comportamiento de una camara de combustiÓn en un …
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IM-2005-I-37
11
PROYECTO DE GRADO
COMPORTAMIENTO DE UNA CÁMARA DE COMBUSTIÓN EN UN MOTOR DE HIDRÓGENO
Autor:
JORGE ANDRÉS SAYAGO
Asesor de Proyecto:
Ing. JAIME LOBOGUERRERO USCATEGUI, PhD, MsC.
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá, Colombia
IM-2005-I-37
22
Junio de 2005
“The Hydrogen age is upon us”. BMW.
IM-2005-I-37
33
ÍÍNNDDIICCEE
IINNTTRROODDUUCCCCIIÓÓNN ....................................................................................................................................................................................................55
CCAAPPÍÍTTUULLOO 11 CCOONNCCEEPPTTOOSS BBÁÁSSIICCOOSS DDEE UUNNAA CCÁÁMMAARRAA DDEE CCOOMMBBUUSSTTIIÓÓNN66
11..11 EEll cciicclloo ddee OOttttoo ..............................................................................................................................................................................66
11..22 AAnnáálliissiiss ddee ffuueerrzzaass ppaarraa eell ppiissttóónn ..................................................................................................................1100
11..33 MMeezzccllaa ddeell ggaass ccoommbbuussttiibbllee....................................................................................................................................1122
CCAAPPÍÍTTUULLOO 22 CCÁÁLLCCUULLOOSS DDEE LLOOSS PPAARRÁÁMMEETTRROOSS DDEE DDIISSEEÑÑOO......................................1155
22..11 CCoonnddiicciioonneess iinniicciiaalleess:: ......................................................................................................................................................1155
22..22 PPrreessiioonneess yy TTeemmppeerraattuurraass ccrrííttiiccaass.. ............................................................................................................1166
22..22..11 CCaarrrreerraa ddee aaddmmiissiióónn:: ..........................................................................................................................................1166
22..22..22 CCaarrrreerraa ddee ccoommpprreessiióónn:: ..................................................................................................................................1166
22..22..33 CCaarrrreerraa ddee EExxppaannssiióónn::......................................................................................................................................1177
22..22..44 CCaarrrreerraa ddee EEssccaappee:: ..............................................................................................................................................1188
22..33 RReellaacciióónn ddee ccoommpprreessiióónn ..............................................................................................................................................1199
22..44 FFuueerrzzaa yy ttoorrqquuee eejjeerrcciiddooss ppoorr eell ggaass ........................................................................................................1199
22..55 AAnnáálliissiiss ddee rreessiisstteenncciiaa ddee mmaatteerriiaalleess........................................................................................................2211
22..66 LLuubbrriiccaacciióónn ddee cciilliinnddrroo yy ppiissttóónn..........................................................................................................................2233
22..77 CCáállccuullooss ddee aanniillllooss yy sseellllooss ddee llaa ccáámmaarraa ddee ccoommbbuussttiióónn ..........................................2244
CCAAPPÍÍTTUULLOO 33 AANNÁÁLLIISSIISS DDEE LLOOSS CCÁÁLLCCUULLOOSS ................................................................................................2288
33..11 EElleecccciióónn ddee llooss ppaarráámmeettrrooss ddee ddiisseeññoo ....................................................................................................2288
33..22 DDiisseeññoo ddee llaa ccáámmaarraa ddee ccoommbbuussttiióónn ........................................................................................................3333
33..22..11 CCiilliinnddrroo ....................................................................................................................................................................................3333
33..22..22 PPiissttóónn ........................................................................................................................................................................................3344
33..22..33 AAnniillllooss yy sseellllooss ..............................................................................................................................................................3344
33..22..44 IInnyyeecccciióónn ddeell hhiiddrróóggeennoo..................................................................................................................................3355
CCAAPPÍÍTTUULLOO 44 CCOONNCCLLUUSSIIOONNEESS ............................................................................................................................................3377
CCAAPPÍÍTTUULLOO 55 RREECCOOMMEENNDDAACCIIOONNEESS............................................................................................................................4433
CCAAPPÍÍTTUULLOO 66 AAGGRRAADDEECCIIMMIIEENNTTOOSS................................................................................................................................4444
CCAAPPÍÍTTUULLOO 77 BBIIBBLLIIOOGGRRAAFFÍÍAA ....................................................................................................................................................4455
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44
AANNEEXXOO 11 GGRRÁÁFFIICCAA DDEE EEMMIISSIIOONNEESS........................................................................................................................4477
AANNEEXXOO 22 CCÁÁLLCCUULLOOSS DDEE RREESSIISSTTEENNCCIIAA DDEE MMAATTEERRIIAALLEESS..............................................4488
AANNEEXXOO 33 IITTEERRAACCIIOONNEESS DDEELL PPRROOGGRRAAMMAA DDEE EEXXCCEELL............................................................5500
AANNEEXXOO 44 TTAABBLLAA DDEE DDAATTOOSS DDEE LLAASS FFIIGGUURRAASS 33..11 YY 33..22 ....................................................5511
AANNEEXXOO 55 TTAABBLLAA DDEE CCOOMMPPAATTIIBBIILLIIDDAADD QQUUÍÍMMIICCAA DDEE MMAATTEERRIIAALL PPAARRAA
LLOOSS AANNIILLLLOOSS..........................................................................................................................................................................................................5522
AANNEEXXOO 66 PPRROOGGRREESSOO DDEELL CCAAUUDDAALL DDEELL AAIIRREE ..................................................................................5555
AANNEEXXOO 77 FFUUEERRZZAA NNEETTAA VVEERRSSUUSS RREECCOORRRRIIDDOO AANNGGUULLAARR DDEELL
CCIIGGUUEEÑÑAALL 5566
AANNEEXXOO 88 TTOORRQQUUEE VVEERRSSUUSS RREECCOORRRRIIDDOO AANNGGUULLAARR DDEELL CCIIGGÜÜEEÑÑAALL ......5577
AANNEEXXOO 99 VVEELLOOCCIIDDAADD DDEELL PPIISSTTÓÓNN VVEERRSSUUSS EELL RREECCOORRRRIIDDOO AANNGGUULLAARR
DDEELL CCIIGGÜÜEEÑÑAALL....................................................................................................................................................................................................5588
AANNEEXXOO 1100 AACCEELLEERRAACCIIÓÓNN DDEELL PPIISSTTÓÓNN VVEERRSSUUSS EELL RREECCOORRRRIIDDOO
AANNGGUULLAARR DDEELL CCIIGGÜÜEEÑÑAALL ..............................................................................................................................................................5599
AANNEEXXOO 1111 PPRROOGGRRAAMMAA ""AANNÁÁLLIISSIISS TTEERRMMOODDIINNÁÁMMIICCOO"" ((TTAABBLLAASS DDEE
CCOONNSSTTAANNTTEESS)) ....................................................................................................................................................................................................6600
AANNEEXXOO 1122 PPRROOGGRRAAMMAA ""AANNÁÁLLIISSIISS TTEERRMMOODDIINNÁÁMMIICCOO"" ((TTAABBLLAASS DDEE
CCOOMMBBIINNAACCIIOONNEESS DDEE LLOOSS PPAARRÁÁMMEETTRROOSS DDEE LLAA CCÁÁMMAARRAA DDEE
CCOOMMBBUUSSTTIIÓÓNN)) ....................................................................................................................................................................................................6611
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55
INTRODUCCIÓN
Desde hace 20 años, la humanidad ha venido tomando conciencia de los daños que ha
causado al medio ambiente con su desarrollo industrial. Dentro de los mayores
contaminadores del medio ambiente se encuentra el petróleo y sus derivados. Esta fuente
de energía fue vital para el desarrollo tecnológico e industrial de la humanidad durante
todo el siglo XX. Pero aún más importante, se convirtió en la fuente de energía principal
para acortar las distancias. El petróleo ha sido el que ha permitido que los automóviles,
aviones, camiones, buses, y otros medios de transporte funcionen. Esto no sería problema
sino fuera porque el petróleo ha causado una gran contaminación en los centros urbanos,
generando emisiones de CO2, CO y NOx, los cuales son venenosos para los seres
humanos.
Es por esto que a finales del siglo XX, se ha incrementado el interés por la
investigación de fuentes de energía limpias para reducir los índices de estos
contaminantes. Como resultado se esto, han surgido varias opciones tales como motores
que funcionan con gas, motores eléctricos y motores que funcionan con hidrógeno.
Las investigaciones todavía están en étapa de desarrollo. Los pioneros en este campo
son BMW, que ya ha sacado prototipos a las carreteras alemanas, y General Motors.
Pero, dado que es una tecnología tan nueva, no se encuentra información respecto al
diseño de estos motores. Lo que sí se ha visto, es el gran potencial que tiene el Hidrógeno
como fuente de energía limpia para mover los medios de transporte del futuro. Pero hasta
ahora, sólo se han hecho adaptaciones de motores que funcionan con gasolina, a
hidrógeno.
Dicho esto y viendo la importancia que tiene el desarrollo de fuentes de energía limpias
para la estabilidad ambiental del mundo, este documento entrará a fondo en las variables
a considerar para poder diseñar una cámara de combustión, especialmente, para que
funcione con hidrógeno.
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66
CCAAPPÍÍTTUULLOO 11CCOONNCCEEPPTTOOSS BBÁÁSSIICCOOSS DDEE UUNNAA CCÁÁMMAARRAA DDEE CCOOMMBBUUSSTTIIÓÓNN
1.1 El ciclo de Otto
Este ciclo es un ciclo de 4 tiempos en el que se basa el funcionamiento de una cámara
de combustión de un motor. Este se puede ver en la figura 1.1. A continuación se describe
cada tiempo:
- Primer tiempo: Admisión.
En esta etapa el pistón baja hasta el punto muerto inferior (P.M.I). Mientras que baja, la
válvula de admisión se abre para que la mezcla entre dentro de la cámara de combustión,
como producto de la succión que ejerce el pistón al bajar. La presión se mantiene igual o
parecida a la atmosférica, al igual que la temperatura.
- Segundo tiempo: Compresión.
En este tiempo, el pistón comienza la carrera de subida. La válvula de admisión se
cierra. Debido a que comprime la mezcla de gas, la temperatura y presión dentro de la
cámara se incrementan ya que la mezcla no tiene forma de expandirse. Este tiempo es un
proceso de compresión isentrópica11. Esto se puede ver en la figura, en la curva 1-2.
- Tercer tiempo: Combustión.
Unos milisegundos después de que el pistón alcanza el punto muerto superior (P.M.S),
la bujía produce una chispa la cual inflama la mezcla de combustible. En este momento,
la temperatura y presión se incrementan instantáneamente hasta niveles críticos. Debido a
esto, la mezcla ejerce una gran fuerza sobre el pistón, el cual es despedido por esta fuerza
1 Ferguson y Kirkpatrick; “Internal Combustion Engines: Applied Thermosciences”, Wiley, Segunda ed., 2001
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77
hasta el P.M.I. Este es un proceso de adición de calor a volumen constante22. En la figura
es la curva 2-3.
2 Ibidem.
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88
- Cuarto tiempo: Escape:
Una vez que el pistón ha llegado al P.M.I, la válvula de escape se abre para que cuando
el pistón suba de nuevo al P.M.S., los gases sean expelidos por el conducto de escape. En
esta etapa, la temperatura y presión disminuyen como consecuencia de la salida de los
gases residuo de la combustión. Este es un proceso isentrópico33. En la figura, es la curva
3-4.
FIGURA 1.1. El ciclo de Otto44
Las ecuaciones que rigen cada uno de estos procesos son55::
Adición de calor:
)( 23 TTmcQin v −=
Escape:
)( 14 TTmcQout v −=
33 Ibidem. 44 Sonntag, Borgnakke y Van Wylen; “Fundamentals of Thermodynamics”, Wiley, Quinta ed., 1998. 55 Ibidem..
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99
Carrera de Compresión:
γr
PP =
1
2 1
1
2 −= γrTT
Carrera de expansión:
2
3
2
3
PP
TT = γ)1(
3
4rP
P = 1
3
4 )1( −= γ
rTT
Las variables son:
m = Masa del gas en el cilindro ( 11
11TR
VP).
cv = Calor específico a volumen constante.
r = Relación de compresión.
γ= Relación de calores específicos.
La eficiencia térmica de este ciclo se puede determinar de la siguiente manera66:
)1(
)1(1
)()(11
2
32
1
41
23
14
−
−−=
−−
−=−=−=
TTT
TTT
TTmcTTmc
QQQ
v
v
h
l
h
lhthη
Pero, ya que 1
4
2
3
TT
TT =
, se puede decir que:
11
2
1 11)(11 −− −=−=−= γγη
rr
TT
th
La relación de compresión se puede determinar así77:
66 Sonntag, Borgnakke y Van Wylen; “Fundamentals of Thermodynamics”, Wiley, Quinta ed., 1998 77 Ibidem
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1100
2
1
VVr =
1.2 Análisis de fuerzas para el pistón
Para este análisis se toman en cuenta las partes que componen al pistón (La manivela
que va al cigueñal, la palanca que va entre la manivela y la cabeza del pistón, y la cabeza
del pistón). Se deben tener en cuenta la fuerza que ejerce el gas sobre el pistón, la cual
está compuesta por una componente horizontal que va dirigida hacia el cilindro en el
sentido contrario a donde va la manivela, y una fuerza vertical. Al mirar el diagrama se
cuerpo libre para cada parte, se tiene que:
FIGURA 1.2. Análisis de fuerzas del mecanismo del pistón.88
Aquí se tiene el diagrama para todo el mecanismo. Podemos ver la manivela en blanco,
la barra conectora con rayas negras y la cabeza del pistón dentro de las paredes que hacen
de cilindro, soportando la fuerza (líneas rojas) que se produce de la explosión del
combustible debido a la presión generada de la combustión. A continuación se muestra el
diagrama de cuerpo libre de la cabeza del pistón:
88 NORTON, ROBERT; “Design of machinery”, Mc Graw-Hill, Tercera Edición, Pág. 647.
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1111
FIGURA 1.3. Análisis de fuerzas del pistón.99
Se pueden ver las componentes de la fuerza que ejerce el gas sobre el pistón debido al
aumento de presión que se produce la combustión del combustible. Esta fuerza se
propaga a través de la barra conectora (FIGURA 1.4) para aplicar a la manivela
(FIGURA 1.5) que hará que le cigüeñal se mueva.
FIGURA 1.4. Barra conectora. FIGURA 1.5. Manivela.
Definiendo el movimiento, la velocidad y la aceleración del mecanismo se obtiene que:
Wt = El ángulo entre la manivela y la línea vertical imaginaria que pasa por el centro
del pistón.
φ= Angulo entre la barra conectora y la vertical.
L = Longitud de la barra conectora.
R = Longitud de la manivela.
)2cos)4
((cos)4
(2
wtl
rwtrl
rlX ++−≈10
99 Ibidem, pág. 647. 1100 Ibidem, pág. 649
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1122
)2)2
(( wtsenl
rsenwtrwV +−≈11
)2cos)((cos2 wtlrwtrwA +−≈
12
Al analizar el análisis de fuerzas del gas y el torque que aplica este sobre el cigüeñal se
tienen las siguientes ecuaciones:
Fg = Fuerza del gas.
Ap = Área del pistón
Pg = Presión del cilindro
B = Diámetro del cilindro
PgApFg −=
2
4BAp π=
2
4PgBFg π
−=
TTgg == RRXXFFgg
)cos1( wttrrsenwtFTg g +=
1.3 Mezcla del gas combustible
En la última década, la humanidad ha tomado conciencia del gran daño que se le está
haciendo al medio ambiente, con la emisión de partículas que destruyen la capa de ozono
y de otras que contaminan las ciudades, tales como CO, CO2 y NOx. Es por esto que se
1111 Ibidem, pág. 649 1122 Ibidem, pág. 649
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1133
han comenzado investigaciones para conocer y producir fuentes de energía limpias para
empezar a reducir la contaminación ambiental. Hay una fuente que ha tomado mucha
fuerza en los últimos años y es el hidrógeno. Compañías automotrices como BMW y
General Motors han sido pioneras en el desarrollo tecnológico para adaptar motores que
funcionan con gasolina a hidrógeno. Pero debido a lo novedoso de estas investigaciones,
no se han publicado números en cuanto a las variaciones en el diseño de los motores.
Lo que se busca con el uso del hidrógeno como combustible es reducir las emisiones
de CO2, CO y NOx. Debido a esto, se debe tener en cuenta las curvas que afectan el
aumento de estas emisiones con respecto a la cantidad de hidrógeno a utilizar. En el
ANEXO 11133 se puede ver el comportamiento de las emisiones con respecto a la relación
de mezclas aire-combustible estequiométrico (A/Fest) a aire-combustible actual (A/Fact),
Ǿ. Cuando Ǿ, es menor a 1, significa que se está trabajando con una mezcla pobre; es
decir, que la cantidad de hidrógeno que se usa en la mezcla es menor a la que se usa
estequiométricamente. Pero en esto, hay que tener en cuenta el porcentaje de hidrógeno
que necesita la mezcla para que esta se inflame. Hay un límite inferior y un límite
superior de flamabilidad. Para el hidrógeno, el límite inferior está en 4% y el superior en
75%. Esto nos da un rango bastante amplio para poder experimentar con distintas
cantidades de hidrógeno en la mezcla.
En el gráfico del anexo, podemos ver que el Ǿ para el que las emisiones son cercanas al
cero (0.3 g/KWh) y se tiene una cantidad aceptable de hidrógeno, es de 0,5. Tomando
este dato, se hace el balanceo de la ecuación química que dicta la reacción del hidrógeno
en presencia de oxígeno (oxidación del hidrógeno):
Ecuación estequiométrica (Ǿ=1):
22222 76.3276.32 NOHNOH +>−++
1133 Recuperado el 3 de Febrero de 2005 de la página de internet: http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf
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1144
Ecuación con Ǿ=0,5:
222222 5.076.3)76.3( ONOHNOH ++>−++
Es decir, que por cada mol de hidrógeno que hay en la mezcla, hay 4,76 moles de aire
(3.76 moles de nitrógeno y 1 de oxígeno). En porcentaje, sería un 17,36% de hidrógeno y
un 82,64% de aire en la mezcla.
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1155
CCAAPPÍÍTTUULLOO 22CCÁÁLLCCUULLOOSS DDEE LLOOSS PPAARRÁÁMMEETTRROOSS DDEE DDIISSEEÑÑOO
2.1 Condiciones iniciales:
Las condiciones de entrada para el aire en cuanto a temperatura y presión serán de 25°C
(273.15°K) y 1atm (101,3 KPa), respectivamente. El motor que se va a utilizar para
realizar los cálculos pertinentes es el de un Mazda Allegro modelo 97. Los datos
técnicos del motor son::1144
Tipo: Cuatro cilindros en línea.
DOHC-16V (Double Over Head Cam) en la culata: Cuatro válvulas por cilindro.
Diámetro del pistón: 78,0mm.
Carrera: 83,6mm.
Cilindrada: 1598 centímetros cúbicos.
Relación de compresión. 9,0.
Longitud de la barra conectora (l): 0,145m.
Longitud de la manivela (r): 0,04m.
Volumen de desplazamiento por cilindro: 399,5cc.
Volumen total: 449,4cc.
Volumen cámara de combustión: 49,9cc.
1144 Manual del conductor, Mazda Allegro; Compañía Colombiana Automotriz S.A.
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1166
2.2 Presiones y Temperaturas críticas.
2.2.1 Carrera de admisión:
En esta carrera las presiones y temperaturas se mantienen muy similares a las iniciales,
ya que la bajada del pistón, aumentando el volumen, se compensa con la entrada de
combustible a la cámara de combustión.
2.2.2 Carrera de compresión:
Las presiones y temperaturas críticas en esta etapa se encuentran al final de la carrera;
es decir, cuando el pistón alcanza el PMS. Para el cálculo de estas presiones y
temperaturas se tiene lo siguiente:
La presión, PP22, es:
γrPP =
1
2 MPaKPaP 210,2)9)(3,101( 403,12 ==
Donde,
KKgKJKKgKJ
CC
v
p
*/0849,10*/2091,14403,1 ===γ
La temperatura, TT22, es:
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1177
1
1
2 −= γrTT
KKT 722)9)(298( )1403,1(2 == −
Esta temperatura es buena ya que no sobrepasa la temperatura de auto ignición del
hidrógeno (585°C ó 858°K). Esta temperatura es crítica, ya que si se sobrepasan los
858°K, la mezcla puede hacer auto ignición o, pre ignición, que es cuando la mezcla
explota sola antes de que la chispa generada por la bujía la haga inflamarse. Este
fenómeno es muy perjudicial para la duración del motor, ya que ejerce la fuerza en el
momento en el que el pistón va subiendo, generando grandes esfuerzos en los
componentes del pistón y produciendo en su cara superior cavitaciones.
2.2.3 Carrera de Expansión:
Para esta etapa, la presión y temperatura críticas se encuentran en el momento después
que la bujía genera la chispa, cuando la presión y la temperatura se incrementan
violentamente como producto del calor generado por la chispa (QQiinn) Así:
cs
sc
fmezclain q
FFq
mm
KgKJQφ
φ+
==1
)/( 1155 para 1≤φ
Donde,
Fs = Relación combustible-aire estequiométrica. Para el hidrógeno, 1/34.
Qc = Calor de combustión del combustible. Para el hidrógeno, 141,6 MJ/Kg.
MJQin 052,2=
1155 Ferguson y kirkpatrick; “Internal Combustion Engines: Applied Thermosciences”, Wiley, segunda ed., 2001.
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1188
23 TCM
QTVGAS
IN +×
=
1
11
TRPMVPM
U
GASGAS =
)()( 22 HHAIREAIREGAS YMYMPM ×+×=
Maire = 28,97 g.
Yaire = 0,83
MH2 = 2,016 g.
YH2 = 0,17
KmolKgPMGAS /29,24=
Ru = 8,315 Kj/Kmol*Kg 11046,4 −×=GASM
KT 198,20493 =
2
3
2
3
PP
TT = .307.6269)(
2
323 KPa
TTPP ==
En los motores de gasolina, La temperatura y presión en este punto suele de ser de más o
menos 2000°K y 5 MPa, respectivamente.
2.2.4 Carrera de Escape:
En esta etapa, las la presión y la temperatura se reducen drásticamente debido a la
salida de los gases que quedaron como producto de la combustión del gas. El punto
donde están más reducidas es al final de la carrera:
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1199
γ)1(3
4rP
P = .354,2874 KPaP =
1
3
4 )1( −= γ
rTT
.326,8454 KT °=
2.3 Relación de compresión
La relación de compresión es la relación entre el volumen entre la cámara de
combustión y el pistón cuando se encuentra en el PMI y el volumen entre la cámara de
combustión y el pistón cuando se encuentra en el PMS. Si llamamos al primer volumen
V1 y al segundo volumen V2, La relación de compresión estaría determinada por:
camara
camara
VVVVr
++=
2
1
Esta relación determina que tan altas van a estar las temperaturas y presiones que se van
a desarrollar en la cámara de combustión, a lo largo de todo el proceso. Cuando la
relación de compresión es muy alta, la compresión de la mezcla es mayor, obligándola a
permanecer dentro del volumen de la cámara de combustión. Esto hace que la
temperatura y la presión debidas a esa compresión sobre la mezcla, aumenten. Por el
contrario, cuando la relación de compresión es baja, las presiones y temperaturas
mencionadas anteriormente también disminuyen, ya que la mezcla no es comprimida
tanto.
2.4 Fuerza y torque ejercidos por el gas
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2200
La fuerza del gas aparece como la variable más importante dentro del proceso de la
combustión de este para hacer funcionar un motor. Cuando el gas sufre la chispa de la
bujía en total compresión, este se expande. Pero, para expandirse, este debe ejercer una
fuerza contra el pistón para hacerlo bajar y poder expandirse.
El torque es el producto de la fuerza perpendicular ejercida por el gas sobre la manivela
que va conectada al cigüeñal.
La fuerza máxima que se genera en el momento de la expansión se determina de la
siguiente manera:
2
4PgBFg π
−=
La presión ejercida por el gas en el momento de la expansión ya fue encontrada
anteriormente y es la presión PP33,,
PPgg=PP33= 6269,307 KPa.
Así,
Fg = 29960 N
El torque desarrollado para esta fuerza es de,
NmrFg 28,1198=×=τ
Estos 30 KN son generados por la combustión y son los que hacen que el pistón
empiece la carrera de escape hacia abajo, hasta el PMI. El torque generado, es el que hace
que el cigüeñal se tenga una velocidad angular para llevar potencia a las ruedas y poder
mover el automóvil. A mayor torque, el cigüeñal se moverá más rápido y transmitirá
mayor potencia a las ruedas. Por el contario, si el torque es menor, el cigüeñal no se
moverá tan rápido. Al hacer un análisis del torque con respecto el tiempo, hay un límite
de revoluciones en el que el torque es máximo; pero, al sobrepasar este límite, el torque
vuelve a decaer. Esto infiere que hay un rango óptimo para el funcionamiento del motor
que depende de esta curva de torque con respecto al tiempo. El torque máximo se da en el
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2211
punto medio de la carrera hacia el PMI, después de la combustión. El comportamiento del
torque y de la fuerza ejercida con el gas, así como el caudal de entrada de aire a la cámara
de combustión se pueden ver en los ANEXOS.
2.5 Análisis de resistencia de materiales
Para saber que tipo de materiales se podían realizar, se eligieron dos tipos de materiales
y se les hicieron los respectivos análisis para saber cuanta carga podrían soportar. En este
análisis se toman en cuenta la biela (barra conectora entre la manivela y el pistón), la
manivela y el cilindro.
●● Biela:
Para la biela se utiliza un análisis de vigas que se explica continuación:1166
- Ecuación de Euler:
2
2
lEICPcr
π= 2
2
)/( klEC
APcr π=
Donde,
A = El área de la viga.
C = Constante de condición final de la viga. Como se puede ver en la FIGURA 2.1, hay
diferentes valores para distintas terminaciones de la viga. Para este caso, el final de la
biela es fija-redondeada, por lo que se toma a C igual a dos.
1166 SHIGLEY, Joseph; MISCHKE, Charles; BUDYNAS, Richard; “Mechanical Engineering Design”; Mc Graw-Hill, Séptima Edición, 2003, Pág. 217 – 221.
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2222
Figura 2.1. Valores de la constante de condición final de una viga..1177
E = Es el módulo de elasticidad para un material determinado.
(l/k) = Relación de Slenderness. Esta relación es usada en la clasificación de columnas,
de acuerdo a las categorías de longitudes..1188
Pero hay otra relación de Slenderness conocida como (l/k)11, la cual es utilizada para
determinar por qué camino analizar la viga. La relación se calcula de la siguiente manera:
212
1 )2()(ySCE
kl π=
Sy = La resistencia a la tensión del material.
Cuando (l/k) es mayor a (l/k)1, se debe usar la ecuación de Euler. Pero, cuando (l/k) es
menor a (l/k)1, entonces se usa un análisis diferente llamado, análisis de Jonson. Este se
describe a continuación:1199
CEklS
SAp y
ycr 1)
2( 2
π−= 1)(
kl
kl≤
1177 Ibidem, pág. 220. 1188 Ibidem, pág. 218. 1199 Ibidem, pág. 221.
IM-2005-I-37
2233
Para el cilindro se analizan los esfuerzos, radial, tangencial y longitudinal de la siguiente manera:
( )( )( )22
221
inout
inoutt rr
rrP−+=σ 20
( )
−
−×= 2
2
221
2
1in
out
inout
inr r
rrrPrσ 21
−×= 22
21
inout
outl rr
rPσ 22
En el ANEXO 2 se ve el programa diseñado para hacer los cálculos de resistencia de
materiales.
2.6 Lubricación de cilindro y pistón
Para saber que características de lubricante usar en un motor, se deben tener en cuenta
cuales son los agentes químicos contra los que tienen que luchar y las temperaturas a las
que van a trabajar para evitar el desgate entre el cilindro y el pistón. Los agentes químicos
que se presentan en la cámara de combustión son, en su mayoría producto de la
combustión de la mezcla.
La combustión de una mezcla pobre (∅=0.5) de hidrógeno con aire, da como resultado
una cantidad pequeña de NOx, una muy pequeña de sulfuros que vienen con el aire del
ambiente y, en su mayoría, agua. A diferencia de la gasolina, el hidrógeno no se
2200 Ibidem, pág. 149. 2211 Ibidem, pág. 149. 2222 Ibidem, pág. 149.
IM-2005-I-37
2244
descompone en ninguna clase de elementos hidrocarbonosos, ya que no es un
hidrocarburo. Esta es una variable muy importante, ya que los elementos hidro-
carbonosos actúan como una película lubricante en las paredes del cilindro. Debido a que
el hidrógeno no produce residuos sólidos, no tiene estas ayudas lubricantes. Esto lleva a
utilizar viscosidades de lubricante más altas que las acostumbradas en los motores que
funcionan con gasolina.
La combustión del hidrógeno con el aire es muy similar a la combustión de gas con
aire. En los dos casos se produce agua y NOx. Debido a esto, los dos deben tener las
mismas características en cuanto al diseño del aceite. Debido a esto, se puede utilizar un
combustible que se utilice en la actualidad en motores de gas.
En su libro, “Fundamentos de Lubricación” (Traducido por el profesor e Ingeniero
Rafaela. Beltrán), J. George Wills habla de los aditivos y viscosidades que deben tener
los lubricantes que se usan en los motores que funcionan con gas. Se hablan de las
siguientes características:23
- Se recomienda una viscosidad SAE de 30 o 40.
- Se deben utilizar dispersantes para controlar los depósitos y barnices resultantes de
la oxidación y la nitración.
- Se deben usar detergentes metalo-orgánicos con un porcentaje de 0,4% - 0,9% de
cenizas para controlar los desgastes de los asientos de la válvula y la superficie de la
misma. Las cenizas reemplazan los elementos hidrocarbonosos que hacen de
película lubricante en la gasolina.
2.7 Cálculos de anillos y sellos de la cámara de combustión
2233 Wills, J. George, “Fundamentos De Lubricación”, Traducido por Rafael G. Beltrán, Profesor Titular, Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes, Bogotá D.C. Colombia.
IM-2005-I-37
2255
Para poder diseñar un sello se necesitan tener en cuenta la fricción que hay entre el
cilindro y el pistón. Los anillos se encuentran alojados en unas muescas que tiene la
cabeza del pistón y van hasta la pared del cilindro donde actúa como un sello para evitar
que los productos de la combustión (en este caso, agua y NOx) se salgan de la cámara de
combustión y entren al alojamiento de la biela y el cigüeñal.
Para esta ocasión, se decidió utilizar una nueva tecnología de anillos, en donde se
utilizan materiales poliméricos. Esta tecnología la ha desarrollado Una empresa llamada,
“Apple Rubber”. En su página de internet, esta empresa da unas pautas para escoger el
material que se debe utilizar y las condiciones de esfuerzos y tensiones a las que deben
estar sometidos los anillos.
Como el material que se va a utilizar es un polímero, es conveniente que los anillos
estén siempre a tensión. Por esto, se debe mirar el porcentaje de estiramiento que debe
tener el anillo en condiciones iniciales. Apple Rubber recomienda un rango de 1% a 5%
de estiramiento de los anillos, teniendo como el óptimo, un 2% de elongación.
También es importante tener en cuenta lo apretado que va estar el anillo al ser instalado
entre el pistón y el cilindro, ya que de esta compresión depende el buen sello de la cámara
de combustión.
Para calcular la sección transversal del anillo, se debe considerar el tamaño del collarín
que debe ser llenado, Así como la cantidad de compresión que se necesita para mantener
un buen sello. El collarín tiene un pequeño claro entre las dos superficies compañeras
(Claro diametral). La sección transversal del anillo debe ser mayor a su altura. Las
ecuaciones para obtener la máxima y la mínima sección transversal son las siguientes:2244
2244 Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online.
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2266
DESEADAELONGACIÓNMUESCADIAMETROANILLOID
__%__ =
Donde ID_ANILLO es el diámetro interior del anillo.
1001..__.
2_._._._.
_%_ ×
−
−
=SCORINGMAX
MUESCAMAXDIAMCILINDROMINDIAM
COMPRESIONMÁX
1001..__.
2_._._._.
_%_ ×
−
−
=SCORINGMIN
MUESCAMINDIAMCILINDROMAXDIAM
COMPRESIONMIN
1001_
_._% ×
−=
ANILLOIDMUESCADIAMELONGACIÓN
Para realizar los cálculos se tomen las siguientes medidas:
- Diámetro de la muesca = Diámetro del pistón – Profundidad de la muesca
= 0.081m - 0.001m = 0.080m = 80mm.
- % elongación deseada = 2%.
- Diámetro del cilindro = 0.0815mm = 81.5mm.
- Claro diametral (C) = 0.0005m = 0.5mm
- Ancho de la muesca (B) = 0.003m = 3mm.
- Profundidad de la muesca (D) = 0.002m = 2mm.
- Sección transversal del anillo = 0.0036m = 3.6mm
- Tolerancia de la sección transversal del anillo = 0.0005m = 0.5mm
- Tolerancia del diámetro de la muesca = 0.0001m = 0.1mm
- Tolerancia del diámetro del cilindro = 0.0001m = 0.1mm
IM-2005-I-37
2277
La muesca y las dimensiones del anillo se pueden ver en las FIGURAS 2.2 Y 2.3.
FIGURA 2.2. Descripción de las muescas (GROOVES), cuello (GLAND) y claro diametral (diametrical clearence) entre el pistón y el cilindro.2255
FIGURA 2.3. Dimensiones del anillo.2266
2255 Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online.
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2288
Según los datos anteriores, se obtienen los siguientes resultados:
D.I. ANILLO = 0.07843m
MAX. % COMPRESION DEL ANILLO = 81%.
MIN. % COMPRESIÓN DEL ANILLO = 76%.
CCAAPPÍÍTTUULLOO 33AANNÁÁLLIISSIISS DDEE LLOOSS CCÁÁLLCCUULLOOSS
3.1 Elección de los parámetros de diseño
Los aspectos que se tomaron en cuenta para diseñar la cámara de combustión y
determinar las condiciones de funcionamiento óptimas fueron la relación de compresión,
las temperaturas y presiones críticas en cada etapa del ciclo, la eficiencia térmica, las
dimensiones de la carrera y el pistón y la fuerza del gas.
Se hicieron numerosas iteraciones para poder maximizar todas las variables de acuerdo
a las posibilidades de materiales que se tienen y el costo que tendría usar materiales de
alta calidad. La franja de iteraciones más posible se puede ver en el ANEXO 3, como
resultado de un programa hecho en EXCEL, las cuales se hicieron de acuerdo a las
ecuaciones mostradas anteriormente en los capítulos 1 y 2. En el ANEXO, la elección
está subrayada con color naranja.
La variable que se consideró como la más relevante fue la relación de compresión. La
razón es que la relación de compresión es la que afecta directamente el incremento de las
temperaturas y presiones máximas dentro de la cámara de combustión, además de la
2266 Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online.
IM-2005-I-37
2299
eficiencia térmica. Al incrementar la relación de compresión, la eficiencia térmica se
incrementa al igual que la presión y la temperatura, fenómeno que pueden ver en la tabla
del ANEXO 4 y en las FIGURAS 3.1 y 3.2. En el ANEXO, la elección está subrayada
con color naranja.
En los motores a gasolina, se acostumbra a diseñar los pistones y las carreras de tal
manera que la relación carrera a diámetro sea cercana a 1. Esto se hace porque si el
diámetro del pistón es más grande que la carrera, hay más posibilidades de que se
presenten depósitos de elementos hidrocarbonosos en los anillos del pistón, produciendo
mayor fricción y desgaste. Pero en el caso del hidrógeno, este problema desaparece.
Entonces en los motores que funcionan con hidrógeno se puede buscar obtener la relación
diámetro a carrera más alta posible para que el motor pueda alcanzar altas revoluciones.
En las iteraciones, se toman como constantes la carrera y el volumen de la cámara de
combustión, variándolas para obtener diferentes resultados en las demás variables. Se
toma un rango de relaciones de compresión que estén dentro de lo posible y luego se mira
la mayor relación diámetro a carrera posible y que la fuerza ejercida por el gas no sea
demasiado grande, ya que destrozaría el pistón y elevaría las presiones a niveles
inconvenientes como se puede ver en la FIGURA 1.9.
FIGURA 3.1. Relación de compresión versus la eficiencia térmica.
Eficiencia Termica Ciclo de Otto
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
0,000 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000
Rc
Efic
ienc
iaTe
rmic
a(%
)
IM-2005-I-37
3300
Se decidió tomar una relación de compresión cercana al 10 para evitar incrementar el
costo del motor por tener que utilizar materiales más resistentes. Mirando en el ANEXO
3, se puede ver que, con una relación de compresión de 10,1, se obtienen los siguientes
resultados:
• Carrera: 78 mm.
• Diámetro del pistón: 81 mm.
• Area del pistón: 5121 mm2.
• Volumen total: 443400 mm2
• Volumen de desplazamiento: 400 cm3
• Volumen de la cámara de combustión: 43,93 cm3
• Eficiencia térmica: 60,61%.
• Masa del gas a utilizar: 0.44 g.
• Temperatura al final de la compresión: 756,53 °K.
• Presión al final de la compresión: 2595,51 KPa.
• Temperatura al final de la explosión: 2101,29 °K
• Presión al final de la explosión: 7209 KPa.
• Temperatura al final del escape: 827,7 °K.
• Presión al final del escape: 281,36 KPa.
• Fuerza ejercida por el gas sobre el pistón: 36,921 KN.
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
0 200 400 600 800 1000
T PMS 1-2 (°k)
Rc
IM-2005-I-37
3311
FIGURA 3.2. Temperatura en la carrera de compresión versus relación de compresión.
IM-2005-I-37
3322
FIGURA 3.3. Comportamiento de la fuerza que ejerce el gas con el aumento de la presión
Se decidió escoger estos parámetros, ya que escoger parámetros más altos, implicaría
un costo mucho mayor para construir el motor por cuenta de los materiales de alta
resistencia que se tendrían que utilizar y por un segundo factor que es muy importante en
la vida del motor: La pre-ignición o detonación. Este fenómeno se da cuando la mezcla se
inflama antes de que se produzca la chispa de la bujía, en el momento en el que el pistón
está subiendo. La inflamación anticipada se produce por las altas temperaturas que se
presentan en la cámara de combustión debidas a la alta relación de compresión. Es
importante evitar este fenómeno ya que esto produce grandes esfuerzos al pistón y a la
biela y lo comienza a desgastar de forma acelerada.
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3333
3.2 Diseño de la cámara de combustión
3.2.1 Cilindro
Para escoger el material del cilindro se realizaron los cálculos de los esfuerzos
tangenciales, radiales, longitudinales y de Von Mises como se mostró en la sección 2.5.
Se debe tener en cuenta el factor de seguridad, ya que se va a transportar personas. En el
ANEXO 5, podemos ver que se seleccionaran como posibles materiales al Acero 1030 y
al Aluminio 2024 T3. En ambos casos, los materiales son trabajados con forja en caliente,
ya que de esta manera, el material resiste más los esfuerzos a tensión y tracción que
cuando se hace por fundido.
Al ver los factores de seguridad (Para el Acero es de 307,8 y para el Aluminio es de
408,4) se ve que los materiales resisten perfectamente los esfuerzos a los que está
expuesto. Entonces se pasa a mirar que tan caros son cada uno de estos materiales.
Tomando en cuenta esto último, se puede tomar el acero 1030 como material para hacer
el cilindro.
Pensando en reducir las temperaturas en la cámara de combustión y, así, poder
incrementar un poco más la relación de compresión, se puede hacer un traslapo de
válvulas. Esto significa que las válvulas de admisión se abren antes de que las de escape
se cierren e introducen aire fresco para ayudar a extraer los gases calientes que quedan de
la combustión. De esta manera, se limpia la cámara de combustión de posibles puntos
calientes que ayudan a la pre-ignición, se extrae el vapor agua producido más
efectivamente y, por consiguiente se reducen las temperaturas de funcionamiento. Con
este mismo fin, se pueden poner cuatro válvulas por cada cilindro y, de esta manera, tener
más salidas de escape.
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3344
3.2.2 Pistón
El pistón será hecho del mismo material y de la misma manera que el cilindro; es decir,
de Acero 1030 forjado en caliente. La cara del pistón que soporta la fuerza ejercida por el
gas, se puede hacer plana, ya que la mezcla del combustible es homogénea (el hidrógeno
se disipa muy rápido en el aire por lo que queda bien mezclado). Al quedar homogénea,
la mezcla no necesita ser direccionada ni sometida a turbulencias. Entonces no se necesita
que el pistón tenga formas en la superficie ni que la culata donde van las válvulas tenga
forma hemisférica (En motores que funcionan con gasolina, la tapa es hemisférica para
direccionar la gasolina para que se acerque a la bujía debido a que esta no se disipa tan
bien en el aire como el hidrógeno y la mezcla no queda homogénea). Entonces la cámara
de combustión tendría una forma de disco, ya que el pistón sería plano, al igual que la
culata.
Como ya se había dicho anteriormente, el diámetro del pistón puede ser más grande que
la carrera para que el motor pueda funcionar a altas revoluciones.
3.2.3 Anillos y sellos
Dado que el material que se va a utilizar es un polímero, es mejor que este se encuentre
a tensión cuando este en condiciones iniciales (con el motor sin funcionar). Si se deja un
solo anillo, este puede sufrir un fenómeno de extrusión con el incremento de la presión,
como se puede ver en la FIGURA 3.427. Debido a esto, se deben instalar dos anillos
más, que ayuden a distribuir la presión entre estos, además de lubricar las paredes del
cilindro a través de conductos dentro de estos.
2277 Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online
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3355
Para elegir el polímero utilizar, Apple rubber presenta unas tablas donde muestran qué
materiales son resistentes a determinados componentes químicos. Viendo el motor que
funciona con hidrógeno, se tiene que los componentes químicos que atentarían contra la
vida de los anillos son el agua y los NOx, además de pequeñas cantidades de sulfuros que
vienen con el aire que se recoge del medio ambiente. La tabla de compatibilidad química
se puede ver en el ANEXO 4. Al analizar esta tabla, vemos que el polímero que mejor
soporta el ataque químico del agua, los NOx y los sulfuros es el TEFLON® Virgin..2288
El TEFLON® Virgin es un polímero duro, químicamente inerte, que tiene rango de
temperaturas de trabajo amplio. Sella especialmente bien, en condiciones de alta
exposición química con temperaturas extremas.2299 Tiene una dureza Shore A de 98 y un
rango de temperaturas de -185°C (-300°F) a 234°C (450°F).
3.2.4 Inyección del hidrógeno
La inyección del hidrógeno dentro de la cámara de combustión es muy importante por
varios fenómenos que se pueden presentar. Si se considerara introducir el hidrógeno
como se hace con la gasolina, el hidrógeno se mezclaría con el aire entes de entrar a la
cámara de combustión. En el momento de entrar a la cámara de combustión, puede
ocurrir el fenómeno de pre-ignición dependiendo de las temperaturas que se manejen. Si
se llegara a presentar pre-ignición en el momento de admisión, la llama se propagaría por
toda la entrada de admisión ya que la mezcla es homogénea. Al ocurrir esto, la llama se
extendería por fuera de la cámara de combustión, deteriorando las partes del motor que
estuvieran en contacto con esta llama.
2288 Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online. 2299Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online.
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3366
Para evitar lo anterior, se puede pensar en inyectar el hidrógeno directamente a la
cámara de combustión, momentos antes de que se produzca la chispa. De esta manera, el
hidrógeno entrará en la cámara de combustión cuando las válvulas estén cerradas y se
evitará la propagación de la llama. Entonces, el inyector irá directamente a la cámara de
combustión y por las válvulas entraría sólo el aire que se mezclaría con el hidrógeno
dentro de la cámara de combustión, instantes antes de que se produzca la chispa.
IM-2005-I-37
3377
CCAAPPÍÍTTUULLOO 44CCOONNCCLLUUSSIIOONNEESS
El trabajo de investigación que se llevó a cabo para realizar este proyecto, permitió
profundizar en una tecnología nueva que se ha vuelto prioridad en la construcción de
motores de combustión para automóviles, debido a razones ambientales. Han surgido
varias alternativas como el gas, combustibles hechos de alcoholes, hidrógeno y otros. El
hidrógeno ha tomado mucha fuerza para convertirse en la opción que reemplazaría a la
gasolina en un futuro cercano. Debido a lo nuevo de estas tecnologías, quienes las han
desarrollado, no entregan información técnica de estos temas. Es por esto, que este
proyecto toma más relevancia.
En materia técnica se puede decir que se comprobó la posibilidad de que el hidrógeno
se convierta en el combustible del futuro. Así, el tema se divide en tres aspectos: El
aspecto termodinámico, concerniente a las temperaturas que se pueden alcanzar dentro de
la cámara de combustión y el efecto de éstas en la reacción química que se produce como
resultado de la combustión de la mezcla de hidrógeno con aire. Otro aspecto sería el del
análisis de fuerzas y presiones que se presentan en cada una de las etapas del ciclo de
OTTO dentro de la cámara. El último aspecto corresponde al análisis de los materiales a
usar, dependiendo de los aspectos anteriores, así como el diseño de las partes que
componen el sistema; en este caso, el pistón (con su biela y manívela) el cilindro y la
culata.
Para el aspecto termodinámico se evaluaron las temperaturas críticas o importantes en
cada una de las etapas del ciclo; es decir, se tomaron las temperaturas al final de cada
carrera del pistón.
Viendo los resultados que se obtuvieron, se concluye que las temperaturas no son
demasiado diferentes a las de la gasolina, especialmente, en la temperatura que se alcanza
en el momento después de que se produce la chispa de la bujía. Según los cálculos, con el
IM-2005-I-37
3388
hidrógeno se alcanza una temperatura de 2101°K (1828°C), que es apenas 100 grados
más alta de lo que se consigue con la gasolina (en promedio 2000°K o 1727°C). Entonces
la temperatura no sería un factor crítico para seleccionar los materiales que facilitan la
construcción de las partes. Pero sí hay un factor importante y es el de evitar que la
temperatura de la cámara sobrepase la temperatura de auto ignición del hidrógeno en el
momento de la compresión. Si esto llegara a suceder, se correría el riesgo de que la
mezcla se inflamara espontáneamente, al estar por encima de los 571°C (854°K es la
temperatura de auto ignición del hidrógeno3300.. Al ocurrir esto, la fuerza que ejerce el gas
sobre el pistón, actuaría sobre éste antes de que subiera completamente, generando unos
esfuerzos bastante dañinos sobre la biela y el pistón. Esta pre ignición debe tenerse muy
en cuenta para no reducir la vida de los componentes. En este caso, dada la mezcla pobre
que se utilizó, se obtuvo una temperatura de 756,5°K (483.5°C), la cual se encuentra por
debajo de la de auto ignición31.
También se debe hablar de la forma en que se inyectaría la mezcla dentro de la cámara
de combustión. Como se dijo en esta sección, es recomendable que el hidrógeno se
introduzca directamente a la cámara para evitar la propagación de la llama a través de los
conductos de admisión. Este fenómeno ocurre debido a que el hidrógeno se mezcla
homogéneamente con el aire y, en presencia de una temperatura alta, la llama de la
ignición se puede propagar por el conducto de entrada (estando las válvulas de entrada
abiertas), dañando varias partes del motor que no deberían estar expuestas a estas llamas
y temperaturas. La propagación se da, debido a que por este conducto entra el aire a la
cámara; al haber presencia de oxígeno, la llama se alimenta de este y sigue la estela por el
conducto.
En cuanto a la mezcla que se debe usar, se encontró que se debe trabajar con una
mezcla pobre de hidrógeno para conseguir cero emisiones. Tomando en cuenta la gráfica
expuesta sobre el comportamiento de las emisiones con respecto a la cantidad de
3300 Recuperado el 20 de Febrero de 2005 de la página de Internet: http://www-safety.deas.harvard.edu/services/hydrogen.html#physical 3311 MMiirraarr rreennggllóónn ssuubbrraayyaaddoo eenn nnaarraannjjaa eenn eell AANNEEXXOO 33..
IM-2005-I-37
3399
hidrógeno que se debe usar en la mezcla, se decidió tomar un ∅ de 0.5, lo que significa
que en la mezcla va a haber un 50% de exceso del aire, el cual es necesario para la
reacción con el hidrógeno. De esta manera se obtienen cantidades muy pequeñas de NOx,
teniendo como principal emisión, el agua. Esto es muy bueno ambientalmente, pero
perjudicial para la potencia que pueda desarrollar el motor, ya que ésta se reduce al usar
una mezcla pobre. Según un pdf. sobre motores de combustión interna (ICE)3322, al usar
este ∅, la potencia se reduciría en un 50 %. Para solucionar este problema, se deben usar
supercargadores que aumenten el caudal de aire por la cámara de combustión y, así,
aumentar la cantidad de energía en la cámara y generar mayor potencia en cada
explosión. Pero, entonces, se tendrían que recalcular las temperaturas dentro de la
cámara, ya que éstas aumentarían como consecuencia del incremento de la temperatura
de entrada del aire, el cual ya no entraría a temperatura ambiente sino a una temperatura
mayor debido a la compresión adiabática que le imprimiría el supercargador.
También se encontró que la eficiencia térmica resultó ser mucho más alta que con
gasolina, obteniendo un 60,6% en la tabla de cálculos de Excel realizados por el autor.
En cuanto al análisis de fuerzas y presiones, se encontró que, para un pistón de 51,21
cm2 área la fuerza máxima es la que se produce después de la chispa, obteniendo una
magnitud de 36,9 KN. La presión en este mismo momento alcanza una magnitud crítica
de 7,21 MPa.33 Aunque la fuerza que ejerce esta mezcla es mayor que la que ejerce la
mezcla con gasolina, la diferencia es de 7 KN en promedio ya que la fuerza realizada por
la mezcla con gasolina oscila entre 25 y 30 KN. Para el caso de la presión, en cambio, la
diferencia es más grande. Con gasolina, la presión oscila por los 5 MPa. La diferencia es
de 2 MPa, aproximadamente. En los cálculos de Excel realizados (VER ANEXO 2) se
escogió el Acero 1030 y al Aluminio AL2024 T-3, como posibles candidatos para la
construcción de las partes. Se optó por escoger el Acero 1030, ya que ofrecía una
seguridad bastante alta de que va a resistir y es más barato que el Aluminio. El peso del
3322 Recuperado el 16 de Febrero de 2005 de la página de internet: http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf 3333 MMiirraarr rreennggllóónn ssuubbrraayyaaddoo eenn nnaarraannjjaa eenn eell AANNEEXXOO 33..
IM-2005-I-37
4400
motor, al hacerlo con Acero, aumentaría con relación al Aluminio, pero no afecta
críticamente la capacidad de desarrollar potencia ni la capacidad de funcionar a altas
revoluciones.
Con respecto al último aspecto, el diseño, se sugieren varias alternativas que pueden
servir para bajar los costos de construcción y, al mismo tiempo, optimizar el
funcionamiento del motor:
- Se recomienda hacer el pistón plano en la superficie que da hacia la cámara de
combustión, ya que la homogeneidad de la mezcla aire - hidrógeno, hace
innecesario direccionar la mezcla hacia el área donde se produce la chispa. Con la
gasolina, éste si es un problema, ya que la gasolina no se mezcla homogéneamente
con el aire, por lo que hay que direccionar el combustible hacia el área donde se va
a producir la chispa y aprovechar todo el poder de la expansión.
- Por lo anterior, la parte de la culata donde se encuentran alojadas las válvulas es
hemisférico. Esta forma le permite al combustible (gasolina) acercarse más al sitio
donde está la bujía. Pero con el hidrógeno, esto no es necesario, por la
homogeneidad de la mezcla. Por ello, se podría pensar en hacer esta parte de la
culata plana34.
-- Se puede pensar en el uso de cuatro válvulas por cilindro (dos de admisión y dos de
escape) para hacer más eficaz la extracción de los gases calientes que quedan de la
combustión. De esta manera se evitan que queden puntos calientes dentro de la
cámara de combustión, los cuales son principales causas de que ocurra detonación,
fenómeno que, como ya habíamos dicho, reduce la vida del pistón y el cilindro por
los grandes esfuerzos que produce sobre estos elementos. También se puede graduar
el eje de levas para que haya un traslapo de válvulas, en el que las válvulas de
admisión se abren antes de que las de escape se cierren, metiendo aire fresco a la
cámara de combustión para que haga un barrido de gases y puntos calientes y los
3344 Recuperado el 16 de Febrero de 2005 de la página de internet: http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf
IM-2005-I-37
4411
expulse más efectivamente. Esto ya se hace en los nuevos automóviles que
funcionan con gasolina para este fin.3355
- Tocando el tema de los anillos y los sellos, se decidió utilizar una nueva tecnología
de anillos construidos con materiales poliméricos. Se tomaron las dimensiones que
se habían elegido como las óptimas y, de acuerdo a las ecuaciones utilizadas por la
página de Apple Rubber36para encontrar las dimensiones y el material que se debía
escoger de acuerdo a la compatibilidad química con los productos de la combustión,
se resolvió diseñar con tres anillos para evitar la extrusión del primer anillo debido a
la presión. Además, se consideró que, por el material que se utiliza, era mejor que el
anillo estuviera a tensión en condiciones iniciales, por lo que éste se diseñó con
diámetro interior menor que el de la muesca. Así mismo, la sección transversal del
anillo debe hacerse más grande que el claro entre la muesca y la pared del cilindro,
para que quedara comprimido y el sello fuera mejor. Con esto se evita que el agua,
producto de la combustión, se salga de la cámara de combustión por otros sitios que
no sean las válvulas de escape.
Por la similitud de los productos que deja la combustión del gas y del hidrógeno, se
decidió utilizar un lubricante que fuera diseñado para motores a Gas. Con esto, se evita el
problema de no tener la película lubricante que producen los hidrocarbonos que quedan
de la combustión de la gasolina, usando detergentes metalo - orgánicos y se elude el daño
que pudieran producir las pequeñas cantidades de NOx utilizando dispersantes.
Por último, se demostró que con el hidrógeno se pueden hacer relaciones de diámetro
del pistón – carrera mayores a uno. En el programa que se hizo en EXCEL y que se
encuentra en el ANEXO 3, se puede ve que se pueden alcanzar relaciones de hasta 1,3 sin
haber sobrepasado la temperatura de auto ignición del hidrógeno en la etapa de
compresión, con una relación de compresión de hasta 13 y una eficiencia térmica del
64%. El problema en este caso extremo, sería que la presión máxima se incrementaría a
3355 Fuente de Curso de Colmotores tomado en Mayo de 2005. 3366 Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online.
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9,9Mpa, generando una temperatura máxima de 2220°K. Estas presiones desgastarían
más los materiales usados en la actualidad y se tendría que pensar en conseguir materiales
más resistentes. Tomando en cuenta lo dicho anteriormente, se optó por seleccionar la
siguiente configuración del motor:
- Carrera: 0.078m.
- Diámetro pistón: 0.081m.
- Area pistón: 0.005121m.
-- Vol. Desplazamiento: 4x10(-4)m33..
-- Vol. Cámara: 3.49x10(-5)m33..
- Relación compresión: 10.1.
- Eficiencia térmica: 60.61%.
- Masa del gas: 0.44g.
- Temp. Compresión: 756°K.
- Presión compresión: 2.6MPa.
- Temp. Explosión: 2101.3°K.
- Presión Explosión: 7,21MPa.
- Temp. Escape: 827°K.
- Presión Escape: 281.36KPa.
- Fuerza del Gas: 36.92KN.
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CCAAPPÍÍTTUULLOO 55RREECCOOMMEENNDDAACCIIOONNEESS
Se recomienda hacer un análisis más exhaustivo para saber si conviene hacer la culata
plana o mantenerla hemisférica, ya que, al hacerla plana, se puede interrumpir el flujo de
aire entre las válvulas de entrada y las de escape cuando hay traslapo de válvulas.
Se recomienda además, investigar sobre el tipo de refrigerante a usar en las camisas del
cilindro de tal forma que se reduzca más efectivamente la temperatura de las paredes del
cilindro.
Por último, se sugiere hacer la inversión necesaria para plasmar toda la teoría expuesta
anteriormente en un motor real y mirar qué posibles factores en la práctica pueden afectar
los cálculos hechos en este proyecto.
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CCAAPPÍÍTTUULLOO 66AAGGRRAADDEECCIIMMIIEENNTTOOSS
Es este el momento más preciso para agradecer a todos aquellos profesores y personas
de la Universidad de los Andes que estuvieron alrededor mío durante todo el transcurso
de mis estudios. Agradecerles por haberme enriquecido con toda su vastedad de
conocimientos pero, más aún, con sus propias experiencias personales. Agradecerles
porque, además de enseñarme sobre lo que es la Ingeniería Mecánica, siempre se
preocuparon por formarnos como personas correctas que siempre utilicemos nuestros
conocimientos para bien.
Gracias a la Universidad de los Andes por haberme dejado ser parte de la institución
universitaria más sobresaliente de Colombia y, por qué no, una de las mejores de
Latinoamérica. Hoy, cuando me encuentro finalizando esta etapa de mi vida, me siento
muy orgulloso de poderme graduar y decir que fui y soy UNIANDINO.
Finalmente, agradecerles a mis padres por haberme dado alientos cuando intente
desfallecer y cuando creía que ya no podía más. A mi hermanita por acompañarme en el
estudio mientras tecleaba este proyecto y darme ánimos. A toda mi familia y mis suegros
por el solo hecho de existir y preocuparse por como iba evolucionando hacia mi meta,
preguntándome y dándome confianza.
Y, por supuesto, a ti mi amor, por aconsejarme, por aguantarme cuando estuve de mal
genio, por tomarte el trabajo de leer toda mi tesis y darme tus opiniones. Pero, sobre todo,
por quererme y hacerme sentir especial..
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4455
CCAAPPÍÍTTUULLOO 77BBIIBBLLIIOOGGRRAAFFÍÍAA
•• Ferguson y Kirkpatrick; “Internal Combustion Engines: Applied Thermosciences”,
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ed., 1998.
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Profesor Titular, Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería,
Universidad de los Andes, Bogotá D.C. Colombia.
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AANNEEXXOO 22 CCÁÁLLCCUULLOOSS DDEE RREESSIISSTTEENNCCIIAA DDEE MMAATTEERRIIAALLEESS
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5500
AANNEEXXOO 33 IITTEERRAACCIIOONNEESS DDEELL PPRROOGGRRAAMMAA DDEE EEXXCCEELL..
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AANNEEXXOO 44 TTAABBLLAA DDEE DDAATTOOSS DDEE LLAASS FFIIGGUURRAASS 33..11 YY 33..22
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AANNEEXXOO 55 TTAABBLLAA DDEE CCOOMMPPAATTIIBBIILLIIDDAADD QQUUÍÍMMIICCAA DDEE MMAATTEERRIIAALL PPAARRAALLOOSS AANNIILLLLOOSS3388
3388 Recuperado el 6 de Junio de 2005 la página de Internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online.
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ω(RPM)= 3400 Area Pistón(m^2)= 0,00478N° Cilindros = 4 Area Inyector(m^2)= 0,0000071Volumen total (cm³) = 449,4 A/F BASADA EN VOLUMEN = 4,80L (m)= 0,145 λ= 2,00R (m)= 0,04 k mezcla = 1,403mB (kg)= 0,00526 T3 PMS (°K)= 2049,198ØPISTON (m) = 0,0780 T4 PMI (°K)= 845,326T Auto-ignición (°K) = 858 P2 PMS 1-2 (KPa) = 2210,099P1 PMI 1-2 (KPa) = 101,300 P3 PMS (kPa)= 6269,307T1 PMI 1-2 (°K) = 298 P4 PMI (kPa)= 287,354T2 PMS 1-2 (°K) = 722 Fg(N)= -2,996E+04
Φexceso de aire = 0,50 Volumen Aire PMI (m³)= 0,00011235Cv (kJ/Kg °k) = 3,47 Volumen Hidrógeno PMI (m³)= 2,34063E-05
r bugia (m)= 0,0015 Carrera(m) = 0,084Calor Comb. Qc (Kj/Kg)= 141600,00 Rc = 9,000
ηTERMICA 0,587484503CTE. UNIVERSAL GAS Ru (Kj/Kmol*K) 8,315 L/R = 3,625Cte. Gas R (Kj/(Kg*K)) = 4,12418 B/S = 0,933V1 (m^3) = 4,494E-04 Torque τ (Nm) -1198,280852V2 (m^3) = 4,993E-05Vd (m^3) = 3,995E-04 MOLES DE H2 1Masa del Gas m (g) = 4,463E-01 PESO MOLECULAR H2 Mf (Kg/Kmol) 2,016Masa de H2 m (g) = 6,471E-03 MOLES DE AIRE 4,76Masa de aire m (g) = 4,398E-01 PESO MOLECULAR AIRE Ma (Kg/Kmo 28,97Densidad gas (Kg/m^3) = 9,930E+02 FRACCIÒN MOLAR DE H2 Yf 0,173611111Qin (2-3) (Kj) = 2052,173913 FRACCIÒN MOLAR DE AIRE Ya 0,826388889Qout (4-1) (Kj) = 846,5535423 PESO MOLECULAR GAS M (Kg/Kmol) 24,29048611
Los criterios para escoger el mejor fueron el que tuviera la mayor relación Diám del pistón/ Carrera, pero que a su vez tuviera una presión y una temperatura de combustión aceptables y una relación de compresión no muy alta.
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Carrera (m) ØPISTON (m) Area
Pistón(m^2)Vol. total
(m^3)
Vol. Desplazamie
nto (m^3)
Vol. Cámara (m^3) Rc ηTERMICA
Masa del Gas m (g)
T2 PMS 1-2 (°K)
P2 PMS 1-2 (KPa) T3 PMS (°K) P3 PMS (kPa) T4 PMI (°K) P4 PMI (kPa) Fg(N)
0,040 0,113 0,009987 4,054E-04 3,995E-04 0,00000593 68,3203037 0,81774627 0,40258373 1635,0831 37973,6898 3105,88589 72132,0816 566,059301 192,422172 720367,0470,041 0,111 0,009743 4,064E-04 3,995E-04 0,00000693 58,6114203 0,80613333 0,40357677 1537,13889 30625,8772 3004,32262 59857,9714 582,438028 197,98984 583208,040,042 0,110 0,009511 4,074E-04 3,995E-04 0,00000793 51,3499837 0,79551933 0,40456981 1457,35048 25438,8515 2920,93293 50986,4853 597,274316 203,033182 484943,5080,043 0,109 0,009290 4,084E-04 3,995E-04 0,00000893 45,714141 0,78571113 0,40556285 1390,64616 21610,2796 2850,64495 44298,281 610,861497 207,651911 411532,1630,044 0,108 0,009079 4,094E-04 3,995E-04 0,00000993 41,2129685 0,77657008 0,40655589 1333,75151 18685,3829 2790,18415 39089,4847 623,410636 211,917776 354889,0780,045 0,106 0,008877 4,104E-04 3,995E-04 0,00001093 37,5351394 0,76799279 0,40754893 1284,44287 16388,7566 2737,32674 34926,7242 635,079527 215,884416 310049,2640,046 0,105 0,008684 4,114E-04 3,995E-04 0,00001193 34,4736777 0,75989982 0,40854198 1241,14858 14544,6934 2690,50093 31529,2721 645,989765 219,593165 273805,0650,047 0,104 0,008499 4,124E-04 3,995E-04 0,00001293 31,8856176 0,75222854 0,40953502 1202,72124 13036,2595 2648,55921 28707,6538 656,237385 223,076668 243997,4050,048 0,103 0,008322 4,134E-04 3,995E-04 0,00001393 29,6690346 0,74492862 0,41052806 1168,30044 11782,8714 2610,64102 26329,5692 665,899794 226,361239 219122,9570,049 0,102 0,008152 4,144E-04 3,995E-04 0,00001493 27,7493044 0,73795891 0,4115211 1137,22621 10727,3424 2576,08628 24299,9671 675,040465 229,468453 198104,7870,050 0,101 0,007989 4,154E-04 3,995E-04 0,00001593 26,0705361 0,73128521 0,41251414 1108,98252 9828,06099 2544,37883 22548,877 683,712214 232,416266 180152,4930,051 0,100 0,007833 4,164E-04 3,995E-04 0,00001693 24,5900411 0,72487882 0,41350718 1083,15908 9054,08735 2515,10827 21023,6986 691,959548 235,219806 164673,7250,052 0,099 0,007682 4,174E-04 3,995E-04 0,00001793 23,2746519 0,71871532 0,41450022 1059,42494 8381,979 2487,94354 19684,1604 699,82039 237,891965 151216,4080,053 0,098 0,007537 4,184E-04 3,995E-04 0,00001893 22,0982083 0,71277377 0,41549326 1037,50969 7793,67702 2462,61408 18498,9297 707,327369 240,443834 139429,9580,054 0,097 0,007398 4,194E-04 3,995E-04 0,00001993 21,0397991 0,70703601 0,4164863 1017,18987 7275,06362 2438,89634 17443,2784 714,5088 242,885038 129038,6220,055 0,096 0,007263 4,204E-04 3,995E-04 0,00002093 20,0825092 0,70148624 0,41747934 998,278938 6814,95614 2416,60366 16497,4411 721,389447 245,223997 119822,7440,056 0,095 0,007133 4,214E-04 3,995E-04 0,00002193 19,212508 0,69611055 0,41847238 980,619761 6404,39166 2395,57878 15645,4371 727,991118 247,468122 111605,3560,057 0,094 0,007008 4,224E-04 3,995E-04 0,00002293 18,4183771 0,69089666 0,41946543 964,078866 6036,10943 2375,68812 14874,212 734,333137 249,623983 104242,4180,058 0,094 0,006887 4,234E-04 3,995E-04 0,00002393 17,6906066 0,68583364 0,42045847 948,542037 5704,17038 2356,81734 14173,0015 740,432727 251,697434 97615,59420,059 0,093 0,006771 4,244E-04 3,995E-04 0,00002493 17,0212121 0,68091173 0,42145151 933,910868 5403,67344 2338,86794 13532,8531 746,305316 253,69372 91626,8420,060 0,092 0,006658 4,254E-04 3,995E-04 0,00002593 16,4034408 0,67612218 0,42244455 920,100044 5130,54131 2321,75448 12946,2631 751,964788 255,617561 86194,29920,061 0,091 0,006549 4,264E-04 3,995E-04 0,00002693 15,8315426 0,67145706 0,42343759 907,035172 4881,3567 2305,40246 12406,8968 757,423698 257,473223 81249,12610,062 0,091 0,006443 4,274E-04 3,995E-04 0,00002793 15,300591 0,66690923 0,42443063 894,651041 4653,23579 2289,74657 11909,3705 762,693438 259,264581 76733,05340,063 0,090 0,006341 4,284E-04 3,995E-04 0,00002893 14,8063404 0,66247219 0,42542367 882,890207 4443,72947 2274,72925 11449,0809 767,784387 260,995162 72596,45910,064 0,089 0,006242 4,294E-04 3,995E-04 0,00002993 14,3451127 0,65813999 0,42641671 871,701837 4250,74552 2260,29956 11022,0695 772,706033 262,668192 68796,8470,065 0,088 0,006146 4,304E-04 3,995E-04 0,00003093 13,9137051 0,65390721 0,42740975 861,040759 4072,4868 2246,41222 10624,9141 777,467077 264,286627 65297,63270,066 0,088 0,006053 4,314E-04 3,995E-04 0,00003193 13,5093163 0,64976887 0,42840279 850,866672 3907,40174 2233,02683 10254,6418 782,075522 265,853189 62067,1670,067 0,087 0,005962 4,324E-04 3,995E-04 0,00003293 13,1294852 0,64572037 0,42939583 841,143486 3754,14433 2220,1072 9908,65766 786,538749 267,370387 59077,94570,068 0,086 0,005875 4,334E-04 3,995E-04 0,00003393 12,7720406 0,6417575 0,43038888 831,838775 3611,54168 2207,62079 9584,68725 790,863584 268,840541 56305,96390,069 0,086 0,005789 4,344E-04 3,995E-04 0,00003493 12,43506 0,63787634 0,43138192 822,923306 3478,56746 2195,53827 9280,72874 795,056356 270,265802 53730,18710,070 0,085 0,005707 4,354E-04 3,995E-04 0,00003593 12,1168351 0,63407325 0,43237496 814,370644 3354,31997 2183,83311 8995,01358 799,122944 271,648168 51332,11370,071 0,085 0,005626 4,364E-04 3,995E-04 0,00003693 11,8158422 0,63034487 0,433368 806,156819 3238,00412 2172,48123 8725,97366 803,068821 272,989502 49095,41250,072 0,084 0,005548 4,374E-04 3,995E-04 0,00003793 11,5307188 0,62668806 0,43436104 798,260032 3128,9163 2161,46074 8472,21389 806,899098 274,291539 47005,61930,073 0,083 0,005472 4,384E-04 3,995E-04 0,00003893 11,2602418 0,62309988 0,43535408 790,660411 3026,4318 2150,75166 8232,48911 810,618548 275,555903 45049,88320,074 0,083 0,005398 4,394E-04 3,995E-04 0,00003993 11,0033111 0,61957761 0,43634712 783,339797 2929,99423 2140,33574 8005,68463 814,231645 276,784113 43216,75180,075 0,082 0,005326 4,404E-04 3,995E-04 0,00004093 10,7589338 0,61611866 0,43734016 776,281554 2839,10651 2130,19626 7790,79964 817,742584 277,977597 41495,99060,076 0,082 0,005256 4,414E-04 3,995E-04 0,00004193 10,526212 0,61272065 0,4383332 769,470412 2753,32334 2120,31783 7586,93314 821,155308 279,137694 39878,42790,077 0,081 0,005188 4,424E-04 3,995E-04 0,00004293 10,304331 0,60938131 0,43932624 762,892321 2672,24471 2110,68632 7393,27188 824,473528 280,265666 38355,82390,078 0,081 0,005121 4,434E-04 3,995E-04 0,00004393 10,0925507 0,60609851 0,44031928 756,534335 2595,51035 2101,28869 7209,07999 827,70074 281,362701 36920,7577
TABLA DE COMBINACIONES DE LOS PARÁMETROS DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN
55
IM-2005-I-37
0,079 0,080 0,005057 4,444E-04 3,995E-04 0,00004493 9,89019674 0,60287026 0,44131233 750,384494 2522,79501 2092,11288 7033,69003 830,840247 282,429923 35566,53020,080 0,080 0,004993 4,454E-04 3,995E-04 0,00004593 9,69665343 0,59969466 0,44230537 744,431736 2453,80436 2083,14774 6866,49531 833,895169 283,468391 34287,08030,081 0,079 0,004932 4,464E-04 3,995E-04 0,00004693 9,5113576 0,59656993 0,44329841 738,665807 2388,27145 2074,38293 6706,9431 836,868457 284,47911 33076,91270,082 0,079 0,004872 4,474E-04 3,995E-04 0,00004793 9,33379308 0,59349438 0,44429145 733,077189 2325,95365 2065,80884 6554,52888 839,76291 285,46303 31931,03480,083 0,078 0,004813 4,484E-04 3,995E-04 0,00004893 9,16348589 0,59046641 0,44528449 727,657035 2266,62998 2057,41652 6408,79117 842,581182 286,421053 30844,90180,084 0,078 0,004756 4,494E-04 3,995E-04 0,00004993 9 0,5874845 0,44627753 722,397103 2210,09879 2049,19766 6269,30706 845,325791 287,354036 29814,36880,085 0,077 0,004700 4,504E-04 3,995E-04 0,00005093 8,84293365 0,58454722 0,44727057 717,289708 2156,1757 2041,14447 6135,68835 847,999134 288,262793 28835,6490,086 0,077 0,004645 4,514E-04 3,995E-04 0,00005193 8,691916 0,58165321 0,44826361 712,327677 2104,69186 2033,24969 6007,57799 850,603492 289,1481 27905,27650,087 0,076 0,004592 4,524E-04 3,995E-04 0,00005293 8,54660424 0,57880115 0,44925665 707,504298 2055,49232 2025,50654 5884,64712 853,141034 290,010694 27020,07410,088 0,076 0,004539 4,534E-04 3,995E-04 0,00005393 8,406681 0,5759898 0,45024969 702,81329 2008,43469 2017,90863 5766,5923 855,613832 290,851279 26177,12460,089 0,076 0,004488 4,544E-04 3,995E-04 0,00005493 8,271852 0,573218 0,45124273 698,248762 1963,38791 2010,45 5653,13314 858,023862 291,670528 25373,7450,090 0,075 0,004439 4,554E-04 3,995E-04 0,00005593 8,14184402 0,57048462 0,45223578 693,805189 1920,23112 2003,12503 5544,01016 860,373011 292,469081 24607,46480,091 0,075 0,004390 4,564E-04 3,995E-04 0,00005693 8,01640301 0,56778857 0,45322882 689,477375 1878,85275 1995,92845 5438,98289 862,663083 293,247551 23876,00520,092 0,074 0,004342 4,574E-04 3,995E-04 0,00005793 7,8952925 0,56512884 0,45422186 685,260436 1839,14963 1988,85529 5337,82818 864,895804 294,006527 23177,26180,093 0,074 0,004295 4,584E-04 3,995E-04 0,00005893 7,77829203 0,56250444 0,4552149 681,14977 1801,02624 1981,90086 5240,33863 867,072826 294,746568 22509,28850,094 0,074 0,004250 4,594E-04 3,995E-04 0,00005993 7,66519588 0,55991443 0,45620794 677,141041 1764,39401 1975,06075 5146,3213 869,195733 295,468214 21870,28320,095 0,073 0,004205 4,604E-04 3,995E-04 0,00006093 7,55581182 0,55735791 0,45720098 673,230155 1729,17073 1968,33078 5055,59643 871,266042 296,17198 21258,57540,096 0,073 0,004161 4,614E-04 3,995E-04 0,00006193 7,44996004 0,55483403 0,45819402 669,413249 1695,27996 1961,70701 4967,99636 873,28521 296,858362 20672,61420,097 0,072 0,004118 4,624E-04 3,995E-04 0,00006293 7,34747217 0,55234194 0,45918706 665,686666 1662,65058 1955,18571 4883,36453 875,254635 297,527834 20110,95870,098 0,072 0,004076 4,634E-04 3,995E-04 0,00006393 7,24819036 0,54988087 0,4601801 662,04695 1631,21633 1948,76333 4801,55459 877,175662 298,180854 19572,26820,099 0,072 0,004035 4,644E-04 3,995E-04 0,00006493 7,15196649 0,54745004 0,46117314 658,490826 1600,91539 1942,43653 4722,42955 879,049581 298,817861 19055,29420,100 0,071 0,003995 4,654E-04 3,995E-04 0,00006593 7,05866141 0,54504872 0,46216618 655,015189 1571,69005 1936,20212 4645,86111 880,877636 299,439277 18558,87240,101 0,071 0,003955 4,664E-04 3,995E-04 0,00006693 6,96814431 0,54267621 0,46315923 651,617096 1543,48633 1930,05708 4571,72893 882,661021 300,045508 18081,91660,102 0,071 0,003916 4,674E-04 3,995E-04 0,00006793 6,88029207 0,54033183 0,46415227 648,29375 1516,25376 1923,99855 4499,92004 884,400889 300,636946 17623,41180,103 0,070 0,003878 4,684E-04 3,995E-04 0,00006893 6,79498871 0,53801493 0,46514531 645,042494 1489,94503 1918,02379 4430,3283 886,098349 301,213969 17182,40890,104 0,070 0,003841 4,694E-04 3,995E-04 0,00006993 6,71212489 0,53572488 0,46613835 641,860804 1464,51581 1912,13019 4362,8539 887,75447 301,776939 16758,01960,105 0,070 0,003804 4,704E-04 3,995E-04 0,00007093 6,63159745 0,53346108 0,46713139 638,746275 1439,92449 1906,31529 4297,40286 889,370285 302,326207 16349,41180,106 0,069 0,003769 4,714E-04 3,995E-04 0,00007193 6,55330893 0,53122293 0,46812443 635,69662 1416,13196 1900,57672 4233,88666 890,946788 302,862113 15955,80520,107 0,069 0,003733 4,724E-04 3,995E-04 0,00007293 6,47716724 0,52900988 0,46911747 632,709658 1393,10149 1894,91222 4172,22181 892,484942 303,384982 15576,46760,108 0,069 0,003699 4,734E-04 3,995E-04 0,00007393 6,40308529 0,52682138 0,47011051 629,783309 1370,79848 1889,31965 4112,32954 893,985675 303,89513 15210,71110,109 0,068 0,003665 4,744E-04 3,995E-04 0,00007493 6,33098059 0,5246569 0,47110355 626,91559 1349,19037 1883,79695 4054,13544 895,449883 304,392863 14857,88930,110 0,068 0,003632 4,754E-04 3,995E-04 0,00007593 6,26077503 0,52251594 0,47209659 624,104606 1328,24646 1878,34216 3997,56916 896,878435 304,878475 14517,3940,111 0,068 0,003599 4,764E-04 3,995E-04 0,00007693 6,19239457 0,52039801 0,47308963 621,348549 1307,9378 1872,95339 3942,56417 898,27217 305,352251 14188,65260,112 0,067 0,003567 4,774E-04 3,995E-04 0,00007793 6,12576894 0,51830263 0,47408267 618,645688 1288,23704 1867,62884 3889,0575 899,631898 305,814467 13871,12570,113 0,067 0,003535 4,784E-04 3,995E-04 0,00007893 6,06083144 0,51622934 0,47507572 615,99437 1269,11837 1862,3668 3836,98948 900,958407 306,265391 13564,30450,114 0,067 0,003504 4,794E-04 3,995E-04 0,00007993 5,99751873 0,51417771 0,47606876 613,393012 1250,55736 1857,16561 3786,30354 902,252457 306,705281 13267,70910,115 0,067 0,003474 4,804E-04 3,995E-04 0,00008093 5,93577056 0,51214728 0,4770618 610,840097 1232,53092 1852,02369 3736,94602 903,514784 307,134388 12980,88640,116 0,066 0,003444 4,814E-04 3,995E-04 0,00008193 5,87552967 0,51013766 0,47805484 608,334175 1215,01718 1846,93951 3688,86598 904,746104 307,552954 12703,40820,117 0,066 0,003414 4,824E-04 3,995E-04 0,00008293 5,81674152 0,50814844 0,47904788 605,873852 1197,99542 1841,91163 3642,01505 905,947109 307,961215 12434,86970,118 0,066 0,003385 4,834E-04 3,995E-04 0,00008393 5,75935419 0,50617922 0,48004092 603,457794 1181,44598 1836,93863 3596,34723 907,118471 308,3594 12174,88790,119 0,065 0,003357 4,844E-04 3,995E-04 0,00008493 5,70331821 0,50422962 0,48103396 601,08472 1165,35025 1832,01917 3551,81877 908,26084 308,747728 11923,10040,120 0,065 0,003329 4,854E-04 3,995E-04 0,00008593 5,64858639 0,50229928 0,482027 598,753401 1149,69052 1827,15196 3508,38806 909,374849 309,126417 11679,1636
55
IM-2005-I-37
5544
IM-2005-I-37
5555
AANNEEXXOO 66 PPRROOGGRREESSOO DDEELL CCAAUUDDAALL DDEELL AAIIRREE
Caudal Aire (m^3/s)
0,000,010,020,030,040,050,060,070,08
0 50 100 150 200
IM-2005-I-37
5566
AANNEEXXOO 77 FUERZA NETA VERSUS RREECCOORRRRIIDDOO AANNGGUULLAARR DDEELL CCIIGGUUEEÑÑAALL
FUERZA NETA
36000
36500
37000
37500
38000
38500
390000 40 80 120
160
200
240
280
320
360
400
440
480
520
560
600
640
680
720
Angulo (°)
Fn
eta
(N)
IM-2005-I-37
5577
AANNEEXXOO 88 TTOORRQQUUEE VVEERRSSUUSS RREECCOORRRRIIDDOO AANNGGUULLAARR DDEELL CCIIGGÜÜEEÑÑAALL
TORQUE TOTAL
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
20000 50 100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
Angulo (°)
Torq
ueTo
tal(
Nm
)
IM-2005-I-37
5588
AANNEEXXOO 99 VVEELLOOCCIIDDAADD DDEELL PPIISSTTÓÓNN VVEERRSSUUSS EELL RREECCOORRRRIIDDOO AANNGGUULLAARRDDEELL CCIIGGÜÜEEÑÑAALL
Velocidad(m/s)
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
0 180 360 540 720
IM-2005-I-37
5599
AANNEEXXOO 1100 AACCEELLEERRAACCIIÓÓNN DDEELL PPIISSTTÓÓNN VVEERRSSUUSS EELL RREECCOORRRRIIDDOOAANNGGUULLAARR DDEELL CCIIGGÜÜEEÑÑAALL
Aceleración (m/s^2)
-7000
-5000
-3000
-1000
1000
3000
0 200 400 600 800
IM-2005-I-37
6600
AANNEEXXOO 1111 PPRROOGGRRAAMMAA ""AANNÁÁLLIISSIISS TTEERRMMOODDIINNÁÁMMIICCOO"" ((TTAABBLLAASS DDEECCOONNSSTTAANNTTEESS))
ωω((RRPPMM))== 33440000 AArreeaa PPiissttóónn((mm^̂22))== 00,,0000447788NN°° CCiilliinnddrrooss == 44 AArreeaa IInnyyeeccttoorr((mm^̂22))== 00,,00000000007711VVoolluummeenn ttoottaall ((ccmm³³)) == 444499,,44 AA//FF BBAASSAADDAA EENN VVOOLLUUMMEENN == 44,,8800LL ((mm))== 00,,114455 λλ== 22,,0000
RR ((mm))== 00,,0044 kk mmeezzccllaa == 11,,440033mmBB ((kkgg))== 00,,0000552266 TT33 PPMMSS ((°°KK))== 22004499,,119988ØØPPIISSTTOONN ((mm)) == 00,,00778800 TT44 PPMMII ((°°KK))== 884455,,332266TT AAuuttoo--iiggnniicciióónn ((°°KK)) == 885588 PP22 PPMMSS 11--22 ((KKPPaa)) == 22221100,,009999PP11 PPMMII 11--22 ((KKPPaa)) == 110011,,330000 PP33 PPMMSS ((kkPPaa))== 66226699,,330077TT11 PPMMII 11--22 ((°°KK)) == 229988 PP44 PPMMII ((kkPPaa))== 228877,,335544TT22 PPMMSS 11--22 ((°°KK)) == 772222 FFgg((NN))== --22,,999966EE++0044
ΦΦeexxcceessoo ddee aaiirree == 00,,5500 VVoolluummeenn AAiirree PPMMII ((mm³³))== 00,,0000001111223355CCvv ((kkJJ//KKgg °°kk)) == 33,,4477 VVoolluummeenn HHiiddrróóggeennoo PPMMII ((mm³³))== 22,,33440066EE--0055
rr bbuuggiiaa ((mm))== 00,,00001155 CCaarrrreerraa((mm)) == 00,,008844CCaalloorr CCoommbb.. QQcc ((KKjj//KKgg))== 114411660000,,0000 RRcc == 99,,000000
ηηTTEERRMMIICCAA 00,,55887744884455CCTTEE.. UUNNIIVVEERRSSAALL GGAASS RRuu ((KKjj//KKmmooll**KK)) 88,,331155 LL//RR == 33,,662255CCttee.. GGaass RR ((KKjj//((KKgg**KK)))) == 44,,1122441188 BB//SS == 00,,993333VV11 ((mm^̂33)) == 44,,449944EE--0044 TToorrqquuee ττ ((NNmm)) --11119988,,2288008855VV22 ((mm^̂33)) == 44,,999933EE--0055VVdd ((mm^̂33)) == 33,,999955EE--0044 MMOOLLEESS DDEE HH22 11MMaassaa ddeell GGaass mm ((gg)) == 44,,446633EE--0011 PPEESSOO MMOOLLEECCUULLAARR HH22 MMff ((KKgg//KKmmooll)) 22,,001166MMaassaa ddee HH22 mm ((gg)) == 66,,447711EE--0033 MMOOLLEESS DDEE AAIIRREE 44,,7766MMaassaa ddee aaiirree mm ((gg)) == 44,,339988EE--0011 PPEESSOO MMOOLLEECCUULLAARR AAIIRREE MMaa ((KKgg//KKmmooll)) 2288,,9977DDeennssiiddaadd ggaass ((KKgg//mm^̂33)) == 99,,993300EE++0022 FFRRAACCCCIIÒÒNN MMOOLLAARR DDEE HH22 YYff 00,,1177336611111111QQiinn ((22--33)) ((KKjj)) == 22005522,,1177339911 FFRRAACCCCIIÒÒNN MMOOLLAARR DDEE AAIIRREE YYaa 00,,8822663388888899QQoouutt ((44--11)) ((KKjj)) == 884466,,555533554422 PPEESSOO MMOOLLEECCUULLAARR GGAASS MM ((KKgg//KKmmooll)) 2244,,22990044886611
LLooss ccrriitteerriiooss ppaarraa eessccooggeerr eell mmeejjoorr ffuueerroonn eell qquuee ttuuvviieerraa llaa mmaayyoorr rreellaacciióónn DDiiáámm ddeell ppiissttóónn// CCaarrrreerraa,, ppeerroo qquuee aassuu vveezz ttuuvviieerraa uunnaa pprreessiióónn yy uunnaa tteemmppeerraattuurraa ddee ccoommbbuussttiióónn aacceeppttaabblleess yy uunnaa rreellaacciióónn ddee ccoommpprreessiióónn nnoo mmuuyy
aallttaa..
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6611
AANNEEXXOO 1122 PPRROOGGRRAAMMAA ""AANNÁÁLLIISSIISS TTEERRMMOODDIINNÁÁMMIICCOO"" ((TTAABBLLAASS DDEECCOOMMBBIINNAACCIIOONNEESS DDEE LLOOSS PPAARRÁÁMMEETTRROOSS DDEE LLAA CCÁÁMMAARRAA DDEE
CCOOMMBBUUSSTTIIÓÓNN))
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6622