FORMATO DE DESCRIPCIÓN

Diseño y fabricación de la estructura de un banco de pruebas para motores de combustión interna (MCI).

Luque Moreno, Héctor Andrés; Domínguez Gamboa, Luis Miguel.

Sierra Cetina, Mauricio.

Universidad Libre – Facultad de Ingeniería – Ingeniería Mecánica.

Palabras clave que describen el trabajo o tesis de grado, máximo cinco (5), palabras separadas por punto y coma ej. Derecho penal; Criminología

Titulo del documento Autor(es) Asesor

FORMATO DE DESCRIPCIÓN

1.Información General Unidad Patrocinante Palabras Claves

Keywords Palabras clave que describen el trabajo o tesis de grado, máximo cinco (5) palabras separadas por punto y coma, ej. Criminal law; Criminology

Si el trabajo o tesis de grado ha recibido algun premio o reconocimiento, este se debe relacionar en este campo.

Cubillo Hernandez, E. (2013). Implementación de un banco de pruebas para caracterización de máquinas eléctricas mediante un freno electrodinámico. Cartago: Escuela de Ingeniería Electrónica.

Gálvez Sandoval, E. D. (Marzo de 2013). DISEÑO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA. DISEÑO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA. Guatemala.

García Pamplona, J. (Marzo de 2007). Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna. Diseño de una sala de pruebas para motores alternativos de combustión interna. Barcelona, España: Escola Tècnica Superior d'Enginyeria Industrial de Barcelona.

García Sánchez, S., & García Prada, J. C. (01 de 03 de 2011). Diseño y simulación de una bancada de pruebas para el chasis de una motocicleta. Diseño y simulación de una bancada de pruebas para el ch asis de una motocicleta. Madrid, España: Universidad Carlos III de Madrid.

González León, A., & Tejada Vivas, M. A. (Febrero de 2006). Diseño de un banco de pruebas para motores de automóviles. Diseño de un banco de pruebas para motores de automóviles. Sartenejas, Venezuela: Universidad Simon Bolivar.

Hernandez Rueda, A., & Portillo Ortega, C. L. (2011). DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS DE UN MOTOR DIESEL. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS DE UN MOTOR DIESEL. Bucaramanga, Colombia:

Universidad Pontificia Bolivariana.

Hincapíé Valencia, G. A. (2013). DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA MECANISMOS MANIVELA-DESLIZADOR. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA MECANISMOS MANIVELA-MANIVELA-DESLIZADOR. Pereira, Colombia: Universidad Tecnológica de Pereira.

2. Resumen

Los motores de combustión interna son equipos altamente utilizados en diferentes industrias, una de sus diversas aplicaciones es la generación de energía eléctrica, por lo general con el objetivo de ser equipos de apoyo en momentos de déficit de suministro

eléctrico.

El análisis de los equipos generadores y equipos de combustión interna permite realizar evaluación de parámetros sensibles como costos, capacidades, límites entre otros; además de ser una base concreta para toma de decisiones a nivel de coordinación e incluso gerencial.

En este proyecto se plantea realizar un banco de pruebas desde su diseño, hasta la puesta en marcha de este, incluyendo la

elaboración de manuales de funcionamiento y de mantenimiento, este Proyecto se dejará a disposición de la Universidad Libre para que sea utilizado con fines académicos y que sea una herramienta útil para la formación en el área de máquinas térmicas para las futuras generaciones de ingenieros Unilibristas.

3. Fuentes

Elaborado por: Revisado por: 28 N O V 2020

Luque Moreno, Héctor Andrés; Domínguez Gamboa, Luis Miguel. Bohórquez Ávila, Carlos Arturo; Márquez Lasso, Ismael

Fecha de elaboración del Resumen:

4. Contenidos

CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN

CAPITULO 2. SELECCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES CAPITULO 3. DISEÑO DE LA BANCADA

CAPITULO 4. INSTALACIÓN Y PUESTA EN MARCHA CAPITULO 5. PRUEBAS DE LABORATORIO

CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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26/02/2020

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Atribución – Compartir igual: Esta licencia permite a otros remezclar, retocar, y

crear a partir de tu obra, incluso con fines comerciales, siempre y cuando te den crédito y licencien sus nuevas creaciones bajo las mismas condiciones.

En constancia a lo anterior,

TÍTULO DE LA OBRA:

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA.

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA (MCI).

LUIS MIGUEL DOMÍNGUEZ GAMBOA HÉCTOR ANDRÉS LUQUE MORENO

UNIVERSIDAD LIBRE DE COLOMBIA SEDE BOSQUE POPULAR FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA (MCI).

LUIS MIGUEL DOMÍNGUEZ GAMBOA COD. 065121066

HÉCTOR ANDRÉS LUQUE MORENO COD. 065121026

ING. MAURICIO SIERRA CETINA

UNIVERSIDAD LIBRE DE COLOMBIA SEDE BOSQUE POPULAR FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.

HOJA DE ACEPTACION

El trabajo de grado titulado “DISEÑO Y FABRICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA (MCI)” realizado por los estudiantes Luis Miguel Domínguez Gamboa y Héctor Andrés Luque Moreno con códigos 065121066 y 065121026 respectivamente, cumple con todos los requisitos legales exigidos por la Universidad Libre para optar al título de Ingeniero Mecánico.

____________________________________ Director de Proyecto

____________________________________ Firma del jurado

____________________________________ Firma del jurado

I. DEDICATORIA

En primera instancia agradecemos a nuestros padres por el gran apoyo que nos han brindado para llegar hasta este punto de nuestra vida profesional, a la Universidad Libre de Bogotá por permitirnos desarrollar nuestras actitudes y aptitudes en un ambiente profundamente ético, además queremos agradecer a todos los ingenieros de la facultad de ingeniería quienes fueron una guía permanente en nuestro proceso de formación profesional a tal punto de poder optar por el grado académico en la carrera de ingeniería mecánica.

II. RESUMEN

Los motores de combustión interna son equipos altamente utilizados en diferentes industrias, una de sus diversas aplicaciones es la generación de energía eléctrica, por lo general con el objetivo de ser equipos de apoyo en momentos de déficit de suministro eléctrico.

El análisis de los equipos generadores y equipos de combustión interna permite realizar evaluación de parámetros sensibles como costos, capacidades, límites entre otros; además de ser una base concreta para toma de decisiones a nivel de coordinación e incluso gerencial. En este proyecto se plantea realizar un banco de pruebas desde su diseño, hasta la puesta en marcha de este, incluyendo la elaboración de manuales de funcionamiento y de mantenimiento, este Proyecto se dejará a disposición de la Universidad Libre para que sea utilizado con fines académicos y que sea una herramienta útil para la formación en el área de máquinas térmicas para las futuras generaciones de ingenieros Unilibristas.

III. _{TABLA DE CONTENIDO}

CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN ... 8

1.1 INTRODUCCIÓN ... 8

1.2 ANTECEDENTES ... 8

1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 9

1.4 JUSTIFICACIÓN ... 10

1.5 OBJETIVOS ... 10

1.5.1 OBJETIVO GENERAL ... 10

1.5.2 OBJETIVO ESPECIFICO ... 10

1.6 MARCO TEORICO ... 11

1.6.1 Motor de combustión interna ... 11

1.6.2 Banco de pruebas ... 11

1.6.3 Freno ... 11

1.6.4 Combustión ... 12

1.6.5 Parámetros de un motor de combustión interna ... 12

1.6.6 Equipos de medición ... 13

1.7 MARCO CONCEPTUAL ... 14

1.8 MARCO LEGAL Y NORMATIVO ... 14

1.9 MARCO METODOLÓGICO ... 15 1.9.1 Investigación ... 15 1.9.2 Diseño ... 15 1.9.3 Montaje ... 15 1.9.4 Puesta en marcha ... 15 1.9.5 Conclusiones ... 15

2 CAPITULO 2. SELECCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES ... 16

3 CAPITULO 3. DISEÑO DE LA BANCADA ... 19

3.1 Cálculos Teóricos ... 19 3.1.1 Perfil largo ... 19 3.1.2 Perfil Corto ... 22 3.1.3 Geometría ... 25 3.1.4 Esfuerzos Combinados ... 28 3.2 Cálculos de transmisión ... 29 3.2.1 Datos ... 29

3.2.2 Corrección de potencia ... 30 3.2.3 Tipo de correa ... 30 3.2.4 Longitud de la correa ... 31 3.3 ANÁLISIS NUMÉRICO ... 31 3.3.1 Análisis estático ... 31 3.3.2 Análisis Modal ... 34

4 CAPITULO 4. INSTALACIÓN Y PUESTA EN MARCHA ... 35

4.1 Ubicación ... 35 4.2 Equipos de medición ... 36 4.2.1 Corriente ... 36 4.2.2 Velocidad angular ... 36 4.2.3 Volumen de combustible ... 37 4.2.4 Tiempo ... 37 4.3 Instalación Mecánica ... 37 4.4 Instalación Eléctrica ... 38

5 CAPITULO 5. PRUEBAS DE LABORATORIO ... 38

5.1 Potencia Eléctrica ... 38

5.2 Potencia Mecánica ... 41

5.3 Consumo Especifico de Combustible ... 42

6 CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 43

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ... 44

7 ANEXOS ... 46

Anexo A. Tabla General datos Potencia Mecánica y Torque... 46

CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN

1.1 _{INTRODUCCIÓN}

En el presente documento se encuentra consignado el diseño y la puesta en marcha de un banco de pruebas el cual pretende realizar el análisis de un motor de combustión interna, específicamente un motor a gasolina, además de permitir mediciones de potencia, torque y consumo especifico, asimismo permite la validación de los parámetros del motor.

En el diseño del banco comprende desde la selección del motor, hasta la selección de materiales, y tipos de vigas normalizadas que se utilizaron para la bancada o mesa en donde estará soportado el motor y el generador, además de mostrar con datos teóricos la razón de la selección de la piñonera de la transmisión entre el generador y el motor; El banco de resistencia no está contemplado en este estudio, pero se tendrá en cuenta las resistencias utilizadas para la toma de los datos.

El proyecto tiene como finalidad brindar una herramienta practica para los laboratorios de la Universidad Libre por lo cual se realizaron sus respectivos manuales de operación y mantenimiento para las personas que estén interesadas en utilizar el banco de pruebas.

1.2 _ANTECEDENTES

Con el pasar de los años, los motores de combustión interna se han vuelto parte esencial de la industria y de la vida cotidiana, el estudio de los motores se ha convertido en un análisis necesario tanto en temas de eficiencia como en temas energéticos y de medio ambiente. Los bancos de pruebas han tenido gran impacto puesto que en estos elementos se pueden comprobar diferentes parámetros de los motores de combustión interna, estos bancos a nivel industrial cuentan con diferentes sistemas avanzados para poder realizar mediciones específicas como el proyecto sustentado por los ingenieros de “Vulvo Hydraulics” de Zaragoza donde se expone un banco de pruebas con tecnología de medición laser, paneles desmontables que permiten el cambio de los motores a estudiar de una manera sencilla, (García Sánchez & García Prada, 2011); Aun así podemos hablar de tecnologías asociadas al control numérico donde existen actuadores que realizan correcciones de avance y caída de los motores en motores de baja potencia (Minota Peñaloza & Rodriguez Quimbayo, 2007).Ñ Aunque en la industria se tienen bancos totalmente avanzados, en el sector educativo los bancos de pruebas también son muy utilizados con el fin de enlazar la teoría y la práctica para estudiantes de diferentes áreas de la ciencia; los estudiantes y docentes que trabajan con estos bancos centran sus esfuerzos en dos (2) puntos críticos, el diseño y la extracción de datos de laboratorio.

En cuanto al diseño existen diferentes estructuras para un banco de condensadores tanto en la selección de materiales como en la geometría que se planea utilizar de acuerdo con los parámetros que se tengan en cuenta a la hora del diseño; según Carlos Tapia y como expone

en su tesis de pregrado el diseño se ve limitado y se dificulta por las vibraciones que genera el motor de combustión interna ya que esto puede ocasionar grietas, desgaste, fisuras y fatiga en especial elementos como los tanques y sistemas de escape (Tapia Rojas, 2006).

Muchos investigadores del tema han realizado diferentes diseños como: equipos con fabricados en aceros inoxidables para contrarrestar el efecto corrosivo del ambiente junto la utilización de elastómeros como el neopreno para inhibir el efecto negativo de las vibraciones (Hernandez Rueda & Portillo Ortega, 2011); estructura con bloques de hormigón y base de acero para la resistencia de motores de gran tamaño (Gálvez Sandoval, 2013); pero en esencia las estructuras se basan en la utilización del acero A36 como lo indica la norma internacional SAE J13, aun así la norma plantea la utilización de materiales de acuerdo con la prueba base que se realizara en el banco de pruebas (Marquez Benavides & Rojas Tarazona, 2011). La utilización de elementos de sujeción (soldadura y tornillos) está determinada por el diseñador el cual puede realizar los cálculos de manera teórica como es el caso de Néstor Romero quien plantea su método de cálculos para motores de diferentes potencias aunque no tiene en cuenta el efecto de las vibraciones, o puede realizar un análisis numérico por diferencias finitas para determinar sus materiales y procesos de soldadura como es el caso de un proyecto de grado de la universidad de Latacunga de Ecuador donde utilizan el software MSC VISUAL NOSTRAN 4D, para determinar puntos críticos en la estructura y determinar materiales de acuerdo con un factor de seguridad (González León & Tejada Vivas, 2006). Los bancos de condensadores también pueden utilizar métodos modernos como el diseño de estructura antisísmica, lo cual resulto favorable puesto que mitiga de una excelente manera los efectos nocivos generados por la vibración (García Pamplona, 2007), claro está que este diseño funciona muy bien por el tipo de motor que se utilizó ya que es un motor relativamente grande, aun así las vibraciones deben ser tomadas en cuenta a la hora del diseño y del mantenimiento del equipo, la tesis expuesta en la Universidad Tecnológica de Pereira explica una excelente metodología donde tiene en cuenta parámetros como los son, las vibraciones, la reducción de fricción lo que conlleva una selección de rodamientos, el tipo de transmisión y la detección de defecto logia en la puesta en marcha.

Teniendo en cuenta los párrafos anteriores está claro que para un diseño de un banco de pruebas se debe tener en cuenta:

 Pruebas que se realizaran.  Tamaño del motor.  Vibraciones.

 Selección de materiales.

 Selección de rodamientos y de transmisión.

1.3 _{PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA}

Actualmente en la Universidad Libre se caracteriza por utilizar la practica con el fin de que los estudiantes puedan concretar los conocimientos adquiridos en la teoría, en el ámbito de

la práctica existen diversas estrategias como lo son la utilización de software de simulación o la utilización de herramientas y/o equipos físicos; en este momento la universidad carece de equipos que apoyen la practica en el área de máquinas térmicas, por lo cual se propone realizar banco de pruebas de MCI, siendo este un prototipo utilizado para el desarrollo, caracterización y ensayos en los motores de combustión interna.

Además, con el desarrollo del prototipo de un banco de pruebas se pretende promover el desarrollo de nuevos proyectos de investigación que permitan la verificación y/o generación de conocimientos asociados con los motores de combustión interna a su vez aumenta el desempeño del estudiante y de la universidad en el desarrollo de buenas prácticas, ensayos y laboratorios.

1.4 _{JUSTIFICACIÓN}

La universidad Libre de Colombia es una corporación de educación privada, que propende por la construcción de un mejor país, que impulsa el desarrollo sostenible, con liderazgo en los procesos de investigación, ciencia y tecnología, actualmente la universidad está rezagada debido a la falta de equipos físicos para el desarrollo de laboratorios, ensayos e investigaciones.

Este proyecto busca mitigar la insuficiencia de equipos en el área de máquinas térmicas y contribuir a generar un mejor nivel educativo con profesionales mejor preparados y a su vez promover el incremento de nuevas investigaciones.

1.5 _OBJETIVOS

1.5.1 _{OBJETIVO GENERAL}

Diseñar y poner en funcionamiento el banco de pruebas de MCI, el cual permita medir los principales parámetros que influye en el funcionamiento de los motores, los cuales son, potencia, torque, consumo especifico de combustible.

1.5.2 _{OBJETIVO ESPECIFICO}

 Evaluar las alternativas de diseño utilizando el método de despliegue de función de la calidad (QFD) para la construcción de un banco de pruebas de MCI y realizar cálculos estructurales y simulación por elementos finitos.

 Construir y parametrizar el banco de pruebas de MCI con un motor de gasolina.  Elaborar manual de mantenimiento, montaje y operación del equipo.

 Formular una guía de laboratorio implique el manejo del banco de pruebas y que asocie los parámetros potencia, torque, consumo especifico de combustible.

1.6 MARCO TEORICO

1.6.1 _{Motor de combustión interna}

Un motor de combustión interna es un conjunto complejo de componentes cuya función es mezclar un combustible con aire para ser quemados dentro de una cámara de combustión, que por medio de diferentes sistemas utiliza la energía química de la combustión para poder generar un movimiento rotacional.

1.6.1.1 Clasificación de los motores de acuerdo con su ciclo

Los motores de combustión interna se catalogan en dos (2) grandes grupos, el motor dos tiempos (2T), en el cual se considera que realiza una carrera útil de trabajo por cada giro que realice, en cambio el otro gran grupo efectúa la carrera útil en dos (2) giros, este grupo es conocido como motor de cuatro tiempos (4T).

1.6.1.2 Otras clasificaciones

Existen diferentes motores, con distintos diseños, pero todos cumplen el mismo principio, para clasificar un motor existen diferentes parámetros a tener en cuenta como: su combustible, numero de cilindros, disposición de los cilindros, disposición de las válvulas, tipo de enfriamiento, tipo de encendido, entre otros; por lo cual muchas veces el motor puede pertenecer a muchas familias concorde a los parámetros que se vean.

1.6.2 _{Banco de pruebas}

Se considera como una instalación cuyo fin es medir las características y parámetros de un motor de combustión interna, los bancos pueden variar de acuerdo con los equipos que lo conformen y las características que se quieran medir.

1.6.3 _Freno

El freno es el equipo principal de un banco de pruebas, estos se pueden clasificar de acuerdo con los principios físicos de funcionamiento, el objetivo principal es transformar el trabajo realizado por el motor de combustión interna en otro tipo de energía de acuerdo con el tipo de equipo seleccionado y mediante equipos de medición y ecuaciones físicas que rijan el comportamiento de la energía obtener los parámetros de desempeño del motor.

1.6.3.1 Freno eléctrico

Estos equipos son ampliamente utilizados por su versatilidad y su disponibilidad en el mercado además que su costo es mucho menor que otros frenos, presenta una menor eficiencia que los hidráulicos pero una mayor respecto a los de fricción.

Los frenos eléctricos pueden ser clasificados en:  Freno de corriente directa (DC)

 Freno de corriente alterna (AC)  Freno de corrientes de Foucault

Estos equipos serán analizados en un QFD para asegurar que el equipo sea óptimo para el proyecto.

= ∗ (1) Donde: Pe= potencia eléctrica V= voltaje I= corriente o amperaje 1.6.4 _Combustión

La combustión es un proceso químico exotérmico donde una sustancia conocida como combustible que puede encontrarse líquido, solido o gaseoso se oxida y/o se quema para producir energía.

Para este proyecto se utilizará gasolina como combustible principal debido a su alta disponibilidad, precio y la amplia información que se tiene del combustible.

1.6.5 _{Parámetros de un motor de combustión interna}

Son aquellas variables asociadas directamente al motor y que son indicadores de su funcionamiento, estas variables dependen de la clasificación del motor, el diseño, el combustible entre otras; a continuación, se presentan los parámetros más relevantes para el proyecto.

1.6.5.1 Torque

También conocido como “par motor” este parámetro está asociado con la fuerza de rotación generada por la presión de la cámara de combustión al cigüeñal, su comportamiento no es lineal puesto que depende de la presión generada por los gases en el tiempo de expansión, que a su vez se encuentra asociado con las revoluciones del motor.

= ∗ (2)

Donde: T=Torque

F=Fuerza (generada por la presión de los gases en el cilindro) d=distancia de la manivela al centro geométrico del cigüeñal

Las unidades del torque en el sistema internacional son newton-metro (N*m), y su comportamiento respecto a las RPM del motor se asemejan a una curva inicialmente creciente hasta alcanzar un punto conocido como Torque máximo, a partir de este punto desciende.

1.6.5.2 Potencia

La potencia de un motor está determinada por el torque o par motor y las revoluciones a las que trabaja, en esencia es la potencia desarrollada por el cigüeñal, sus unidades comúnmente son caballos de fuerza (Hp) pero también puede ser medidos en vatios (w).

= ∗ (3)

Donde:

T=Torque

= velocidad angular del cigüeñal

Su comportamiento en una gráfica inicialmente aumenta junto con la velocidad angular del cigüeñal hasta encontrar su punto máximo y comienza a disminuir.

1.6.5.3 Consumo especifico de combustible

Se define como el caudal de combustible que consume un motor de acuerdo con la potencia que proporciona, sus unidades en el sistema internacional son gramos sobre kilovatio hora (g/kWh), este parámetro proporciona una idea del rendimiento del motor, puesto que utilizando las ecuaciones adecuadas se puede obtener la energía útil empleada por el motor.

= ∗ (3)

Donde:

SFC= consumo especifico de combustible Pm=potencia mecánica

Q= caudal de combustible

Al graficar su comportamiento respecto a las RPM se obtiene una curva descendiente y suele ser inversa a la curva de torque.

1.6.6 _{Equipos de medición}

Teniendo en cuenta puntos anteriores se realiza la siguiente tabla donde se especifica la variable que se quiere medir y el equipo que permite obtener la medición.

Tabla 1Equipos de medición

Variable Parámetro asociado Equipo de medición

Velocidad angular de cigüeñal RPM Tacómetro

Voltaje Potencia Pinza Voltiamperimétrica

Corriente Potencia Pinza Voltiamperimétrica

Volumen Caudal de combustible Probeta

Tiempo Caudal de combustible Cronometro

1.7 MARCO CONCEPTUAL

Para este proyecto se tienen en cuenta conceptos de diseño mecánico analíticos por lo cual serán utilizadas las funciones de singularidad para calcular los esfuerzos generados en las vigas de la mesa en la cual será montado el motor y el generador; de igual manera se realizara un modelo a partir de Ansys-Static structural, este análisis permite visualizar los esfuerzos de otros componentes que aunque no sean críticos para el diseño de la mesa, pueden tener otros impactos como por ejemplo los concentradores de esfuerzo.

En cuanto a la funcionalidad del banco de pruebas, se realizó una serie de experimentos en donde se utilizó un generador eléctrico y una serie de resistencias las cuales generar el consumo de la energía obtenida por el generador; se hará la instalación equipos los cuales permiten obtener datos que se asocian el consumo de combustible y que por formulación matemática se encontrara torque y potencia.

Para la elección del equipo se utilizó un despliegue de la función de la calidad por sus siglas en ingles QFD en donde se tendrán en cuenta parámetros de diseño como el motor, el generador, transmisión y otros equipos que permitan cumplir los objetivos de este proyecto.

1.8 _{MARCO LEGAL Y NORMATIVO}

En la siguiente sección se asocian todas las normas que se tendrá en cuenta en este estudio.  American Psychological Association- Normas APA -> “Documentación,

presentación de tesis, trabajos de grado”.

 American Psychological Association- Normas APA -> “Referencias bibliográficas. Contenido, forma y estructura”.

 NTC 1930 (Vehículos automotores. Motores De Combustión Interna. Potencia Neta); ROAD VEHICLES. INTERNAL COMBUSTION ENGINE. NET POWER.: En esta norma se especifica un método para ensayar motores de combustión interna, se aplica a la evaluación de su funcionamiento. Principalmente con el propósito de realizar curvas de potencia y consumo especifico de combustible bajo carga completa.  NTC 4821 (Instalación de componentes del equipo completo para vehículos con

funcionamiento dedicado GNCV o biocombustible gasolina-GNCV); INSTALLATION OF COMPLETE EQUIPMENT COMPONENTS FOR DEDICATED CNG OR BIFUEL GASOLINE-CNG VEHICLES.: Esta norma establece los requisitos para el proceso de instalación de los componentes del equipo completo para vehículos con aplicación bicombustible y dedicado. Esta norma contempla la evaluación del vehículo antes de la instalación, la instalación de los componentes y la evaluación del vehículo después de la instalación.

 NTC 4983 (Calidad del aire. Evaluación de gases de escape de vehículos automotores que operan con ciclo Otto. Método de ensayo en marcha mínima (Ralentí) y velocidad crucero, y especificaciones para los equipos empleados en esta evaluación.); AIR QUALITY. ASSESSMENT OF EXHAUST GAS EMISSIONS FROM VEHICLES,

USING ENGINES BASED ON OTTO CYCLE. IDLE AND CRUISE SPEED TEST METHOD AND SPECIFICATIONS FOR THE EQUIPMENT USED IN THIS ASSESSMENT.: La presento norma establece la metodología para la determinación de las concentraciones de diferentes contaminantes en los gases de escape de los vehículos automotores, que utilizan motores que operan con ciclo Otto, realizadas en condiciones de marcha mínima o ralentí y velocidad crucero.

 ISC-Manual of SteelConstruction, Commentary to Chapter L, Section L3

1.9 _{MARCO METODOLÓGICO}

Para este proyecto se plantea una metodología dividida en 5 fases.

1.9.1 _{Investigación}

En esta primera fase se reúne la mayor información del proyecto teniendo en cuenta la bibliografía y otros proyectos similares, además de realizar una planeación respecto a los materiales y equipos que se deben utilizar por medio del QFD.

1.9.2 _Diseño

Esta etapa comprende la realización de los cálculos estructurales del banco de pruebas donde se aplicarán las fórmulas analíticas y se realizara una simulación numérica en la cual se tienen en cuenta otros factores de diseño como lo son los concentradores de esfuerzo y los análisis de vibración.

1.9.3 _Montaje

Esta fase es de construcción de la estructura y el ensamble de los componentes seleccionados en etapas anteriores, pensando en la posibilidad de utilizar diferentes equipos para dar mayor versatilidad al prototipo.

1.9.4 _{Puesta en marcha}

En esta etapa se pretende realizar la puesta a punto de equipo mediante pruebas de funcionamiento, además de iniciar con la toma de datos y con la elaboración planos y manuales correspondientes al equipo.

1.9.5 _Conclusiones

Es la última fase y en la cual se realizará un análisis de los datos con el fin de verificar que el prototipo cumpla con los objetivos planteados, además de elaborar el documento final que recopila todas las etapas para ser presentado.

2

CAPITULO 2. SELECCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES

Para la selección de los equipos que se utilizaron en el proyecto se realizó un despliegue de la función de la calidad (QFD por sus siglas en ingles), en los cuales se analizaron 5 sistemas principales en donde cada uno existen equipos que pueden ser utilizados ver tabla 2; con cada equipo se analizaran 15 variables diferentes con prioridades donde se asigna un valor mínimo de uno (1) y uno máximo de cinco (5) de acuerdo con las necesidades del proyecto, ver tabla 3.

Tabla 2 Sistemas y Equipos analizados

SISTEMA EQUIPO

Motor Térmico

Motor a gasolina 4T Motor A Gas Natural

Motor Gasolina 2T Motor de Carga Estratificada

Motor Diésel

Uniones estructurales

Unión rígida fija (remaches) Unión fija Por presión Soldadura de Arco eléctrico

Soldadura De resistencia Unión Atornillada Unión por pasador de fijación

Transmisión de potencia Caja de engranajes Cardan Transmisión directa Rueda de Fricción polea y correa Piñón y cadena Freno Freno De fricción Freno Hidráulico Freno Eléctrico CC Freno Eléctrico AC Freno Eléctrico Foucault Equipo de

medición

Analógicos Digitales Fuente: Autores del proyecto

Tabla 3 Variables analizadas

Variable analizada prioridad Valor 1 Valor 3

Funcionalidad 5 No cumple Cumple Facilidad de operación 2 Compleja Sencilla Mantenibilidad 3 No mantenible Mantenible

Durabilidad 4 Menor vida útil Mayor vida útil Resistencia al desgaste 3 Baja Alta Propagación de Vibración 4 Alta Baja

Montaje 3 Compleja Sencilla

Impacto ambiental 4 Contaminante No Contaminante Riesgos asociados 5 Alto Riesgo Bajo Riesgo Parámetros a analizar 4 No cumple Cumple Confiabilidad en los datos 4 Baja Alta

Costos totales 5 Costoso Económico

Proveedores 1 Pocos Varios

Mantenimiento Externo 3 Especializado Básico Stock 1 Sin Stock Varias unidades

Fuente: Autores del proyecto

Se llena la matriz analizando cada uno de los equipos respecto a la variable analizada asignando un valor entre uno (1) y tres (3) respecto a las condiciones de la tabla 2, se realiza una sumatoria entre los productos de la prioridad y el valor asignado obteniendo un valor de importancia.

Tabla 4 Despliegue de la función de calidad (QFD)

Estos valores de importancia se realiza una importancia relativa por sistema y relativo total, el valor más alto o de mayor porcentaje será aquel elemento que de acuerdo con las variables es el óptimo para el proyecto, los resultados se encuentran en la tabla 5.

Tabla 5 Resultados del QFD

3

CAPITULO 3. DISEÑO DE LA BANCADA

3.1 _{Cálculos Teóricos}

Para esta sección se utilizarán las funciones de singularidad, se tendrán en cuenta dos (2) partes de la bancada, las cuales tendrán un comportamiento de viga, este cálculo permite encontrar el Momento de inercia (I) al cual estaría sometido cada una de las partes de la bancada, con este dato se puede buscar un tipo de viga y las dimensiones las cuales permiten soportar la carga; aun así se debe tener en cuenta una flexión permitida para encontrar estos datos, de acuerdo con la norma ISC-Manual of SteelConstruction, Commentary to Chapter L, Section L3, se establece un máximo de deflexión de:

= /240 (5)

Donde:

Ymax: Deflexión máxima L: longitud total

La bancada será rectangular con dimensiones de 1.8 metros para el perfil largo y con 0.9 metros para el perfil corto; según el diseño metodológico para este estudio aún no se tiene el peso aproximado de los equipos que estarán en la bancada, por lo cual se asume una carga distribuida de mil newtons/metro (1000 N/m), esta carga también estará puesta en las variables del QFD para la selección de los equipos y donde se asocia el factor de seguridad. El la figura 1 se muestra la ubicación de los perfiles largo y corto para dar claridad a los conjuntos analizados.

figura 1 ubicación de conjuntos analizados

Fuente: Autores del proyecto

3.1.1 _{Perfil largo}

El perfil largo tiene una longitud de 1.8 metros, su deflexión máxima es de 7.5 mm como muestra la ecuación 6.

Ilustración 1 Diagrama de Carga del perfil largo

Fuente: Autores del proyecto • Calculo estático

A partir del diagrama de carga del perfil largo se encuentran 2 fuerzas de reacción ubicadas en el punto A y C, y se puede poner una carga puntual en el punto B, quedando de la siguiente manera.

Ilustración 2 Diagrama estático perfil largo

Fuente: Autores del proyecto

= (1000 ! )(1,8 ) = #$%% & (7) Ʃ()= ∗ 0.9 − -∗ 1.8 = 0 (8) ./ = _1.8 ∗ 0.9 =(1800 )(0,9 )_1,8 = 0%% & (9) Ʃ 1 = -− + ) = 0 (10) .3 = − - = 1800 − 900 = 0%%& (11) • Ecuación de singularidad

(4) = −1000 ∗< 4 − 0 >7_{+ -∗< 4 − 0 >}89_{+ )∗< 4 − 1.8 >}89 ₍₁₂₎

Reemplazando los valores queda de la siguiente manera:

(4) = −1000 ∗< 4 − 0 >7_{+ 900 ∗< 4 − 0 >}89_{+ 900 ∗< 4 − 1.8 >}89 ₍₁₃₎ Aplicando la integral para hallar la fuerza cortante se obtiene la ecuación 14.

(4) = 1000 ∗< 4 − 0 >9_{− 900 ∗< 4 − 0 >}7_{− 900 ∗< 4 − 1.8 >}7 ₍₁₄₎

Para la obtención del momento flector se realiza la integral de la fuerza cortante donde se llega a la ecuación 15.

((4) = 500 ∗< 4 − 0 >:_{− 900 ∗< 4 − 0 >}9_{− 900 ∗< 4 − 1.8 >}9 ₍₁₅₎

El momento flector permite encontrar un Angulo teta (θ) que se refiere a máximo ángulo que puede llegar a flectarse la viga en estudio de acuerdo con la ecuación 16.

; =_{< ∗ = ((4) 4}1 (16)

Siendo un ángulo se puede realizar otra integral para encontrar un Ymax , es decir la deflexión

máxima.

(4) =_{< ∗ = = ((4) 4 4}1

(17)

Realizando la doble integral llegamos a la ecuación 18

< ∗ ∗ (4) = 41,66 ∗< ? − 0 >@_{− 150 < ? − 0 >}A_{− 150 < ? − 1.8 >}A_{+ 9? + : (18)} • Condiciones de frontera

Para encontrar las constantes de integración se determina que en los extremos de la estructura la deflexión es cero (0)

y(0)= 0

< ∗ ∗ 0 = 41,66 ∗< 0 − 0 >@_{− 150 ∗< 0 − 0 >}A_{− 150 ∗< 0 − 1.8 >}A_{+ 9(0) + : (19)}

BC= −$DE, $ & ∗ FC (20)

< ∗ ∗ 0 = 41,66 ∗< 1.8 − 0 >@_{− 150 ∗< 1,8 − 0 >}A_{− 150 ∗< 1.8 − 1.8 >}A_{+ 9(1.8) −}

874.8 (21)

B#=−437.33 + 874.8 + 874.8_1.8 = DC0. %E (22)

• Momento de inercia

Se despeja I en la ecuación 18, donde se reemplaza la x por el punto crítico (punto B) es decir a 0.9 m, también se pondrá las constantes de integración encontradas por condiciones de frontera, para él y(x) se utiliza la deflexión máxima de la ecuación 6; para el módulo de elasticidad se utiliza el módulo del acero A36 que son 200 GPa.

< ∗ ∗ 0.0075 = 41,66 ∗< 0.9 >@_{− 150 < 0.9 >}A_{− 150 < −0.9 >}A_{+ 729.04 ∗ 0.9 − 874.8 (23)} =41,66 ∗< 0.9 >@− 150 < 0.9 >₂₀₀₄₁₀A− 150 < −0.9 >_{H∗ −0.0075} A+ 729.04 ∗ 0.9 − 874.8 (24)

= 1,2754108I @_{≈ 12,75 K} @ ₍₂₅₎

3.1.2 _{Perfil Corto}

El perfil segundo perfil tiene una longitud de 0,9 metros, su deflexión máxima es de 3.5 mm como muestra la ecuación 6.

=900_{240 = 3,75} (26)

Ilustración 3 Perfil Corto

Fuente: Autores del proyecto • Calculo estático

A partir del diagrama de carga se encuentran 2 fuerzas de reacción ubicadas en el punto D y F, y se puede poner una carga puntual en el punto E, quedando de la siguiente manera.

Ilustración 4 Diagrama estático perfil largo

Fuente: Autores del proyecto

L = (1000 ! )(0,9 ) = 0%% & (27) Ʃ(M = L ∗ 0.45 − N∗ 0.9 = 0 (28) .. = L ∗ 0.45 _0,9 =(900 )(0,45 )_0,9 = EO% & (29) Ʃ 1 = M− L+ N = 0 (30) .P = L− N = 900 − 450 = EO%& (31) • Ecuación de singularidad (4) = −1000 ∗< 4 − 0 >7_{+ M∗< 4 − 0 >}89_{+ N∗< 4 − 0.9 >}89 ₍₃₂₎

Reemplazando los valores queda de la siguiente manera:

(4) = −1000 ∗< 4 − 0 >7_{+ 450 ∗< 4 − 0 >}89_{+ 450 ∗< 4 − 0.9 >}89 ₍₃₃₎ Aplicando la integral para hallar la fuerza cortante se obtiene la ecuación 34.

(4) = 1000 ∗< 4 − 0 >9_{− 450 ∗< 4 − 0 >}7_{− 450 ∗< 4 − 0.9 >}7 ₍₃₄₎

Para la obtención del momento flector se realiza la integral de la fuerza cortante donde se llega a la ecuación 35.

((4) = 500 ∗< 4 − 0 >:_{− 450 ∗< 4 − 0 >}9_{− 450 ∗< 4 − 0.9 >}9 ₍₃₅₎

La ecuación 36 habla del ángulo que se genera al encontrarse una viga en flexión, al ser integrado nuevamente se asocia con una distancia máxima de flexión como se indica en la ecuación 37, en este punto se utiliza el Ymax de flexión previamente calculado.

; =_{< ∗ = ((4) 4}1 (36)

(4) =_{< ∗ = = ((4) 4 4}1 (37)

Realizando la doble integral se obtiene la ecuación 38

< ∗ ∗ (4) = 41,66 ∗< ? − 0 >@_{− 75 < ? − 0 >}A_{− 75 < ? − 0.9 >}A_{+ 9? + : (38)} • Condiciones de frontera

Para encontrar las constantes de integración se determina que en los extremos de la estructura la deflexión es cero (0)

y(0)= 0

< ∗ ∗ 0 = 41,66 ∗< 0 − 0 >@_{− 75 ∗< 0 − 0 >}A_{− 75 ∗< 0 − 0.9 >}A₊

9(0) + : (39)

BC= −OE. QDO & ∗ FC (40)

y(0.9)=0 < ∗ ∗ 0 = 41,66 ∗< 0.9 − 0 >@_{− 75 ∗< 0.9 − 0 >}A_{− 75 ∗< 0.9 − 0.9 >}A₊ 9(0.9) − 54.675 (41) B#=−27.33 + 54.675 + 54.675_0.9 = 0#, #R& ∗ FC (42) • Momento de inercia

Se despeja I en la ecuación 38, donde se reemplaza la x por el punto crítico (punto E) es decir a 0.45 m, utilizando los valores de las constantes de integración y utilizando el y(x) la deflexión máxima de la ecuación 26; para el módulo de elasticidad se utiliza el módulo del acero A36 que son 200 GPa.

< ∗ ∗ 0.00375 = 41,66 ∗< 0.45 >@_{− 75 < 0.45 >}A_{− 75 < −0.45 >}A_{+ 91.13 ∗ 0.45 −}

=41,66 ∗< 0.45 >@− 75 < 0.45 >₂₀₀₄₁₀A− 75 < −0.45 >_{H∗ −0.00375} A+ 91.13 ∗ 0.45 − 54.675 (44)

= 1,594108S @ _{≈ 1,59 K} @ ₍₄₅₎

3.1.3 _Geometría

La estructura se realiza en ángulo de 101,6 mm de longitud y un espesor de 9.53 mm; el diseño fue montado en el software SolidWorks como muestra la imagen 1.

Imagen 1Angulo estructural

Fuente: Autores del proyecto

El mismo software permite visualizar las variables geométricas de las cuales dependen los cálculos de esfuerzos combinados (flexión, cortante, axial y torsión), en la imagen 2 y 3 se visualizan variables como el centroide y el momento de inercia respectivamente.

Imagen 2 Centroide

Imagen 3 variables geométricas

Fuente: Autores del proyecto

Para el análisis de cortante se requiere un análisis donde se afecta una parte especifica de material para este caso se representa en la imagen 4.

Imagen 4 Diagrama cortante

El cálculo requiere el área y el centroide de esta nueva figura.

T = 21.36 U = 1132.37 :

= 21.36 ∗ 1132.37 :

= 24187.4232 A

Para la torsión se utiliza la tabla1 para determinar coeficientes que se utilizaran en la ecuación, para determinar a se utiliza la longitud del ángulo y b es el espesor del ángulo obteniendo los siguientes resultados.

W = 101.60 + 101.6 = 203.2 = 0.2032 X = 9.53 = 0.00953

W

X =0.00953 0.2032 = 21.32

Tabla 6 Coeficientes ecuación de torsión

K9 = 0.333 = K:

para realizar el cálculo es necesario buscar un punto común entre los dos perfiles para poder trasladar las fuerzas y obtener las cargas que afectan cada uno de los elementos, por lo cual se decide utilizar la esquina donde se unen los dos (2) perfiles obteniendo el siguiente modelo.

Imagen 5 Diagrama con traslado de las fuerzas

Fuente: Autores del proyecto 180x90cm

FA= -1000N Max=450 N*m May=900 N*m 3.1.4 _{Esfuerzos Combinados} • Perfil Corto o Fuerza cortante YZ = [_{∗ \}∗ YZ = 900 ∗ 2.41 ∗ 10 8V A 1.81 ∗ 108] @_{∗ 9.525 ∗ 10}8A _{= 1,25 ( W (−^)} o Momento flector _[ =( ∗ _[ =900 ∗ 0.02834_{1.819 ∗ 108] @} = 14,02 ( W(−4) o Torsión Y _{= K} 9∗ W ∗ X: Y =_{0.2032 ∗ (0.00953 )}450 ∗ _: = 73,2 ( W (^) o Total YZ`Z a = Y + YZ = 73,2 − 1,25 = 71,9 ( W (^) o FACTOR DE SEGURIDAD b =<sub>Y</sub>Y c Z`Z a = 188,75 (dW 71,9 ( W = 2,62 • Perfil Largo o Fuerza Cortante

YZ = [_{∗ \}∗ YZ = 1800 ∗ 2.41 ∗ 10 8V A 1.81 ∗ 108] @_{∗ 9.525 ∗ 10}8] _{= 2,5 ( W (−^)} o Momento Flector _[ =( ∗ _[ =900 ∗ 0.02834_{1.819 ∗ 108] @} = 28.02 ( W(−^) Torsión Y _{= K} 9∗ W ∗ X: Y =_{0.2032 ∗ (0.00953 )}900 ∗ _: = 146.4 ( W (^) o Total YZ`Z a = Y + YZ = 146.4 + 2.5 = 148.9 (dW (−^) o FACTOR DE SEGURIDAD b =<sub>Y</sub>Y c Z`Z a = 188,75 (dW 148,9 ( W = 1,25 3.2 Cálculos de transmisión

Por el tipo de motor, generador y además por las velocidades (RPM) que manejan los equipos la transmisión recomendada es con poleas, en este numeral se calcularon el tipo de correa, los diámetros de las poleas.

Una variable a tener en cuenta para el trabajo es la tensión; para que todos los experimentos tengan la mayoría de sus factores externos controlado, se debe tensionar la correa con la misma fuerza en todos los casos. Teniendo en cuenta esto, las correas se calcularon de manera que existiera la misma holgura en el momento del ensamblaje de todas las correas con su respectiva polea.

3.2.1 _Datos

Potencia: esta potencia está relacionada con el motor, que de acuerdo con su fabricante es de 6.5 Hp.

Distancia entre centros: Este dato va relacionado con la distancia entre el eje del generador y del motor; la medición se realizó directamente en el equipo con un flexómetro dando 680 mm entre los ejes.

3.2.2 _{Corrección de potencia}

Esta corrección de la potencia está ligada al tipo de motor, su velocidad y el tipo de cargas que estarán actuando sobre el equipo, para esto se utiliza la tabla 1.

Tabla 7 Factor de corrección de potencia (K)

Fuente: https://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn121.html

El motor utilizado es un motor térmico con revoluciones por encima de las 600 RPM, al ser un equipo de trabajo netamente académico su trabajo en horas diarias debe ser menor de 6 h/d, por consecuente sus cargas son uniformes y ligeras.

De acuerdo con lo anterior el factor K de corrección equivale a 1.0.

[= ∗ e = (6.5 ℎd) ∗ (1) = 6.5ℎd 3.2.3 _{Tipo de correa}

El tipo de correa se selecciona de acuerdo con la potencia corregida, y la velocidad máxima del equipo, de acuerdo a esto la velocidad del generador debe ser de 3600 RPM para un óptimo funcionamiento, el motor de gasolina puede variar su velocidad dependiendo del acelerador y el paso del aire, para este caso la polea fija será en el generador y las poleas variables estarán en el motor, debido a las dimensiones de la polea fija, las poleas del motor deben ser mayores es decir que su velocidad debe ser menor o igual a las del generador. Con los datos obtenidos y la gráfica 1 las correas deben ser tipo A.

grafica 1 Selección del tipo de correa

Fuente: https://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn121.html

3.2.4 _{Longitud de la correa}

Para la longitud de la correa se realiza el cálculo de acuerdo al diámetro de las poleas, la distancia entre ejes la cual no tiene modificación alguna, la polea del generador tendrá un valor de 19 mm y tampoco será modificada, de acuerdo con la relación de transmisión y para que el generador trabaje a 3600 RPM siempre se calcularon las poleas que se utilizaran en el motor, y por consiguiente la longitud de la correa; obteniendo la tabla 2.

Tabla 8 Longitud de la correa

Fuente: Autor del proyecto

3.3 _{ANÁLISIS NUMÉRICO} 3.3.1 _{Análisis estático}

Al solo ser la mesa el análisis, por medio del CAD SolidWorks se asoció solo esta parte del ensamble general, en un formato .X_T.

Para el análisis se utilizó una malla fina con una distancia entre nodos por defecto (2e-3) como muestra la imagen 1.

Imagen 6 Parámetros de enmallado

Fuente: Autor del proyecto

Se revisaron los parámetros de calidad tanto ortogonal como de oblicuidad, para obtener una malla perfecta el valor de ortogonalidad debe ser de 0 y el de oblicuidad de 1; de acuerdo con esto en ambos parámetros se tiene un 15% de desfase, para un análisis mecánico esta malla es aceptada. (ver tabla 9)

Tabla 9 Parámetros de Calidad de la malla

Calidad Mínimo Máximo Media

Ortogonalidad 4,567e-5 0,999 0,1599 Oblicuidad 8,5727 e-2 0,999 0,854

Fuente: Autor del proyecto

Para el análisis se utilizó la misma carga de 1000 N al igual que la carga utilizada en los cálculos teóricos, su ubicación se pone en el centro de la superficie superior de la mesa como indica la imagen 2.

Imagen 7 Carga de estudio

Fuente: Autor del proyecto

Los puntos fijos o anclajes se ubicaron en la base de toda la estructura, cuatro puntos los cuales idealmente no tendrán deformación ni cambios en el diseño (ver imagen 3)

Imagen 8 Puntos Fijos

Fuente: Autor del proyecto

Los cálculos estructurales de mayor relevancia se escogieron de tal manera que pueda ser comparado con los cálculos teóricos.

Imagen 9 Métodos de calculo

De acuerdo con los resultados obtenidos en la deformación, el perfil largo se deforma en mayor medida que el largo obteniendo de acuerdo a la escala de colores un aproximado de 0.00024m es decir 0.24 mm es decir un treintavo (1/30) del valor máximo de deformación permisivo.

Imagen 10 Resultados de Deformación

Fuente: Autor del proyecto

La máxima deformación encontrada está ligado a una placa la cual sostiene el motor con un valor de deformación de 0,00032 m aun así se encuentra muy por debajo del límite permisivo de deformación.

3.3.2 _{Análisis Modal}

Este análisis es utilizado para identificar la resistencia de un modelo a partir de cargas modales donde se identifican seis (6) frecuencias naturales con su debido desplazamiento como aparece en la tabla n 10; el número de frecuencias se toma libremente además que oscilen en un rango desde 0 hasta 100 Hz.

Tabla 10 Frecuencias Naturales/desplazamiento

Fuente: Autor del proyecto

Luego se realiza un análisis de vibraciones con los datos extraídos del análisis modal, y los resultados obtenidos se presentan en la ilustración 5 y 6, donde se visualiza que los lugares de mayor esfuerzo se encuentran en las uniones soldadas de los ángulos y de la tapa de la mitad de la mesa, y el mayor desplazamiento debido a las cargas se encuentra en la tapa del medio por la falta de rigilizadores y al ser una lámina tan delgada.

Ilustración 5 Resistencia a la vibración

Fuente: Autor del proyecto

Ilustración 6 Desplazamiento debido a la vibración

Fuente: Autor del proyecto

4

CAPITULO 4. INSTALACIÓN Y PUESTA EN MARCHA

4.1 Ubicación

El equipo es ubicado en el laboratorio de motores del bloque L de la Universidad libre. por temas de movilidad del equipo y que no tiene acometida eléctrica externa el equipo no se encuentra anclado.

Este laboratorio es de uso académico para la materia de máquinas térmicas, de acuerdo con la naturaleza y tipo de equipo queda bien ubicado y a la disposición de los estudiantes que requieran el uso del banco de pruebas.

4.2 Equipos de medición

Para la toma de los datos que se utilizan para el cálculo de las variables descritas en la sección de los objetivos, es necesario realizar la medición experimental de diferentes magnitudes; la universidad cuenta con equipos que permiten tomar los datos, los cuales se encuentran calibrados para asegurar un óptimo resultado.

4.2.1 _Corriente

La corriente es la variable necesaria para encontrar la potencia que se obtiene en el generador, el voltaje y el factor de potencia es constante determinado por el fabricante, la corriente será medida por medio de una pinza Voltiamperimétrica; el equipo tomara la medida de una de las líneas, para determinar la potencia es necesario aplicar la fórmula de potencia eléctrica.

Imagen 11 Pinza Voltiamperimétrica

Fuente: Autor del proyecto 4.2.2 _{Velocidad angular}

Para un funcionamiento óptimo del generador es necesario trabajar a 3600 RPM, esta variable es medida por medio de un tacómetro digital de la Universidad Libre, la medición de esta variable es necesaria para que todos los experimentos cumplan con las condiciones de medición, además este dato es necesario para calcular la potencia teniendo en cuenta la relación de potencia generada por la transmisión de la polea y correa.

Imagen 12 Tacómetro Digital

4.2.3 _{Volumen de combustible}

Esta variable se encuentra relacionada directamente con el consumo específico de combustible, el sistema será analógico y la forma de medirlo será con una probeta que estará conectada de tal manera que ingresa al carburador para tener un dato más exacto del consumo volumétrico.

Imagen 13 Probeta del combustible

Fuente: Autor del proyecto 4.2.4 _Tiempo

El tiempo también debe ser medido para obtener el consumo especifico de combustible, para medirlo se utiliza un cronometro y se realizan mediciones cada vez que disminuya una línea de la probeta es decir 10 ml.

4.3 _{Instalación Mecánica}

Antes de realizar la instalación del equipo, se realizó un pre ensamble de la estructura afuera del laboratorio, para verificar las dimensiones de cada uno de los conjuntos que componen la estructura principal y realizar las adaptaciones necesarias para el montaje.

Inicialmente se realizó el ensamble de la estructura en el lado oriental del laboratorio, no se realiza anclaje de la estructura para permitir el movimiento de la misma en caso de que la universidad requiera realizar adaptaciones internas del laboratorio o de movimiento del equipo.

A continuación, se instalaron los equipos como el motor que se posicionó para que de acuerdo con el espacio que tiene el laboratorio se pudiese ubicar las adaptaciones del tanque de gasolina que permitan realizar las mediciones volumétricas, para este caso se tuvo en cuenta que el equipo está diseñado para diferentes motores con dimensiones distintas, para esto se instalaron 3 mts de manguera que permite el paso de combustible en diferentes distancias. En cuanto al banco de resistencias, la fabricación se ideo de tal manera que se pueda ubicar en cualquier parte del laboratorio, por eso cuenta con rodachinas de 4 pulgadas en la base

con su respectivo freno para evitar movimientos no deseados durante el funcionamiento del equipo.

Al ser un equipo que genera gases de combustión no es posible dejar el equipo sin realizar una tubería que permita la evacuación de los gases, la cual fue adaptada en la zona oriental del laboratorio con una parte rígida que es la que se encuentra fijada en la pared por medio de abrazaderas, además tiene una sección flexible que se ensambla en la salida del motor y se acopla a la sección rígida, todo esto pensado en posibles movimientos del equipo.

4.4 _{Instalación Eléctrica}

La instalación eléctrica corresponde a la adaptación y el conexionado del banco de resistencias al generador ubicado sobre la estructura, el equipo cuenta con salida a voltaje 220, aunque el equipo no cumple con la normativa del tipo de tomacorriente de salida, su naturaleza es de dos (2) líneas y una tierra.

Las líneas de salida se conectan por medio de una clavija que llega al tablero principal del banco el cual tiene los dispositivos de medición analógicos y distribuye las líneas por medio de cableado y bornera hacia los barrajes principales del banco de resistencias los cuales se encuentran debidamente aislados con aisladores tipo tornillo n8; los barrajes tienen sus conectores machos para la distribución hacia los breakers que se dirigen a las resistencias. El tablero principal del banco de resistencias no cuenta con protecciones de sobrecarga ni de armónicos ya que el generador es la única fuente de energía e internamente el equipo cuenta con un fusible que protege tanto el generador como todo el conexionado existente debajo de este.

5

CAPITULO 5. PRUEBAS DE LABORATORIO

5.1 _{Potencia Eléctrica}

Se realizaron las pruebas de laboratorio donde se tomaron los datos de RPM del generador el cual de acuerdo con la relación de transmisión de las poleas utilizadas se encuentra la velocidad angular del motor; los otros dos (2) datos requeridos fueron el voltaje y el amperaje de salida en el banco de resistencias con los cuales se encuentra la potencia eléctrica bifásica que resulta ser proporcional a la mecánica.

Grafica 2 Potencia eléctrica calculada con datos experimental

Fuente: Autor del proyecto

La grafica 2 reúne todos los datos obtenidos en los experimentos con todas las poleas, calculando la potencia eléctrica bifásica con los datos de voltaje y amperaje, y teniendo en cuenta los datos del tacómetro.

Como se puede observar existen datos que pueden afectar el estudio por lo cual se busca una ecuación polinómica de grado 4, y se revisa el factor de correlación obteniendo la gráfica 3, el polinomio obtenido es:

= −1,8541089:_g@_{+ 1,52410}8S_gA _{− 4,55410}8V_g:_{+ 0,0599g − 27,9076}

Donde:

Pe= Potencia Eléctrica w= Revoluciones Por Minuto

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 700 1200 1700 2200 2700 3200 3700 P o te n ci a [H P ] Velocidad Angular [RPM]

Potencia Electrica

Potencia Electrica Experimental

Grafica 3 Potencia Eléctrica con tendencia polinomial

Fuente: Autor del proyecto

Analizando los datos y por medio de herramientas estadísticas se determina un factor de correlación de 0,6994 lo que indica un valor bajo, mediante el uso de la desviación estándar se encuentran los limites superiores y el límite inferior que viene a ser el rango de aceptación de los datos obteniendo la gráfica 4.

Grafica 4 Potencia Eléctrica con tendencia polinomio y con límites de aceptación

Fuente: Autor del proyecto

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 700 1200 1700 2200 2700 3200 3700 P o te n ci a [H P ] Velocidad Angular [RPM]

Potencia Electrica

Potencia Electrica Experimental Potencia Electrica Calculada -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 700 1200 1700 2200 2700 3200 3700 P o te n ci a [H P ] Velocidad Angular [RPM]

Potencia Electrica

Potencia Electrica Experimental Potencia Electrica Calculada limite sup limite inf

Con este análisis estadístico se eliminan 7 datos que pueden afectar el estudio, se realiza nuevamente la búsqueda de una línea de tendencia para determinar un nuevo coeficiente de relación.

La nueva ecuación es:

= −2,3341089:_g@_{+ 1,88410}8S_gA_{− 5,5410}8V_g:_{+ 0,0707g − 32,361}

Donde:

Pe= Potencia Eléctrica w= Revoluciones Por Minuto

con los datos eliminados y la tendencia polinómica se pueden visualizar en la gráfica 5, en esta regresión se encuentra un coeficiente de correlación de 0.925, un coeficiente con buena calidad.

Grafica 5 Potencia eléctrica y tendencia polinómica

Fuente: Autor del proyecto 5.2 _{Potencia Mecánica}

Teniendo en cuenta la ficha técnica del motor la máxima potencia que tiene se encuentra en 6.5 Hp, con los datos suministrados por el generador se obtiene una máxima potencia eléctrica de 3.4629 Hp, por lo cual la eficiencia del banco es de 53.28%.

Teniendo en cuenta esta eficiencia, se aplica a todos los datos para obtener la gráfica de Potencia mecánica del motor (grafica 6).

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 700 1200 1700 2200 2700 3200 3700 P o te n ci a [H p ] Velocidad Angular [RPM]

Potencia Electrica VS RPM

Potencia Experimental Linea de tendencia Polinomica

Grafica 6 potencia mecánica del Motor

Fuente: Autor del proyecto

Para obtener el torque, todos los datos analizados son divididos en la velocidad angular dado en rad/s, se obtiene los datos del anexo y la gráfica 7.

Grafica 7 Torque vs RPM

Fuente: Autor del proyecto

5.3 _{Consumo Especifico de Combustible}

Para el cálculo de este parámetro fueron utilizados diferentes datos (ver anexo), con respecto a las RPM; además con los datos suministrados por las gráficas de potencia se puede encontrar la potencia en el valor de las RPM, obteniendo la gráfica 8.

0 1 2 3 4 5 6 7 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 P O TE N C IA M EC A N IC A [ H P ] RPM

POTENCIA MECÁNICA

potencia mecanica (Hp) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 TO R Q U E [N -m ] RPM

TORQUE MOTOR

Torque N-m

Grafica 8 Consumo Especifico de combustible

Fuente: Autor del proyecto

6

CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• El Banco de pruebas construido se encuentra basado en una selección exhaustiva de variables cualitativas que por medio del QFD se convierte en cuantitativas, permitiendo el desarrollo de un equipo óptimo para ser utilizado de manera pedagógica, aunque la eficiencia del equipo sea baja, es posible obtener datos que sirven para el cálculo teórico y verificación practica de los parámetros del motor, que en definitiva es el objetivo principal del proyecto.

• Teniendo en cuenta cálculos de la estructura tanto teóricos como simulados los elementos se encuentran sobredimensionados por lo cual no generará problemas ni por resistencia ni por desplazamiento.

• La puesta en marcha permitió parametrizar las diferentes variables del equipo y cómo medirlas, esta información se encuentra plasmada en el manual de operación y mantenimiento del equipo y junto con las guías de laboratorio los estudiantes y personas que tengan acceso al equipo pueden interactuar y asociar los diferentes parámetros que se pueden obtener del equipo.

• El banco de pruebas tiene una eficiencia del 53.28% es una eficiencia baja en comparación a otros sistemas de bancos de pruebas que alcanzan un 85% según lo expresa (Cubillo Hernandez, 2013) y se debe a factores tales como el diseño eléctrico (calibre y distancia del cableado), perdidas por calor en las resistencias del equipo y en los accesorios eléctricos (generador), perdidas por fricción y por accesorios mecánicos (poleas, correa).

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1500 2000 2500 3000 3500 C o n su m o [ g/ K w ] RPM consumo especifico de combustible Polinómica (consumo especifico de combustible)