tuvo
que realizar unas extensiones en donde se puedan fijar las bases del motor y estas a
su vez se unan a la estructura del banco de pruebas. Estas piezas no fueron más que
dos piezas metálicas del mismo material que se utilizó para construir la estructura del
banco de pruebas. La única diferencia que existe es que no son iguales, debido a que
en cada uno de los lados la distancia entre el punto de apoyo para la base del motor y
la estructura es diferente, esto se da ya que observando al motor desde donde se
encuentra el volante de inercia se necesita mayor espacio al lado derecho que al
izquierdo, ya que al lado derecho irá todo el sistema que se implementará para probar
la factibilidad del proyecto.
73
Figura 4.28 Ubicación de los Soporte Laterales
Fuente: Gallardo, 2016
El tipo de perfiles utilizado para estas extensiones fueron de dos clases, la
extensión para el lado derecho es un perfil cerrado con forma cuadrada, en cambio
para el lado izquierdo se utilizó un perfil abierto en forma de U.
Estos perfiles servirán como se indicó de soportes laterales del motor y se
soldarán directamente a los largueros superiores de la estructura para que sirvan
como puntos de anclaje del motor, así brindar el soporte y la estabilidad necesarias
tanto para cuando el motor se encuentre apagado, como para cuando este se
encuentre en funcionamiento, en este último caso esto se logra gracias a las bases que
se adaptaron con su taco de goma.
c) Ángulo de Ubicación para los Soporte del Motor de Pruebas
De acuerdo a la teoría sobre estructuras resistentes y como realizarlas, en el libro que
se investigó de teoría y cálculo sobre estructuras resistentes (F. Santiago Rico, 1996)
dice que la forma geométrica que no se puede deformar o es la más difícil de hacerlo
aplicándole fuerzas laterales, es el triángulo.
Basándose en este concepto se colocaron las piezas fabricadas en un ángulo lo
más cercano a 45 grados posible, semejando el ángulo que tienen las caras laterales
de cualquier triángulo, con ello se logra una distribución de la carga en una fuerza
diagonal, lo que hace que el peso total del motor se más fácilmente soportable por
estas piezas. Debido a la ubicación de los puntos de apoyo pre-definidos por el
fabricante se dispuso estas piezas de la siguiente manera:
74
Figura 4.29 Ángulo para el Soporte Lateral Derecho Elaboración: Gallardo, 2016
Figura 4.30 Ángulo para el Soporte Lateral Izquierdo Elaboración: Gallardo, 2016
Una vez definidos los ángulos en el cual se colocarían los soportes, se procedió a
realizar su fijación, la cual se la realizó mediante una suelda autógena, con esto se
aseguró que la calidad de la suelda sea suficientemente buena como para soportar
todo el peso que se le aplicaría. Debido a la importancia de este tipo de suelda por la
función que la pieza a soldar cumpliría, se recurrió a un profesional en este tipo de
trabajos. Los planos de los ángulos de apoyo del banco de pruebas se adjuntan en
anexos.
Así, ya fijados completamente los soportes a los largueros del banco de pruebas
mediante su respectiva soldadura, se procedió a juntar los puntos de apoyo del motor
con los soportes fabricados mediante dos pernos a cada lado de: 74,20mm de largo
75
por un diámetro de 10,90mm, las características de dichos pernos se presentan en la
tabla 4.16.
Tabla 4.16 Propiedades de los Pernos (Grados 5 a 7) Utilizados para la unión entre los soportes y las bases del motor
Fuente:
http://www.idrd.gov.co/especificaciones/index.php?option=com_content&view=article&id=2241<emid=1888
En las figuras 4.31 y 4.32 se observa claramente en la posición que fueron
ubicados y soldados los soportes laterales, tanto para el lado derecho como para el
lado izquierdo, para así brindar el soporte al motor de pruebas.
Figura 4.31 Extensión para soporte lado Derecho, perfil cuadrado
Fuente: Gallardo, 2016
Figura 4.32 Extensión para soporte lado izquierdo, perfil en U o canal
Fuente: Gallardo, 2016
76
d) Instalación de los Resortes Frontales en la base del Motor
Habiendo montado y fijado el motor de pruebas mediante los soportes diseñados,
Con la instalación de estos resortes se buscó solucionar en gran parte los dos
problemas planteados, el soporte total del motor y su estabilidad tanto en reposo
como en funcionamiento , así como también reducir en su mayor parte las
vibraciones que el motor producirá.
De las tablas 4.7 y 4.8, presentadas en la sección 4.2.4 pág.53, de selección de
elementos en este caso de los resortes, se tomaron datos importantes como son: el
exponente m, el diámetro del alambre utilizado, así como el módulo de compresión
del resorte, datos necesarios para los siguientes cálculos:
Cálculo de Resortes Helicoidales de Compresión
Figura 4.33 Medidas de un Resorte
Fuente: http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/muelles-compresion-14154-4700543.jpg - Gallardo, 2016
Figura 4.34 Fórmulas para el Cálculo del diseño de Resortes
Fuente: http://www.fullmecanica.com/definiciones/r/1183-resortes-helicoidales-de-compresión
77
Datos del Resorte Utilizado:
d = 6mm
De = 50mm
N = 7
G = 77,2 Gpa
Lo = 100mm
A = 2005 Mpa
n = 1,2
m = 0,168
Lf = 112mm
CÁLCULOS:
Diámetro Medio (D):
D = De – d
Ec (4.6) Diámetro Medio del Resorte Helicoidal
Donde: D = diámetro medio del resorte helicoidal
De = diámetro externo
d = diámetro de alambre
D = 50mm – 6mm = 44mm
D = 44mm
Número de Espiras Activas (N):
N = Nt – Ni
Ec (4.7) Número de Espiras Activas del Resorte Helicoidal
Donde: N = Número de Espiras Activas.
Nt = Número de Espiras Totales.
Ni = Número de Espiras Inactivas, que son las espiras finales de cualquier
resorte.
N = 9 – 2
78
N = 7
Paso (p):
𝑝 =𝐿𝑓 − 𝑑
𝑁
Ec (4.8) Paso del Resorte Helicoidal
Donde: p = paso del resorte helicoidal
Lf = longitud libre o total
d = diámetro de alambre
N = número de espiras activas
𝑝 =(112𝑚𝑚 − 6𝑚𝑚)
7
𝑝 =106𝑚𝑚
7
𝑝 = 15,14𝑚𝑚
Constante Elástica (K):
𝐾 =𝐹
𝑌=
𝐺𝑑4
8𝑁𝐷3
Ec (4.9) Constante Elástica del Resorte Helicoidal
Donde: K = constante elástica del resorte helicoidal
F = fuerza aplicada
Y = deflexión correspondiente a una fuerza aplicada
G = módulo de rigidez
N = número de espiras activas
D = diámetro medio del resorte
d = diámetro del alambre
79
𝐺 = 77,2 𝐺𝑃𝑎 → 77.200 𝑁𝑚𝑚2⁄
𝐾 =(77.200)(6)4
8(7)(44)3
𝐾 =100′051.200
4′770.304
𝐾 = 20,97 𝑁𝑚𝑚⁄
Fuerza Máxima Permisible (Fmx.p):
Antes de que haya deformación permanente del material.
𝐹𝑚𝑥. 𝑝 =𝐴𝑑3−𝑚
5,88(𝐷 + 0,5𝑑)
Ec (4.10) Fuerza Máxima permisible antes de la deformación del resorte
helicoidal
𝐴 = 2005𝑀𝑃𝑎 → 2005 𝑁𝑚𝑚2⁄
𝐹𝑚𝑥. 𝑝 =(2005)(6)3−0,168
5,88[(44) + 0,5(6)]
𝐹𝑚𝑥. 𝑝 =(2005)(6)2,83
5,88[47]
𝐹𝑚𝑥. 𝑝 =319.361,39
276,36
𝐹𝑚𝑥. 𝑝 = 1155,60 𝑁
𝐹𝑚𝑥. 𝑝 = 1155,60 𝑁 → 117,83𝑘𝑔𝑓
Este resultado nos lleva a la conclusión de que el resorte que se pensó en utilizar
para la amortiguación y soporte de la parte frontal del motor logra soportar
117,83kgf antes de llegar a su punto de deformación permanente, por lo tanto
aplicando dos resortes, se estará completamente seguro de que soportarán sin ningún
inconveniente al peso del motor y sus vibraciones, ya que también que hay que tomar
en cuenta que se dispone de dos soportes sólidos a cada lado del motor, lo que hace
que la repartición del peso sea mayor y no recaiga todo el peso sobre los resortes, con
80
ello dichos elementos pueden realizar tranquilamente su función de amortiguación y
absorción de vibraciones.
Según la ley de Hooke: “describe fenómenos elásticos como los que exhiben los
resortes. Esta ley afirma que la deformación elástica que sufre un cuerpo es
proporcional a la fuerza que produce tal deformación, siempre y cuando no se
sobrepase el límite de elasticidad”
𝐹 = 𝑘 ∗ ∆𝑥
Ec (4.11) Ley de Hooke
Donde: F = Fuerza Aplicada al Resorte.
K = Constante Elasticidad o Proporcionalidad.
∆𝑥 = Variación de Longitud del Resorte.
∆𝑥 = 𝐿𝑓 − 𝐿𝑜
∆𝑥 = 112 − 100
∆𝑥 = 12𝑚𝑚
𝐹 = 𝑘 ∗ ∆𝑥
𝐹 = (20,97)(12)
𝐹 = 251,64 𝑁
𝐹 = 251,64 𝑁 → 25,65𝑘𝑔𝑓
De acuerdo a la distancia que se encuentran los resortes comprimidos luego de
ubicarlos en su posición final y dejar que el peso del motor caiga sobre ellos, según
la ley de Hooke se puede apreciar que el peso del motor el cual está actuando sobre
cada resorte es de 25,65kgf. Lo cual nos da una idea de que cada apoyo que se
fabricó, soporta aproximadamente el 25% del peso total del motor, esto también lleva
a la conclusión de que los soportes se encuentran muy bien distribuidos para
repartirse la carga que genera el peso del motor sobre ellos.
81
Figura 4.35 Posición Final de los Resortes en el Banco de Pruebas
Fuente: Gallardo, 2016
e) Montaje del Sistema de Escape
El montaje del sistema de escape fue sencillo, consistió en acoplar todos los
elementos ya construidos y diseñados, los cuales conforman el sistema de escape
modificado para este proyecto, para asegurar la correcta conducción de los gases de
escape, desde la salida del múltiple hacia la entrada del turbocompresor, se mandó a
realizar 2 empaques en malla de aluminio, sobre una base de asbesto termo-
resistente, la mayoría de empaques o también llamadas juntas para múltiples son
fabricados con una cubierta de caucho/fibra sobre un alma de acero, pero para un
múltiple de escape lo mejor es el asbesto termo-resistente o un alma de acero
perforado con una cubierta de cerámica, la cubierta de cerámica realiza un excelente
trabajo de sellado a altas temperaturas presentes en esta sección.
Se ajustó dichos empaques o juntas mediante pernos de sujeción como se
observa en la figura 4.36. Se utilizó 4 pernos que se ubican entre el múltiple de
escape con la pieza en forma de cono fabricada y otros 3 pernos de sujeción entre el
cono y el turbocompresor como se observa en la figura 4.37, para con ellos lograr la
reducción en lo más posible de una fuga de gases de escape y aprovechar en lo más
posible la velocidad y fuerza de los gases de escape para así permitir que el
turbocompresor realice un trabajo óptimo.
82
Figura 4.36 Montaje del Sistema de Escape, Ajuste de Empaques
Fuente: Gallardo, 2016
Figura 4.37 Pernos de sujeción de la pieza cónica
Fuente: Gallardo, 2016
f) Montaje del Turbocompresor
Para realizar el correcto montaje del turbocompresor se comenzó en acoplar la
salida del múltiple de escape con la entrada hacia la cámara donde se encuentra la
turbina del mismo mediante 3 pernos de sujeción debidamente ajustados. Una vez
realizado esto se procedió con el ajuste y fijación del tubo de escape, el cuál irá desde
la salida de la cámara de escape del turbocompresor hacia la parte más alejada del
tablero de control. Con ello se puede obtener la posición final en la cual el
turbocompresor va a desarrollar su trabajo de compresión del aire gracias a los gases
de escape.
Para que el turbocompresor pueda empezar a funcionar se tuvo que realizar
algunos trabajos de instalación así como algunos ajustes extras, sobre los sistemas
primordiales del mismo, ya que el turbocompresor elegido trabaja con dos sistemas
83
los cuales son: el sistema de lubricación y el de refrigeración, se realizaron los
trabajos en esos dos sistemas, los cuales se detallarán a continuación:
Conexión del Sistema de Lubricación
Como cualquier máquina o elemento que contiene partes móviles el turbocompresor
necesita un buen sistema de lubricación para su correcto funcionamiento, el cual se
encargará de mantener las piezas debidamente lubricadas con la debida película
protectora, para evitar el desgaste prematuro de las piezas internas durante todo el
tiempo ya sea que se encuentre o no en funcionamiento. A más de la función de
lubricación el aceite dentro del cuerpo del turbocompresor funciona adicionalmente
como elemento de refrigeración, mientras circula por todas las piezas internas del
mismo acarreando consigo las altas temperaturas, producto de la temperatura con la
que llegan los gases de escape a ser recibidos en el cuerpo y la turbina del
turbocompresor, así como la temperatura que se produce por el rozamiento de sus
elementos internos.
Este sistema es esencial y muy necesario ya que el turbocompresor tanto por su
constitución como por su funcionamiento está sometido a grandes valores de
revoluciones, esto hace que todas las piezas internas deban obligatoriamente tener
una gran cantidad de lubricante para que no se produzca alguna falla por rozamiento,
recalentamiento o por el hecho de que exista alguna pequeña impureza.
Este sistema de lubricación se lo tomó directamente de la bomba de aceite del
motor, realizando un bypass como se muestra en la figura 4.38, para que el aceite
pase primero lubricando internamente el turbocompresor y luego se dirija hacia el
resto de las piezas del motor, cumpliendo así su función normal de lubricación. Para
obtener dicho aceite se sacó una manguera que va directamente del cárter del motor
como se observa en la figura 4.39, teniendo así una constante lubricación del
turbocompresor.
84
Figura 4.38 Bypass dese la Bomba de Aceite, con bifurcación hacia la
entrada de lubricación del turbocompresor Fuente: Gallardo, 2016
Figura 4.39 Manguera para la Salida de Aceite de Lubricación desde el
Carter del Motor hacia el Turbocompresor Fuente: Gallardo, 2016
85
Figura 4.40 Mangueras de entrada y salida de aceite, sistema de
lubricación del turbocompresor Fuente: Gallardo, 2016
Para realizar esta conexión se utilizó mangueras de caucho para aceite de 25mm
de diámetro con abrazaderas de aluminio y dos T. Ya con este sistema listo se
procedió a realizar los cambios en el siguiente sistema, el de refrigeración.
Conexión del Sistema de Refrigeración
Para el sistema de refrigeración se procedió de la misma manera que para el sistema
de lubricación, se necesitó sacar un par de tomas desde el sistema principal de
refrigeración del motor tanto para la entrada, como para la salida de agua hacia y
desde el cuerpo central del turbocompresor, el agua en este caso es el principal
elemento de refrigeración para el motor como para el turbocompresor.
La entrada y salida de agua en el cuerpo central del turbocompresor se realiza
mediante la conexión de dos mangueras, las cuales van unidas a dos pernos con sus
respectivos acoples para las mangueras, como se muestra a continuación en las
figuras 4.41 y 4.42:
Figura 4.41 Perno del Turbocompresor para el Sistema de Refrigeración
por Agua Fuente: Gallardo, 2016
86
Figura 4.42 Acople para Manguera de Entrada y Salida de Agua en el
turbocompresor Fuente: Gallardo, 2016
Una vez colocados los pernos con sus respectivos acoples para las mangueras
tanto de entrada como de salida como se aprecia en la figura 4.43, se procedió a
realizar la instalación del sistema de refrigeración del turbocompresor en el motor de
pruebas.
Figura 4.43 Perno con Acople y Manguera de Entrada de Agua para el
Cuerpo del Turbocompresor Fuente: Gallardo, 2016
Esta instalación consistió en realizar un bypass como se lo hizo en el sistema de
lubricación pero esta vez, toda el agua de refrigeración del motor que sale
directamente desde la bomba de agua tiene que pasar primero por el cuerpo del
turbocompresor, enfriándolo para luego seguir su recorrido normal hacia el resto del
motor.
La entrada de agua hacia el cuerpo del turbocompresor se la tomó desde la salida
de la bomba de agua y la salida del agua del turbocompresor se unió directamente
con la manguera que lleva el agua de refrigeración hacia el radiador, para luego de
87
ser enfriada, realizar su recorrido normal hacia el interior del motor. Se realizó la
instalación como se muestra en las figuras 4.44 y 4.45:
Figura 4.44 Mangueras, entrada y salida de agua, sistema de
refrigeración del Turbocompresor Fuente: Gallardo, 2016
Figura 4.45 Manguera desde la Salida del Turbocompresor hacia la
Entrada al Radiador Fuente: Gallardo, 2016
4.5. Montaje del generador eléctrico
Para el montaje del generador eléctrico se realizaron, algunos cambios como fue la
eliminación del alternador y acoplar todos los elementos necesarios de una manera
correcta y así aprovechar las características de cada uno y conseguir el mejor
resultado. Para su mejor entendimiento y conocimiento se explicarán más
detalladamente dichos procesos realizados:
88
Los pasos que se siguieron para el ensamblaje del sistema fueron los siguientes:
Configuración del eje del Generador, construcción del acople entre el eje
del turbo y el eje del generador.
Implementación del Soporte del Generador Eléctrico.
Conexiones Eléctricas
Todos estos procedimientos se los realizó poco a poco hasta llegar a la
configuración final, con la cual se logró tomar las medidas necesarias y llegar a las
conclusiones que más adelante se presentarán. A continuación se detallarán cada uno
de los procesos o pasos mencionados, así como los trabajos que en ellos se
realizaron.
Configuración del Eje del Generador
El primer trabajo que se realizó fue la configuración del eje generador eléctrico
seleccionado, este generador como se puede apreciar en la figura 4.46, al momento
de adquirirlo vino con una polea acoplada al eje rotor.
Figura 4.46 Generador Eléctrico Utilizado en el Proyecto
Fuente: http://www.amazon.com
Esta polea normalmente tenía la función de transmitir el movimiento giratorio de
cualquier elemento a la cual esté acoplada para poder generar en base a ese
movimiento energía eléctrica, tomando en cuenta este principio y por motivos de
comodidad para la utilización de este generador dentro del proyecto, se analizó y se
realizó la modificación del eje rotor, lo cual consistió en quitar la polea, en su lugar
se procedió a rellenar el eje principal del generador, el cual tenía un destaje
longitudinal de fábrica que servía para el correcto acoplamiento de la polea a su eje;
una vez rellenado este destaje se continuó con la maquinación de una rosca métrica
89
de paso fino M5x0,8 en el eje, para que este forme un mejor acople con el bocín de
unión entre el eje del generador y el eje del turbo, dicho trabajo resultó como se
muestra en la figura 4.47:
Figura 4.47 Configuración del eje del generador eléctrico
Fuente: Gallardo, 2016
Esta conexión resultó ser la más óptima para asegurar la comodidad, seguridad y
eficiencia en la transmisión del movimiento dese la turbina hacia el generador.
Construcción del Acople entre el Eje del Turbo y el Eje del Generador
Para su construcción se utilizó un par de bocines los cuales mediante un trabajo
de mecanizado se consiguió un acople idóneo para la correcta transmisión del
movimiento; dichos bocines tenían las funciones de: acople entre los dos ejes,
transmisión del movimiento generado, evitar el intercambio térmico y absorción de
vibraciones. Debido a estos requerimientos este dispositivo debía ser muy versátil en
su funcionamiento, por ello se analizaron varias posibilidades de construcción y se
llegó al resultado que a continuación se detallará:
Para el bocín que forma el primer punto de conexión, el cual se encuentra en el
extremo del eje generador como se muestra en la figura 4.48, se hizo un trabajo de
mecanizado de roscado interno para una rosca M5x0.8, debido a que al eje del
generador se le realizó un trabajo de rellenado y posteriormente un hilo helicoidal,
para que le mismo tenga las características de un perno y así pueda acoplarse
correctamente al bocín, para garantizar una mayor fijación del conjunto de elementos
se colocó un perno prisionero en el centro de dicho eje.
90
Figura 4.48 Mecanizado del bocín, extremo del eje generador
Fuente: Gallardo, 2016
Para el segundo bocín que forma el segundo punto de conexión se utilizó el
mismo eje de aleación de acero INCONEL 718, en el externo de este eje se soldó la
misma tuerca del turbo (rosca M5x0, 8) para conseguir igualmente una mejor
sujeción como se muestra en la figura 4.49, ya que la forma de ajuste de dicha tuerca
es en sentido anti-horario, esta cualidad evita que el eje del turbo se afloje debido al
movimiento giratorio que ese generará.
Figura 4.49 Mecanizado del bocín, extremo del eje generador
Fuente: Gallardo, 2016
91
Figura 4.50 Conjunto de Acople Generador-Eje del Turbocompresor
Fuente: Gallardo, 2016
Deseando reducir en lo más posible el efecto de las vibraciones y no arriesgar al
eje del turbo a posibles desbalances y descentramientos se añadió un elastómero de
alto grado de resistencia y absorción de vibraciones. Con el fin de evitar y
salvaguardar la integridad del elastómero, se añadió un empaque de amianto,
elemento que evita la transmisión de temperatura, como se muestra en la figura 4.51.
Figura 4.51 Conjunto de Acople, elastómero y empaque de amianto
Fuente: Gallardo, 2016
Para obtener una sujeción óptima se dispuso de tres pernos ubicados de manera
equidistante entre ellos y el eje; esto garantiza un mejor acople, incrementando la
cohesión entre los elementos anteriormente citados como se muestra a continuación
en la figura 4.52.
92
Figura 4.52 Conjunto de Unión, pernos de sujeción
Fuente: Gallardo, 2016
Una vez identificadas las necesidades y requerimientos que debía brindar el
dispositivo de unión se procedió a ensamblarlo de la siguiente manera:
En el extremo del generador se atornilló el dispositivo al eje del mismo y
se ajustó el prisionero interno.
Se integró a continuación el elastómero para que este evite la
transferencia de vibraciones y ofrecer una mayor protección al resto de
elementos adyacentes.
A continuación se dispuso del empaque de amianto para que con sus
propiedades de absorción de temperatura evite un daño prematuro en el
conjunto del generador.
Finalmente se fijó la superficie de contacto del lado del turbo, a esta se
añadió la turbina de compresión original, a esta se la despojó de los
álabes para poder brindar un mejor apoyo y menor resistencia al viento,
luego se la atornilló de igual manera que se lo hiciera en el turbo
convencional; y se procedió a enroscar los tres pernos de sujeción en la
superficie de contacto como se observa a continuación en la figura 4.53.
93
Figura 4.53 Elementos del Conjunto de Acople
Fuente: Gallardo, 2016
Cálculo teórico del eje generador, a torsión.
Este cálculo se realizó para ver cuanta torsión puede resistir el eje generador
acoplado y si puede llegar a sufrir alguna falla.
a) Parámetros de diseño
Tabla 4.17 Cálculo teórico del eje motriz
Parámetro Descripción
Temperatura de operación aprox. 500 ºC
Resistencia alta
Inconel718; Sut=1275.53 MPa a 500ºC
Elaboración: Gallardo, 2016
b) Dimensiones
Figura 4.54 Dimensiones del eje generador que acopla al
turbocompresor Fuente: Gallardo, 2016
94
c) Diseño
Tomando la presión de escape, 15 psi = 0.1034 MPa
Área ideal del alabe en que actúa la presión:
Figura 4.55 Área del alabe
Fuente: Gallardo, 2016
(Aproximación considerando el catalogo del turbo Garrett GT 2056)
𝐴1 = 1286.5 𝑚𝑚2
𝐴2 =𝑏 ∗ ℎ
2
Ec (4.12) Área
Donde: A2 = Área
b = Base
h = Altura
𝐴2 =12.5 ∗ 31
2= 224.75 𝑚𝑚2
𝐴𝑇 = 1286.5 + 224.75 = 1511.25 𝑚𝑚2
DCL:
Figura 4.56 Diagrama de cuerpo libre, eje generador
Fuente: Gallardo, 2016
A B
95
Figura 4.57 Diagrama de cuerpo libre en 3D, eje generador
Fuente: Gallardo, 2016
Determinación de la fuerza que actúa en los alabes:
𝑃 =𝐹𝑡
𝐴𝑇
Ec (4.13) Presión
Donde: P = Presión
Ft = Fuerza tangencial
AT = Área total
𝐹𝑡 = 𝑃 ∗ 𝐴𝑇
Ec (4.14) Fuerza
Donde: Ft =Fuerza tangencial
P = Presión
At = Área total
𝐹𝑡 = 0.1034𝑁
𝑚𝑚2∗ 1511.25 𝑚𝑚2
𝐹𝑡 = 156.26 𝑁
Análisis en el punto A (punto crítico)
Determinación del torque:
𝑇 = 𝐹 ∗ 𝑟
Ec (4.15) Torque
Donde: T = Torque
F = Fuerza
r = radio
96
𝑇 = 156.26 𝑁 ∗ (0.056 +5.09
2∗ 10−3) 𝑚
𝑇 = 9.148 𝑁𝑚
Resistencia por torsión:
Esfuerzo permisible
𝑆𝑦 = 0.6 ∗ 𝑆𝑢𝑡
Ec (4.16) Esfuerzo de fluencia
Donde: Sy = Esfuerzo permisible
Sut = Esfuerzo último
𝑆𝑦 = 0.6 ∗ (1275.53 𝑀𝑃𝑎)
𝑆𝑦 = 765.318 𝑀𝑃𝑎
Esfuerzo por torsión puro:
𝜏 =𝑇 ∗ 𝑟𝑒
𝐽
Ec (4.17) Esfuerzo por torsión
Donde: 𝜏 = Esfuerzo por Torsión puro
𝑇 = Torque
𝑟𝑒 = Radio del eje
𝐽 = Momento polar de inercia
Momento polar de inercia del eje:
𝐽 =𝜋 ∗ 𝑑𝑒
4
32
Ec (4.18) Momento polar de inercia
Donde: 𝐽 = Momento polar de inercia
𝑑𝑒 = Diámetro del eje
𝐽 =𝜋(5.09 ∗ 10−3)4
32
𝐽 = 6.589 ∗ 10−11 𝑚4
97
𝜏 =(9.148 𝑁𝑚 ∗ 2.545 ∗ 10−3𝑚)
6.589 ∗ 10−11 𝑚4
𝜏 = 353.341 𝑀𝑃𝑎
Factor de seguridad:
𝐹𝑠 =𝑠𝑦
𝜏
Ec (4.19) Factor de seguridad
𝐹𝑠 =765.318
353.341
𝑭𝒔 = 𝟐. 𝟏𝟔
El factor es admisible, el esfuerzo se encuentra en la zona lineal.
Este cálculo se realizó para demostrar que el eje generador que va a ser el que
recibe la fuerza de la salida de los gases escape no va a ver afectada por el esfuerzo
torsional al que está sometido, se realizó el análisis en el punto A como se indica en
la figura 4.55 que viene a ser el punto más crítico ya que es donde primero se genera
el movimiento torsional ya que está a la salida de la turbina y con este cálculo
llegamos a la conclusión de que el esfuerzo que va a generar este eje se encuentra en
la zona lineal.
Anclaje y arriostramiento para el sistema de generación de corriente,
Soporte del Generador.
a) Construcción del Soporte del generador eléctrico
Para poder realizar un diseño óptimo y confiable del soporte para el generador se
partió desde el punto en que este ya incluía una base regulable la cual disponía de
cuatro orificios de soporte, base que fue aprovechada para mejorar el acople de la
siguiente manera:
La idea básica que se pensó para la elaboración de este soporte consistió en
tomar la distancia de la base que ya poseía el generador y realizar una estructura en
forma de H, como se presenta a continuación en la figura 4.58:
98
Figura 4.58 Plano: Soporte del Generador
Elaboración: Gallardo, 2016
Figura 4.59 Soporte del Generador y Pernos de Fijación
Fuente: Gallardo, 2016
Los pernos utilizados para fijar el generador al soporte como se puede observar
en la figura 4.59, fueron enviados por el fabricante del generador eléctrico, en este
caso se asumió que los pernos enviados son los suficientemente resistentes para
soportar tanto el peso del generador como las vibraciones que este producirá al entrar
en funcionamiento, el fabricante no entregó especificaciones, las medidas de los
pernos son: 24,25 mm de largo, con un diámetro de 5,70 mm.
Una vez diseñado el soporte para la base a este se aumentó un par de
extensiones, las cuales sujetan al generador solidariamente al motor, se diseñó de
esta manera debido a que una vez encendido el motor este genera vibraciones las
cuales transmiten directamente a los elementos que se encuentren fijados a él, como
es el caso del sistema de sobrealimentación que se encuentra acoplado directamente
en el sistema de escape, y como el eje del mismo conecta con el generador este debe
99
ser solidario al turbocompresor y oscilar de igual manera, para lo cual el punto de
fijación mejor localizado fue en una de las bases del motor, por se diseñaron un par
de soportes, los cuales soldados a las extensiones formaban en conjunto el soporte
del generador como se observa a continuación en la figura 4.60, este soporte brindará
estabilidad, fijación y armonía a las vibraciones que se puedan producir entre los ejes
del proyecto.
Figura 4.60 Base del Soporte del Generador, Puntos de Sujeción
Fuente: Gallardo, 2016
Figura 4.61 Posición final del soporte del generador, con el generador
instalado Fuente: Gallardo, 2016
100
Conexiones Eléctricas y Sistema de Aceleración
Para el correcto funcionamiento y control de todos los sistemas del motor como son:
la presión de aceite, medición de revoluciones (tacómetro), sistema de encendido y
control de aceleración, se realizó un tablero en donde se puedan colocar todos los
medidores necesarios para llevar un control de que todos los sistemas en el motor de
pruebas se encuentran funcionando correctamente, y así poderlo encender de una
forma cómoda y a su vez controlar debidamente la aceleración del mismo.
a) Conexiones Eléctricas
En la figura 4.62 se muestra una ilustración del diagrama de conexiones eléctricas
que se realizó en el sistema eléctrico del proyecto:
Figura 4.62 Esquema de la Instalación Eléctrica Elaboración: Gallardo, 2016
Debido a que este motor de corriente directa de magneto permanente usado
como generador de corriente directa, producía la misma de una manera aleatoria, este
dispositivo requería de un regulador de carga para que no se deteriore de manera
prematura, o destruir el acumulador de plomo; y para evitar que este generador/motor
funcione como motor se utilizó un diodo de potencia para evitar el flujo de corriente
desde el acumulador de plomo hacia el mismo, y así poder generar corriente y cargar
el acumulador.
b) Sistema de Aceleración
Dentro de este tópico se realizaron dos tipos de conexiones: una eléctrica y una
mecánica para el sistema de aceleración que va a ser descrito con mayor detalle a
continuación:
101
Para poder realizar un control total sobre la aceleración del motor se diseñó y
construyó una palanca, debido a que el proyecto dispondrá de un tablero de control,
desde donde deben ser comandados todos los instrumentos de control y
accionamientos necesarios. Esta palanca se la construyó mediante la unión de dos
barras de acero sólido AISI/SAE 1020 realizando su unión en forma de T como se
observa en la figura 4.63. Las características de esta barra de acero se las describe a
continuación en la tabla 4.18:
Figura 4.63 Palanca de aceleración en forma de T
Fuente: Gallardo, 2016
Tabla 4.18 Características de las barras utilizadas en la construcción de
la palanca de aceleración
Fuente: http://www.nexcomperu.com/productos.htm
102
c) Tablero de Control
El tablero de control se lo construyó de una placa de aluminio como ya se mencionó
anteriormente en la selección de elementos, se lo construyo de acuerdo a la
disposición que se le daría a cada uno de los elementos que conformarán el tablero de
control.
Los planos del tablero de control se adjuntan en anexos.
Una vez construido el tablero de control lució como se muestra en la figura 4.64:
Figura 4.64 Tablero de Control, instrumentos instalados
Fuente: Gallardo, 2016
103
Capítulo V
5. Cálculos de flujometría, pruebas y análisis de resultados.
En este capítulo se tratará y detallará las pruebas que se realizaron para conseguir los
valores necesarios para el estudio de este proyecto. Las mediciones que se realizaron
fueron tomadas desde dos puntos de vista, un teórico y un experimental, a
continuación en la sección 5.1 se presentan las mediciones teóricas.
5.1. Cálculo de la Velocidad de los Gases de Escape
En este capítulo se detallarán los cálculos de flujometría que se realizó¸ antes de
realizar cualquier toma de datos directamente del sistema, se necesitó calcular la
velocidad con la cual los gases de escape salen por el múltiple, así como también el
caudal volumétrico de los mismos, para luego comparar los cálculos teóricos con las
mediciones experimentales.
El cálculo de la velocidad de los gases de escape se logró gracias a las
ecuaciones ya expuestas en la sección 1.5.5. Velocidad de los gases de escape,
pág.22, de la siguiente manera:
El motor seleccionado consta de los siguientes datos:
Tabla 5.1 Datos, Motor de Pruebas
Diámetro del Pistón
77 mm
Carrera
79,5 mm
Cilindrada
1500 𝑐𝑚3
Revoluciones Max. De Pruebas
4000 RPM
Elaboración: Gallardo, 2016
Primero se calculó la velocidad media del pistón, (VMP):
𝑉𝑀𝑃 =𝑅𝑃𝑀 ∗ 𝑆
30
Ec (5.1) Velocidad Media del Pistón
104
Donde: 𝑉𝑀𝑃 = Velocidad Media del Pistón (𝑚𝑠⁄ )
RPM = Revoluciones del Motor (𝑟𝑝𝑚 → 𝑟𝑚𝑖𝑛⁄ ) = 4000 𝑟𝑝𝑚
S = Carrera del Pistón (m) = 0,0795 m
𝑉𝑀𝑃 =(4000) ∗ (0,0795)
30
𝑉𝑀𝑃 = 10,6 𝑚𝑠⁄
Una vez obtenida la velocidad media del pistón, se calculó la velocidad de los
gases de escape, de la siguiente manera:
Primero se calculó la sección del pistón
SP = Sección del Pistón (m2)
𝑟 = 𝐷2 ⁄
𝑟 =0,077𝑚
2= 0,038𝑚
𝑆𝑃 = 𝜋 ∗ 𝑟2
𝑆𝑃 = 𝜋 ∗ 0,0382
𝑆𝑃 = 0,0046 𝑚2
𝑆𝑋 = 𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 (𝑚2)
El cálculo de la velocidad de los gases se realizó en 5 secciones, con el objetivo
de obtener los datos teóricos, estas secciones fueron las siguientes:
A. Sección 1: Pieza cónica, acoplada al múltiple de escape.
Esta sección contiene la forma de una elipse, para calcular su área se aplica la
siguiente fórmula:
𝐴𝑒 = 𝑟1 ∗ 𝑟2 ∗ 𝜋
Ec (5.2) Área de una Elipse
Donde: 𝐴𝑒 = área de un elipse
𝑟1 = radio (1)
𝑟2 = radio (2)
𝜋 = Pi
105
Figura 5.1 Pieza Cónica, acople al Múltiple de Escape
Elaboración: Gallardo, 2016
𝑟1 = 𝐷12⁄ → 𝑟 =
0,039𝑚
2= 0,0195 𝑚
𝑟2 = 𝐷22⁄ → 𝑟 =
0,043𝑚
2= 0,0215 𝑚
𝐴𝑒 = 𝑟1 ∗ 𝑟2 ∗ 𝜋
𝐴𝑒 = (0,0195)(0,0215)𝜋
𝐴𝑒 = 0,0013𝑚2
𝑆𝑥1 = 0,0013𝑚2
B. Sección 2: Salida del múltiple de escape.
Figura 5.2 Salida del múltiple de escape Elaboración: Gallardo, 2016
106
Para el cálculo de estas secciones se utilizó el mismo diámetro para los dos orificios
ya que tienen la misma medida, entonces la salida de los gases será la misma por los
dos orificios.
Diámetro: 33,67 mm → 0,033 m
𝑟 = 𝐷2 ⁄ → 𝑟 =
0,033 𝑚
2= 0,0165
𝑆𝑋2 = 𝜋 ∗ 𝑟2
𝑆𝑋2 = 𝜋 ∗ (0,0165)2
𝑆𝑋2 = 0,00086 𝑚2
C. Sección 3: Salida externa de la turbina.
Figura 5.3 Salida externa de la turbina
Elaboración: Gallardo, 2016
Diámetro: 42,87 mm → 0,043 m
𝑟 = 𝐷2 ⁄ → 𝑟 =
0,043 𝑚
2= 0,0215
𝑆𝑋3 = 𝜋 ∗ 𝑟2
𝑆𝑋3 = 𝜋 ∗ (0,0215)2
𝑆𝑋3 = 0,0014 𝑚2
107
D. Sección 4: Salida interna de la turbina.
Figura 5.4 Salida interna de la turbina
Elaboración: Gallardo, 2016
Diámetro: 40,83 mm → 0,041 m
𝑟 = 𝐷2 ⁄ → 𝑟 =
0,041 𝑚
2= 0,0205
𝑆𝑋4 = 𝜋 ∗ 𝑟2
𝑆𝑋4 = 𝜋 ∗ (0,0205)2
𝑆𝑋4 = 0,0013 𝑚2
E. Sección 5: Ancho total de la salida de la turbina.
Figura 5.5 Ancho total de la salida de la turbina
Elaboración: Gallardo, 2016
108
Diámetro: 53,66 mm → 0,054 m
𝑟 = 𝐷2 ⁄ → 𝑟 =
0,054 𝑚
2= 0,027
𝑆𝑋5 = 𝜋 ∗ 𝑟2
𝑆𝑋5 = 𝜋 ∗ (0,027)2
𝑆𝑋5 = 0,0022 𝑚2
Con los datos obtenidos se procedió a calcular la velocidad de los gases de
escape en las secciones antes mencionadas como se muestra a continuación:
𝑉𝐺 =𝑉𝑀𝑃 ∗ 𝑆𝑃
𝑆𝑋
Ec (5.3) Velocidad de los Gases de Escape
a) Sección 1: Pieza cónica, acoplada al múltiple de escape (figura 5.1).
𝑉𝐺 =𝑉𝑀𝑃 ∗ 𝑆𝑃
𝑆𝑋1
𝑉𝐺 =(10,6) ∗ (0,0046)
0,0013
𝑉𝐺 = 37,51 𝑚𝑠⁄
b) Sección 2: Salida del múltiple de escape (figura 5.2).
𝑉𝐺 =𝑉𝑀𝑃 ∗ 𝑆𝑃
𝑆𝑥2
𝑉𝐺 =(10,6) ∗ (0,0046)
0,00086
𝑉𝐺 = 56,65 𝑚𝑠⁄
c) Sección 3: Salida externa de la turbina (figura 5.3).
𝑉𝐺 =𝑉𝑀𝑃 ∗ 𝑆𝑃
𝑆𝑋3
𝑉𝐺 =(10,6) ∗ (0,0046)
0,0014
109
𝑉𝐺 = 34,82 𝑚𝑠⁄
d) Sección 4: Salida interna de la turbina (figura 5.4).
𝑉𝐺 =𝑉𝑀𝑃 ∗ 𝑆𝑃
𝑆𝑋4
𝑉𝐺 =(10,6) ∗ (0,0046)
0,0013
𝑉𝐺 = 37,51 𝑚𝑠⁄
e) Sección 5: Ancho total de la salida de la turbina (figura 5.5).
𝑉𝐺 =𝑉𝑀𝑃 ∗ 𝑆𝑃
𝑆𝑋5
𝑉𝐺 =(10,6) ∗ (0,0046)
0,0022
𝑉𝐺 = 22,16 𝑚𝑠⁄
5.1.1. Cálculo Volumétrico
Para el cálculo teórico del caudal volumétrico que contienen los gases de escape del
motor de pruebas se realizó el siguiente análisis:
Sin tener en cuenta ninguna propiedad natural de los gases de escape que afecte a
su velocidad y su comportamiento como serían: el rozamiento, propiedades propias
del gas o del estado del mismo, así como la turbulencia que naturalmente se produce
al paso del mismo por cualquier conducto, se procedió a calcular el caudal de los
gases de escape.
Los datos que se disponen son los siguientes:
Cilindraje del Motor de Pruebas: 1.500 cm3
Número de Cilindros: 4
RPM (Máximas de pruebas): 4000 RPM
Con esto se obtiene que, el volumen por cilindro sea:
𝑉𝑐 =𝑐𝑐
𝑁° 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠
Ec (5.4) Volumen por Cilindro
110
Donde: 𝑉𝑐 = Volumen cilindro
cc = Cilindraje
N° cilindros = Numero de cilindros
𝑉𝑜𝑙ú𝑚𝑒𝑛 𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 =1.500𝑐𝑚3
4
𝑉𝑜𝑙ú𝑚𝑒𝑛 𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 375𝑐𝑚3 → 0,000375𝑚3
Se calcula el caudal volumétrico parcial de un cilindro mediante:
𝐶𝑣 =𝑉
𝑡
Ec (5.5) Caudal Volumétrico Parcial
Donde: 𝐶𝑣 = Caudal Volumétrico Parcial
V = Volumen
t = Tiempo
Para este cálculo se utilizó una velocidad de giro del cigüeñal de 4.000 RPM.
4.0001
𝑚𝑖𝑛∗
1 𝑚𝑖𝑛
60 𝑠𝑒𝑔= 66,67 𝑟𝑝𝑠
Se sabe que cada dos vueltas del cigüeñal se produce un tiempo de escape, por lo
tanto quiere decir que el gas ocupa el volumen de cada cilindro y sale al exterior,
como los cilindros son iguales y el volumen de estos es siempre constante se tiene
que:
A 4.000 rpm (66,67 rps) el gas sale: 33,333 veces por segundo. Por lo tanto el
caudal volumétrico a las condiciones que el motor de pruebas presenta será:
𝐶𝑣 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 ∗ 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜
𝐶𝑣 = 0,000375𝑚3 ∗ 33,331
𝑠𝑒𝑔
𝐶𝑣 = 0,0125𝑚3
𝑠𝑒𝑔
El caudal volumétrico total sería el producto del caudal volumétrico parcial, por
el número de cilindros del motor, esto da como resultado:
111
𝐶𝑣𝑡 = 𝐶𝑣 ∗ 𝑁𝑜. 𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠
Ec (5.6) Caudal Volumétrico Total
Donde: 𝐶𝑣𝑡 = caudal volumétrico total
𝐶𝑣 = caudal volumétrico parcial
𝑁𝑜. 𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠 = Número de cilindros
𝐶𝑣𝑡 = 0,0125𝑚3
𝑠𝑒𝑔∗ 4
𝐶𝑣𝑡 = 0,05𝑚3
𝑠𝑒𝑔
Una vez obtenidos estos datos, se realizó el análisis para el rango de
revoluciones a las cuales se tomarán todos los datos posteriores para este proyecto,
obteniendo así la tabla 5.2 que se muestra a continuación:
Tabla 5.2 Datos para el Caudal Volumétrico del Motor de Pruebas a los diferentes rangos de revoluciones
Número de Revoluciones por minuto (RPM)
Número de Revoluciones por segundo (RPS)
Caudal Volumétrico [𝑚3 𝑠𝑒𝑔⁄ ]
1000 16,67 0,0125
1500 25 0,0188
2000 33,33 0,025
2500 41,67 0,0313
3000 50 0,0375
3500 58,33 0,0438
4000 66,67 0,05
Fuente: Gallardo, 2016
Figura 5.6 Relación entre RPM vs. Caudal Volumétrico
Elaboración: Gallardo, 2016
112
5.1.2. Caudal Másico
Para el cálculo el caudal másico se realizó el siguiente análisis, tomando en cuenta
los datos de los gases de escape obtenidos en la tabla 1.6, pág. 20, así como el caudal
volumétrico obtenido anteriormente, se procedió a realizar el siguiente cálculo:
𝐶𝑚 = 𝐶𝑣 ∗ 𝑑
Ec (5.7) Caudal Másico
Donde: 𝐶𝑚 = Caudal Másico
𝐶𝑣 = Caudal volumétrico
d = densidad
𝐶𝑚 = (0,05𝑚3
𝑠𝑒𝑔) ∗ (0,516
𝐾𝑔
𝑚3)
𝐶𝑚 = 0,0258𝐾𝑔
𝑠𝑒𝑔
Con estos resultados se obtiene los datos de la tabla 5.3:
Tabla 5.3 Datos de los Gases de Escape Mezclados, para el motor de pruebas (1.5Ly 4000rpm)
MEZCLA DE GASES DE ESCAPE
Cp (Calor específico) 1487 𝐽𝐾 ∗ 𝐾𝑔⁄
d ( densidad) 0,516 𝐾𝑔𝑚3⁄
Caudal volumétrico 0,05 𝑚3
𝑠𝑒𝑔⁄
Caudal másico 0,0258 𝐾𝑔𝑠𝑒𝑔⁄
Fuente: Gallardo, 2016
Aquí se realizó el análisis de sistema en base a dos parámetros, los datos de
entrada de los gases de escape antes del turbocompresor y los datos de los mismos
gases a su salida.
Se conoce que sin importar las variables que puedan existir dentro de un sistema,
el caudal másico siempre se mantiene, la masa de gas que entra siempre va a ser
igual a la masa de gas que debe salir, con ello se tiene que:
𝑚𝑒 = 𝑚𝑠 = 0,0258𝐾𝑔
𝑠𝑒𝑔
113
Para el análisis del sistema, se tiene que el caudal volumétrico dentro de un
sistema, siempre va a ser diferente entre el caudal de entrada (𝐶𝑣−𝑒) y el de salida
(𝐶𝑣−𝑠), debido a las variables de temperatura y densidad, por ello se tiene que:
𝐶𝑣−𝑒 ≠ 𝐶𝑣−𝑠
∴
𝐶𝑣−𝑠 =𝐶𝑚
𝑑𝑠
Ec (5.8) Caudal Volumétrico de Salida
Donde: 𝐶𝑣−𝑠 = Caudal volumétrico de salida
𝐶𝑚 = Caudal másico
𝑑𝑠 = densidad
𝐶𝑣−𝑠 =(0,0258
𝐾𝑔𝑠𝑒𝑔
)
(0,516𝐾𝑔𝑚3)
𝐶𝑣−𝑠 = 0,05 𝑚3
𝑠𝑒𝑔⁄
5.1.3. Cálculo de las Velocidades de entrada y de salida de los Gases de
Escape en el Turbocompresor.
Para realizar este cálculo se recurrió a los datos de los diámetros de entrada y salida
del turbocompresor mostrado en la tabla 4.3, pág. 47:
∅ 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 41,5 𝑚𝑚 → 0,0415 𝑚
∅ 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 47 𝑚𝑚 → 0,047 𝑚
𝑉𝑒 =𝐶𝑣−𝑒
𝐴𝑒
Ec (5.9) Velocidad de Entrada del Gas de Escape
Donde: 𝑉𝑒 = Velocidad de entrada del Gas
𝐶𝑣−𝑒 = Caudal Volumétrico de Entrada
114
𝐴𝑒 = Área de Entrada
𝑉𝑒 =(0,05
𝑚3
𝑠𝑒𝑔)
[𝜋 ∗ (0,0415)2
4]
𝑉𝑒 =(0,05
𝑚3
𝑠𝑒𝑔)
(0,00135𝑚2)
𝑉𝑒 = 37,07 𝑚𝑠𝑒𝑔⁄
Para calcular la velocidad de salida del gas de escape del turbocompresor se
utiliza la misma ecuación:
𝑉𝑠 =𝐶𝑣−𝑠
𝐴𝑠
Ec (5.10) Velocidad de Salida del Gas de Escape
Donde: 𝑉𝑠 = Velocidad de Salida del Gas
𝐶𝑣−𝑠 = Caudal Volumétrico de Salida
𝐴𝑠 = Área de Salida
𝑉𝑠 =(0,05
𝑚3
𝑠𝑒𝑔)
[𝜋 ∗ (0,047)2
4]
𝑉𝑠 =(0,0500
𝑚3
𝑠𝑒𝑔)
(0,0017𝑚2)
𝑉𝑠 = 29,41 𝑚𝑠𝑒𝑔⁄
Una vez obtenidos los datos teóricos de los gases de escape del motor de
pruebas, tales como: su velocidad, calor específico, densidad de la mezcla, caudal
volumétrico y el caudal másico, se procedió a realizar la toma de medidas
experimentales al sistema ya instalado y obtener los datos más reales posibles.
115
5.2. Pruebas y análisis de resultados
Una vez que se consiguió terminar el diseño final, se inspeccionó que los elementos
que conformaban la totalidad del proyecto se encuentren en óptimas condiciones de
trabajo y así demostrar si puede ser o no factible el estudio de la flujometría de los
gases de escape y poder aprovecharlos en el sistema de carga del vehículo.
En este proyecto se investigó sobre algunos instrumentos de medición, fórmulas
y aspectos puntuales, para con ellos poder conseguir los datos necesarios y así
encontrar el valor de la velocidad de los gases de escape, y comparar los datos
teóricos con los experimentales, con ello se logró realizar el cálculo del resto de
variables que influyen en todo el funcionamiento del sistema
5.2.1. Pruebas
Se procedió a realizar las diferentes pruebas y toma de datos que se necesitaban para
así lograr llegar a una conclusión ya sea negativa o en su defecto satisfactoria con
respecto al objetivo principal de este proyecto.
En esta sección se tratará y detallará las pruebas experimentales que se realizaron
en el motor para así conseguir los valores necesarios y realizar una comparación y un
análisis sobre dichos datos, cada prueba se la realizo 5 veces a cada distinto régimen
de RPM, para así sacar un valor promedio y tener un valor más real de los datos
obtenidos.
La toma de datos experimental en este diseño, se la realizó con la asistencia de
dos equipos de comprobación y medición: Un multímetro (TRUPER MUT-105), y
un anemómetro (Aplicación para android, Zephyrus Wind Meter). Estos equipos se
muestran en las figuras 5.7 y 5.8 a continuación:
Figura 5.7 Multímetro utilizado para la medición
Fuente: Gallardo, 2016
116
Figura 5.8 Aplicación de anemómetro utilizado para la medición
Fuente: Gallardo, 2016
A continuación se detallará el proceso que se realizó con cada uno de los
elementos utilizados y cuál fue su resultado, antes de llegar al diseño final para este
proyecto, que es el más importante y se enfocará el análisis de resultados en el
mismo.
En este proyecto la velocidad de los gases de escape es un aspecto fundamental,
que afecta directamente a todo el sistema, sobre todo para observar cómo dicha
velocidad influye en la turbina del turbocompresor diseñado para este proyecto, el
mismo que tiene que transmitir directamente el movimiento hacia el generador de
corriente para que con ello se pueda o no conseguir cargar la batería.
Instrumento de medición utilizado en el proyecto: Anemómetro
(aplicación para celular).
El instrumento de medición que se optó por utilizar, es una aplicación de
anemómetro (aplicación android para celular), se lo consideró para las mediciones
por la razón de que un anemómetro digital portátil tiene un costo muy elevado y por
esa razón fue difícil conseguirlo y esta aplicación para celular es muy parecida a la
de un anemómetro, por ende es una forma precisa de analizar la velocidad en los
gases de escape y simplifica de manera considerable la obtención de los datos
necesarios para el proyecto.
Concepto y funcionamiento del anemómetro
En un instrumento que mide la velocidad relativa del viento que incide sobre el
mismo, dependiendo de donde se lo coloque o para que se lo utilice, son
117
instrumentos a los cuales un flujo de aire los impulsa, atraviesa o empuja,
dependiendo del funcionamiento que tengan.
Esta aplicación android Zephyrus Wind Meter para celular, trae las
funcionalidades de un anemómetro para el teléfono (máximo 30m/s). Tiene una
lectura de velocidad en tiempo real simplemente usando el micrófono del teléfono
inteligente. El rango de viento típico es de 1-14 m/s: la escala total de esta aplicación
está limitada por la máxima presión sonora del micrófono interno.
Existen diferentes tipos de anemómetros los cuales se basan en un principio
distinto de funcionamiento, haciendo a cada uno específico para un cierto tipo de
medición o de uso (Villarubia, 2012, p.46-48).
Instrumento de medición utilizado en el proyecto: Multímetro digital
Un multímetro, a veces también denominado polímetro o tester, es un instrumento
electrónico de medida que combina varias funciones en una sola unidad. Las más
comunes son las de voltímetro, amperímetro y óhmetro.
a) Proceso de medición con Anemómetro (Aplicación de celular)
Para realizar este proceso de medición, como primer punto se definieron ciertos
parámetros entre los cuales se van a tomar las medidas necesarias, estos parámetros
dependen de las revoluciones (RPM) a las cuales gira el motor.
Las revoluciones del motor que se establecieron como parámetros, tienen como
base el número de revoluciones que inician en ralentí (800 RPM) y van aumentando
progresivamente hasta llegar a las 4000 RPM que son el rango máximo de rpm que
se utilizará en este proyecto.
El proceso que se siguió para lograr las medidas necesarias fue:
Se colocó el micrófono del celular frente a la salida de la pieza cónica acoplada,
como se observa en la figura 5.9, procurando siempre colocarlo justo en el centro del
orificio de la pieza cónica acoplada al múltiple de escape, para que así todo el flujo
del gas se pueda medir de la manera más exacta posible y se logre una medida
constante en cada una de las revoluciones a las cuales se expuso el instrumento de
medición, se realizó este proceso 5 veces en cada una de las diferentes revoluciones
118
establecidas para tener los datos más exactos para luego sacar una velocidad
promedio de las mismas.
Figura 5.9 Proceso de medición con aplicación de anemómetro
Fuente: Gallardo, 2016
Luego de realizado las mediciones respectivas en el motor de pruebas se obtuvo
los siguientes datos que se muestran a continuación en la tabla 5.4:
Tabla 5.4 Datos y Resultados obtenidos con el anemómetro (Aplicación)
RPM
( Motor)
Velocidad Gases de Escape (m/s)
1era
Medición
2da
Medición
3era
Medición
4ta
Medición
5ta
Medición
Velocidad
Promedio
800 13,5 m/s 13,1 m/s 13,9 m/s 13,5 m/s 13,3 m/s 13,5 m/s
1000 14,7 m/s 14,9 m/s 14,8 m/s 14,9 m/s 14,8 m/s 14,9 m/s
1500 15,3 m/s 15,2 m/s 15,2 m/s 15,5 m/s 15,3 m/s 15,3 m/s
2000 15,4 m/s 15,6 m/s 15,4 m/s 15,5 m/s 15,2 m/s 15,4m/s
2500 15,8 m/s 15,6 m/s 15,7 m/s 15,8 m/s 15,8 m/s 15,8 m/s
3000 15,3 m/s 15,4 m/s 15,3 m/s 15,2 m/s 15,3 m/s 15,3 m/s
3500 15,6 m/s 15,6 m/s 15,8 m/s 15,5 m/s 15,5 m/s 15,6 m/s
4000 15,8 m/s 15,8 m/s 15,9 m/s 15,9 m/s 15,9 m/s 15,9 m/s
Fuente: Gallardo, 2016
119
Tabla 5.5 Resultados de la medición con anemómetro (aplicación para celular)
Fuente: Gallardo, 2016
Después de haber culminado las mediciones con el anemómetro se procedió a
realizar las siguientes mediciones que fueron con el multímetro, las cuales se detallan
a continuación:
b) Proceso de medición con Multímetro
Medición de Voltaje
Este proceso se lo realizó con la medición de voltaje del sistema, que generan los
gases de escape al accionar la turbina y por ende al generador eléctrico, esto se
realizó poniendo las puntas del multímetro en los cables del generador eléctrico,
tanto en el cable positivo como en el negativo como se observa en la figura 5.10, y
colocando al multímetro en la escala de voltaje (DC 20V), esta medición se la realizó
igualmente 5 veces a los diferentes regímenes de pruebas establecidos en el motor
para ver como varia el voltaje con la velocidad de los gases de escape y si dicho
generador está cargando la batería.
Figura 5.10 Proceso de medición con multímetro (voltaje)
Fuente: Gallardo, 2016
120
Luego de realizada la medición de voltaje en el generador eléctrico se obtuvo los
datos que se presentan en la tabla 5.6:
Tabla 5.6 Datos de la medición de voltaje
RPM
(Motor)
VOLTAJE
1era
Medición
2da
Medición
3era
Medición
4ta
Medición
5ta
Medición
Voltaje
Promedio
800 12,09 (V) 12,09 (V) 12,08 (V) 12,09 (V) 12,08 (V) 12,09 (V)
1000 12,10 (V) 12,10 (V) 12,10 (V) 12,10 (V) 12,10 (V) 12,10 (V)
1500 12,11 (V) 12,10 (V) 12,10 (V) 12,10 (V) 12,10 (V) 12,10 (V)
2000 12,11(V) 12,12 (V) 12,10 (V) 12,11 (V) 12,11 (V) 12,11 (V)
2500 12,13 (V) 12,12 (V) 12,13 (V) 12,13 (V) 12,12 (V) 12,13 (V)
3000 12,15 (V) 12,15 (V) 12,14 (V) 12,15 (V) 12,15 (V) 12,15 (V)
3500 12,15 (V) 12,16 (V) 12,16 (V) 12,16 (V) 12,16 (V) 12,16 (V)
4000 12,20 (V) 12,18 (V) 12,24 (V) 12, 21 (V) 12,22 (V) 12,21 (V)
Elaboración: Gallardo, 2016
Medición de Amperaje
La siguiente medición que se realizó fue la de amperaje, para esta medición se
interrumpió el paso del cable positivo del generador y se colocó las puntas del
multímetro conectándolas en serie como se observa en la figura 5.11. Para este caso
se colocó el multímetro ahora en la escala de amperios (10A), luego se procedió a
realizar esta medición a distintitos regímenes del motor y así ver como varia el
amperaje a medida que varía también la velocidad de los gases de escape.
Figura 5.11 Proceso de medición con multímetro (amperaje)
Fuente: Gallardo, 2016
121
Los resultados obtenidos en esta medición se presentan en la tabla 5.7 a
continuación:
Tabla 5.7 Datos de la Medición de amperaje
RPM (Motor) Amperaje
1era
Medición
2da
Medición
3era
Medición
4ta
Medición
5ta
Medición
Amperaje
Promedio
800 1,04 (A) 1,05 (A) 1,07 (A) 1,08(A) 1,06(A) 1,06 (A)
1000 1,10 (A) 1,09 (A) 1,10(A) 1,10(A) 1,09(A) 1,10 (A)
1500 1,12 (A) 1,13 (A) 1,14 (A) 1,14 (A) 1,15 (A) 1,14 (A)
2000 1,14 (A) 1,15 (A) 1,16 (A) 1,14 (A) 1,15 (A) 1,15 (A)
2500 1,22 (A) 1,23(A) 1,22 (A) 1,22(A) 1,21 (A) 1,22 (A)
3000 1,31 (A) 1,31 (A) 1,31 (A) 1,32 (A) 1,31 (A) 1,31 (A)
3500 1,34 (A) 1,35(A) 1,34 (A) 1,35(A) 1,35 (A) 1,35 (A)
4000 1,36 (A) 1,36 (A) 1,35 (A) 1,36 (A) 1,36 (A) 1,36 (A)
Fuente: Gallardo, 2016
Con los datos obtenidos de voltaje y amperaje que se presentan en las tablas 5.6
y 5.7 respectivamente, se realizará el cálculo de la potencia eléctrica que genera este
dispositivo eléctrico a diferentes regímenes del motor. Los valores a tomarse en
cuenta serán los valores promedios que se obtuvieron en cada caso.
Como se conoce, la fórmula para calcular la potencia eléctrica es:
P = V. I (Watts)
Ec (5.11) Potencia eléctrica
Donde: P = Potencia eléctrica (W)
V = Voltaje (V)
I = Intensidad (A)
Tabla 5.8 datos del cálculo de potencia RPM (Motor) Voltaje (V) Intensidad (A) Potencia (Watts)
800 12,09 1,06 12,81 (W)
1000 12,10 1,10 13,31 (W)
1500 12,10 1,14 13,79 (W)
2000 12,11 1,15 19,92 (W)
2500 12,13 1,22 14,79 (W)
3000 12,13 1,31 15,89 (W)
3500 12,13 1,35 16,37 (W)
4000 12,15 1,36 16,52 (W)
Fuente: Gallardo, 2016
122
5.2.2. Análisis de resultados
Luego de haber realizado las pruebas experimentales correspondientes en el motor,
se realizó el análisis de los datos obtenidos para cada una de las mediciones
realizadas y con estas llegar a una conclusión final y ver si el proyecto es viable o no.
En esta sección se detallará el análisis de los resultados mediante las pruebas
realizadas en el motor. Y de esta manera llegar a una conclusión ya sea negativa o
positiva, con respecto al objetivo principal de esta investigación.
5.2.2.1. Análisis para la medición con anemómetro
En la tabla 5.9 de velocidad de escape vs RPM, se observa los valores obtenidos de
la medición con la aplicación de anemómetro para celular, a diferentes regímenes de
revoluciones y se observa claramente que la velocidad de los gases de escape va
aumentado progresivamente a medida que incrementan las RPM del motor, pero su
incremento no es considerativo y que su valor máximo de velocidad es de 15,9 m/s a
4000 RPM.
Tabla 5.9 Resultados de medición con anemómetro
Fuente: Gallardo, 2016
A partir de las 2000 rpm se observa que la velocidad de los gases de escape
tienen fluctuaciones y sube para luego decaer en su velocidad, pero no es
considerable, ya que las caídas que sufre el sistema son por décimas de segundo lo
que hace que los gases de escape sigan moviendo el eje principal de la turbina y
mantienen cargada la batería del motor.
13,5 14,9 15,3 15,4 15,8 15,3 15,6 15,9
0
5
10
15
20
800 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Velo
cid
ad
Gase
s (m
/s)
RPM (Motor)
Velocidad de los gases de escape
123
El límite máximo que alcanza la velocidad de los gases de escape es de 15,9 m/s
a 4000 RPM y cuando baja las revoluciones del motor a 800 RPM (ralentí), la
velocidad de los gases es de 13,5 m/s y esta velocidad es suficiente para mantener el
sistema de carga estable.
Con la medición de los gases de escape en la parte experimental nos damos
cuenta que el diseño construido para este proyecto, ha sido satisfactorio y está
funcionando muy bien ya que los gases de escape que expulsa el motor son los
necesarios para empujar la turbina del turbo y mantiene así el sistema de carga
estable y a ningún momento hacen que el sistema falle.
Esta prueba realizada con el anemómetro nos indica que la fuerza de los gases de
escape está dentro de un rango de tolerancia para que se mantenga girando la turbina
que acciona al generador eléctrico.
Analizando y comparando los datos teóricos de la velocidad de los gases de
escape que se obtuvieron en la sección 5.1, pág. 106, se presentan a continuación en
la tabla 5.10 los datos experimentales que se obtuvieron con la medición del
anemómetro nos indica la diferencia que existen entre cada uno. Este análisis es el
más importante, porque el enfoque de este proyecto es, analizar la flujometría de los
gases de escape y ver como estos pueden actuar en el sistema de carga, con esto se
deduce que la velocidad teórica que generaran lo gases de escape desde la salida de
la pieza cónica acoplada al múltiple que es la sección donde se realizó la toma de
datos teórica y experimental. En la teoría dice que la velocidad de los gases de
escape que va a salir por la sección cónica es de 37,5 m/s y ya en la toma de datos
experimental nos da el resultado que la velocidad de los gases de escape que están
saliendo por la sección de la pieza cónica es de 15,9 m/s. con esto se deduce que la
velocidad de gases de escape teórica es más alta ya que en la realidad la velocidad de
entrada de los gases por la admisión de un motor es de 13 m/s y la mayor velocidad
de gases que tiene se tiene es en la válvula, conducto y tobera de admisión, por la
flujometría que existe en la culata. A este análisis se llegó con la ayuda del Ing.
automotriz Cristóbal Arboleda y también con la ayuda del Ing. Miguel Granja ya que
ellos se encargan de la preparación de motores de competencia, esta fue una
investigación extra que se realizó para este proyecto para así llegar a un análisis más
técnico y preciso del mismo. Para esto se realizó un breve experimento en un
124
automóvil de competencia que el Ing. Arboleda está preparando, que es un Chevrolet
Corsa 1400, torque 140 libras/pie y una potencia de 127HP. Lo que se hizo en este
motor fue el mismo procedimiento que se realizó en el motor de pruebas del proyecto
de grado. Se colocó la ampliación de anemómetro para celular en la salida del
múltiple de escape del motor de competencia, ya que este motor no tiene un acople
cónico en la salida del múltiple como se tiene en el motor de pruebas, se lo coloco el
anemómetro en el centro de uno de los dos orificios de la salida del múltiple y de
igual manera se aceleró las RPM del motor hasta las 4000 RPM que es el régimen
más alto de RPM que se está utilizando para este estudio y la velocidad de gas de
escape que nos dio fue 26,4 m/s. esto se da obviamente porque este motor es
preparado para competencias ´y este dato será de gran ayuda más adelante para el
análisis final del proyecto.
Tabla 5.10 comparación de la velocidad de los gases de escape teoría vs experimental
Velocidad de los gases de escape (Teórico)
Acople de la salida del múltiple
Velocidad de los gases de escape
(Experimental) acople salida
𝟑𝟕, 𝟓𝟏 𝒎𝒔⁄
𝟏𝟓, 𝟗 𝒎𝒔⁄
Fuente: Gallardo, 2016
5.2.2.2. Análisis para la medición con multímetro (Voltaje)
En la medición de voltaje que se realizó en el sistema, se puede observar en la tabla
5.11 que la variación que se obtiene de voltaje es mínima y que va subiendo
progresivamente a medida que suben las revoluciones del motor, pero lo más
importante de esto es que mantiene al sistema de carga estable.
Al momento de accionar el switch de encendido del sistema del motor desde el
panel de control, se observó como el voltaje comienza a bajar pero al momento que
se le da arranque al motor el voltaje otra vez sube y se mantiene en un rango de
12,13V y baja hasta su valor mínimo de 12,09 V que es en ralentí y no baja de ese
valor mientras esta prendido el motor, esto es fácil de ver por el voltímetro que está
colocado en el panel de instrumentos del tablero y a parte se lo corrobora con el
multímetro.
125
El valor de voltaje máximo que alcanza el generador eléctrico en estas pruebas es
de 12,21V a 4000 RPM, que no se asemeja en nada a los valores de carga que se
tiene con un alternador que oscilan entre los 13,75 (V) a 14 (V). Hay que tomar en
cuenta que este voltaje está dado por la fuerza de los gases de escape que mueven la
turbina que acciona al generador eléctrico.
A medida que se incrementan las revoluciones del motor, el voltaje también sube
y cuando el motor vuelve a estar en ralentí, el voltaje de la batería se mantiene en
12,09(V) a 12,12 (V) que es un valor de voltaje relativamente bajo y esto nos indica
que la velocidad de los gases de escape que están saliendo hacia la turbina, son
solamente los mínimos para accionar la misma y mantener cargada la batería, que es
el objetivo principal de este proyecto.
En ningún momento de las pruebas realizadas el voltaje descendió de su valor
mínimo, lo que quiere decir que el voltaje que está generando el generador eléctrico
mediante la fuerza de los gases de escape, es suficiente para mantener a la batería
cargada, aunque no sea el ideal.
Tabla 5.11 Resultados de la Medición de Voltaje
Fuente: Gallardo, 2016
5.2.2.3. Análisis para la medición con multímetro (Amperaje)
12,09 12,10 12,10 12,11 12,13 12,15 12,16 12,21
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
800 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Vo
ltaj
e (V
)
RPM (Motor)
Gráfica de medición de voltaje
126
El amperaje que generó este elemento eléctrico es muy bajo ya que como se puede
observar en la tabla 5.12 su valor máximo fue de 1,36 (A) a 4000 RPM, y si lo
comparamos con un alternador, este llega a generar un aproximado de 14,50 (A) a
ralentí sin consumidores entonces la diferencia es muy grande. Y como se sabe la
batería dependiendo su especificación técnica necesita de ciertos Amperios hora (Ah)
para su correcto funcionamiento y en este caso no se está dando esta generación de
corriente el generador instalado en el proyecto.
Lo que provocaría que si a este sistema se le deja con el motor encendido por
una hora no va a mantenerlo cargado ya que la batería que se está utilizando en estas
pruebas es de 80 Ah, esto que quiere decir que necesita la generación de 80
Amperios por cada hora para mantenerse cargada y por consecuente este sistema no
la va a cargar ya que este generador solo está generando 1,36 A a 4000 RPM y el
tiempo máximo que se mantuvo encendido el motor en las pruebas de mediciones fue
20min.
El problema que se va a presentar con este sistema de carga es que si a este se le
conecta consumidores como son luces, bocina, radio, etc. este no va a funcionar
porque como nos damos cuenta el amperaje es demasiado bajo para mantener
funcionando tantos consumidores, y va a hacer que no se cargue la batería y la pueda
dañar, lo que hace de este sistema que no sea aplicable para vehículos
convencionales es decir para vehículos de uso diario.
Tabla 5.12 Resultados de la medición de amperaje
Fuente: Gallardo, 2016
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
800 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
1,06 1,10 1,14 1,15 1,22
1,31 1,35 1,36
Am
per
aje
(A
)
RPM (Motor)
Gráfica de medición de Amperaje
127
Análisis de la potencia eléctrica
Tabla 5.13 Potencia eléctrica
Fuente: Gallardo, 2016
Esta grafica de potencia eléctrica con relación a las revoluciones del motor nos indica
cuanta potencia eléctrica está generando el generador eléctrico a distintas
revoluciones y como en el caso del voltaje y el amperaje estos valores son muy
bajos, lo que nos lleva al análisis de que este generador está generando electricidad
en valores muy bajos, esto está sucediendo porque una causa por la que está
sucediendo esto es que el generador necesita más velocidad de los gases de escape
para cargar de mejor manera la batería ya que si analizamos la ficha técnica de este
generador nos dice que su velocidad de trabajo óptimo es a 2800 RPM, entonces esto
nos quiere decir que a este régimen va a comenzar a realizar su generación de
corriente óptima y como ya se sabe que la velocidad máxima de los gases de escape
en este sistema es de 15,9 m/s a 4000 rpm esto nos dice de que la velocidad de los
gases de escape tienen que ser más rápidos ya que no están moviendo el eje motriz a
la velocidad necesaria para realizar una buena carga de la batería.
Finalmente luego de haber analizado todos los resultados obtenidos en este
proyecto nos damos cuenta de que este sistema si está cargando la batería, por lo que
se ha cumplido con el objetivo de este proyecto que era aprovechar la velocidad de
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
800 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
12,95 13,45 13,97 14,08 14,94
16,06 16,57 16,70
Pote
nci
a (
Watt
s)
RPM (Motor)
Potencia Eléctrica
128
salida de los gases de escape, mediante el estudio de su flujometría y así implementar
un sistema que pueda ser cargado por estos gases.
Como se mencionó anteriormente en el análisis de resultados de medición para
los gases de escape, la investigación extra que se realizó para poder llegar a una
conclusión de este proyecto, fue el la prueba experimental que se realizó en el motor
de competencia del Ing. Cristóbal Arboleda y la velocidad de estos gases fue de 26,4
m/s a 4000 rpm, con los datos analizados para este proyecto se llega a la deducción
de que esta velocidad nos puede servir para cargar de mejor manera el sistema de
carga. Lo que se conversó y analizó con el Ing. Arboleda y el Ing. Miguel Granja, fue
que en los vehículos de competencia se coloca un switch en el alternador para
apagarlo manualmente desde la cabina del vehículo esto se hace porque como se sabe
que al momento de quitar el alternador, se quita carga al motor y por consecuente se
gana potencia en el mismo, los HP que se ganan al hacer esto es de ½ a 1 HP.
Apagar el alternador manualmente en los trayectos de competencias no influye en la
carga de la batería ya que estos son trayectos muy cortos. Entonces el análisis al que
se llegó conjuntamente con el Ing. arbola y el Ing., Granja fue que este sistema de
carga que se realizó en este proyecto de grado puede ser implementado en el motor
de pruebas que se realizó esta medición que fue el Chevrolet corsa 1400 ya que la
velocidad de gases de escape es mucho mayor a la que se obtuvo en este proyecto.
Luego de haber analizado los datos obtenidos en este proyecto y compararlos
con los datos y la información que me proporcionaron los Ing. que me ayudaron en el
análisis de este sistema, fue que este si es aplicable para vehículos de competencia
ya que como se mencionó antes estos no necesitan del alternador en el trayecto de la
carrera, este solo se lo utiliza para dar arranque al carro y luego se lo desconecta
manualmente y comparando con el sistema que se realizó en el proyecto de grado fue
que este proyecto de investigación es aplicable para vehículos de competencia de
cualquier cilindrara ya que si la cilindrada cambia solo se tendría que cambiar de
turbo con las especificaciones adecuadas para cada cilindraje y de ahí lo demás se
mantiene igual.
129
Conclusiones
Con este diseño de sistema de carga para la batería se logró cumplir con el objetivo
principal de este proyecto, que fue aprovechar los gases de escape para generar
energía eléctrica.
El turbocompresor seleccionado para este proyecto resultó ser el indicado ya que
la velocidad de los gases de escape logró vencer la inercia de la turbina y realizar el
empuje necesario para mover el eje generador y así mantener cargada la batería.
El voltaje y amperaje generados por este sistema de carga de batería, son muy bajos
comparados con los de un alternador, por consecuente no se le puede adicionar
consumidores a este sistema como son luces, radio, bocina, ya que no funcionaria.
La velocidad de gases de escape experimental mínima que necesita este sistema
de carga es de 13,5 m/s a 800 RPM (ralentí), resultó ser la adecuada para mover la
turbina y generar la carga necesaria al generador eléctrico para mantener cargada la
batería.
La velocidad máxima de gases de escape en la parte experimental fue de 15,9
m/s a 4000 rpm y con este empuje llego a generar voltaje de 12,21 (v), que fue el
voltaje máximo generado en este motor de pruebas.
La pieza cónica acoplada desde la salida del múltiple de escape hacia la entrada
del turbocompresor resultó ser la ideal para la medición de los gases de escape con
la aplicación del anemómetro.
En cada medición que se realizó tanto con la aplicación de anemómetro y la
medición con multímetro, se la realizo 5 veces en cada una para así realizar una tabla
comparativa y sacar un valor promedio y con esto tener una medición de datos más
acercada a la realidad.
Al momento de eliminar el alternador original del sistema se redujo la carga del
motor, motivo por el cual éste proporciona un pequeño pero considerable incremento
del rendimiento del motor, razón por la cual se obtiene una mayor eficiencia en el
sistema de sobrealimentación ya que el motor gana más potencia (1/2 a 1 HP).
El eje motriz que acopla al sistema de generación de corriente se comportó de
acuerdo al cálculo realizado para la construcción del mismo, y este no fallo,
130
garantizando así el correcto funcionamiento de los elementos dependientes del
mismo formando un enlace estable y firme.
La investigación y la prueba experimental extra que se realizó en este proyecto
con el motor de un Chevrolet Corsa 1400 preparado para competencia ayudaron a
saber que este sistema de carga es aplicable para este tipo de motores ya que estos no
necesitan del funcionamiento constante de un alternador porque les restan potencia al
mismo y con este sistema que se implementó en este proyecto de grado, se va a
mantener prendido el motor por un tiempo aproximado de 25 minutos que fue el
tiempo máximo que estuvo prendido en las pruebas de toma de datos, con esto se
concluye que este sistema es ideal para trayectos cortos como son los de
competencia.
Este sistema de carga no es aplicable para vehículos convencionales ya que no se
pueden conectar consumidores al mismo, porque como se observó en las pruebas de
amperaje y voltaje este sistema de carga solo sirve para mantener prendido el motor.
Ya que su amperaje es muy bajo y su voltaje solo sirve para mantener cargada la
batería.
La medición que se realizó con la aplicación de anemómetro fue la más
importante de este sistema, ya que nos permite comparar los datos reales de la
velocidad de los gases que salen del motor de combustión interna con los datos
teóricos y así llegar a la conclusión de que el motor necesitó más velocidad en los
gases de escape para que este sistema de carga funcione de mejor manera.
131
RECOMENDACIONES
Siendo este proyecto muy ambicioso, siempre se desea que haya una mejora
continua, por esto se recomienda a futuros estudiantes que tengan interés en este
estudio realizado, para modificarlo y obtener nuevos resultados para un nuevo
proceso de estudio.
Al momento de realizar la medición en el motor de pruebas se debe estar
constantemente verificando la temperatura del motor para evitar un recalentamiento,
y que tampoco haya fugas de aceite o de agua en el turbocompresor
Cuando se realice las mediciones con la aplicación de anemómetro hay que
poner el medidor en el centro de la pieza a ser medida siempre colocarlo justo en el
centro del orificio para que así todo el flujo del gas se pueda medir de la manera más
exacta posible y se logre una medida constante en cada una de las revoluciones a las
cuales se vaya a tomar las medidas
Al momento de realizar la medición de amperaje, realizar bien las conexiones del
multímetro y colocarlo en la escala correcta para así evitar dañar el fusible de este
instrumento
Realizar un análisis y un estudio sobre sistemas herméticamente sellados en el
aprovechamiento de los gases de escape, ya que con ello se puede aprovechar de una
mejor manera el potencial energético que tienen dichos gases, ya sea en su caudal o
en su capacidad térmica.
Otra recomendación es utilizar otro turbo compresor pero que no difiera con las
características del motor y así lograr una mayor velocidad de gases a la salida de la
turbina generadora de corriente.
Buscar otras alternativas de investigación y basándose en la idea principal de
este proyecto, lograr desarrollarla y evolucionarla de una mejor manera para que
pueda adaptarse tanto al mercado nacional como a cualquier otro mercado en el
exterior.
Que este proyecto sirva de base y de inspiración para buscar los elementos tanto
científicos como de mecanismos o sistemas, para optimizar esta idea y que sea
aprovechada por los siguientes estudiantes que talvez pueden llegar a tener una idea
mejor que la presentada aquí.
132
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Heinz, H. & Klingebiel, M. (2005). Manual de la Técnica del Automóvil.
(4ta. Ed.). Plochingen: Robert Bosch GmbH.
Hermosa, A. (1999). Principios de electricidad y electrónica II. (1ra. Ed.).
Barcelona, España: Editorial Marcombo, S.A.
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química general. Barcelona, España: Editorial Reverté, S.A.
Huertas, J. (2010). Fundamentos de la Combustión. México: Centro de
Investigación de Mecánica Automotriz. Tecnológico de Monterrey.
Jovaj, M. (1982). Motores de Automóvil. (1ra. Ed.). Moscú, Rusia:
Editorial MIR.
Jäger, T. & Heinz, K. (2003). Técnicas de Gases de Escape para Motores
de Gasolina. (2da. Ed.). Plochingen: Robert Bosch GmbH.
Mafla, M. & Ortiz, M. (2007). Metodología para certificar la calibración de
los analizadores de gases y opacímetros. Quito, Ecuador:
Escuela Politécnica Nacional del Ecuador. Facultad de Ingeniería
Automotriz.
Ney-G, J. (1977). Lecciones de Electricidad. (5ta. Ed.). Barcelona,
España: Editorial Marcombo, S.A.
Nottoli, H. (2006). Física Aplicada a la Arquitectura. (1ra. Ed.). Buenos
Aires, Argentina: Editorial Nobuko.
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España: Ediciones Paraninfo, S.A.
Rosenberg, J. (1970). Química General – Teoría y Problemas. (5ta.
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Serrano, E. (2008). Circuitos Electrónicos Básicos – Sistemas de Carga
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Villarubia, M. (2012). Ingeniería de la Energía Eólica. (1ra. Ed.).
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134
Wilson, J. & Buffa, A. (2003). Física. (5ta. Ed.). Naucalpan de Juárez,
México: Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana.
Manual de la Técnica del Automóvil BOSCH (4a edición 2005).
135
ANEXOS
Reparación del motor de pruebas
Cambio de Empaque Tapa-Válvulas
Fuente: Gallardo, 2016
Limpieza y reparación de orificios en el radiador
Fuente: Gallardo, 2016
Limpieza y Mantenimiento del Carburador
Fuente: Gallardo, 2016
136
Cambio de la Bomba de Gasolina
Fuente: Gallardo, 2016
Limpieza y Reparación de la Bomba de Agua
Fuente: Gallardo, 2016
Nuevo eje de la Turbina Fuente: Gallardo, 2016
137
Cambio del Kit de Lubricación, piezas nuevas
Fuente: Gallardo, 2016
Montaje del Acople para la manguera de Lubricación
Fuente: Gallardo, 2016
Acople para la manguera de entrada de aceite
Fuente: Gallardo, 2016
138
Limpieza interna y externa del turbocompresor
Fuente: Gallardo, 2016
Disposición del tubo de escape en el Diseño Original, vista lateral
Fuente: Gallardo, 2016
Tablero de control Armado en el banco de pruebas
Tablero de Control, colocado en el Banco de Pruebas
Fuente: Gallardo Carlos
139
Proceso de medición con Anemómetro
Medición experimental con anemómetro (aplicación de celular)
Fuente: Gallardo, 2016
Toma de datos con el anemómetro
Fuente: Gallardo, 2016
Medición de velocidad de los gases de escape con anemómetro
Fuente: Gallardo, 2016
140
Valor máximo de la velocidad de gases de escape a 4000 RPM
Fuente: Gallardo, 2016
Proceso de medición con Multímetro
Proceso de Medición con Multímetro (Amperaje)
Fuente: Gallardo, 2016
Medición de Amperaje Fuente: Gallardo, 2016
141
800 RPM 1000 RPM
1500 RPM 2000 RPM
2500 RPM 3000 RPM
3500 RPM 4000 RPM
142
800 RPM 1000 RPM
1500 RPM 2000 RPM
2500 RPM 3000 RPM
3500 RPM 4000 RPM