Implementación y análisis sistema de alimentación de hidrógeno para un motor de combustión interna

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(1)PROYECTO DE GRADO. “Implementación y análisis sistema de alimentación de hidrógeno para un motor de combustión interna”. PRESENTADO POR: Adriana Moreno. PROFESOR ASESOR: Jaime Loboguerrero Ucastegui, PhD.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica. Bogotá, Enero 2007.

(2) IM -2006-II-27. Introducción .................................................................................................................... 3 Capitulo 1- Mecanizado de las modificaciones hechas al motor, necesarias para el sistema de alimentación de hidrógeno. ..................................................... 4 1.1 Descripción de las modificaciones.......................................................................4 1.2 Extractor de anillos.................................................................................................5 1.3 Perforación del anillo de admisión.......................................................................8 1.4 Mecanizado de la cuneta en la culata...............................................................10 1.5 Descripción del estado de desgaste del motor................................................11 1.6. Conexión de la culata al tanque de hidrógeno ...............................................13 1.7 Medición dimensiones finales de las perforaciones en el anillo del asiento de la válvula.................................................................................................................14 Capitulo 2- Análisis del sistema de inyección. ....................................................16 2.1 Comb ustión del hidrógeno ..................................................................................16 2.2 Dosificación y administración de la potencia ...................................................17 Capitulo 3- Producción, almacenamiento y duración del hidrógeno ............27 3.1 Producción y almacenamiento del hidrógeno..................................................27 3.2 Duración esperada del hidrógeno......................................................................29 Capitulo 4- Modificaciones al banco.......................................................................32 Capitulo 5-Curvas características del motor operando con gasolina ...........35 5.1 Instrumentación.....................................................................................................35 5.2 Curvas características.........................................................................................37 Capitulo 6-Curvas características del motor operando con hidrógeno........40 6.1 Instrumentación.....................................................................................................40 6.2 Proceso de encendido y toma de datos...........................................................42 6.3 Curvas características.........................................................................................43 6.4 Análisis de resultados..........................................................................................44 Capitulo 7-Análisis gases de escape......................................................................46 Capitulo 8-Conclusiones ............................................................................................48 BIBLIOGRAFIA ..............................................................................................................51 Anexos ............................................................................................................................52. 2.

(3) IM -2006-II-27. Introducción La utilización del hidrógeno como fuente de energía ha venido cobrando importancia en los últimos anos debido a las preocupaciones ambientales resultantes de la combustión de combustibles fósiles, el alto precio del petróleo y su posible escasez. El hidrógeno representaría una importante alternativa ya que si este se produce por medios renovables (como por ejemplo la energía solar y la energía eólica), las emisiones nocivas para el medio ambiente se podrían reducir considerablemente. Además de esto, si continua bajando el precio del Kwh. de energía producida por métodos renovables, el hidrógeno podría resultar siendo mucho mas económico que el petróleo. La aplicación del hidrógeno como combustible en motores de combustión interna, aprovecha el alto desarrollo de este tipo de motores, y presenta la opción de desarrollar adaptaciones para que los motores convencionales operando con gasolina sean adecuados para su operación con hidrógeno.. El propósito de este proyecto de grado, es la implementación y análisis del funcionamiento de un sistema de alimentación de hidrógeno para un motor de un cilindro marca Briggs and Stratton. Este sistema de alimentación fue diseñado por el estudiante Camilo Ruiz Umaña en su proyecto de grado titulado “Diseño de un sistema de inyección para la conversión. de un motor de gasolina a. hidrógeno”. 3.

(4) IM -2006-II-27 Capitulo 1- Mecanizado de las modificaciones hechas al motor, necesarias para el sistema de alimentación de hidrógeno. 1.1 Descripción de las modificaciones Partiendo del diseño realizado por el estudiante Camilo Ruiz, se realizaran las siguientes modificaciones a la culata del motor para implementar el sistema de alimentación: -Perforación del anillo del asiento de la válvula. (ver figura 1.7) -Mecanizado de una cuneta anular. (ver figura 1.2) -Perforación de un conducto de 2mm de diámetro.(ver figura 1.1 a,b) El propósito de estas modificaciones, es, generar un sistema de inyección mecánico, con el cual se pueda aprovechar el funcionamiento de la válvula de admisión para permitir la entrada de hidrógeno al cilindro cuando esta se abre para permitir el paso de aire. En la figura 1.1 se ilustran las modificaciones a realizar en la culata para permitir el suministro de hidrógeno al cilindro. Se pretende con este sistema, reducir los conocidos problemas presentados por los motores de combustión interna operando con hidrógeno, como son el retroceso de la llama, el cual se genera cuando el hidrógeno explota por fuera del cilindro. Con este diseño, al estar el hidrógeno completamente separado del aire hasta el momento de la admisión, se espera reducir este problema.. El hidrógeno será almacenado en un tanque a baja presión (máximo 60 psig), y conducido al motor por medio de una tubería de acero inoxidable de 2mm de diámetro. Se busca que, al estar el hidrógeno a baja presión, el precio de implementación del sistema sea bajo, y en un futuro sea una buena alternativa para convertir cualquier motor de combustión interna de cuatro tiempos corriente (funcionando con gasolina) a hidrógeno.. 4.

(5) IM -2006-II-27 b). a)Conducto de 2mm dia.. Conducto de 2mm dia.. Anillo asiento de la válvula. c). Cuneta anular. Figura 1.1- Detalle de las modificaciones a realizar.. 1.2 Extractor de anillos.. El primer paso para realizar las modificaciones expuestas exige retirar el anillo del asiento de la válvula sin dañarlo en el proceso. Para esta tarea, se diseñó y fabricó una herramienta extractora, los planos se encuentran en el Anexo I. La figura 1.3 muestra la forma de extraer el anillo usando el extractor. Esta herramienta extractora, fue necesaria ya que el anillo permanece en la culata mediante un ajuste, y al tratar de retirar esta pieza haciendo fuerzas radiales y. 5.

(6) IM -2006-II-27 no axiales con seguridad se vería comprometida la integridad del anillo y la culata. El procedimiento de extracción del anillo consistió en realizar, con un disco abrasivo y un mototool, dos pequeñas ranuras en la culata justo debajo del anillo para poder, empujar la pieza con la herramienta extractora.. Ranura Anillo. Figura 1.2- Detalle del anillo y la ranura El funcionamiento de la herramienta extractora se puede ver en las figuras 1.3 y 1.4. La pieza cónica ejerce presión y expande una pieza cilíndrica que tiene unas “uñas” las cuales encajan en las ranuras hechas con el mototool y un disco abrasivo. Al retirar el extractor en dirección axial, las “uñas” empujaran el disco de manera que este o la culata no se dañen.. 6.

(7) IM -2006-II-27. Figura 1.3- Esquema extractor de anillos. 7.

(8) IM -2006-II-27. Figura 1.4- Detalle de la herramienta extractora. a) Herramienta desarmada. b) Herramienta armada. 1.3 Perforación del anillo de admisión. Debido a la dureza del anillo (Dureza medida de más de 100 en la escala Rockwell C), fue necesario perforar pequeños conductos de 0.75mm de diámetro con brocas de diamante y una herramienta rotatoria de alta velocidad. Para poder montar el mototool en la fresa y realizar los agujeros con precisión fue necesario diseñar y fabricar una pieza para este fin. Los planos de esta pieza se encuentran en el Anexo II. A continuación se muestra un diagrama explicativo de la pieza utilizada para montar el mototool en la fresa universal de marca Index:. Rosca 1/2 para sostener la pie za con e l mo to to ol a una varill a roscada suje ta po r el husil lo de la fresa. Rosca 3/4 p ara so sten er el mototool. Figura 1.5- Diagrama explicativo de la pieza usada para montar el mototool en la fresa. 8.

(9) IM -2006-II-27. Según las recomendaciones del fabricante de las brocas, la perforación con este tipo de brocas debe realizarse a una velocidad de entre 30,000 y 65,000 RPM, por lo cual se utilizo la máxima velocidad del mototool (aproximadamente 35,000 RPM) y se lubrico la pieza y la broca con el refrigerante de la fresa ( emulsión de agua y aceite). Debido a que en el proceso ensayado fue evidente que este refrigerante no era capaz de mantener la broca lo suficientemente fría y e xistía una falta sensibilidad para el operario en la carga que se aplicaba a la broca de 0.75 mm después de iniciar el agujero en el montaje, se desmontó la pieza y se continúo el maquinado sosteniendo el mototool manualmente sumergido en agua. Es importante mantener la temperatura de la broca baja ya que si se calienta demasiado, se debilita el anclaje de los pequeños cristales de diamante en la matriz de acero permitiendo que estos sean arrancados con facilidad. Inicialmente la pieza para sujetar el mototool se montó en la fresa Index. Gracias a que esta es una fresa universal, fue posible alcanzar el ángulo de 45 grados requerido como se ve a continuación: a). Fresa Index @ 45 grados. b). M ototool @ 35,000 RPM. Pieza para sujetar el mototool. M ototool @ 35,000 RPM. Figura 1.6- Montaje del mototool en la fresa para perforar el anillo del asiento de la culata a) Montaje total. b) Detalle del montaje del mototool y el anillo.. 9.

(10) IM -2006-II-27. Debido a que el mecanizado de dos agujeros de 0.75mm de diámetro con las brocas de diamante llevo aproximadamente 16 horas, se analizó que otro proceso de manufactura o mecanizado podría ser usado si el procedimiento fuera a realizarse industrialmente. Una solución que podría generar los agujeros con gran exactitud es la electroerosión, sin embargo, al hacer cotizaciones y consultas en varios talleres especializados, se encontró que el procedimiento resultaría bastante costoso (debido a la dureza del material) ya que se requerirían aproximadamente 20 horas para realizar los dos agujeros, a un precio de 11,000 pesos por hora se demanda un total de 220,000 pesos para perforar dos agujeros. En la figura 1.6 se muestra el montaje que fue realizado en la fresa y finalmente no fue usado debido a la insensibilidad del proceso. 1.4 Mecanizado de la cuneta en la culata.. El mecanizado de la cuneta anular se realizó, utilizando la fresa Index y la herramienta “bailarina” con un buril afilado en la forma requerida para la cuneta (semicírculo de 2mm de diámetro).. La perforación del conducto de 2mm de diámetro se realizó montando la culata en la fresa Index y perforando con una broca de acero rápido.. Las piezas modificadas se muestran a continuación en la figura 1.7:. 10.

(11) IM -2006-II-27. a) Cuneta anular. Conducto b) Perforaciones. Figura 1.7- Detalle de las piezas modificadas. a) Culata con el conducto y la cuneta anular. b) Anillo del asiento de la válvula perforado. Debido a que el anillo se sostiene en la culata por medio de un ajuste y este pudo verse comprometido ligeramente al retirar el anillo, se decidió montar el anillo nuevamente con ajuste y usando un pegamento especial para evitar que este se aflojara cuando el motor este en operación. Con la asesoria técnica de Loctite Colombia, se escogió la referencia Loctite 609, el cual es un adhesivo retenedor anaeróbico de propósitos generales de baja viscosidad para ensambles cilíndricos. Este producto es especial para esta aplicación ya que cura cuando existe ausencia de aire cuando se encuentra entre superficies metálicas montadas con interferencia. Los detalles técnicos de este producto se encuentran en la hoja de datos técnicos en el anexo III.. Para montar el anillo nuevamente sin dañar este o la culata, se monto la culata perfectamente nivelada en la mesa de uno de los taladros verticales del taller de Ingeniería Mecánica, y se empujo el anillo con una parte cilíndrica montada en el mandril del taladro. Debido a que estos anillos y la culata no tienen ningún ángulo, al montarlos con el mandril del taladro, este entro perfectamente con la fuerza perpendicular al plano hecha por el cilindro montado al mandril.. 1.5 Descripción del estado de desgaste del motor. 11.

(12) IM -2006-II-27. Al desarmar el motor y analizar el estado del mismo, fue evidente que este presentaba un desgaste irregular que haría mas difíciles las labores de mecanizado y podrían comprometer la funcionalidad del sistema de alimentación de hidrógeno. Una de las características mas importantes es el desgaste irregular del anillo del asiento de la válvula, esto podría influir de manera importante en el sistema de alimentación de hidrógeno ya que si el anillo presenta desgaste irregular, podrían existir fugas de hidrógeno al cilindro durante otros tiempos diferentes a la admisión, generando problemas de “backfire”.. Figura 1.8- Detalle del desgaste irregular del anillo del asiento de la válvula. Debido a que este desgaste irregular podría comprometer el funcionamiento del sistema de inyección de hidrógeno, se decidió sentar las válvulas con una pomada abrasiva. Para sentar las válvulas, se volvió a montar la culata en la mesa del taladro vertical, dejándola perfectamente nivelada, se monto la válvula en el mandril del taladro, y se aplico la pomada abrasiva entre las dos superficies. Al iniciar el taladro, la válvula gira sobre el anillo, gastando uniformemente la superficie del anillo hasta que las dos superficies quedan perfectamente bien acopladas sin espacios entre ellas.. 12.

(13) IM -2006-II-27 1.6. Conexión de la culata al tanque de hidrógeno Para conectar el tanque de hidrógeno a la culata, se utilizo nuevamente el adhesivo Loctite 609, para pegar un tubo de aproximadamente 3mm de diámetro externo fabricado en acero inoxidable a la perforación de la culata. Ente tubo fue soldado en el otro extremo utilizando soldadura autógena de plata a una manguera de teflón con recubrimiento y acoples de acero inoxidable. La figura 1.10 ilustra la conexión realizada. Esta manguera excede las especificaciones de funcionamiento normales del motor en cuanto a presiones y temperaturas, sin embargo, se escogió debido a la seguridad de los acoples de acero inoxidable, y la resistencia a la temperatura, la cual podría dañar una manguera tradicional de nitrilo si se presenta backfire. La siguiente fotografía muestra la culata lista para ser montada nuevamente al motor.. Tubo en acero inoxidable dia. ext 3mm. Manguera en teflón con recubrimiento y acoples en acero inoxidable. Culata. Figura 1.10- Culata lista para ser instalada nuevamente en el motor. Para verificar que no se presentaran fugas en las uniones de la manguera, ni el resto de la culata, se inyecta aire presurizado a 80psi por el manguera mientras las perforaciones del anillo de la culata están tapadas. Se sumerge la culata en. 13.

(14) IM -2006-II-27 agua y se aprecia si hay burbujas, en este caso, no se vio ningún tipo de burbujas, lo cual confirma que no hay escapes. Esto es de importancia para la seguridad de las pruebas.. 1.7 Medición dimensiones finales de las perforaciones en el anillo del asiento de la válvula.. Debido a que la perforación de estos conductos se realizó de manera manual, es necesario medir con exactitud las dimensiones finales de estos conductos para realizar los cálculos de flujo másico expuestos en el Capitulo 2.. Para realizar las mediciones, se utilizo el estereoscopio disponible en el CITEC. Con la reglilla se midieron los diámetros las perforaciones obteniendo los siguientes resultados: Perforación 1: 1.05mm Perforación 2: 0.75mm. 14.

(15) IM -2006-II-27. Figura 1.11- Medición de las perforaciones en el estereoscopio Por lo tanto, el área de cada perforación es de:. Perforación 1: 0.442 mm2 Perforación 2: 0.866 mm2. El área de las dos perforaciones es entonces: Área total:1.307mm2. 15.

(16) IM -2006-II-27 Capitulo 2- Análisis del sistema de inyección. 2.1 Comb ustión del hidrógeno. La ecuación estequiometrica de la combustión de hidrógeno es la siguiente: 2 H 2 + O2 → 2 H 2O. Estequiometricamente, la razón de aire/combustible basado en las masas es de 34.44 kg de aire/kg de hidrógeno.. En las condiciones de operación reales de el motor, la combustión del hidrógeno se hará en aire, no en oxigeno puro, y por esta razón, el nitrógeno presente en este causara emisiones de óxidos nitrosos (NO y No2), los cuales son tóxicos y perjudiciales para el medio ambiente. Siendo lambda la razón entre las relaciones de aire/combustible actuales y estequiometricos, y la razón de equivalencia el inverso de lambda:. λ=. ( A / F ) actual Aactual = ( A / F ) estequ imetrico Aestequimetrico. Φ=. 1. λ. =. Aestequimetrico Aactu al. En [1] y [2], los autores coinciden, a partir de datos experimentales que el motor necesitara trabajar con una mezcla pobre para reducir las emisiones de oxido nitroso hasta un nivel aceptable que cumpla la norma Euro V para motores de trabajo pesado, por esta razón, los cálculos de cuanto hidrógeno se inyectara se hará en base a estos resultados. A continuaciones se encuentran las graficas presentadas en ambas fuentes de las emisiones de óxidos nitrosos, contra, razón de equivalencia y lambda.. 16.

(17) IM -2006-II-27. a). b). Figura 2.1- Concentraciones de óxidos nitrosos en los gases de escape según a) [1] b) [2]. Como. se. ve. en. ambas. graficas,. el. lambda. mínimo. para. reducir. significativamente las emisiones de óxido nitroso es de 1.75. Por lo tanto la ecuación de combustión en oxigeno puro seria la siguiente: 2 H 2 + 1.75O2 → 2 H 2O. En estas condiciones la razón de aire/combustible basado en las masas es de 60 kg de aire/kg de hidrógeno.. 2.2 Dosificación y administración de la potencia Una de las principales características de los motores de combustión interna de hidrógeno es la capacidad de trabajar con mezclas muy pobres, en [1] y [2] los autores reportan lambdas tan altas como 3.. 17.

(18) IM -2006-II-27 Debido a la contaminación con óxidos nitrosos, en rango de operación de un motor de combustión interna trabajando con hidrógeno, seria entonces: 1.75 ≤ λ ≤ 3. Este rango de operación es parecido al rango de operación de los motores Diesel. En este tipo de motores, la administración de la potencia se lleva a cabo mediante el control del combustible inyectado únicamente, mientras se mantiene una cantidad de aire entrante al cilindro aproximadamente constante en todo el régimen de operación. El rango de operación de estos motores es de aproximadamente: 1.3 ≤ λ ≤ 7.1. Debido a la semejanza en estos rangos de operación, es posible, teóricamente controlar la potencia del motor enriqueciendo la mezcla sin variar la cantidad de aire entrante al cilindro. Para hacer esto, seria necesario dejar inoperable la mariposa de admisión de aire y enriquecer y empobrecer la mezcla variando la cantidad de hidrógeno entrante al cilindro. En condiciones locales (2300m sobre el nivel del mar), la presión atmosférica es aproximadamente 74.4 kPa y la temperatura es de aproximadamente 20 grad Centígrados, es necesario calcular la densidad del aire y del hidrógeno a esta presión y temperatura:. p 74.4 *10 3 = = 0.88 kg m3 TR 293* 287 p 74.4*103 ρ hidrog en o = = = 0.06 kg m3 TR 293* 4124. ρ aire =. Si se asume una eficiencia volumétrica de 0.8 cuando el motor esta operando con gasolina, y teniendo en cuenta que el volumen desplazado de este motor es. 18.

(19) IM -2006-II-27 de 205cc, es posible calcular cuanto hidrógeno sería necesario inyectar si se requiere la mínima o la máxima potencia. Es necesario tener en cuenta que los motores operando con combustibles gaseosos, tienen una eficiencia volumétrica significativamente menor, ya que la totalidad del volumen disponible en el cilindro, es ocupado, en parte por el aire, y en parte por el hidrógeno, así: 205*10 − 6 * 0.8 = Vaire + Vhidrog en o 164 *10 −6 = Vaire + Vhidro geno. Cuando el motor requiere la mínima potencia, se utilizaría la mezcla mas pobre, es decir: 2 H 2 + 3O2 → 2 H 2O. En estas condiciones, la razón aire/combustible seria de: 103 kg aire/kg hidrógeno. Multiplicando por la densidad del hidrógeno y dividiendo por la densidad del aire, se obtiene la relación de volumen de aire/volumen de hidrógeno, que para este 3 3 caso seria de: 7.02 m aire/ m hidrógeno.. Reemplazando esto en la ecuación de las sumas de los volúmenes se obtiene: 164 *10 −6 = Vaire + Vhidro geno 164 *10 −6 = Vhidrogeno + 7.02Vhidrogeno Vhidrogeno = 2.045*10− 5 m3 M h id rogeno = Vh id rogeno ρ hidrogeno = 2.045*10 − 5 * 0.06 = 1.227 *10 − 6 kg. 19.

(20) IM -2006-II-27 Teniendo en cuenta que el hidrógeno tiene un poder calorífico inferior (low heating value) de 120 MJ/kg, es posible calcular la potencia del motor con esta mezcla. Si entran 1.227*10^-6 kg de hidrógeno para la combustión, y se asume una eficiencia del motor del 15% se obtiene: LHV = 120 MJ / kg 120*106 *1.227 *10 −6 = 147 J 147 *0.15 = 22.08J. Cuando el motor requiere la máxima potencia, se utilizaría la mezcla más rica, es decir: 2 H 2 + 1.75O2 → 2 H 2O. En estas condiciones, la razón aire/combustible seria de: 60.1 kg aire/kg hidrógeno.. Multiplicando por la densidad del hidrógeno y dividiendo por la densidad del aire, se obtiene la relación de volumen de aire/volumen de hidrógeno, que para este 3 3 caso seria de: 4.1 m aire/ m hidrógeno.. Reemplazando esto en la ecuación de las sumas de los volúmenes se obtiene: 164 *10 −6 = Vaire + Vhidro geno 164 *10 −6 = Vhidrogeno + 4.1Vhidro geno Vhidrogeno = 3.216*10− 5 m 3 M h id rogeno = Vh id rogeno ρ hidrogeno = 3.216*10− 5 * 0.06 = 1.929 *10 − 6 kg. Teniendo en cuenta que el hidrógeno tiene un poder calorífico inferior (low heating value) de 120 MJ/kg, es posible calcular la potencia del motor con esta. 20.

(21) IM -2006-II-27 mezcla. Si entran 1.929*10^-6 kg de hidrógeno para la combustión, y se asume una eficiencia del motor del 15% se obtiene: LHV = 120 MJ / kg 120*106 *1.929 *10 −6 = 231.5 J 231.5* 0.15 = 34.73 J. La potencia producida por el motor, trabajando con estas dos mezclas se muestra en la grafica a continuación:. Grafica de potencia vs. velocidad para lambda=3 y lambda=1.75 1.4. Potencia [hp]. 1.2 1 0.8. Lambda=3 Lambda=1.75. 0.6 0.4 0.2 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. Velocidad [rpm ]. Figura 2.2- Grafica de potencia vs. velocidad para lambda=3 y lambda=1.75.. Comparando las graficas obtenidas para la potencia teórica del motor, y comparándolas con las curvas características obtenidas experimentalmente por el estudiante Camilo Ruiz en su proyecto de grado, se espera una perdida de potencia de mínimo un 46%, asumiendo que el pico de potencia se encontrara igualmente a 2200 rpm cuando el motor este operando con hidrógeno.. 21.

(22) IM -2006-II-27 El sistema de alimentación de hidrógeno, debe ser capaz entonces, de proveer al motor esta cantidad de combustible, en el tiempo en el cual la válvula de admisión se encuentra abierta. En la grafica y en la que se muestra a continuación, se muestra que la válvula de admisión esta abierta, en un motor convencional, aproximadamente 230 grados, y que hay un periodo de tiempo, en el cual las válvulas de admisión y de escape se encuentran ambas abiertas. Esto debe ser tenido en cuenta ya que si se inyecta el hidrógeno en este tiempo, parte de este se perderá por la válvula de escape, por esta razón, se realizaran los cálculos con el tiempo en el cual únicamente la válvula de admisión esta abierta. En la grafica se puede ver que este “overlap” dura aproximadamente 40 grados, dejando un total de 190 grad en los cuales solo la válvula de admisión se encuentra abierta.. Figura 2.3- Apertura y cierre de las válvulas vs. Desplazamiento angular. Tomado de [3]. 22.

(23) IM -2006-II-27. Figura 2.4- Duraciones típicas de admisión y escape para motores convencionales y de alto rendimiento. Para calcular la presión requerida en el tanque para suministrar la cantidad requerida de hidrógeno en cada caso, se asume que el flujo en el tanque de hidrógeno y por los conductos es isentrópico, en la teoría de dinámica de gases y flujo compresible, se da una ecuación para el flujo masico máximo por un ducto antes que este se estrangule. La ecuación es: (1 / 2)( k +1) /( k −1). & max m. ⎛ 2 ⎞ k1 / 2 ⎜ ⎟ ⎝ k + 1⎠ = ( RTo )1 / 2. po A*. Para el hidrógeno: R = 4124 m2 /( s 2 K ) k = 1.41. Esta es una primera aproximación al comportamiento del flujo, se asume un flujo permanente. El flujo masico tendría que ser entonces la cantidad de hidrógeno requerida, dividido por el tiempo disponible para inyectarlo, el cual esta dado por la velocidad del motor, por lo tanto:. 23.

(24) IM -2006-II-27. &= m. M hidrog en o M hidrog en o ω M hidro geno = = 190 o 190 o tiempo. ω. Donde la velocidad angular debe ser dada en grados por segundo. Despejando de la ecuación del flujo másico máximo, la presión del tranque (po) se obtiene: (1 / 2)( k +1) /( k −1). k & max = m. 1/ 2. ⎛ 2 ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ k + 1⎠ ( RTo )1 / 2. po A* M hidrogenoω. ( RTo ) 1/ 2 o M hidrog en oω ( RTo )1 / 2 190 = = po = k + k − k + k − (1 / 2)( 1) /( 1) ( 1/ 2 )( 1) /( 1 ) ( 1/ 2 )( k+ 1) /(k −1) 2 ⎞ o 1/ 2 ⎛ 2 ⎞ 1/ 2 ⎛ * 1/ 2 ⎛ 2 ⎞ * A* k ⎜ A k ⎜ A 190 k ⎜ ⎟ ⎟ ⎟ ⎝ k + 1⎠ ⎝ k +1 ⎠ ⎝ k +1 ⎠ m& max ( RTo )1 / 2. Específicamente para el hidrógeno:. po =. M h id rogeno ω ( RTo )1 / 2. =. (1 / 2 )(k +1 ) /( k −1). ⎛ 2 ⎞ 190o k 1/ 2 ⎜ ⎟ ⎝ k +1 ⎠. A*. M hidrogenoω ( RTo )1 / 2 190o * 0.6864*1.37 *10 −6. Para el valor de A* se usó el área total ocupada por las perforaciones, la cual se calculo después de medir cuidadosamente los diámetros de los conductos en el estereoscopio del CITEC.. Con esta ecuación es posible observar el comportamiento de la presión requerida en el tanque, en función de la velocidad angular.. 24.

(25) IM -2006-II-27. Grafica de presion v s. velocidad para lambda=3 y lambda=1.75 35. 30. pr esion [psi]. 25. 20 Lambda=3 Lambda=1.75 15. 10. 5. 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. velocidad [r pm]. Figura 2.5- Grafica de presión de entrada del hidrógeno vs. velocidad para -6 2 lambda=3 y lambda=1.75. Con A*=1.37*10 m. La grafica anterior muestra la presión del hidrógeno requerida para que ingrese al cilindro la cantidad de hidrógeno necesaria para lograr las relaciones masicas de aire a hidrógeno (lambda) de 3 y 1.75 con un área A* de 1.37*10-6 m 2 , lo cual equivale a el área de dos perforaciones una con un diámetro de 1.05mm y otra con un diámetro de 0.75mm, tal y como se tienen en la culata modificada.. Debido a la dificultad de maquinado de las perforaciones del anillo del asiento de la válvula, es necesario evaluar la sensibilidad de las presiones requeridas, con respecto a el diámetro de las perforaciones, para así evaluar la viabilidad del sistema de alimentación teniendo en cuenta que la presión máxima del tanque será de 60psi.. 25.

(26) IM -2006-II-27. Grafica de presion vs. velocidad para lambda=3 para diferentes diametros de perforaciones del asiento de la valvula 35 30. presion [psi]. 25. Perforaciones de diametro 1mm. 20. Perforaciones de diametro 0.75mm Perforaciones de diametro 1.25mm. 15 10 5 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. velocidad [rpm]. Figura 2.6- Grafica de presión de entrada del hidrógeno vs. velocidad para lambda=3 para diferentes diámetros de perforaciones del asiento de la válvula. Grafica de presion vs. velocidad para lambda=1.75 con diferentes diametros de perforaciones del asiento de la valvula 60. presion [psi]. 50 Perforaciones con diametro 1mm. 40. Perforaciones con diametro 0.75mm Perforaciones con diametro 1.25mm. 30 20 10 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. velocidad [rpm]. Figura 2.7- Grafica de presión de entrada del hidrógeno vs. velocidad para lambda=1.75 para diferentes diámetros de perforaciones del asiento de la válvula. 26.

(27) IM -2006-II-27 Capitulo 3- Producción, almacenamiento y duración del hidrógeno 3.1 Producción y almacenamiento del hidrógeno. La producción del hidrógeno requerido para el funcionamiento del motor se hará utilizando un generador de hidrógeno marca General Electric el cual esta disponible en el CITEC. 3 Este generador tiene una capacidad máxima de producción de 800 cm /min. La. operación del generador es bastante sencilla, basta con agregar agua desionizada, asegurarse que el silica gel este seco y encender el generador. Para secar el silica gel, es necesario ponerla en un horno a 130 grados centígrados aproximadante por una hora. El silica gel seco debe verse de un color azul oscuro, y se ira aclarando a medida que este absorbe humedad del ambiente.. Deposito silica gel. Interruptor de encendido. Deposito de agua desionizada. Regulador de presión. Figura 3.1- Generador de hidrógeno GE con el tanque de almacenamiento Debido a que las mangueras del tanque de almacenamiento son hechas de nitrilo, y estas entran a los acoples a presión, se encontró varias fugas debido al 27.

(28) IM -2006-II-27 “creep” o fluencia lenta del polímero en el tiempo. Para remediar la situación, se corto el pedazo de manguera dañado y se volvieron a ajustar las abrazaderas sobre la manguera.. El procedimiento para la producción de hidrógeno es el siguiente: 1.. Secar en un horno el silica gel. Para esto en necesario retirar la silica gel del depósito, verterlo con cuidado en un recipiente resistente al calor, y dejarlo en un horno a aproximadamente 130 grados centígrados por hora y media. Esto con el propósito de secar el agua absorbida por el silica gel. Después es necesario retirar el silica gel del horno, y dejarla secar en una cámara dehumidificadora antes de volverla a poner en el depósito ya que este es plástico y se daña si el silica gel se encuentra caliente.. 2.. Revisar la cantidad de agua desionizada presente en el correspondiente deposito. Si se encuentra por debajo del nivel “refill”, debe agregarse agua para empezar la producción.. 3.. Graduar la presión de salida del hidrógeno, en este caso, se desea llegar a la máxima capacidad de producción del generador por lo cual se ajusta a 60 psi.. 4.. Abrir. las. válvulas. de. alimentación. del. tanque. de. almacenamiento. 5.. Encender el generador de hidrógeno.. El generador de hidrógeno tardo aproximadamente cuatro días enteros en llenar el tanque a una presión de 52 psig. Esto reduce significativamente la posibilidad de realizar pruebas con el motor, debido al largo proceso de recarga.. 28.

(29) IM -2006-II-27. b). a). Figura 3.2 a) Silica gel lista para el proceso de secado. b) Horno en el cual se seco la silica gel El tanque utilizado para almacenar el hidrógeno es un cilindro utilizado para el transporte y almacenamiento de gas propano, este fue desocupado y lavado previamente en otro proyecto de grado para reducir la contaminación. El cilindro tiene aproximadamente 1m de alto y 0.3m de diámetro, el volumen será calculado usando estas dimensiones, sin embargo, es necesario tener en cuenta que estas no incluyen el espesor de las paredes, por lo cual el volumen ocupado por el hidrógeno será menor.. 3.2 Duración esperada del hidrógeno Con las medidas del cilindro es posible calcular la cantidad de hidrógeno presente en el tanque cuando este llega a su presión máxima de 60 psig. El volumen ocupado por el hidrógeno es de:. 29.

(30) IM -2006-II-27. V=. π d2 4. h=. π (0.3)2 4. 1 = 0.07m 3. La densidad del gas a 60 psig es de:. ρ=. P 488088kPa = = 0.4 kg 3 Nm m RT 4143 *293K Kg ⋅ K. Conociendo por el capitulo 2, la cantidad de hidrógeno requerida en cada combustión según el lambda deseado, se puede estimar cuando duraría el hidrógeno almacenado en el tanque operando el motor a diferentes velocidades. La siguiente grafica muestra la duración esperada del tanque de hidrógeno para diferentes lambdas, en función de la velocidad del motor. Grafica de velocidad vs. duracion del tanque de hidrogeno 70. 60. Tiempo [min]. 50. 40 lambda=3 lambda=1. 75 30. 20. 10. 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. Vel ocidad [rmp]. Figura 3.3- Grafica de velocidad del motor vs. duración del tanque para lambda=3 y lambda=1.75.. 30.

(31) IM -2006-II-27 Como se ve en las graficas, se espera que el motor tenga una autonomía máxima cercana a los 60 min cuando este esta sin carga y a una velocidad de ralenti, y una duración mínima de aproximadamente 10 min cuando el motor se encuentra a la máxima velocidad y cargado. Estos datos son aproximados ya que como se dijo anteriormente, las dimensiones del tanque no incluyen el espesor de las paredes, por lo cual la cantidad de hidrógeno presente en el tanque será menor a la calculada.. Es claro que si se pudiera almacenar el hidrógeno a una mayor presión con la ayuda de un compresor, seria posible mejorar considerablemente la autonomía del motor.. 31.

(32) IM -2006-II-27. Capitulo 4- Modificaciones al banco Para. poder obtener unas. mejores mediciones. con la instrumentación. implementada en el motor, es necesario mejorar la estructura del banco en la cual esta montada en motor ya que esta presenta un nivel de vibraciones intolerable que afecta significativamente las mediciones de la velocidad angular y el torque producido por el motor. Para rigidizar la estructura del banco, se soldaron tres platinas a los angulos transversales que sujetan el motor, esto con el propósito de evitar el movimiento de estos ángulos transversales cuando el motor esta encendido. Para complementar esta medida se cambiaron los apoyos de caucho del motor por unos hechos en madera. Buscando estabilizar toda la estructura, se redujo la altura total del banco (dejándola de aproximadamente 60 cms), y se reforzó el sistema de anclaje al piso.. Platinas. Figura 4.1. a) Platinas soldadas a los apoyos transversales. b) Apoyos en caucho c) Apoyos en madera Al desmontar el motor, los rodamientos, y el freno se encontró que el montaje mecanizo no era de optima calidad, lo cual podría aumentar las vibraciones. Mas específicamente se encontró que el tamaño del eje del freno hidráulico y el. 32.

(33) IM -2006-II-27 tamaño de las chumaceras no coincidían, lo cual generaba la necesidad de realizar un montaje en el cual no se podía garantizar la alineación de los ejes del motor con el eje del freno. En las siguientes imágenes se ve la diferencia de tamaños entre el eje del freno y una de las chumaceras.. Figura 4.2- Diferencias de tamaño entre el eje del freno hidráulico y una de las chumaceras. Para mejorar el montaje, se rectifico el eje del freno hidráulico y se instalaron chumaceras del tamaño correcto. Igualmente para mejorar el sello del freno hidráulico se cambiaron los o-rings, sin embargo, se evidencio en las pruebas realizadas con gasolina y descritas en detalle en el capitulo 6, que el tamaño del eje era muy pequeño, por lo cual, incluso con o-rings nuevos se presentarían fugas de agua que dificultarían la cebada del sistema.. Para reducir las vibraciones, se prestó muchísima atención a la alineación de los ejes. Para esto, se usaron los comparadores de carátula disponibles en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica para asegurar la concentricidad de los ejes.. Se fabrico un volante y se montó este en el eje del motor, esto con el objeto de estabilizar un poco la operación del motor.. 33.

(34) IM -2006-II-27 El resultado de estas modificaciones fue la reducción del nivel de vibraciones, sin embargo, estas siguen siendo muy altas a medida que se carga el motor. Esto puede perjudicar la toma de datos.. a). b). Figura 4.3- a) Montaje del volante adicionado para reducir las vibraciones. b) Proceso de alineación de los ejes con comparadores de carátula.. 34.

(35) IM -2006-II-27 Capitulo 5-Curvas características del motor operando con gasolina Las curvas de desempeño del motor a la altura de Bogota se volvieron a realizar con el objeto de aprender el correcto uso de la instrumentación y ver si se presentaban mejoras en la calidad de los datos obtenidos después de realizar las modificaciones a la estructura del banco de pruebas.. 5.1 Instrumentación La instrumentación del motor para la realización de estas curvas fue la misma que uso el estudiante Camilo Ruiz en su proyecto de grado, es decir para las mediciones de torque se uso una celda de carga con un puente de Wheatstone hecho con strain gages de 120 Ohmios cada una, y para la medición de la velocidad angular se utilizo un encoger cuyo montaje electrónico se muestra a continuación.. EE-5X111 5-A. EE-5X111 5-A. Figura 5.1- Montaje electrónico del encoder.1. 1. Tomado de [3]. 35.

(36) IM -2006-II-27. Este encoder se volvió a calibrar usando las diferentes velocidades del torno CNC disponible en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica. La curva de calibración se ve a continuación:. Curva calibraci on estatica encoder 1800. voltaje sal ida [mv]. 1600 1400. y = 0.5482x + 0. 2 2 R = 0. 9995. 1200 1000 800 600 400 200 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. veloci dad [rpm]. Figura 5.2- Curva de calibración estática encoder.. Figura 5.3- Montaje para la calibración del encoder. 36.

(37) IM -2006-II-27 El proceso de calibración de la celda de carga se realizó aplicando las pesas disponibles en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica de tal manera que comprimieran el anillo de acero inoxidable. La amplificaron se realizó nuevamente con el Bridgesensor OMEGA 455. La curva de calibración se ve a continuación.. Cu rv a calib racio n e statica ce ld a de carg a 2.2. V ol taj e sali da [V ]. 2.15 2.1 2.05 2 1.95 1.9 1.85. y = -9E-05x + 2.1745 2 R = 0. 9988. 1.8 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. 4000. 4500. Carga [gr]. Figura 5.4- Curva de calibración celda de carga La adquisición de datos se hizo usando la tarjeta Labjack a una rata de muestreo de 100 datos por segundo, usando dos de las entradas análogas simples disponible.. 5.2 Curvas características Debido al altísimo nivel de vibración, los datos obtenidos con la tarjeta Labjack fueron promediados para cada velocidad angular medida, los resultados se muestran a continuación en las figuras 5.5 y 5.5.. 37.

(38) IM -2006-II-27. Torque vs. velocidad motor operando con gasolina 7 6. Torque [Nm]. 5 4 3 2 1 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Velocidad [rpm]. Figura 5.5- Curva de torque vs. velocidad para el motor operando con gasolina. Potencia vs. velocidad motor operando con gasolina 2 1 .8 1 .6. Potencia [hp]. 1 .4 1 .2 1 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. ve locidad [rpm]. Figura 5.5- Curva de potencia vs. velocidad para el motor operando con gasolina 5.3 Análisis de resultados Los datos obtenidos con la instrumentación propuesta presentan un alto nivel de incertidumbre, por lo cual se llega a la conclusión que la instrumentación se. 38.

(39) IM -2006-II-27 debe modificar por una menos sensible al las vibraciones. Los datos de la celda de carga se vieron afectados por los golpes que esta recibía de por la vibración, y se aprecio también que las strain gages se estaban despegando del anillo.. Los datos obtenidos no se pueden comparar directamente con los obtenidos por el estudiante Camilo Ruiz en su proyecto ya que estos presentan una altísima dispersión, sin embargo se aprecian valores máximos de torque y potencia bastante similares. De igual manera, se aprecio en la prueba que el freno hidráulico presenta muchas fugas de agua, lo cual dificulta su cebado, para las pruebas con hidrógeno, se cambiaran los empaques o-rings y se buscaran otras soluciones para la adquisición de los datos.. 39.

(40) IM -2006-II-27 Capitulo 6-Curvas características del motor operando con hidrógeno 6.1 Instrumentación. Debido a que la instrumentación usada para recolectar los datos para las curvas características de la gasolina no fue la adecuada debido al alto grado de vibración, y un posible exceso de voltaje en la celda de carga, se decidió cambiar la instrumentación con el objetivo de logar mejores datos. La celda de carga usada para recolectar los datos de torque es una celda marca Omega referencia LC105-50 la cual estaba disponible en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica. Esta celda se monto de la misma manera como se había montado anteriormente el anillo con los strain gages. Se busca con esta celda, buscar una respuesta más confiable, ya que el sistema anterior mostraba un alto grado de inestabilidad debido a que los strain gages se estaban despegando del anillo. Para evitar los golpes a la celda de carga, se instara un resorte que mantenga el contacto entre la celda de carga y la palanca accionadora como se muestra a continuación.. a). 40.

(41) IM -2006-II-27. b). Figura 6.1- a) Montaje de la celda Omega LC105-50. b) Resorte instalado para reducir los impactos a la celda Omega LC105-50.. La curva de calibración de esta celda se ve a continuación.. Curva calibracion Celda Omega LC105-50 4. Voltaje salida [mV]. 3.5 3 2.5 2 1.5 y = -0.0013x + 4.1248. 1. 2. R = 0.9995 0.5 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Carga [gr]. Figura 6.2- Curva de calibración Celda Omega LC105-50 Para la medición de la velocidad angular del motor, se reemplazó el encoder por un generador de 6 polos. Este generador, entrega un voltaje RMS proporcional a la velocidad de rotación de su eje. La calibración de este instrumento se llevo a cabo en el taladro vertical del laboratorio de Ingeniería Mecánica, el cual cambia 41.

(42) IM -2006-II-27 su velocidad según varias configuraciones de la correa y las poleas. La curva de calibración se muestra a continuación en la figura 6.3:. Curva calibracion generador 9. Voltaje salida [V]. 8 7 y = 0.0016x - 0.015. 6. 2. R =1. 5 4 3 2 1 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. Velocidad [rpm]. Figura 6.3- Curva de calibración generador de 6 polos.. La adquisición de datos se realizó manualmente, con un multimetro conectado a cada uno de los instrumentos, esto para reducir el ruido de alta frecuencia presente en los datos tomados para el motor operando con gasolina.. 6.2 Proceso de encendido y toma de datos El encendido del motor operando con hidrógeno se realizó sin aplicarle carga e intentando con varias presiones de entrada del hidrógeno al motor. El primer intento de encendido se realizó con una presión de 20 psi, pero fue evidente que la válvula no era capaz de sellar contra el anillo del asiento de la válvula a esa presión tan alta, por lo cual se intentaron varias presiones inferiores. El motor encendió sin problema a una presión cercana a los 10 psi, lo cual, basados en los cálculos teóricos, debe reducir la potencia entregada por el motor considerablemente ya que la cantidad de hidrógeno que entra al cilindro es. 42.

(43) IM -2006-II-27 bastante inferior a la calculada con los lambdas de 3 y 1.75 estudiados teóricamente en el capitulo 2. Al tratar de encender el motor con presiones inferiores a 10 psi, se observa un retroceso del flujo con ignición externa, y al tratar de encender el motor con presiones superiores, este se inunda debido a la falta de sello y no se aprecia ningún tipo de explosión ya que el hidrógeno desplaza al aire en el cilindro. Ambos casos se ven en el video adjunto a este documento, Para la toma de datos, fue necesario esperar que el motor llegara a una temperatura estable, para esto, se coloco un termopar a la culata. Una vez se llego a una temperatura estable de 87 grad. Centígrados, se tomaron las mediciones para dos presiones de entrada del hidrógeno. No fue posible tomar datos para mas presiones debido a que si se aumente la presión por encima de los 12 psi, hay fuga de hidrógeno al cilindro lo cual “ahoga” el motor. Se observó que aunque las presiones usadas son considerablemente mas bajas que las proyectadas teóricamente en el capitulo 2, el motor tuvo una baja autonomía debido a los varios intentos de encendido, y al proceso de calentamiento del mismo, lo cual redujo la cantidad de datos que se pudieron tomar, estos se pueden observar en las figuras 6.4 y 6.5 6.3 Curvas características. 43.

(44) IM -2006-II-27. T orque vs. velocidad motor operando con hidrogeno 3.5 3. Torque [Nm]. 2.5 2. 12 psi 10 psi. 1.5 1 0.5 0 0. 50 0. 100 0. 1500. 2000. 2500. 3000. Vel ocidad [rpm]. Figura 6.4- Curva de torque vs. velocidad para el motor operando con hidrógeno. Potencia vs. velocidad motor operando con hidrogeno 1.2. Potencia [hp]. 1 0.8 12 p si 10 p si. 0.6 0.4 0.2 0 0. 500. 1 000. 1500. 2 000. 2500. 3000. v elocidad [rpm]. Figura 6.5- Curva de torque vs. velocidad para el motor operando con hidrógeno. 6.4 Análisis de resultados Comparando los resultados obtenidos para el motor operando con hidrógeno y el motor operando con gasolina, es posible hacer cuantificar la perdida de potencia y torque.. 44.

(45) IM -2006-II-27 En cuanto al torque, se observa que el motor operando con hidrógeno produjo máximo 3.27 Nm con el hidrógeno a una presión de 12 psi, mientras que el torque máximo producido por el motor operando con gasolina fue de 6.1 Nm, lo cual significa una reducción del 54%. En cuanto a la potencia, se observa que el motor operando con hidrógeno produjo máximo 1.04 hp con el hidrógeno a una presión de 12 psi, mientras que la potencia máxima producido por el motor operando con gasolina fue de 1.84 hp, lo cual significa una reducción del 57%.. 45.

(46) IM -2006-II-27 Capitulo 7-Análisis gases de escape Se realizó un análisis de los gases de escape usando el analizador de gases Testo 330-2, disponible en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica. Se tomaron datos para el motor operando con gasolina con el acelerador abierto un 50% y sin carga. Para el motor operando con gasolina, se tomaron datos con las dos presiones de entrada estudiadas, es decir 10 y 12 psi.. Figura 7.1- Analizador de gases Testo 330-2. Los resultados arrojados por el equipo se ven a continuación:. HIDRÓGENO 10. HIDRÓGENO 12. psi. psi. GASOLINA grad. 93.7. C. 79.6. grad. C. 73.9. grad. C. 1.94%. CO2. 0.95%. CO2. 0.92%. CO2. 0%. CO. 0%. CO. 0%. CO. 18.40%. O2. 19.30%. O2. 19.40%. O2. 4837ppm. CO. 37ppm. CO. 26ppm. CO. 10ppm. NOx. 1ppm. NOx. 5ppm. NOx. Partiendo de estas tablas, es posible notar diferencias claras en la composición de los gases de escape del motor operando con los diferentes combustibles. El. 46.

(47) IM -2006-II-27 motor corriendo con hidrógeno tiene las siguientes características notables al compararlo con la composición de los gases de escape del motor operando con gasolina: una temperatura de gases de escape de entre 15 y 20 grados Centígrados inferior, porcentaje de dióxido de carbono un 50% inferior, partes por millón de monóxido de carbono 95% inferiores, y partes por millón de óxidos nitrosos 50% inferiores.. Estos resultados son de gran importancia ya que comprueban que el motor operando con hidrógeno reduce significativamente las emisiones de gases perjudiciales para la salud y el medio ambiente. Es posible que con un motor en mejores condiciones, se reduzcan aun mas las emisiones de dióxido y monóxido de carbono, ya que este puede provenir que la combustión de aceite producto de un cilindro desgastado, o de restos de gas butano que hayan quedado en el cilindro. Las emisiones de óxidos nitrosos, son muy alentadoras ya que como se discutió en el Capitulo 2, uno de los problemas que pueden surgir al enriquecer la mezcla por encima de cierto punto es el incremento en la producción de estos compuestos los cuales son tóxicos, sin embargo, en este caso, vemos que el motor presenta niveles de óxidos nitrosos significativamente mas bajos que el motor operando con gasolina. La reducción en la temperatura y las emisiones de óxidos nitrosos, confirman que el motor esta operando con una mezcla bastante pobre de hidrógeno y aire, lo cual explica la perdida de potencia discutida en el capitulo anterior.. Es necesario, verificar estos resultados realizando un montaje en el cual el sensor del analizador de gases solo este expuesto a los gases de combustión, eliminando así posibles fuentes de oxigeno provenientes del aire atmosférico.. 47.

(48) IM -2006-II-27 Capitulo 8-Conclusiones El sistema de alimentación de hidrógeno diseñado por el estudiante Camilo Ruiz provee una manera muy fácil, económica y eficaz de alimentar un motor de combustión interna con hidrógeno a baja presión. Las modificaciones realizadas, fueron llevadas a cabo en las instalaciones del laboratorio de. Ingeniería. Mecánica, y no requirieron ni maquinaria ni mano de abra especializada, lo cual se traduce en un bajo costo de implementación. El motor alimentado por el sistema estudiado tuvo mucho éxito ya que la operación del mismo fue indefinida (solamente limitada por la cantidad de hidrógeno disponible) y se logro administrar la potencia mediante el control de la presión de entrada del hidrógeno. El proyecto de grado fue bastante productivo ya que se logro mejorar notablemente el mejor intento de operación de un motor de combustión interna realizado por el estudiante Simón Salinas, el cual logro 10seg de operación. Hasta donde la autora del presente documento tiene conocimiento, este es un desarrollo único en Colombia, lo cual hace que el futuro desarrollo del tema sea muy prometedor. La perdida de potencia del motor con respecto a su rendimiento con gasolina, fue la esperada. Los factores predominantes causantes de esto son: -La imposibilidad de aumentar la cantidad de hidrógeno inyectada al cilindro debido a la falta de sello entre la válvula y el anillo asiento de válvula. Esto hace que la relación combustible/aire sea muy pobre y se vea sacrificada la potencia producida.. -La perdida en la eficiencia volumétrica del motor, es decir, la reducción en la cantidad de aire aspirada por el motor debido a que parte de este ha sido desplazado por el hidrógeno inyectado.. 48.

(49) IM -2006-II-27 -Es posible que no todo el hidrógeno inyectado entre al cilindro. Parte del hidrógeno inyectado puede devolverse por el múltiple de admisión y no reaccionar o causar problemas de retroceso de llama.. Es importante saber la composición exacta del gas producido por el generador de hidrógeno, es posible que este se encuentre mezclado en alguna proporción con aire, lo cual reduciría todavía mas la relación combustible/aire y causaría mas perdida de potencia. Almacenar el hidrógeno en un tanque mas grande o a mayor presión le daría al motor una mayor autonomía, lo cual resultaría en una mayor cantidad de datos.. Un análisis mas a fondo de los gases de combustión podría ayudar a determinar que cantidad de hidrógeno se esta quemando en cada combustión, y cuanto se esta quedando sin reaccionar. Si se logra aumentar la cantidad de hidrógeno que reacciona en cada combustión, se aumentara la potencia producida por el motor.. Es de vital importancia mejorar la instrumentación del motor para tener así datos con menor incertidumbre. El eje del freno debe ser cambiado por uno de las dimensiones originales especificadas en los planos del proyecto de grado del estudiante Camilo Ruiz, para así evitar fugas de agua. La instrumentación debe ser mejorada, posiblemente empleando algunas de las siguientes medidas: -La señal de la celda de carga debe ser amplificada por un circuito amplificador de precisión, esto con el objeto de reducir la incertidumbre asociada a mediciones de pequeña magnitud.. -La celda de carga debe ir montada independientemente del banco de pruebas, esto con el objeto de reducir la vibración de la misma. 49.

(50) IM -2006-II-27 -El sistema de medición de la velocidad debe ser acompañado por un circuito rectificador, para así poder adquirir los datos por medio de la tarjeta Labjack directamente y no requerirá un procesamiento posterior para sacar los valores promedios o RMS. Futuros desarrollos en el tema deben incluir alguna manera de mejorar el sello entre la válvula y el anillo, para poder de esta manera aumentar la cantidad de hidrógeno inyectado y aumentar la potencia producida.. 50.

(51) IM -2006-II-27. BIBLIOGRAFIA [1] Xiaoguo Tang, Daniel M. Kabat, Robert J. Natkin, William F. Stockhausen, 2002, “Ford P2000 Hydrogen Engine Dynamometer Development” [2] Verstraeten Stefaan, Sierens Roger, Verhelst Sebastian, 2004, “A HIGH SPEED SINGLE CYLINDER HYDROGEN FUELLED INTERNAL COMBUSTION ENGINE” [3] Camilo Ruiz Umana, director: Jaime Loboguerrero, Mayo 2006. “DISEÑO DE UN SISTEMA DE INYECCION PARA LA CON VERSIÓN DE UN MOTOR DE GASOLINA A HIDRÓGENO”. [4] Colin R. Ferguson, Allan T. Kirkpatrick. 2nd ed. New York : John Wiley, c2000 “Internal combustion engines: applied thermosciences “. [5] Simón Salinas Guzmán; director: Jaime Loboguerrero. Bogotá: Uniandes, 2005. “Gasoline engine conversion to hydrogen”. [6] Frank M. White. 5th ed. Boston, MA; Bogotá: McGraw-Hill, c2003. “Fluid mechanics” nd [7] Robert D. Zucker and Oscar Biblarz. 2002. 2 ed. “Fundamentals of gas dynamics”. 51.

(52) IM -2006-II-27 Anexos Anexo 1- Planos extractor de anillos Anexo 2- Planos acople mototool Anexo 3- Archivo video funcionamiento del motor con hidrógeno. 52.

(53) IM -2006-II-27. 53.

(54) IM -2006-II-27. 54.

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