Diseño, simulación y construcción de un snorkel

(1)

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

DISEÑO, SIMULACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UN SNORKEL

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIEROAUTOMOTRIZ

FREDY ARMANDO OBANDO ORBE

DIRECTOR: ING. IVÁN ERNESTO YÁNEZ ZURITA

(2)

ii © Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015

(3)

iii

DECLARACIÓN

Yo FREDY ARMANDO OBANDO ORBE, declaro que el trabajo aquí

descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para

ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias

bibliográficas que se incluyen en este documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos

correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de

Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional

vigente.

_________________________

Fredy Armando Obando Orbe

(4)

iv

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño, simulación y

construcción de un snorkel”, que, para aspirar al título de Ingeniero/a

Automotriz fue desarrollado por Fredy Armando Obando Orbe, bajo mi

dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple

con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación

artículos 18 y 25.

___________________________

Ing. Iván Ernesto Yánez Zurita

DIRECTOR DEL TRABAJO

(5)

v

DEDICATORIA

Esta tesis se la dedico a mi Dios y a mis padres que fueron quiénes supieron

darme la oportunidad de vivir, guiarme por el buen camino, darme fuerzas

para seguir adelante y no desmayar en los problemas que se presentaban

en el camino de la vida, enseñándome a encarar las adversidades sin perder

nunca la dignidad ni desfallecer en el intento.

A mi familia quienes por ellos soy lo que soy. Para mis padres aunque ella

se encuentre en el cielo, gracias por su apoyo, consejos, comprensión,

amor, ayuda en los momentos difíciles, y por apoyarme en todo momento.

Me han dado todo lo que soy como persona, mis valores, mis principios, mi

carácter, mi empeño, mi perseverancia, mi coraje para conseguir mis

objetivos. A mis hermanos por estar siempre presentes, acompañándome

para poderme realizar.

Y de una manera especial a mi esposa e hijo quienes han sido y serán mi

principal motivación, inspiración y felicidad, para con ellos vivir esta hermosa

(6)

vi

AGRADECIMIENTO

Le agradezco a Dios por haber guiado a mis padres y a mí, en todo

momento de la vida dándonos la fortaleza para siempre seguir adelante,

brindándome una vida llena de aprendizajes, experiencias y sobre todo

felicidad.

Les doy gracias a mis padres Polivio y Alba que en paz descanse por su

apoyo que me han brindado en todo momento y que a pesar del destino mi

padre continuo con esa labor encomendad por mi madre.

A mi hijo Emiliano Benjamín Obando Estupiñan porque en su sonrisa miro

cada día la alegría de mi vida y el fruto de mi trabajo para que él tenga lo

mejor en esta vida.

Un agradecimiento a mi esposa que en todo momento desde el día que nos

conocimos me ha brindado su apoyado para poder concluir con este sueño,

que lo empecé desde niño.

A mis hermanos Gaby y Cristian que me demostraron que no hay imposibles

en esta vida, y que la vida hay que vivirla día a día, y que todo sacrificio tiene

su recompensa.

Y de manera muy especial a la institución que me permitió culminar mis

estudios hasta el día de hoy, cuando en el día a día me supieron enseñar lo

(7)

i

ÍNDICE DE CONTENIDO

Página

RESUMEN ... xiv

ABSTRACT ... xv

1. INTRODUCCIÓN ... 1

2. MARCO TEORICO ... 3

2.1 SNORKEL ... 3

2.1.2 IMPORTANCIA ... 4

2.1.3 HISTORIA ... 5

2.1.4 TECNOLOGÍA Y FUNCIONAMIENTO ... 7

2.1.5 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN ... 7

2.1.6 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN ... 8

2.1.6.1 P.R.F.V (Plástico reforzado con fibra de vidrio) ... 8

2.1.6.2. Polietileno lineal de baja densidad (pelbd) ... 11

2.1.7 FUNCIONES DEL SNORKEL ... 13

2.1.8 CARACTERIZACIÓN DEL SNORKEL ... 14

2.2. SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE DEL MOTOR……….15

2.2.1 EL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN Y SUS CARACTERÍSTICAS...19

2.2.2 EFICIENCIA DEL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN ... .19

2.2.3 CARACTERÍSTICAS DEL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN………20

2.2.4 SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE………...21

(8)

ii

2.3 EL AIRE ATMOSFÉRICO…..……….………22

2.4 MODELO MATEMÁTICO……….………...23

2.4.1 HIDRODINÁMICA………..23

2.4.1.1 Clasificación de los flujos………..23

2.4.1.2 Fluido ideal………..24

2.4.1.3 Mecánica de fluidos………25

2.4.1.4 Caudal………..26

2.4.1.5 Ecuación de continuidad………28

2.4.1.6 El principio de Bernoulli……….29

2.4.2 ECUACIÓN DE ESTADO APLICADAS A LA ADMISIÓN……30

2.4.3 MASA DE COMBUSTIBLE………31

2.4.4 FLUJO DE MASA DE AIRE………..31

2.4.5 CILINDRADA TOTAL (V)……….….32

2.4.6 RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO (NV)………32

2.4.7 DENSIDAD TEÓRICA………32

2.4.8 FLUJO TOTAL DE AIRE………...33

2.4.9 MASA TEÓRICA DE AIRE ASPIRADO (mt)………..33

2.4.10 BALANCE DE MASA EN EL COLECTOR DE ADMISIÓN…34 2.4.11 PRESIÓN EN EL COLECTOR………...34

2.5. SOLIDWORK……….………...35

2.5.1 HISTORIA………35

2.5.2 SOFTWARE DE SOLIDWORK……….…..36

2.5.2.1 Ventanas de documentos de solidwork………...37

2.5.2.2. Selección e información sobre las funciones. ... 39

(9)

iii

2.5.4 DISEÑO EN SOLIDWORKS ... 43

2.5.4.1 Intención del diseño ... 45

2.5.4.2 Proceso de diseño ... 46

2.5.5 ENSAMBLAJE ... 46

2.5.5.1 Definición de un ensamblaje ... 47

2.5.5.2 Métodos de diseño de un ensamble ... 48

2.5.5.3 Relaciones de posición ... 49

2.5.6 PLANO O DIBUJO ... 50

2.5.7 EDICIÓN DE MODELOS ... 51

2.5.8 SIMULACIÓN Y MOVIMIENTO ... 53

2.5.9. OTRAS APLICACIONES DE SOLIDWORKS ... 55

2.5.9.1. Análisis de interferencia ... 55

2.5.9.2. Superficies ... 56

2.5.9.3. Moldes... 56

2.6. MATLAB ... 57

2.6.1. ENTRADA Y SALIDA DE DATOS ... 58

2.6.2. OPERADORES ... 59

2.6.3. SENTENCIAS DE CONTROL ... 61

3. METODOLOGIA ... 66

3.1. MÉTODOS ... 66

3.1.1. INVESTIGACIÓN EXPLORATORIA ... 66

3.1.2. INVESTIGACIÓN DESCRIPTIVA... 67

3.2. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS PARA LA RECOLECCIÓN DE DATOS ... 68

(10)

iv

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 69

4.1. PROCESO DE DISEÑO ... 69

4.2 DISEÑO DEL SNORKEL ... 69

4.2.1 DISEÑO EN SOLIDWORKS ... 69

4.2.2 INTENCIÓN DEL DISEÑO ... 70

4.2.3 PROCESO DE DISEÑO SNORKEL CABEZA DE SETA: ... 71

4.2.3.1 Simulación diseño cabeza seta………..76

4.2.4 PROCESO DE DISEÑO SNORKEL TIPO SAFARI... 80

4.2.4.1 Simulación cabeza de safari……….86

4.3. PROCESO DE DISEÑO FINAL ... 92

4.3.1 SIMULACION DISEÑO FINAL………..……..101

4.4 CONSTRUCCIÓN DEL DISEÑO FINAL ... 105

4.5 RESULTADOS DEL ESCANEO DEL VEHÍCULO CON Y SIN SNORKEL. ... 120

4.6 CÁLCULO DE LA MASA DE AIRE………..124

4.6.1 FLUJO DE MASA DE AIRE……….125

4.6.2 CILINDRADA PARCIAL ………..125

4.6.3 MASA TEÓRICA DE AIRE …..……….125

4.6.4 DENSIDAD DE AIRE………..127

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 128

5.1. CONCLUSIONES ... 128

5.2.RECOMENDACIONES ... 129

BIBLIOGRAFÍA ... 130

(11)

v

ÍNDICE DE TABLAS

Página

Tabla 1. Características principales del polietileno lineal de baja

densidad ... 12

Tabla 2. Propiedades de los gases contenidos en el aire……….…………...22

Tabla 3. Formatos de dibujo en Solidwork. ... 51

Tabla 4. Velocidades sometidas las simulaciones. ... 76

Tabla 5. Resultados obtenidos en la simulación a 30 km/h. ... 77

Tabla 13 . Resultados obtenidos en la simulación a 60 km/h. ... 91

(12)

vi

Tabla 19. Resultados del escaneó del vehículo con y sin snorkel a

30km/h. ... 120

Tabla 20. Resultados del escaneó del vehículo con y sin snorkel a

60km/h. ... 121

Tabla 21. Resultados del escaneo del vehículo con y sin snorkel a

(13)

vii

ÍNDICE DE FIGURAS

Página

Figura 1. Historia del snorkel... 5

Figura 2. Esquema de funcionamiento del snorkel. ... 7

Figura 3 . Capas de un laminado PRFV. ... .9

Figura 4. Esquema de instalación del snorkel………..….14

Figura 5. Snorkel colocado en una camioneta………..15

Figura 6. Filtros de aire………..17

Figura 7. Pre-filtros de aire………18

Figura 8. Esquema sistema de admisión………20

Figura 9. Línea de corriente………..25

Figura 10. Tubo de corriente……….25

Figura 11. Flujos reales o turbulentos………....26

Figura 12. Flujo ideal o laminar………26

Figura 13. Caudal volumétrico………..27

Figura 14. Principio de Bernoulli………..29

Figura 15. Panel de diseño del feature manager ……….37

Figura 16. Panel de diseño de property manager………....38

Figura 17 Panel de diseño configuration manager……….…38

Figura 18. Diferentes tipos de menús de solidwork………....39

(14)

viii

Figura 20 Administrador de comandos………...41

Figura 21 .Barras contextuales. ... 41

Figura 22. Barras de herramientas contextuales. ... 42

Figura 23. Barras de herramientas contextuales. ... 42

Figura 24. Módulos existentes en solidwork. ... 42

Figura 25. Gestor de diseño. ... 44

Figura 26. Módulo de ensamblaje de solidwork. ... 50

Figura 27. Barras de edición de modelos. ... 53

Figura 28. Simulación y movimiento con motor rotativo. ... 55

Figura 29. Análisis de interferencias. ... 56

Figura 30. Superficies y creación de familia de piezas con tablas de diseño. ... 56

Figura 31 . Herramientas de moldes. ... 57

Figura 32. Matlab Ficheros... 58

Figura 33. Fichero sentencia for. ... 62

Figura 34. Snorkel de Cabeza De Seta. ... 70

Figura 35. Snorkel Safari. ... 70

Figura 36. Solidwork icono Nuevo Documento “Pieza”. ... 71

Figura 37. Eje base para el diseño. ... 72

Figura 38. Diseños extremos superior e inferior del diseño. ... 72

(15)

ix

Figura 40. Extensión parte inferior. ... 73

Figura 41. Croquizado y vaciado del diseño. ... 74

Figura 42. Croquizado de la parte superior. ... 74

Figura 43. Complemento de la parte superior del snorkel. ... 75

Figura 44. Franjas en la cabeza del snorkel. ... 75

Figura 45. Diseño final snorkel cabeza de seta... 76

Figura 46. Simulación A 30km/h. ... 77

Figura 47. Simulación a 60km/h. ... 78

Figura 49. Solidwork icono nuevo documento “pieza”. ... 80

Figura 50. Inicio construcción parte superior... 81

Figura 51. Diseño de la parte superior del snorkel con el icono saliente/extruir. ... 81

Figura 52. Terminación de la cabeza snorkel safari. ... 82

Figura 53. Uso del icono vaciado en la cabezas del snorkel. ... 82

Figura 54. Construcción y redondeo del cuello superior de la cabeza del snorkel safari. ... 83

Figura 55. Diseño del cuerpo del snorkel. ... 84

Figura 56. Croquizado y vaciado del diseño parte inferior. ... 84

Figura 57. Diseño final snorkel safari. ... 85

(16)

x

Figura 65. Solidwork icono nuevo documento “Pieza” ... 93

Figura 66. Eje base para el diseño. ... 93

Figura 67. Paralelas del tubo del diseño. ... 94

Figura 68. Paralelas del tubo del diseño. ... 94

Figura 69. Redondeo de partes... 95

Figura 70. Trabajo sobre la base. ... 95

Figura 71.Trabajo sobre la base. ... 96

Figura 72. Redondeo tubo y acople superior. ... 96

Figura 73. Redondeo tubo y acople superior. ... 97

Figura 74. Diseño cabeza de snorkel. ... 97

Figura 75. Diseño cabeza de snorkel. ... 98

Figura 76. Perforaciones parte superior. ... 98

Figura 77. Complementos parte superior. ... 99

Figura 78. Dibujado del conducto. ... 99

(17)

xi

Figura 80. Diseño final. ... 100

Figura 81. Diseño final del snorkel. ... 101

Figura 85. Diseño a construir. ... 105

Figura 86. Camioneta previa a la instalación. ... 106

Figura 87. Camioneta previa a la instalación. ... 106

Figura 88. Toma de medidas en camioneta. ... 107

Figura 89. Toma de medidas en camioneta. ... 107

Figura 90. Diseño a construir. ... 108

Figura 91. Tomas de aire de camioneta. ... 108

Figura 92. Tomas de aire de camioneta. ... 109

Figura 93. Medidas de diseño final y diferentes vistas. ... 109

Figura 96. Moldes de snorkel. ... 110

Figura 97. Moldes de snorkel. ... 111

Figura 98. Partes extremas del diseño. ... 111

Figura 99. Partes extremas del diseño. ... 112

(18)

xii

Figura 101. Parte superior de snorkel. ... 112

Figura 102.Proceso de lijado... 113

Figura 103.Proceso de lijado... 113

Figura 104. Proceso de lijado... 114

Figura 105. Pintado partes internas. ... 114

Figura 106. Pintado partes internas. ... 115

Figura 107. Pintado partes extrema del diseño. ... 115

Figura 108. Pintado partes extrema del diseño. ... 116

Figura 109. Sellantes en partes de conexión. ... 116

Figura 110. Sellantes en partes de conexión. ... 117

Figura 111. Ensamble snorkel... 117

Figura 114. Snorkel acoplado. ... 119

Figura 115. Snorkel acoplado. ... 119

(19)

xiii

ÍNDICE DE ANEXOS

Página

ANEXO 1

(20)

xiv

RESUMEN

La presente investigación se enfocó en la construcción de un snorkel con

características aerodinámicas que permitió una mejor captación de aire y

como consecuencia un enfriamiento óptimo del motor, situación que se

traducirá en una utilización óptima del combustible y una mayor duración del

motor del vehículo, al disminuir significativamente la captación de partículas

contaminantes que pudieran afectar al motor y a su funcionamiento.

Quedó de manifiesto que con el uso del snorkel se elevaron los índices de

captación de aire y como consecuencia el enfriamiento del motor, situación

que beneficio el funcionamiento óptimo del motor. Además los modelos de

snorkel fueron investigados y evidenciaron mejoras en su funcionamiento y

su desenvolvimiento de los mismos, gracias a su óptimo funcionamiento

potencializado por su forma aerodinámica y su correcta colocación,

lográndose mejores valores en los sensores de aceleración, mayores

ingresos de aire y un mejor enfriamiento del motor.

Finalmente es de destacar que el diseño final, construido y propuesto reveló

su mayor funcionalidad a menores velocidades de tal modo que quedó

garantizada la eficiencia y el funcionamiento del motor del vehículo, situación

que se tradujo en menores concentraciones de inyección de combustible y

por ende una mejor combustión. Adicionalmente podemos concluir que es

muy conveniente la implementación de un snorkel en vehículos 4x4 que

practiquen el deporte automovilístico como es el rally, ya que después de

observar los resultados antes mencionados estos nos darían un gran

beneficio para que pueda una auto desempeñar un mejor trabajo en las

competencias, además que nos brindaría las facilidades de tomar el aire de

una mayor altura y poder cruzar por riachuelos, lugares pantanosos y por

otros lugares por los cuales un automóvil normal no podría circular de

manera normal , asimismo cuidaría que no ingresen impurezas , líquidos

(21)

xv

ABSTRACT

This research focused on the construction of a snorkel with aerodynamic

characteristics that allowed a better uptake of air and consequently optimal

engine cooling, a situation that will result in optimum fuel utilization and

longer motor vehicle, to significantly reduce the uptake of particulate

pollutants that may affect engine and its operation. It became apparent that

with the use of snorkel uptake rates rose air and consequently the engine

cooling, a situation that benefits the optimum engine performance. Besides

models snorkel were investigated and showed improvements in its

functioning and development of the same, thanks to its optimal functioning

potentiated by its aerodynamic shape and its correct placement, achieving

better values in the acceleration sensors, higher incomes air and better motor

cooling. Finally it should be noted that the final design, built and proposed

revealed greater functionality at lower speeds so that was guaranteed the

efficiency and operation of the vehicle engine, a situation which resulted in

lower concentrations of fuel injection and therefore a better combustion.

Additionally we can conclude that it is very convenient to implement a snorkel

4x4 to practice motor sports such as the rally, because after looking at the

results above these would give us a great benefit for you to self-play a better

job skills, plus we would provide the facilities to take the air of greater height

and to cross streams, marshy areas and other places where a normal car

could not move normally, also take care not to enter impurities, liquid to the

(22)

(23)

1

1. INTRODUCCIÓN

La presente investigación aborda la construcción de un snorkel, tomando en

cuenta las características, importancia, y materias primas a ser utilizadas en

su elaboración, pudiendo apreciar las ventajas que proporciona este

implemento al normal funcionamiento del motor de combustión interna.

Se realizó una profunda investigación que abordó aspectos tales como la

construcción del snorkel, su demanda en el mercado y las ventajas que

ofrece el mismo a los vehículos, la historia de su fabricación e importancia

de su utilización en el desarrollo de la industria automotriz.

Fueron abordados del mismo modo los materiales utilizados en la

construcción del snorkel, sus características físicas y químicas, valorándose

las ventajas de los mismos ante la corrosión y desgaste producto de la

acción de los elementos meteorológicos, sustancias contaminantes y

variaciones bruscas de la temperatura.

Se valoraron las ventajas de la utilización del snorkel, en motores, quedando

de manifiesto que tal elemento incrementa la durabilidad del motor al impedir

en un elevado porcentaje el ingreso de sustancias contaminantes y líquidos

que puedan afectarlo.

La elaboración de los snorkel se caracteriza por su sencillez, rapidez y bajos

costos, elementos que posibilitan una amplia producción y comercialización

de los mismos a precios accesibles a la mayoría de los clientes, existiendo

en la actualidad un amplio mercado y demanda de tales elementos.

Las características del snorkel hacen del mismo un complemento que

garantiza un funcionamiento óptimo del vehículo, ampliando sus

capacidades de desplazamiento y circulación, posibilitando que el mismo se

desplace por ríos, pasos de agua y lagos sin que el motor se vea afectado

por el ingreso de agua y así conjuntamente con otros aspectos de

preparación, como el sellamiento de conexiones eléctricas con silicona para

(24)

2 La altura a la que se ubica el snorkel facilita la captación de gases con

mayores niveles de pureza que a su vez optimizan el funcionamiento del

motor, evitando en un amplio porcentaje el ingreso de sustancias

contaminantes, por lo que se incrementa la durabilidad del motor.

El snorkel al ser capaz de captar un aire con mayor frialdad actúa como un

elemento de enfriamiento del motor, el cual alcanza elevadas temperaturas

que pueden afectar su normal funcionamiento e inclusive provocar daños

irreparables.

La importancia del uso del snorkel quedó de manifiesto desde mediados de

la primera década del siglo pasado, en la cual se comenzó a utilizar en

submarinos alemanes, como un elemento que permitía un intercambio

óptimo de gases.

Su utilización se masificó durante la segunda guerra mundial como elemento

que posibilitó brindar una mayor autonomía a los submarinos y de esta forma

disminuir el uso de baterías eléctricas e incrementar la utilización de motores

diésel, sin que se produjesen intoxicaciones en la tripulación.

Todo lo anteriormente expuesto pone en evidencia la importancia y vigencia

de la utilización de los snorkel como elementos que incrementan las

posibilidades de desplazamiento de los vehículos y durabilidad de los

motores.

El principal objetivo del trabajo es diseñar un snorkel en el programa

adecuado para un vehículo 4x4, someterlo a la simulación previa en

solidwork simulation y brindar datos que demuestre que la implementación

de un snorkel permite tener mejoras en el vehículo. La construcción del

snorkel basado en el diseño final, en fibra de vidrio ya que dicho material

posee las características necesarias para que el snorkel cumpla con el

(25)

(26)

3

2. MARCO TEORICO

2.1 SNORKEL

El snorkel puede ser definido como un respiradero cuya función es

garantizar el intercambio de gases hacia el exterior del motor en condiciones

tales como desierto, bajo agua, de forma tal que no pueda filtrarse el aire

contaminado con polvo, uno de los principales procesos para el buen

funcionamiento del motor de combustión interna está dado por la admisión

de aire el cual al mezclarse con el combustible logra una mezcla potente.

El filtro de aire es uno de los elementos más importantes, su función está

dada por impedir el paso de partículas extrañas al motor pero debe tomarse

en cuenta que en condiciones extremas su funcionamiento no suple

totalmente tal función.

“Si la admisión aspira agua durante un vadeo, pueden ocurrir roturas en cilindros, tapas, bielas, pistones, bloque del motor, etc.”. (Bednarz, 2013).

Los daños que puede sufrir el motor por ingresar agua al realizar un cruce de

agua pueden ser varios, afectándose los cilindros, tapas, bielas, pistones,

entre otros componentes de vital importancia para el normal funcionamiento

del motor.

La función eficaz del snorkel en aquellos vehículos de combustión interna

está dada en lograr un intercambio de gases a una mayor altura, pudiéndose

captar un aire fresco que favorece el proceso de combustión y evitándose la

captación de partículas de suciedad, elementos que se podrían captar con

(27)

4

2.1.2 IMPORTANCIA

La importancia del uso del snorkel está dada porque permite el cruce

eficiente del vehículo a través de ríos o pasos de agua favoreciéndose el

proceso de combustión interna y por ende el rendimiento vehicular.

La función principal del snorkel está dada por evitar el paso de agua al motor

a través de los filtros de aire como resultado de su diseño aerodinámico y su

estructura compacta, hermética, estética y duradera, la cual se adapta a los

diferentes modelos vehiculares.

Manstein (2012) indica:

El snorkel ha jugado un papel de extrema importancia en vehículos de

transporte de motor de combustión interna, los cuales han visto

favorecido su desempeño al poder realizar el intercambio de gases en

condiciones adversas brindándole gran movilidad al vehículo e

impidiendo que el motor sea afectado por líquidos durante su

funcionamiento (p. 93)

La velocidad es la clave de la movilidad y versatilidad de todo vehículo

ligero, siendo vital garantizar que los motores de combustión interna posean

un intercambio de gases constantemente evitando que ingresen al motor

gases o partículas contaminantes.

El snorkel ha jugado un papel preponderante en el desarrollo y versatilidad

de los vehículos que poseen motores de combustión interna, incrementando

notablemente sus posibilidades de desplazamiento inclusive a través de

(28)

5

2.1.3 HISTORIA

Figura 1. Historia del snorkel. (Doniz, 2009)

(Doniz, 2009), expone:

El uso del snorkel revolucionó la navegación submarina al permitir tal

elemento incrementar la autonomía de las naves propiciando el intercambio

de gases de los motores diésel sin peligro que los mismos fueran

contaminados por el agua de mar, situación que provocó la intoxicación de la

tripulación y por ende la puesta fuera de combarte de tales naves (p. 75)

Los primeros snorkel fueron utilizados en 1915 durante la primera guerra

mundial por parte de los submarinos alemanes cuya capacidad de inmersión

estaba muy limitada debido a que su sistema eléctrico poseía escasa

potencia haciendo mayor uso de los motores diésel, los cuales garantizaban

una mayor autonomía pero al mismo tiempo provocaban intoxicación a la

tripulación, por lo que se adaptaron los snorkel para facilitar el intercambio

de gases y permitir mayor funcionamiento bajo la superficie del agua.

El snorkel fue la solución que permitió el desplazamiento de los submarinos

bajo el agua sin peligro de ser detectados, situación que hizo de tal nave un

arma mortalmente eficaz que durante la primera y segunda guerra mundial

permitió inclinar la balanza a favor de Alemania.

Es de destacar que la idea del snorkel no fue originalmente elaborada en

Alemania sino en Inglaterra en el año 1885 con su adaptación a los

(29)

6 desarrollados por la marina inglesa debido a que fueron considerados

elementos de exploración poco efectivos para el combate naval.

(Taniguchi, 2009), afirma:

El uso del snorkel amplió las posibilidades de los vehículos todo terreno

brindando una ventaja inexistente en la década de los 30, elemento que

revolucionó empresas como la Toyota, las cuales afínales de la década del

50 iniciaron la producción en masa de vehículos todo terreno (p. 57)

El uso de snorkel se masifico durante la segunda guerra mundial en el año

1943 cuando la marina inglesa y norteamericana crean los comboys de

protección, los cuales eran capaces de detectar la presencia de submarinos

a varias millas, por lo que una medida efectiva para evitar la detección de los

submarinos fue el uso de snorkel que permitían que se acercaran a los U

boots (nave submarina) alemanes a unos 8 kilómetros de los comboys

distancia a la que eran efectivos los torpedos.

El desarrollo de los snorkel se aceleró a partir de 1944 desarrollándose

snorkel retráctiles los cuales pronto fueron adaptados a los vehículos ligeros

que debían desplazarse por terrenos pantanosos o hacer constantes cruces

de ríos o lagos, uno de los primeros vehículos que hizo uso de este nuevo

tipo de accesorios fue, un vehículo ligero de transporte del ejército alemán

que se caracterizó por su rapidez y efectividad en el cruce de ríos y lagos.

Tales experiencias fueron explotadas e investigadas por empresas tales

como Ford, Chevrolet, Toyota, Niva, entre otras las cuales desarrollaron

modelos de transporte ligero 4x4 ligeros y capaces de realizar cruces de ríos

sin peligro que el motor fuera afectado por líquidos o partículas

contaminantes.

El uso del snorkel amplió las capacidades, rendimiento y desplazamiento de

los vehículos, permitiendo el desarrollo de una nueva línea de vehículos

comerciales de exploración, todo terreno o 4X4, los cuales no estaban

(30)

7 personas que deseaban realizar excursiones y viajes a través de terrenos no

aptos para vehículos que carezcan de snorkel.

2.1.4 TECNOLOGÍA Y FUNCIONAMIENTO

El snorkel está diseñado con el objetivo de brindar un aire limpio y libre de

impurezas al motor independientemente de las situaciones meteorológicas o

geográficas por la cual se desplace el vehículo. El diseño elevado y

aerodinámico del snorkel da respuesta a la necesidad de lograr un

intercambio gaseoso del motor de combustión interna evitando las

posibilidades del ingreso de partículas contaminantes o líquidos que puedan

evitar el buen funcionamiento del motor, tal como se puede evidencia en la

figura 2.

Figura 2. Esquema de funcionamiento del snorkel. (4x4connection, 2014)

La tecnología y funcionamiento del snorkel dan respuesta a la necesidad de

lograr un funcionamiento eficiente del motor de combustión interna, el cual

necesita de oxígeno para su normal funcionamiento, pero al mismo tiempo

de existir partículas contaminantes o líquidos no se produce una mezcla

efectiva entre el oxígeno y el carburante por lo que el rendimiento del motor

se ve ostensiblemente disminuido.

2.1.5 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

Los materiales de construcción utilizados en la elaboración del snorkel han

variado según los periodos históricos e investigaciones científicas realizadas.

(31)

8 polietileno de baja densidad lineal, las cuales han sido ampliamente

utilizadas debido a la elevada resistencia que poseen.

Los snorkel dado su diseño evitan que se filtre un 80 y 90% de partículas de

polvo al motor, una notable reducción de ruidos y vibraciones consecuencias

del desarrollo de elevadas velocidades, situación que se ve favorecida por el

diseño aerodinámico del snorkel y su capacidad para lograr un intercambio

de gases efectivo.

2.1.6 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN

2.1.6.1 P.R.F.V (Plástico reforzado con fibra de vidrio)

Existe un conjunto de materiales físicos, químicos en la elaboración de

snorkel que brinda mayor resistencia, impermeabilidad y durabilidad al

proceso de intercambio gaseoso, elementos que repercuten positivamente

en la funcionalidad y rendimiento de los motores de combustión interna.

El PRFV destaca como un material idóneo para la elaboración de snorkel por

su maleabilidad, la cual posibilita la elaboración de snorkel aerodinámicos,

los cuales se caracterizan por su estructura compacta, hermética, duradera y

estética, dichos snorkel son desarrollados en concordancia con la forma y

estructura del vehículo, es de destacar la resistencia y fortaleza de tales

snorkel contra golpes, así como el acabado perfecto de los mismos.

Los plásticos reforzados fibra de vidrio o PRFV son ampliamente utilizados

en la actualidad dada su adaptabilidad a los avances tecnológicos que han

proporcionado una mayor dureza y resistencia a los plásticos con la

utilización de fibras de vidrio, carbono, aramídicas, polietilénicas, entre otras,

desarrollándose nuevos materiales de mayor resistencia y versatilidad.

(32)

9 Las nuevas combinaciones de elementos reforzantes con elementos

plásticos han posibilitado la elaboración de snorkel de mayor resistencia y

versatilidad, cuyo funcionamiento se ha elevado a tal punto que son capaces

de filtrar el aire con una pureza del 90% (p. 67)

El plástico reforzado con fibra de vidrio se caracteriza por su durabilidad y

dureza debido a que el mismo se elabora a partir de varias capas y varios

materiales los cuales cumplen funciones específicas como frío, calor, golpes,

desgaste ambiental, entre otras.

El principal objetivo de la elaboración a partir de plástico reforzado con fibra

de vidrio está dado por lograr una resistencia física y química a un medio

ambiente adverso, así como una resistencia mecánica al desgaste por su

utilización, pudiéndose verificar un conjunto de capas entre las que destaca:

Laminado interno: se define como laminado interno a la capa superficial o

expuesta al medio ambiente, entre sus funciones destaca la de barrera

química a los elementos ambientales, siendo su principal componente el

gelcoat, una resina de alta resistencia cuyo espesor oscila entre los 0.25 y

0.5 mm, es de destacar que esta resina conforma el 90% por capa ronda.

Figura 3. Capas de un laminado PRFV. (González G. , 2014)

Laminado intermedio: El laminado intermedio es el complemento de la

(33)

10 cuales actúan como amortiguadoras y protectoras de la estructura laminar,

cuya principal función se destaca por conferir resistencia al snorkel.

El laminado intermedio está compuesto por los mismos elementos químicos

que conforman al laminado interno pero en este caso dicha lámina está

cubierta por fibras de vidrio, de forma tal que un 70% del laminado

intermedio está compuesto por resina y un 30% por fibra de vidrio, de tal

forma que su espesor varía entre 1 y 2 mm.

Laminado estructural: La función del laminado estructural está dado por

soportar mayor resistencia mecánica, combinándose dicha lámina con

diferentes materiales como la fibra de vidrio, entre otros los cuales al ser

superpuestos brindan una mayor resistencia a la estructura.

Las propiedades del PRFV están dadas por:

Elevada resistencia mecánica, elemento que lo hace altamente resistente a

roturas, impactos, deformaciones, características que lo transforman en un

elemento idóneo para la elaboración de snorkel, debe destacarse que el

plástico reforzado con fibra de vidrio no es un material homogéneo por lo

que puede ser utilizado en la elaboración de diferentes láminas que brinda

mayor resistencia y durabilidad al snorkel.

Ligereza: cabe señalar que el plástico reforzado con fibra de vidrio posee un

peso específico de 1.4 kg, el cual al ser comparado con el acero es mucho

más ligero debido a que el mismo es de 7.8 kg y en el caso del aluminio de

2.7 kg, situación que hace de tal material un elemento idóneo para la

elaboración de snorkel.

Alta rigidez dieléctrica: El plástico reforzado con fibra de vidrio es un

aislante natural de la electricidad, es decir no posee las características

(34)

11

Flexibilidad del proyecto: El plástico reforzado con fibra de vidrio es

altamente maleable por lo que se pueden elaborar con facilidad snorkel de

una sola pieza sin importar su tamaño y sin la necesidad de crear uniones

que puedan afectar la impermeabilidad de dicho elemento.

Estabilidad dimensional: dadas sus características químicas el plástico

reforzado con fibra de vidrio es capaz de mantener sus dimensiones

originales independiente mente de las variaciones de elementos como la

temperatura y humedad.

Resistencia a la corrosión: La resina componente principal del plástico

reforzado con fibra de vidrio confiere una elevada resistencia a factores

ambientales que puedan ocasionar daños de desgaste en el snorkel.

Moldes simples y baratos: La confección del snorkel puede llevarse a cabo

utilizando moldes económicos los cuales pueden ser constantemente

reparados y modificados sin la necesidad de elaborar nuevos moldes,

situación que ofrece una amplia ventaja económica.

Bajo costo de terminación: El acabado de los snorkel es económico,

factible y extremadamente exacto de forma tal que los snorkel salen del

molde prácticamente sin necesidad de procesos de terminación.

Bajo costo de mantenimiento: Como resultado de la estabilidad química y

su resistencia a los factores medioambientales no son necesarias las labores

de mantenimiento para los snorkel los cuales poseen una vida útil de

aproximadamente 10 años.

2.1.6.2. Polietileno lineal de baja densidad (pelbd)

El polietileno lineal de baja densidad desde el punto de vista químico está

(35)

12 un material idóneo para elaboración de estructuras tales como los snorkel,

entre las propiedades del polietileno lineal de baja densidad sobresalen:

Propiedades mecánicas, elevada resistencia a la tracción, impacto, rasgado,

perforación, así como una alta fuerza de sellado al calor y sellado provocado

por los elementos ambientales, es de destacar que resiste temperaturas de

hasta menos 95º Cº.

El grado de cristalinidad del polietileno de baja densidad fluctúa entre un 30

a 40%, su densidad por centímetro cúbico es de 0.9 a 0.93 gramos, la

temperatura de cristalización oscila entre los 121 a 125º Cº, el esfuerzo de

ruptura es de 10 a 30 N* m2 y la elongación a ruptura es de un 16%, todos los elementos anteriores ponen de manifiesto que el material posee una

buena estabilidad química.

Tabla 1. Características principales del polietileno lineal de baja densidad

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES

Grado de cristalinidad (%) 30-40

Densidad (g/cm3) 0,9-0,93

Temperatura de cristalización (ºC) 121-125

Estabilidad química Buena

Esfuerzo de ruptura (N/mm2) oct-30 Elongación a ruptura (%) 16

Módulo elástico E (N/mm2) - Coeficiente de expansión lineal (K-1) 2 x 10-4 Temperatura máxima permisible (ºC) -

Temperatura de reblandecimiento (ºC) -

(36)

13 Las propiedades mecánicas del polietileno lineal de baja densidad hacen del

mismo un material idóneo para la elaboración de snorkel debido a su

resistencia física y mecánica entre las que sobresalen su adaptación a los

diferentes climas, así como los impactos o golpes que pueda recibir los

cuales son asimilados con facilidad.

2.1.7 FUNCIONES DEL SNORKEL

El snorkel posee un conjunto de funciones que favorecen y posibilitan un

mejor funcionamiento del motor de combustión interna entre las que

destacan:

Enfriamiento: El aire que ingresa al motor tiende a disminuir la temperatura

del mismo la cual debido al proceso de combustión es elevada, situación que

evita un sobrecalentamiento del motor el cual de no poseer este sistema de

enfriamiento del motor podría fundirse.

Cruce de pasos de agua, ríos y lagos: El snorkel debido a su

conformación y a la altura en la cual se encuentra ubicado evita el paso de

agua al motor, situación que podría provocar desperfectos en el mismo en

cambio permite el intercambio de gases para el proceso de combustión

interna.

Efecto de choque de aire: La forma y velocidad a la cual el snorkel capta

los gases necesarios para el proceso de combustión del motor posibilitan un

mejor funcionamiento del mismo.

Captación de menos sustancias contaminantes: Como consecuencia de

la ubicación del snorkel a una gran altura, el mismo es capaz de captar

gases con menos contenido de polvo de forma tal que se propicia un mejor

funcionamiento del motor, así como una disminución del desgaste de las

piezas del mismo debido al ingreso de sustancias o elementos

(37)

14

Figura 4. Esquema de instalación del snorkel. (Bednarz, 2013)

La importancia del snorkel queda de manifiesto en las numerosas funciones

del mismo posibilitando el intercambio de gases, los cuales hacen posible el

proceso de combustión interna y al mismo tiempo disminuyen la temperatura

del motor, por otra parte evita que se capten sustancias contaminantes que

afecten el normal funcionamiento del motor de combustión interna así como

el ingreso de líquidos al mismo.

2.1.8 CARACTERIZACIÓN DEL SNORKEL

Existe una amplia variedad de modelos de snorkel, los cuales se adaptan a

las características y necesidades de los vehículos, los snorkel que

actualmente se comercializan se caracterizan por:

 Poseer una única entrada de aire, elemento que posibilita que el vehículo transite a través de aguas profundas, tal elemento

incrementa el rendimiento vehicular debido a que proporciona un

enfriado óptimo.

 Las sustancias corrosivas y contaminantes son ampliamente limitadas debido a que a la altura a la que se aspira el aire el mismo posee

(38)

15

 La composición química del snorkel (polietileno de alta densidad) brinda elevada resistencia a tal elemento, lo cual le confiere mayor

durabilidad.

 Finalmente es de destacar la facilidad de instalación del snorkel sin necesidad de acudir o solicitar personal especializado, obteniendo un

resultado inmejorable, tal como se evidencia en la figura 5.

Figura 5. Snorkel colocado en una camioneta. (PATIOTuerca.com, 2014)

Actualmente existe una amplia gama de snorkel en el mercado, los cuales se

adaptan a las necesidades y exigencias existentes brindando mejores

posibilidades de funcionamiento y funcionabilidad a los vehículos de motor

de combustión interna.

2.2 SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE DEL MOTOR

El sistema de admisión consiste de una serie de filtros, elementos filtrantes,

tuberías y conexiones al múltiple de admisión o turbo cargador dependiendo

del caso.

El trabajo del sistema de admisión es la de proveer al motor aire limpio con

una restricción mínima, separando del aire, los materiales finos como el

(39)

16 También el sistema debe permitir la operación del motor por un período de

tiempo razonable antes de requerir servicio de mantenimiento.

Restricción de aire

La restricción de un sistema de admisión con un filtro de aire nuevo no debe

de ser mayor a 12 in. H2O (3 kPa). Valores de restricción de hasta 17 in. H2O

(4.2 kPa) son aceptables únicamente para filtros con pre-limpiadores).

(DEERE, 2015)

 Filtro de aire

El filtro de aire que se observa en la figura 6, tiene una importancia vital para

la duración del motor, ya que evita la entrada de partículas sólidas flotantes

en el aire, que lo desgastarían por abrasión, especialmente en ambientes

polvorientos.

Este filtro antiguamente estaba constituido por un recipiente lleno con un

entramado de fibras humedecidas con aceite, por el cual pasaba el aire de

admisión. El aceite retenía el polvo por adherencia y se denominaban filtros

húmedos, su eficacia no era muy buena especialmente cuando se

acumulaba en él mucha suciedad ya que dejaban de filtrar, pero tenían la

ventaja de que eran "lavables" por lo que podían reusarse. (Ingeniero

Bruzos, 2015)

Desde hace unas cuatro décadas, fueron sustituidos por los filtros de papel,

en estos el material filtrante es un papel cuya porosidad ha sido elaborada

cuidadosamente para que ofrezca poca resistencia al paso del aire, pero que

retenga las partículas más pequeñas contenidas en el aire. Esto filtros se le

llama filtros secos. Para aumentar la superficie de filtrado y tener mayor

(40)

17 Son muy eficientes en cuanto a la limpieza del aire, pero tienen las

desventajas que cuando se retiene mucha suciedad se obstruyen

dificultando el trabajo del motor, y que son necesariamente desechables,

porque si se intenta lavarlos se agrandan los poros y su eficacia se reduce

dramáticamente.

Figura 6. Filtros de aire. (Ingeniero Bruzos, 2015)

 Pre-limpiadores

Un pre-limpiador como se lo observa en la figura 7, incrementa la capacidad

de tolerancia a ambientes adversos de un sistema de admisión mediante la

remoción de un alto porcentaje del polvo antes de que éste entre al elemento

filtrante.

Un diseño común de pre-limpiador utiliza unas aletas o algún otro sistema

para separar el polvo por centrifugación del aire de admisión antes de llegar

al filtro primario.

El polvo y contaminación recolectado por el pre-limpiador generalmente es

expulsado de manera manual. Algunos diseños de pre-limpiadores, más

caros, expelen automáticamente el contaminante a través de un tubo

aspirador conectado al sistema de escape.

Operación

La pre-limpieza del aire se logra dirigiendo el aire de admisión a través de un

tubo de entrada forzándolo a que tenga un movimiento centrífugo a alta

(41)

18 Conforme el aire circula alrededor del filtro, el 80 o 90% del polvo es

acarreado a través de una ranura en el deflector hasta la caja de polvos. En

ese punto el polvo es removido a través de una válvula. (DEERE, 2015)

Figura 7. Pre-filtros de aire. (DEERE, 2015)

 Tubería y abrazaderas de admisión

La tubería de admisión debe ser tan corta como sea posible y tener la menor

cantidad de restricciones para el flujo de aire. Los codos muy pronunciados,

tuberías de diámetro pequeño o tuberías muy largas deben ser evitados. La

caída de presión en la tubería más la restricción del filtro de aire no debe

exceder el máximo permitido de restricción de aire.

El diámetro de la tubería nunca debe de ser menor al diámetro de la entrada

en el múltiple de admisión. Las conexiones defectuosas pueden introducir

humedad y aire sin filtrar al motor, lo que reducirá la vida útil del motor.

La tubería utilizada desde el filtro hasta la entrada al turbo es de un material

anticorrosivo y resistente a altas temperaturas [120 °C (248 °F)]. Se deben

utilizar abrazaderas de uso pesado, y el grosor de las paredes de la tubería

utilizada debe ser suficientemente resistente para evitar que se deforme al

apretar la abrazadera. (DEERE, 2015)

 Conductos de admisión

Los conductos de admisión del motor puede ser desde un simple tramo de

(42)

19 acople al motor cerca de las válvulas de admisión, hasta un complejo y bien

diseñado sistema de conductos de longitud y formas. (Ingeniero Bruzos,

2015)

El conjunto de todos los conductos que conducen el aire desde el exterior

hasta los cilindros del motor se puede dividir en dos partes básicas:

 Los tramos de tubería que funcionan como simples conductos para conducir el aire desde el exterior y llevarlo primero hasta el filtro de aire y

luego al motor, los que pueden ser más o menos difícil para adaptarse a

la geometría del espacio disponible.

 Un haz de conductos que forman un solo cuerpo y que se distribuyen por un extremo a cada uno de los cilindros del motor poli-cilíndrico pero que

coinciden todos en el otro extremo en una cavidad común donde se

apoya el carburador o la mariposa del sistema de inyección de gasolina

para el motor de gasolina. Este haz de tubos es conocido como múltiple

de admisión. (Ingeniero Bruzos, 2015)

2.2.1 EL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN Y SUS CARACTERÍSTICAS

El múltiple de admisión sirve para conducir aire o una mezcla aire –

combustible desde la toma de aire y sus procesos a los cilindros así como se

mira en la figura 8, y por ello debe cumplir las siguientes condiciones:

(Ingeniero Bruzos, 2015)

 Mantener la mezcla homogénea y estable durante el trayecto.

(43)

20

Figura 8. Partes del sistema de admisión de aire. (Ingeniero Bruzos, 2015)

2.2.2 EFICIENCIA DEL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN

La eficiencia del múltiple de admisión depende del largo y la forma del

múltiple de admisión que influye en el desempeño de un motor.

La eficiencia de admisión depende en buena parte de los pasajes del

múltiple. Utilizando fenómenos naturales, cuando un gas se desplaza

velozmente dentro de un tubo, el múltiple de admisión termina por

homogeneizar la mezcla que llega al cilindro. (REAL CABEZAS, 2011)

Un múltiple de admisión con pasajes de poco diámetro permite generar alta

potencia del motor a bajas revoluciones, en cambio, si al mismo motor se le

instala un múltiple con pasajes de mayor diámetro la misma potencia se

obtendrá a mayor número de revoluciones. (REAL CABEZAS, 2011)

2.2.3 CARACTERÍSTICAS DEL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN

Se debe tener en cuenta que los múltiples son extensión de los conductos

de válvulas, ya sea de admisión o escape, y podemos realizar algunas

modificaciones:

El diámetro interno de los tubos de admisión y escape de cada cilindro

(44)

21 El simple pulido interno de los conductos de válvula y de los tubos de

admisión y escape hace que la mezcla aire-combustible en la admisión, y los

gases de escape no tengan resistencia en su desplazamiento, mejorando

notablemente la velocidad de reacción del motor ya que favorecemos de

esta manera la "respiración". (REAL CABEZAS, 2011)

Las curvas de los conductos deben ser lo más suaves posible, y la distancia

o recorrido deben ser lo más parecidas posible en todos los cilindros, para

que la respiración sea equilibrada; normalmente en motores de serie estos

múltiples son piezas que pueden pulirse fácilmente pero que no tienen ese

equilibrio entre cilindros, por lo que hay una solución para la admisión y otra

para el escape.

Otra opción en la admisión es la colocación de un múltiple que si tenga las

características mencionadas, ya sea modificando el de serie y colocando

otro de venta comercial; pero también se puede instalar más de un

carburador, y vinculando estos a múltiples distintos. (REAL CABEZAS, 2011)

2.2.4 SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE

Este sistema suministra el aire al motor. El aire que ha sido tomado dentro y

limpiado por el purificador de aire, fluye hacia el tanque de compensación de

acuerdo con el ángulo de abertura de la válvula del acelerador, luego es

distribuido a los cilindros a través de la admisión. (REAL CABEZAS, 2011)

En motores con sistema de alimentación a inyección, la cantidad de aire de

admisión se detecta por el medidor del flujo de aire o sensor de vacío con el

propósito de hacer la apropiada mezcla de aire-combustible. El computador

envía luego señales de inyección de combustible para el sistema de

combustible de acuerdo con el volumen de aire de admisión.

2.2.5 CARACTERÍSTICAS DEL FLUJO EN EL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN

Las líneas del aire, que se extienden desde el motor hasta el exterior, deben

(45)

22 filtros para aire, para eliminar las partículas de suciedad, reducen el

desgaste de los pistones, los anillos y los cilindros. Los silenciadores, que se

utilizan a la entrada de las líneas del aire, se combinan con los filtros, con

fines automotrices. (REAL CABEZAS, 2011)

2.3 EL AIRE ATMOSFÉRICO

La masa de aire seco, se encuentra compuesto de 77 partes de nitrógeno y

23 partes de oxígeno. Esto contiene además pequeñas cantidades de otros

gases, que se comparten en la combustión, como un gas y puede ser

considerado desde el punto de vista automotriz como nitrógeno.

La tabla 2 nos muestra una relación catalogada de los gases que se hallan

contenidos en el aire.

TABLA 2: Propiedades de los gases contenidos en el aire.

ELEMENTO PESO

MOLECULAR PROPORCIÓN EN VOLUMEN PESO RELATIVO VOLUMEN RELATICO

Oxigeno O2 32 0,2099 6,717 1

Nitrógeno N2 28 0,7803 21,861 3.76

Argón A 40 0,0094 0,376 3.76

Anhídrido de carbono CO2 ₄₄ _0,0003 _0,013 _3.76

Aire --- 1,000 28,97 ---

(REAL CABEZAS, 2011)

La proporción en volumen es: 21% para el oxígeno, 79% para el nitrógeno y

otros gases.

La masa de 1 m³ de aire a la presión de 1 bar (~760 mm Hg) que es la

presión atmosférica y a la temperatura de 273.16º K (0º C) vale 1.2928 Kg.

Un kilogramo de aire a la presión atmosférica y a la temperatura de 273.16 º

(46)

23

2.4 MODELO MATEMÁTICO

2.4.1 HIDRODINÁMICA

La hidrodinámica, estudia el movimiento de los fluidos (líquidos o

gaseosos).

Fluidos: Se denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna

sustancia entre cuyas moléculas hay una fuerza de atracción débil. Los

fluidos se caracterizan por cambiar de forma sin que existan fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma “original” (lo cual constituye la

principal diferencia con un sólido deformable).

Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre sí, por

fuerzas cohesivas débiles y/o las paredes de un recipiente; el término

engloba a los líquidos y los gases. En el cambio de forma de un fluido la

posición que toman sus moléculas varía, ante una fuerza aplicada sobre

ellos, pues justamente fluyen. Los líquidos toman la forma del recipiente que

los aloja, manteniendo su propio volumen, mientras que los gases carecen

tanto de volumen como de forma propios. Los fluidos están conformados por

los líquidos y los gases, siendo los segundos mucho menos viscosos (casi

fluidos ideales).

2.4.1.1 Clasificación de los flujos

Al movimiento de un fluido se le llama flujo.

Los flujos pueden clasificarse de diversas formas, entre ellas se encuentran:

a) Viscoso y no viscoso

b) laminar y turbulento

c) permanente y no permanente

(47)

24 e) irrotacional y rotacional

f) unidimensional

Flujo viscoso: es aquel en el cual los efectos viscosos, es decir, el roce,

son importantes.

Flujo laminar: el fluido se mueve en láminas o capas paralelas.

Flujo turbulento: las partículas fluidas se mueven siguiendo trayectorias

muy irregulares.

Flujo permanente: las propiedades y características del flujo son

independientes del tiempo. Esto significa que no hay cambios en las

propiedades y características del flujo en un punto al transcurrir el

tiempo, pero si puede haber cambio de un punto a otro del espacio.

Flujo incompresible: son aquellos flujos en los cuales las variaciones de la

densidad son pequeñas y pueden despreciarse, luego la densidad es

constante.

Flujo irrotacional: es aquel flujo en el cual un elemento de fluido en cada

punto del espacio no tiene velocidad angular respecto de ese punto.

Flujo unidimensional: es aquel en el cual pueden despreciarse las

variaciones de las propiedades del flujo en dirección perpendicular a la

dirección principal del flujo; otra forma de definirlo es la siguiente: todas las

propiedades y características del flujo depende de sólo una variable

espacial.

2.4.1.2 Fluido ideal

El concepto de Fluido ideal es útil en el estudio de la dinámica de fluidos. Se

trata de un fluido imaginario que no ofrece resistencia al desplazamiento (no

(48)

25

Línea de corriente: Un flujo se representa comúnmente en forma gráfica

mediante líneas de corriente, A la trayectoria seguida por una partícula de un

líquido o gas en movimiento se le llama línea de corriente, estas son curvas

tales que la velocidad es tangente a ella en cada punto, tal y como se

observa en la figura 9. (SALVO, 2009)

Figura 9. Línea de corriente. (SALVO, 2009)

Tubo de corriente: Es un conjunto de líneas de corriente que pasan por el

contorno de un área pequeñísima (dA). De acuerdo a la definición de línea

de corriente no hay paso de flujo a través de la superficie lateral del tubo de

corriente, así se puede apreciar en la figura 10. (SALVO, 2009)

Figura10. Tubo de corriente. (SALVO, 2009)

2.4.1.3 Mecánica de fluidos

La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos,

rama de la física que a su vez, que estudia el movimiento de los fluidos

(gases y líquidos) así como las fuerzas que los provocan. La característica

fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir

esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida).

(49)

26 Hay dos clases de fluidos según su movimiento se clasifican en:

Flujo reales o turbulentos: En mecánica de fluidos se llama flujo

turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en

forma caótica en que las partículas se mueven desordenadamente y las

trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos

aperiódicos de forma caóticos (no coordinados), ver figura 11.

Figura 11. Flujos reales o turbulentos. (NATAHENAO)

Fluidos ideal o laminar: Se le llama así al movimiento de un fluido cuando

éste este ordenado y suave. En un flujo laminar el fluido se mueve en

láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una

trayectoria suave, llamada línea de corriente. En flujos laminares el

mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular, se puede

observar en la figura 12.

Figura 12. Flujo ideal o laminar. (NATAHENAO)

2.4.1.4 Caudal

Se define como caudal volumétrico (Q) al cociente entre el volumen (V) que

pasa por una determinada sección o área y el tiempo (t) que demora en

pasar ese cierto volumen de fluido ,así se mira en la figura 13 y es

(50)

27

Q

=

𝑉

𝑡

[1]

Dónde:

Q

= Caudal (m3/s) V= Volumen (m3)

t =TIEMPO (s).

Figura 13. Caudal volumétrico. (SALVO, 2009)

A esta expresión de caudal se le puede tomar de otra forma, para eso se

supone que la velocidad es la misma para todos los puntos de la sección o

área.

Si (v) es la velocidad con que el líquido atraviesa la sección Δl, la distancia que recorre en un intervalo de tiempo Δt es equivalente a la distancia como

se mira en la ecuación número 2 entonces:

d= v* Δt

[2]

Entonces por otra parte, el volumen lo podemos expresar como el de un

cilindro de base A y altura, luego la expresión para el caudal es:

𝑄 =

𝐴∗𝛥𝑙_𝛥𝑡

=

𝐴∗𝑣∗𝛥𝑡_𝛥𝑡

⇒ 𝑄 = 𝐴 ∗ 𝑉

[3]

Dónde:

(51)

28 V= Es la velocidad lineal promedio. (m/s)

2.4.1.5 Ecuación de continuidad

Como cuando no puede haber paso de fluido a través del tubo de corriente y

además si no hay fuentes ni sumideros dentro del tubo, el caudal volumétrico

( Q) a la entrada y salida del tubo es el mismo, luego se obtiene que:

A

1

* v

1

= A

2

* v

2 [4]

El producto A y v son constantes, así esto significa que para un caudal

determinado, la rapidez con que se desplaza el fluido es mayor en las

secciones más pequeñas. Sección y velocidad son inversamente

proporcionales. (SALVO, 2009)

De acuerdo con la ecuación de continuidad para flujo compresible:

Q entrante = Q saliente

De un modo similar se puede establecer que la masa que pasa por una

unidad de tiempo debe ser constante así como se observa en la formula 5.

Esto se conoce como caudal másico.

𝑄(𝑚à𝑠𝑖𝑐𝑜) =

𝑀

𝑡 [5]

Se puede demostrar que el caudal másico también es igual al producto entre

la densidad, la rapidez y el área de la sección, es decir, ᴘ A v

Como el caudal másico es el mismo en la sección 1 y 2, entonces se tiene

que: (SALVO, 2009)

(52)

29

2.4.1.6 El principio de Bernoulli

El principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o

Trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un flujo laminar

moviéndose a lo largo de una corriente de fluido (SALVO, 2009).

Este principio es una consecuencia de la conservación de la energía de los

fluidos en movimiento. Esto establece que en un fluido es incompresible y no

viscosa, la suma de la presión hidrostática, la energía cinética por unidad de

volumen y la energía potencial gravitatoria por unidad de volumen, es

constante a lo largo de todo el circuito, así como se lo muestra en la figura

14. Es decir, que dicha magnitud toma el mismo valor en cualquier par de

puntos del circuito. Su expresión matemática es: (SALVO, 2009)

Figura 14. Principio de Bernoulli. (SALVO, 2009)

La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:

 Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.

 Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea.

 Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.

La ecuación de Bernoulli, consta de los siguientes términos,

respectivamente, donde:

V = velocidad del fluido en la sección considerada.

ρ = densidad del fluido.

(53)

30 g= aceleración gravitatoria

z = altura en la dirección de la gravedad desde una línea de referencia.

𝑉2𝑝

2

+ 𝑃 + 𝑝𝑔𝑧 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 [

7

]

Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos:

 Viscosidad (fricción interna): 0 Es decir, se considera que la línea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona ‘no viscosa’ del fluido.

 Caudal constante

 Flujo incompresible, donde ρ es constante.

 La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo irrotacional.

2.4.2 ECUACIÓN DE ESTADO APLICADAS A LA ADMISIÓN

El aire en el colector de admisión es considerado como un gas ideal y, por

tanto, descrito por la ley del gas ideal:

𝑃𝑖𝑉𝑖 = 𝑚𝑖𝑅𝑇 [8]

Dónde:

𝑃𝑖 = Presión en el colector de admisión.

𝑉𝑖 = Volumen del colector de admisión.

𝑚𝑖 = Masa de aire en el colector de admisión.

R = Constante de los gases para el aire

T = Temperatura del aire en el colector de admisión.

Esta ley también se puede escribir en términos de la densidad del aire en el