UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
INSTALACIÓN DE UN GENERADOR DE HIDRÓGENO EN UN
MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA PARA REDUCIR LA
CONTAMINACIÓN.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
LUIS ARMANDO CAIZA QUISHPE
DIRECTOR: ING. CESAR PADILLA
DECLARACION
Yo LUIS ARMANDO CAIZA QUISHPE, declaro que el trabajo aqul descrito es de ml autorla; que no ha sido previamente presentado para ningUn grado o calificaciôn profesional; y, que he consultado las referencias bibliograficas
que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnolôgica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, segUn 10 establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
LUISIARMP¼NDO CAIZA QUISHPE
CERTIFICACION
Certifico que el presente trabajo que Ileva per tItulo "lnstalaciôn de un generador de hidrógeno en un motor de combustion interna para reducir la
contaminaciOn", que, para aspirar al tItulo de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Luis Armando Caiza Quishpe, bajo mi direcciOn y supervisiOn, en la Facultad de Ciencias de la Ingenierla; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de TitulaciOn artIculos l8y25.
Ing. Cesar Padilla DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
A mis padres que con amor, esfuerzo, paciencia y sacrificio lograron mantener en mí su ejemplo de vida, su apoyo económico-moral, me permitieron culminar una meta muy importante en mi vida, después de tantos años de sacrificio y entrega en la carrera de Ingeniería Automotriz.
AGRADECIMIENTO
Quiero expresar mi más sincero agradecimiento a Dios, que me brindo vida y salud, encaminado hacia el camino del bien, ya que sin Él y su fuerza espiritual esto no hubiera sido posible.
De la misma manera quiero agradecer a mi abuelita Rosa, que desde el cielo me cuido, me guío y me brindó la fuerza para seguir luchando.
i
ÍNDICE GENERAL
Página
2.1. USO DEL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE ALTERNATIVO ... 4
2.1.1.HIDRÓGENO ... 5
2.1.2.PRODUCCIÓN DEL HIDRÓGENO... 6
2.1.3.MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DEL HIDRÓGENO... 8
2.1.3.1. Recursos fósiles ... 9
2.1.3.2. Hidrógeno a partir del agua ... 12
2.1.4.CARACTERÍSTICAS DEL HIDRÓGENO ... 15
2.1.5.APLICACIONES DEL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE .... 16
2.1.5.1. Ventajas del hidrógeno como combustible ... 17
2.1.5.2. Desventajas del hidrógeno como combustible ... 18
2.1.6.USOS POTENCIALES DEL HIDRÓGENO ... 18
2.1.7.Tipos de generadores de hidrógeno vehicular ... 19
2.1.7.1. Sistema generador de hidrógeno con tanque de almacenamiento ... 20
2.1.7.2. Generadores eléctricos ... 21
2.1.7.3. Generadores de Hidrógeno/Oxígeno ... 22
2.1.8.CONSECUENCIAS SOCIALES Y ECONÓMICAS DEL USO DEL HIDRÓGENO ... 23
2.2. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ... 24
2.2.1.PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ... 26
2.2.2.datos TÉCNICOS san remo ... 27
2.2.2.1. Características Mecánicas ... 28
ii
2.2.3.1. Cigüeñal ... 29
2.2.3.2. Muñones de los cojinetes principales de la bancada ... 31
2.2.3.3. Pistones ... 32
2.2.3.4. Bielas ... 34
2.2.3.5. Tren de válvulas ... 35
2.2.3.6. Árbol de levas ... 36
2.2.3.7. Válvulas ... 36
2.2.4.CARBURADOR... 38
2.2.4.1. Funcionamiento del carburador ... 38
2.2.4.2. Principio de funcionamiento del carburador ... 39
2.2.4.3. Mezcla de combustible ... 40
2.2.4.4. Bomba de aceleración ... 42
2.2.4.5. Dispositivos de arranque en frio ... 43
2.2.4.6. Tipos de carburador ... 48
2.3. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE ... 54
2.3.1.COMBUSTIÓN ... 54
2.3.2.TIPOS DE COMBUSTIÓN ... 55
2.3.2.1. Combustión completa ... 55
2.3.2.2. Combustión incompleta ... 55
2.3.2.3. Combustión estequiométrica o teórica ... 56
2.3.2.4. Combustión con exceso de aire ... 57
2.3.2.5. Combustión con defecto de aire ... 57
2.3.3.COMBUSTIBLES CLASIFICACIÓN ... 57
2.3.3.1. Combustibles comerciales ... 57
2.3.3.2. Combustibles especiales ... 58
2.3.4.PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES ... 59
2.3.4.1. Composición ... 59
2.3.4.2. Temperatura ... 60
2.3.4.3. Límites de inflamabilidad ... 61
2.3.4.4. Poder calorífico PC ... 62
iii
2.3.4.6. Densidad ... 62
2.3.5.COMBURENTE... 63
2.3.5.1. Aire ... 63
2.3.5.2. Aire teórico ... 64
2.3.5.3. Oxigeno teórico ... 64
2.3.5.4. Exceso de aire ... 64
2.3.5.5. ANÁLISIS TEÓRICO DE LA MEZCLA AIRE COMBUSTIBLE ... 65
3.1. INSTALACIÓN ... 67
3.1.1.DESCRIPCIÓN GENERAL ... 67
3.1.2.PRODUCCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE HIDRÓGENO ... 68
3.1.3.CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE HIDRÓGENO ... 68
3.1.3.1. Ventajas ... 69
3.1.3.2. Desventajas ... 69
4.1. DIFERENCIAS ENTRE CÁLCULOS ... 70
4.2. RELACIÓN ESTEQUIOMETRICA ... 73
4.2.1.MANUAL DE INSTALACIÓN DEL SISTEMA ... 74
4.2.1.1. Seguridad ... 74
4.2.1.2. Preinstalación - lista de comprobación ... 75
4.2.1.3. Información general de los electrolitos ... 76
4.2.1.4. Instalación del generador ... 76
4.2.1.5. Instalación de la salida de hidrógeno al motor ... 77
4.2.1.6. Válvula de retención ... 78
4.2.1.7. Instalación eléctrica ... 78
4.2.1.8. Mantenimiento del electrodo ... 80
4.2.1.9. Vida útil del electrodo ... 81
4.2.1.10. Limpieza del generador ... 81
4.2.1.11. Temperatura ... 81
iv
4.2.3.PARTES DEL GENERADOR DE HIDRÓGENO ... 85
4.2.3.1. Celdas de acero inoxidable SAE 316l ... 85
4.2.3.2. Tapa de plástico CAST- IRON ... 86
4.2.3.3. Pernos y tuercas de plástico (PVC) ... 87
4.2.3.4. Abrazadera para cierre hermético de tapa ... 88
4.2.3.5. Manguera de PVC ... 89
4.2.3.6. Válvula anti-retorno para paso de hidrógeno ... 89
4.2.3.7. Cableado del sistema eléctrico a 12 V ... 90
4.2.3.8. Recipiente de vidrio con recubrimiento de aluminio ... 91
4.2.4.INSTALACIÓN DEL GENERADOR EN EL VEHÍCULO ... 91
4.2.4.1. Verificación de espacio ... 92
4.2.4.2. Instalación ... 92
4.2.5.PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ... 93
4.2.5.1. Pruebas dinamómetro previas a la instalación ... 93
4.2.5.2. Análisis de gases previos a la instalación ... 97
4.2.5.3. Pruebas dinamómetro con el sistema instalado ... 99
4.2.5.4. Análisis de gases con el sistema instalado ... 103
4.2.5.5. Consumo de combustible ... 105
4.2.5.6. Prueba de recorrido previas a la instalación ... 108
4.2.5.7. Prueba de recorrido con el sistema instalado ... 110
4.2.6.CÁLCULOS PREVIOS A LA INSTALACIÓN DEL SISTEMA .... 113
4.2.7.CÁLCULOS REALIZADOS CON EL SISTEMA INSTALADO ... 117
5.1. CONCLUSIONES... 119
v
ÍNDICE DE FIGURAS
Página
Figura 1. Diagrama del proceso de obtención de hidrógeno por reformado
de hidrocarburos ligeros con vapor. ... 8
Figura 2. Proceso de producción de hidrógeno que requiere aporte de energía térmica. ... 9
Figura 3. Oxidación Parcial del metano ... 11
Figura 4. Esquema de combustión que utiliza hidrógeno ... 12
Figura 5. Estructura de costos de producción de hidrógeno por electrólisis (2030) para estación de llenado doméstica ... 13
Figura 6. Extracción de hidrógeno por tanque de almacenamiento ... 20
Figura 7. Distribución de los componentes del sistema generador de hidrógeno ... 21
Figura 8. Tanque de hidrogeno presurizado ... 23
Figura 9. El motor de combustión interna ... 24
Figura 10. El conjunto móvil. ... 26
Figura 11. Presentación Chevrolet San Remo ... 29
Figura 12. Cigüeñal ... 30
Figura 13. Cojinete principal de cigüeñal. ... 32
Figura 14. Anillos o segmentos del pistón ... 33
Figura 15. Disposición de la Biela ... 34
Figura 16. Tren de válvulas OHV y OHC ... 35
Figura 17. Componentes de válvula ... 37
Figura 18. Esquema de principio de funcionamiento del carburador ... 39
Figura 19. Fases de funcionamiento del carburador ... 40
Figura 20. Bomba de alimentación ... 43
Figura 21. Esquema de funcionamiento del estrangulador ... 46
Figura 22. Esquema de un carburador doble ... 50
Figura 23. Carburador cuádruple ... 52
Figura 24. Diferentes formas de alimentar un motor de 4 cilindros. ... 53
Figura 25. Diferentes formas de alimentar un motor de 6 cilindros. ... 53
vi
Figura 27.Conexión del sistema en el múltiple de admisión ... 77
Figura 28. Válvula de retención ... 78
Figura 29. Conexión directa del sistema a la batería ... 79
Figura 30. Conexión del sistema por medio de relé ... 80
Figura 31.Sistema eléctrico (vehículo apagado) ... 83
Figura 32. Sistema eléctrico (Vehículo encendido) ... 84
Figura 33. Sistema Eléctrico (En funcionamiento) ... 84
Figura 34. Esquema del sistema instalado ... 85
Figura 35. Celdas de acero inoxidable 316L y recipiente ... 86
Figura 36. Tapa de plástico CAST – IRON ... 87
Figura 37. Pernos y Tuercas de PVC ... 88
Figura 38. Tapa, Abrazadera y Recipiente ... 88
Figura 39. Recipiente, Tapa, Celdas y Manguera de PVC ... 89
Figura 40. Válvula Anti-retorno Para Paso de Hidrógeno ... 90
Figura 41. Cableado, Fusiblera, Interruptor y Conectores ... 90
Figura 42. Recipiente vidrio con recubrimiento aluminio ... 91
Figura 43. Vehículo Dinamómetro ... 93
Figura 44. Pruebas previas instalación del sistema (Prueba 1) ... 94
Figura 45. Valores de la prueba realizada en el vehículo ... 94
Figura 46. Segunda prueba de potencia y torque ... 95
Figura 47. Valores de la prueba 2 ... 96
Figura 48. Prueba realizada de potencia y torque ... 96
Figura 49. Valores de la prueba ... 97
Figura 50. Sistema instalado en el vehículo ... 99
Figura 51. Prueba de potencia con el sistema instalado. ... 99
Figura 52. Valores de las pruebas realizadas con el sistema instalado. ... 100
Figura 53. Curva de potencia con el sistema instalado. ... 100
Figura 54. Valores de la prueba dos con el sistema instalado. ... 101
Figura 55. Prueba de potencia con el sistema instalado. ... 102
Figura 56. Valores de las pruebas con el sistema instalado. ... 102
Figura 57. Medidor electrónico de combustible instalado en vehículo ... 106
viii
ÍNDICE DE TABLAS
Página
Tabla 1. Densidades de energías de varios combustibles/ hidrógeno ... 16
Tabla 2. Elementos del carburador (Crouse, 1993) ... 48
Tabla 3. Composición de gas natural (Burns, 2003) ... 60
Tabla 4. Composición del aire atmosférico (Barrow, 1975) ... 65
Tabla 5. Diferencias Resultados ... 72
Tabla 6. Diferencias Análisis de Gases ... 72
Tabla 7. Diferencias Análisis de Gases Ralentí. ... 73
Tabla 8. Pruebas previas instalación del sistema / Análisis de Gases ... 97
Tabla 9. Pruebas previas instalación del sistema / Análisis de Gases ... 98
Tabla 10. Pruebas con el sistema instalado / Análisis de gases ... 103
Tabla 11. Pruebas con el sistema instalado / Análisis de gases ... 104
Tabla 12. Pruebas de consumo de combustible previas a la instalación. .. 106
Tabla 13. Pruebas de consumo de combustible con el sistema instalado . 107 Tabla 14. Diferencias entre pruebas ... 108
Tabla 15. Análisis de comportamiento motor en plano ... 108
Tabla 16. Análisis de comportamiento motor pendiente. ... 110
Tabla 17. Análisis de comportamiento motor plano. ... 111
Tabla 18. Análisis de comportamiento motor pendiente ... 112
Tabla 19. Datos técnicos motor san remo. ... 113
ix
ÍNDICE DE ANEXOS
Página
ANEXO 1. ANALIZADOR DE GASES 2500 RPM ... 129
ANEXO 2. ANALIZADOR DE GASES RALENTÌ RPM ... 130
ANEXO 3. ANALIZADOR DE GASES 2500 RPM ... 131
ANEXO 4. ANALIZADOR DE GASES RALENTÌ RPM ... 132
ANEXO 5. PRUEBAS PREVIAS DINAMÓMETRO ... 133
ANEXO 6. PRUEBAS DINAMÓMETRO (SISTEMA INSTALADO) ... 135
ANEXO 7. FOTOS VEHÍCULO DINAMÓMETRO ... 137
ANEXO 8. PARTES GENERADOR ... 139
ANEXO 9. GENERADOR DE HIDRÓGENO EN FUNCIONAMIENTO ... 139
x
RESUMEN
xi
ABSTRACT
1
1. INTRODUCCIÓN
El trabajo a realizar se sustenta con el ahorro de combustible, mediante la disminución de consumo de este en vehículos propulsados por combustibles fósiles en este caso la gasolina. Mejorando la potencia en los vehículos y optimizando la combustión de los automotores, logrando una disminución de gases contaminantes enviados a la atmosfera y que son fuente esencial para crear los gases de efecto invernadero.
En el Ecuador, el aumento del parque automotor, es cada vez mayor ya que es el cuarto país en Sudamérica, con un número de 8 automotores por cada mil personas, indicado por un estudio de la Asociación Nacional Automotriz de Chile, efectuado en el 2011. Indica que el parque automotor está aumentando más, y como consecuencia el consumo de combustibles fósiles aumenta considerablemente cada año, al mismo tiempo las emisiones de gases contaminantes enviadas al medio ambiente son cada vez mayores.
El presente proyecto propone la instalación de un generador de hidrógeno vehicular con el fin de reducir la emisiones de gases contaminantes y disminuir el consumo de combustibles fósiles en este caso de la gasolina, logrando aumentar potencia, mediante él envió de hidrógeno al sistema de alimentación de un vehículo a carburador.
Al conocer que los principales problemas en la contaminación del medio ambiente en el país son los vehículos, de todo tipo y especificaciones, así como sistemas de alimentación de combustible, el presente trabajo trata de ser una ayuda a la disminución de esta contaminación y proporcionar una mejorara en la potencia y disminuir el gasto de los propietarios de vehículos en combustibles fósiles.
2 carbono, acompañado de óxido de nitrógeno por lo que se ha tomado en cuenta para enfocar el proyecto en la reducción de los gases de escape del motor.
Utilizando la electrólisis como medio de separación de moléculas del agua, en hidrógeno y oxígeno, mediante reacciones electroquímicas producidas por la intensidad de corriente de 7 a 15 amperios y con una tensión de 12v de alimentación se logrará separar dichas moléculas, utilizando el sistema de alimentación del vehículo el cual es a carburador se podrá enviar el hidrógeno a los cilindros y permitir que se queme con el combustible fósil que en este caso es la gasolina para reducir las emisiones de gases contaminantes al medio ambiente.
El trabajo será realizado en un vehículo Chevrolet San Remo, cuyas especificaciones son: sedan, sistema de encendido convencional y alimentación a carburador mediante efecto Venturi, el generador de hidrógeno será instalado en este automotor basado en el sistema de alimentación por medio de carburador, este permitirá que el aire de ingreso al motor absorba el hidrógeno e ingresen simultáneamente los dos gases.
El objetivo principal de este trabajo, es la instalación de un generador de hidrógeno vehicular, que servirá como ayuda para utilizar con mayor detenimiento el hidrógeno como un combustible único para los automotores ya que es una fuente renovable de energía y proporciona el mínimo de emisiones, según como se lo utilice ya que si solo se usa hidrógeno como combustible único, las emisiones seria vapor de agua es decir cero emisiones contaminantes al ambiente.
4
2. MARCO TEÓRICO
2.1. USO
DEL
HIDRÓGENO
COMO
COMBUSTIBLE
ALTERNATIVO
Debido al aumento del consumo de combustibles fósiles, al generar consigo mayor contaminación al medio ambiente, así como el incremento de los gases de efecto invernadero, es por esta razón, que la necesidad de reducir los efectos que crea la contaminación es demasiada, no solo en el ámbito automotriz, pero en este caso la industria automotriz a nivel mundial está para crear vehículos mucho más ecológicos que los existentes en la actualidad.
Nuevas tecnologías propulsadas a mejorar el medio ambiente en general, la reducción del consumo de combustibles fósiles, la manufacturación de implementos amigables al medio ambiente, etc.
El hidrógeno considerado como combustible es una gran forma de reducir y en algunos casos tomar dependencia de combustibles fósiles. Y así concentrar esfuerzos en el uso de energía alternativa y optimización de la misma. De esta forma aprovechar los notables beneficios en el aspecto económico y ambiental (Carrasco & Rodriguez).
La conclusión final de lo antes expuesto es la utilización de un combustible renovable, libre de emisiones contaminantes o en dicho caso reduzca las emisiones contaminantes enviadas al medio ambiente, y precisamente estos beneficios son el producto de una fuente de energía alterna. El combustible propuesto como solución es el hidrógeno (Rifkin, 2002).
5
La base de obtención es el agua.
Es muy abundante con un 75 % de la materia visible.
No se limita su uso en regiones o en países de todo el mundo.
Puede ser utilizado como recurso energético.
Puede sustituir a los combustibles fósiles como el gas natural o derivados del petróleo.
La combustión produce el mínimo de emisiones contaminantes al medio ambiente.
Bajos costos de producción y competitividad con los demás combustibles.
Mayor autonomía en vehículos que el resto de combustibles fósiles, e incluso vehículos propulsados por energía eléctrica.
Puede ser almacenado, transmitido y utilizado como fuente de energía alterna.
2.1.1. HIDRÓGENO
El Hidrógeno H2, descrito por vez primera por T. Von Hohenheim (Paracelso) (1493-1541) obtuvo al mezclar metales con ácidos fuertes, sin darse cuenta que el gas procedente era un nuevo elemento químico. Posteriormente Robert Boyle redescubrió en 1671, de la misma forma que Paracelso, describió la reacción producida por ácidos diluidos y limaduras de hierro, las cuales generaban Hidrógeno gaseoso. En 1766 el Hidrógeno gaseosos fue reconocido como sustancia discreta, producido por una reacción ácido- metal, como un gas inflamable que al combustionar generaba agua, por Henry Cavendish. En 1783, Antonio Lavoisier nombro al elemento como hidrógeno al comprobar junto a Laplace, lo antes mencionado.
6 temperatura y a presión atmosférica, es un elemento químico muy ligero y abundante en el universo con 75% de la materia visible (Diccionarios Oxford-Complutense, Diccionario de ciencias, 2000).
El hidrógeno al reaccionar con el oxígeno forma agua, esta es una reacción demasiado lenta a temperatura ambiente, pero al acelerar esta reacción con un catalizador, con chispa eléctrica, produce una reacción violenta explosiva.
El nitrógeno al reaccionar con el hidrógeno, presenta una reacción que proporciona amoniaco, de igual manera al reaccionar con metales en elevadas temperaturas produce hidruros. Al reaccionar con oxido en temperatura elevadas son reducidos por el hidrógeno y se obtiene óxidos más bajos o metales libres. Al reaccionar con sales de los metales menos electropositivos este reacciona con ellos y produce una reducción de su estado metálico.
2.1.2. PRODUCCIÓN DEL HIDRÓGENO
El proceso de producción del hidrógeno mediante la separación de diversos elementos químicos como carbono en combustibles fósiles y del agua. Los procesos de extracción de hidrógeno en el agua son por medio de electricidad (electrolisis), reducción química y termólisis.
La producción de hidrógeno va en aumento ya que es una fuente baja en emisiones contaminantes enviadas al medio ambiente, además de obtener mayor potencia en los generadores, motores de combustión, además en los motores basados en pilas de hidrógeno (San Miguel, Dufour, Calles, & A)
7 En la industria automotriz, ya que es la principal causante de la contaminación y de los gases de efecto invernadero, en la actualidad es la que más ha concentrado sus esfuerzos en la producción de hidrógeno, al ser este el elemento más abundante en el planeta, brinda una combustión más limpia en el motor, se evitara la contaminación y reducirá el consumo de combustibles fósiles en exceso.
Al ser el hidrógeno un combustible netamente puro, que tiene un sin número de posibilidades de proporcionar energía, pero en lo referente a los aspectos negativos residen en su generación y transportación que pierde de cierta manera un porcentaje mínimo de energía.
Además de producirse 40 millones de toneladas anuales, según datos de la Agencia Internacional de Energía. El 96% del hidrógeno producido en la actualidad es a partir de combustibles fósiles, en su mayoría por reformado de gas natural ya que este posee partículas de carbono y al realizar el proceso el hidrógeno es el propulsor de varios procesos en las diferentes industrias como químicas, petroquímicas y otras afines a procesos industriales, así como la propulsión de vehículos espaciales.
El 4% restante es producido por electrolisis del agua, en algunas aplicaciones es destinado a la propulsión de vehículos, es decir a aplicaciones que necesitan gran pureza del gas para una mejor combustión (Hortal & Miranda Barrera, 2012).
Entre las desventajas, los procesos para obtener el gas son a partir de energía basada en combustibles fósiles por lo tanto el método de obtención emite CO2
8 que estos empiezan a considerar e investigar el uso de combustibles amigables con el ambiente y de fácil obtención como es el caso del hidrógeno.
2.1.3. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DEL HIDRÓGENO
Lo principal para tomar en cuenta es que la obtención del hidrógeno no debe depender del consumo de combustibles fósiles para lograr un desarrollo prolongado sostenible, ya que si no se cumpliera con lo antes mencionado la eficiencia energética pasaría a segundo plano por su obtención, con lo que el hidrógeno producido seria menos amigable con el ambiente y no sería factible su producción. En la figura 1 se aprecia la obtención de hidrógeno por proceso de producción.
Figura 1. Diagrama del proceso de obtención de hidrógeno por reformado de hidrocarburos ligeros con vapor.
(Consejo Superior de Investigaciones Cientìficas, 2003)
9
Recursos Fósiles: Derivados del petróleo, Gas Natural y Carbón.
Recursos Renovables: Agua, Biomasa
2.1.3.1. Recursos fósiles
En este grupo se encuentra al carbón, derivados del petróleo y gas natural, empleados como combustibles debido a sus características químicas. Elaborados por varios procesos milenarios como Biogeoquímicos, de restos vegetales y comunidades planctónicas, además de ser un recurso no renovable. En la figura 2 se observa el proceso de producción del hidrógeno mediante un aporte de energía térmica.
Figura 2. Proceso de producción de hidrógeno que requiere aporte de energía térmica.
10
Hidrógeno en base a Gas Natural
Es la fuente principal de producción de hidrógeno industrial, y la producción es por reformado de vapor de agua aunque existen los procesos de oxidación parcial.
El reformado de vapor de agua, consiste en mantener la materia en cierta temperatura y presión elevada, para luego ser mezclado con el vapor de agua y finalmente por un catalizador. Es un método con el cual se obtiene hidrógeno a partir de hidrocarburos y el gas natural, mediante una gran cantidad de energía y obtener el resultado como reacción química del hidrógeno y dióxido de carbono así como monóxido de carbono, las variaciones dependen del gas natural, para formar dos reacciones la primera a 800-900 °C y presión de 25 bar, y obtener un gas rico en dióxido de carbono e hidrógeno, la segunda reacción está entre los 400 y 200°C respectivamente para producir mezclas gaseosas, para terminar se realiza un proceso de purificación Pressure Swing Adsorption (PSA), con el cual se obtiene hidrógeno al 99,99%, con un contenido energético superior al gas natural.
𝐶𝐻4+ 𝐻2𝑂 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 → 𝐶𝑂 + 3𝐻2 [2.1.1]
Normalmente se produce al mezclar CO con vapor de agua y se produce 𝐶𝑂2, con el fin de obtener una producción adicional de
hidrógeno a partir del segundo proceso realizado.
𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂2+ 𝐻2+ 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 [2.1.2]
11 para generar un gas sintético, rico en hidrógeno, que puede ser usado posteriormente como por ejemplo en una celda de combustible, detallado en la figura 3.
Figura 3. Oxidación Parcial del metano (Netto, s.f.)
Hidrógeno a base del Carbón
Es una tecnología madura comercialmente para la producción de hidrógeno por gasificación de carbón, el costo para la producción de hidrógeno es mucho más elevado que los procesos utilizados por el Gas Natural, pero puede ser un proceso competitivo debido en cuanto el precio del gas natural aumente.
El proceso consiste en la gasificación del carbono en presencia del oxígeno para su oxidación, este método consiste en realizarlo a temperaturas superiores a 1000 ºC, como producción se obtiene CO y de H2, el monóxido
de carbono se desplaza hacia el dióxido de carbono, y resulta H2 y CO2 y las
12 2.1.3.2. Hidrógeno a partir del agua
Se puede producir hidrógeno a partir de las moléculas de agua, mediante su separación por varios procesos:
Electrolisis
En la actualidad el 5% del hidrógeno generado es obtenido por electrolisis del agua con cierta implementación en ciertas zonas geográficas. En Islandia existe la primera estación generadora de hidrógeno para la automoción, utilizada por vehículos equipados con pilas de combustible, mediante la utilización energía eléctrica previamente generada por la geotérmica e hidráulica, en la figura 4 se detalla el esquema de combustión utilizada por hidrógeno (Burns, 2003).
Figura 4. Esquema de combustión que utiliza hidrógeno (Dufour, 2012)
13 Si la energía producida para la electrolisis es renovable no se produce emisiones a la atmosfera. Consiste en la separación de moléculas de hidrógeno y oxígeno mediante la aplicación de electricidad.
𝐻2𝑂 + 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 → 𝐻2+12𝑂2 [2.1.3]
La estructura de los costos de producción por electrólisis, se detalla en la figura 5, en estaciones de llenado doméstico.
Figura 5. Estructura de costos de producción de hidrógeno por electrólisis (2030) para estación de llenado doméstica
(2 vehículos/día) y de gran escala (100 vehículos/día)
(Richard, 2004)
Fotoelectrólisis
14 combustible, esta técnica combina dos procesos los cuales son la generación de electricidad fotovoltaica y producción de hidrógeno en un único dispositivo denominado fotoelectrólisis, mediante la utilización de células foto-electroquímicas, las cuales como objetivo tiene unir materiales semiconductores. Estos dispositivos están a prueba en constante investigación pero en el ámbito de laboratorio, según la Agencia Internacional de la Energía, se ha determinado la eficiencia de conversión solar-hidrógeno del 16% esto podría ser el beneficiario al disminuir los costos de producción de hidrógeno comparado con los sistemas de energía antes detallados (Cornell University, 1983).
Hidrógeno a partir de biomasa
Al tomar en cuenta la biomasa como materia prima para la obtención del hidrógeno, el cual aporta el 14% del consumos energético mundial. Las formas de aprovechar la biomasa son diversas y dependen de su naturaleza.
Es el caso del etanol que es utilizado como combustible para la automoción, a partir de diferentes residuos de celulosa. Además aporta un balance de CO2
neutro, de forma que es capaz de retener su crecimiento en el proceso de producción de hidrógeno, por otro lado la biomasa es un recurso renovable y sostenible, que al tomar en cuenta que su consumo no sea mayor a la capacidad de regeneración natural.
La gasificación es un proceso de aprovechamiento de la biomasa que permite obtener CO + H2 mediante la calefacción controlada del residuo a temperatura
15
Fotobiólisis
Consiste en la producción de hidrógeno por la vía fotobiológica, mediante dos etapas: Fotosíntesis y producción por algas verdes y en cianobacterias o producción catalizada por hidrogenasas. La producción por algas verdes y cianobacterias consiste en la modificación por ingeniería genética para lograr alcanzar los niveles de hidrógeno factibles para una producción significativa.
Esta técnica requiere de investigación básica y una inversión a largo plazo, si la investigación y el desarrollo son factibles, se puede preparar el camino para producción de hidrógeno sostenible.
2.1.4. CARACTERÍSTICAS DEL HIDRÓGENO
Es el elemento más liviano que existe, es así que es 14 veces más liviano que el aire.
Bajo nivel de contaminación por emisión de gases contaminantes enviadas al ambiente.
Fácil combustión completa.
Es abundante en todo el planeta.
Reservas ilimitadas prácticamente.
No existe libre en la naturaleza.
Su obtención genera un balance energético negativo en todo el ciclo de la vida.
Es utilizado como refrigerante en generadores eléctricos, para evitar el sobrecalentamiento en los mismos.
Costos de producción bajos.
16 Entre las características del hidrógeno, es el que posee la máxima relación energía/peso, a temperatura y presión normales. En condiciones ambientales 1 kilogramo de hidrógeno ocupa 11,135m3, es decir que almacena menor cantidad de energía comparado con los demás combustibles antes relacionados en la Tabla 1.
Tabla 1. Densidades de energías de varios combustibles/ hidrógeno
combustible del futuro (Peretti & Visintin)
2.1.5. APLICACIONES DEL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE
17 La variedad de aplicaciones convierte al hidrógeno en un combustible ideal, “Cada vez se escucha hablar más del hidrógeno, considerándolo, dadas sus propiedades físicas y químicas, como un importante combustible sintético del futuro. Esto se basa en sus características de ser renovable, abundante y no contaminante, que lo convierten en un combustible ideal”. (Arnaldo Visintin)
La aplicación del hidrógeno, en los motores de combustión interna basados en el consumo de combustibles fósiles (gasolina, diésel, gas natural, etc.), los cuales son modificados basados en dos parámetros como la modificación de la cámara de combustión para aprovechar al máximo el hidrógeno y la adaptación de los sistemas del motor para un uso óptimo del hidrógeno. Una de las ventajas del uso del hidrógeno como combustible es un aumento del 20% eficiencia en los motores con este sistema comparado con los que emplean combustibles fósiles, como característica el hidrógeno al ser combustionado en la cámara de combustión produce mínimas cantidades de emisiones contaminantes ya que la mayoría es vapor de agua y pequeñas cantidades de Óxido de nitrógeno (NOx).
2.1.5.1. Ventajas del hidrógeno como combustible
No consume recursos, al realizar la electrolisis el hidrógeno se toma del agua y lo que no se utiliza regresa al agua, con lo cual se evita procesos secundarios y tóxicos.
La seguridad en los sistemas que utilizan hidrógeno es impresionante, el hidrógeno es más seguro que el combustible remplazado en algunos de los casos.
La eficiencia es muy alta, comparada con otro sistema de energía.
El funcionamiento es silencioso.
El mantenimiento es casi nulo y posee larga vida en el funcionamiento.
La producción de hidrógeno es realizado por fuentes renovables.
18
Su combustión no libera dióxido de carbono, y se podría eliminar la mayor cantidad de contaminación de agua y aire.
Produce una combustión del hidrógeno con el aire, es limpia y amigable con el medio ambiente, además los productos de la combustión son en su mayoría vapores de agua (Van Jaag, 2013).
2.1.5.2. Desventajas del hidrógeno como combustible
La principal desventaja del hidrógeno es que existe en cantidades mínimas del gas en la naturaleza.
Su producción requiere de electricidad y calor de temperatura elevada producida por fuentes de energía amigables al medio ambiente como son la energía solar, eólica y térmica, o a su vez en energía no amigables como la nuclear.
La producción de hidrógeno requiere una mayor cantidad de energía que la que se combustiona o quema sin necesidad de involucrar el fin de su uso, es decir su producción genera energía útil negativa por su proceso de producción.
Su producción depende de un suministro abundante y permisible obtenido de energía amigable con el medio ambiente y aceptable con la sociedad.
La producción de hidrógeno así como su obtención por cualquier método es costosa.
El sistema de almacenamiento no son desarrollados debidamente y su valor es elevado. El hidrógeno puro es demasiado caro.
2.1.6. USOS POTENCIALES DEL HIDRÓGENO
19 Al realizar la combustión produce menos emisiones contaminantes que la gasolina y diésel, al ser el hidrógeno un gas muy inflamable, con alta temperatura de detonación además de necesitar menos energía para su ignición a comparación con la gasolina. El hidrógeno proporciona una gran cantidad de beneficios en la combustión además de ventajas al medio ambiente, pero la principal desventaja es la infraestructura de distribución. Por eso se presenta nuevas maneras de usar el hidrógeno como las celdas de combustible que proporcionan 2,5 veces mayor eficiencia que si se quema en un motor de combustión interna, en una celda de combustible el hidrógeno y el oxígeno alimentan a los electrodos, constituidos por metales porosos dentro de un electrolito el cual mantiene el flujo de electrones, esto genera una fuente de energía eléctrica que permite efectuar cualquier trabajo. El mayor impacto que puede aplicar estas celdas son las plantas de fabricación en la actualidad una de ellas está en Japón, las plantas de potencia son de 45 MW y 11MW con tecnología de ácido fosfórico, que permite una mayor duración de las celdas.
2.1.7. TIPOS DE GENERADORES DE HIDRÓGENO VEHICULAR
En el ámbito automotriz existe un sin número de sistemas economizadores de combustibles, entre ellos se destacan los sistemas generadores de hidrógeno por dos razones:
Son sistemas amigables al medio ambiente ya que sus residuos de combustión son cero.
Son sistemas que permiten economizar el combustible fósil que utilizan los vehículos con motor de combustión interna.
20
2.1.7.1. Sistema generador de hidrógeno con tanque de
almacenamiento
Este tipo de generador produce hidrógeno puro para alimentar un motor de combustión interna, pero posee algunas desventajas por lo que no es muy factible encontrar este sistema en el mercado. Entre las principales destaca que el tanque para almacenar el hidrógeno es excesivamente costoso y difícil de encontrar, la instalación de este no es complicada y se puede hacer sin mayor dificultad, se debe tomar en cuenta que al instalarlo, el técnico debe fijarlo al vehículo para evitar movimientos, en lo posible alejado del motor como es el caso del tanque de gasolina.
Para la instalación de este sistema es necesario realizarla en vehículos con carburador, ya que la ingeniería de un motor a inyección varía por sus múltiples sensores y evita que el sistema entre en funcionamiento.
En el caso de los vehículos a carburador, este es sustituido por un sistema de alimentación de hidrógeno, así como las tomas de ingreso del gas a la cámara de combustión. Hasta la fecha solo cuatro personas han realizado este cambio con éxito el Primero lo realizó en Filipinas y los tres restantes en Estados Unidos. En la figura 6, se aprecia el funcionamiento del tanque de almacenamiento y producción de hidrogeno de los vehículos Audi.
Figura 6. Extracción de hidrógeno por tanque de almacenamiento
21 2.1.7.2. Generadores eléctricos
Esta tecnología está revolucionando el mercado automotriz, como principal diseñador y creador esta BMW, que llevan más de 5 años incursionando en este tipo de motores eléctricos a hidrógeno, se estima que tiene más de 50 unidades rodando por Europa con esta tecnología.
Entre Alemania e Inglaterra al menos tres marcas de vehículos, tienen ya sus prototipos rodando apuro hidrógeno, en sus múltiples versiones con tracción a las cuatro ruedas (4x4) tracción a las tres ruedas (3x3) y tracción a las dos ruedas (4x2), este último se encuentra en desuso por su poca autonomía y velocidad, el que obtuvo mayores resultados en sus múltiples pruebas fue el tipo 4x4 por seguridad, autonomía y velocidad. Entre este grupo existe otra subdivisión que son los generadores de hidrogeno con bloques de celdas secas o húmedas, este tipo a diferencia del anterior alimenta a un solo motor eléctrico y de este a su trasmisión.
Este tipo de vehículos son utilizados para el trasporte público en Barcelona, España con una flota aproximada de 4 vehículos. En el resto de Europa se estima que vehículos con este tipo de sistema se aproxima a 20, y todos puestos en marcha y trabajando a prueba hasta la fecha, en la figura 7, se evidencia la distribución del sistema generador de hidrógeno en vehículos de transporte público en Europa. (Instituto de Energías Renovables de España, 2010)
Figura 7. Distribución de los componentes del sistema generador de hidrógeno
22 2.1.7.3. Generadores de Hidrógeno/Oxígeno
Es el que se encuentra en demanda en el mercado, por su fácil adquisición y utilidad en vehículos a gasolina y diésel, estos motores se alimentan de una gas que es producido por la electrolisis del agua al separar sus moléculas en hidrógeno y oxígeno, en el interior del generador envía este gas al sistema de alimentación del motor, para su proceso de combustión en el mismo. Es decir que cuando el motor esta encendido, es alimentado por medio de la demanda de aire que este pide y lo ajusta según su desempeño lo requiera.
Entre las principales características de este sistema generador de hidrógeno tenemos:
Su presión de trabajo usualmente es de 3 a 8 PSI.
El hidrógeno producido no puede almacenarse ya que este, depende de la demanda de aire que requiera el motor, en el caso de que el vehículo sea apagado este se disipara con el aire mediante un sistema de evacuación, que evita encendidos bruscos.
Su porcentaje de producción varía del 15% al 60%, dependiendo del sistema adquirido.
Su instalación no es complicada y se la puede hace mediante un manual, que será detallado en un posterior capítulo.
Los materiales para su fabricación son comunes y se encuentran en el mercado.
Posee un bajo costo de mantenimiento, en tiempo y dinero.
El accionamiento es dado solo cuando el vehículo se encuentra encendido para evitar arrancones bruscos en un motor frío.
En la actualidad existen varios subtipos de este sistema que son:
23 fabricación requiere de mucho cuidado y muchas piezas, muy bien acopladas y selladas, en la figura 8 se aprecia el sistema presurizado para vehículos diésel.
Sistema no presurizado.- que se encuentra actualmente en demanda, y se los puede conseguir fácilmente y es el que se va utilizar en esta investigación y será detallado en posteriores capítulos más detenidamente.
Figura 8. Tanque de hidrogeno presurizado
(Fuel Cell Norway, 2006)
2.1.8. CONSECUENCIAS SOCIALES Y ECONÓMICAS DEL USO DEL
HIDRÓGENO
24 estacionamiento de vehículos incluido el hogar. Creando así una forma descentralizada para su uso y poder compartir su energía como iguales.
El hidrógeno podría a futuro poner fin la dependencia del petróleo y sus consecuencias dañinas al medio ambiente. Además que el hidrógeno se encuentra en todas partes del mundo, “todos los seres humanos dispondrían de energía convirtiéndose en el primer sistema energético verdaderamente democrático de la historia” según (Amaldo Visintin; Hidrógeno como Combustible, pág. 6).
2.2. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
El motor de combustión interna basa su funcionamiento en la explosión y quemado de la mezcla de aire-combustible, en el interior de la cámara de combustión o también conocida como cilindro, cuyo fin es incrementar presión para poder mover el pistón, con un movimiento lineal alternativo con suficiente potencia como se puede apreciar en la figura 9.
Figura 9. El motor de combustión interna
25 El movimiento creado por el pistón es transmitido a la biela que esta a su vez está conectada con el cigüeñal, con el fin de convertir el movimiento lineal alternativo en movimiento rotativo, y el cual es transmitido a los mecanismos de transmisión de potencia por medio de la caja de velocidades, ejes, diferenciales, etc. Hasta que este movimiento termine en las ruedas, con la potencia suficiente para desplazar el vehículo con la velocidad deseada por el conductor al igual que la necesidad de transportar la carga requerida para cualquier situación en la que se encuentre el conductor (Nash, 2004).
El proceso de combustión de la mezcla aire combustible es basado en la energía química presente en el combustible, así esta se transforma en energía calorífica, parte de esta es transformada en energía cinética que proporciona el movimiento, para producir trabajo útil en las ruedas, disipándose el exceso en el sistema de alimentación y escape, así como por accionamiento de accesorios y las respectivas perdidas por fricción de los materiales involucrados en el proceso.
La mezcla de aire-combustible previamente preparada o dosificada por el carburador o en la actualidad por los inyectores mediante el sistema de alimentación electrónico, se encarga de introducir la mezcla en la cámara de combustión, esta se combustiona por medio de la chispa generada por el sistema de encendido del motor.
Además de proporcionar la potencia necesaria para mover el vehículo, el combustible es el diferenciador de un motor de combustión interna ya sea este propulsado a gasolina o diésel, sus características mecánicas de funcionamiento es casi similar, y entre los principales componentes del motor de combustión interna se encuentran:
El bloque de cilindros o monoblock
Conjunto de válvulas o tren de válvulas
26
Sistema de entrada
Sistema de lubricación
Sistema de enfriamiento
2.2.1.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOEl principio de funcionamiento es basado en la velocidad lineal producida por el pistón en su recorrido de punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI), denominado carrera.
Figura 10. El conjunto móvil.
(Banco Repulica Cultural de Colombia, 2003)
La energía química que posee el combustible es transformada en movimiento lineal, a través de los cilindros y estos a su vez a la biela y finalmente al cigüeñal.
Este último es un eje asegurado por bancadas al block del motor, las bielas son acopladas al cigüeñal por medio de descentramiento, de esta forma produce movimiento rotativo.
27 admisión y escape, su principal función es la de permitir el ingreso de la mezcla antes de producirse la combustión, al igual que la salida de los gases de escape después de la combustión. Las válvulas de escape son aleadas con cromo, aleadas con níquel, manganeso y nitrógeno en pequeñas cantidades, en su mayoría, esto permite que incrementen la resistencia a la oxidación debido a altas temperaturas de trabajo y el contacto corrosivo de los gases de escape (Heither,1998).
2.2.2. DATOS TÉCNICOS SAN REMO
Al ser un vehículo descontinuado y fabricado en Ecuador os datos técnicos son casi difíciles de obtener, los datos presentados son de un vehículo completamente nuevo y un posterior capítulo se presenta los datos del vehículo con el que se realizó las pruebas pero se ha realizado un resumen con los mismos:
Motor
Tipo: Anterior longitudinal a gasolina enfriado por agua, 4 cilindros, 8 válvulas.
Cilindrada: 1.398 cc, Automático 1600cc.
Potencia Máxima: 71 CV/5.200 rpm.
Torque Máximo: 10.8 Kgm/3.800 rpm.
Velocidad Máxima: 145 km/h (teniendo en cuenta la altura sobre e, nivel del mar).
Diámetro Pistón(Ө pistón)= 81.99 // 0.082
Carrera (h) = 65.99 mm // 0.066 m
Fuerza de trabajo mecánico (F) = 4000 Kg
Numero de revoluciones para completar el ciclo = 2
Transmisión / Dirección
28
Tipo de Tracción: Trasera.
Dirección: De piñón y cremallera.
Tipo / Estructura (para 1.6)
Tipo: Anterior longitudinal a gasolina enfriado por agua, 4 cilindros, 8 válvulas.
Cilindrada: 1.598 cc
Potencia Máxima: 80 CV/5.800 rpm
Velocidad Máxima 160 km/h
A continuación se detallan las características mecánicas de este vehículo, así como un resumen de algunas partes o sistemas que conforman el vehículo para un mejor entendimiento del resultado de la investigación.
2.2.2.1. Características Mecánicas
El motor varia de 1385 cc y 1598 cc con una velocidad máxima de 160 km/h a 186 km/h, con una caja de velocidades de 4 marchas y reversa, en posteriores años se modificó la carrocería por un diseño más moderno y atrevido al igual que en algunas versiones se incluyó caja de 5 velocidades con sobre marcha, con modificaciones en el encendido y correas de repartición que lograron mejor sus prestaciones volviendo más rápido, ligero y eficiente.
En la figura 11, se aprecia de mejor manera la campaña de comercialización que presentó este vehículo en los años que fue producido evidenciando que era un automóvil icono de la marca Chevrolet, con las mejores prestaciones para desenvolverse en el territorio, con los últimos adelantos en tecnología que presento la marca Chevrolet hasta finales del ’90.
29 Rin 13. Con un espacio interior para 5 pasajeros con un tamaño de 4 metros aproximadamente. Con un sorprendente espacio interior, el baúl no pedía ningún favor con su profundidad de 313 dm3 y gran espacio para carga y descarga de operaciones. Con un diseño muy atractivo versión ’80, focos cuadrados, hundidos e inclinados, las molduras laterales le dan un toque más clásico y sirven de protección para los costados y puertas del vehículo. Uno de los principales efectos de este modelo en su dinámica muy inestable en la carretera pero excelente en las calles, gracias a su tracción posterior y un sistema de tren delantero basado en tijeras, que le confieren un gran agarre en las curvas, además los frenos delanteros no brindan seguridad a los cambios de temperatura, pudiendo originar accidentes en ocasiones.
Figura 11.Presentación Chevrolet San Remo (Japarzam 1337, 2010)
2.2.3. PARTES DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
2.2.3.1. Cigüeñal
30 montado en el block por medio de soportes en forma de “U” fundidos en el block. Las tapas de cojinetes son atornilladas para fijar al cigüeñal sobre el bloque de cilindros. Entre el cigüeñal y sus superficies de montaje se tiene metales que permiten fijar y sostener al cigüeñal al igual que permite que realice su giro. La principal característica del cigüeñal es la de soportar fuerzas producidas por los impulsos de los pistones en las carreras de explosión.
La fabricación del cigüeñal depende del fabricante pero entre sus principales características posee hierro fundido pesado y de alta resistencia. Así como los cigüeñales fabricados para aplicaciones de alto rendimiento o para el servicio pesado se fabrican en acero forjado. Algunos cigüeñales incluyen contrapesos fundidos en posición opuesta a los muñones de biela, los contrapesos permiten equilibrar el cigüeñal así como impedir las vibraciones durante la rotación a cualquier régimen de velocidad del mismo. El cigüeñal es representado en la figura 10 con sus partes detalladas.
Figura 12. Cigüeñal
(Instituto Tecnológico de Capacitación Automotriz, 2014)
1. Extremo delantero 2. Pasaje de aceite 3. Muñón de biela
31 2.2.3.2. Muñones de los cojinetes principales de la bancada
Su proceso de fabricación está basado, en un acabado superficial perfecto es decir altamente pulido, con el fin de que actué en un radio de giro, su ángulo debe ser perfecto al estar en contacto con los metales de los cojinetes. Mediante conductos de lubricación evitamos desgastes en zonas de contacto entre metales en el bloque de cilindros, entre las superficies en contacto tenemos bielas, muñones de bielas, cigüeñal y cojinetes de biela.
Los muñones de cojinetes principales o conocidos también como muñones de cigüeñal, son aquellas áreas que sirven de superficie para el asentamiento y fijación del cigüeñal al bloque de cilindros así como el asentamiento y fijación de las bielas al cigüeñal. Los muñones para las bielas son conocidos como muñones de biela, en un diseño común de un motor de 4 cilindros tiene 5 muñones principales y 4 para bielas, es el caso de los motores en “V” se fija dos bielas a cada muñón de biela.
Los cojinetes principales están fabricados con metales capaces de soportar la fricción y evitar el desgaste al mínimo, por la función que realizan de soportar al cigüeñal, es vital que el material utilizado sea de óptima calidad, para evitar futuros problemas a largo plazo.
Los cojinetes están divididos en dos secciones la superior que posee uno o más orificios que sirven como conductos para el aceite de lubricación, el cual cubre el interior de los cojinetes. Y así queda la mitad superior dentro del soporte principal en el bloque de cilindros, y la mitad inferior dentro de la tapa del cojinete.
32 económico sustituir un cojinete que un cigüeñal, en la figura 11 se detalla las partes de un cojinete principal de cigüeñal.
Figura 13. Cojinete principal de cigüeñal.
(Nash, 2004)
1. Cojinete principal superior 2. Orificios de lubricación 3. Cojinete principal inferior
2.2.3.3. Pistones
La principal función es la de transmitir la potencia generada resultante de la quema de aire-combustible, el pistón forma la parte inferior de la cámara de combustión.
33 lograr que el pistón soporte los esfuerzos producidos por dilatación y por las velocidades.
La parte superior del pistón es conocida como cabeza del pistón, el pistón no es más que un embolo que se ajusta a las paredes de los cilindros mediante aros flexibles, llamados segmentos o anillos como se detalla en la figura 13, estos anillos pueden ser de compresión y de aceite, realiza un movimiento alternativo lineal, con el fin de permitir que el fluido que ocupa el cilindro en ese proceso pueda cambiar su presión y volumen, para transformar en movimiento este cambio.
La parte inferior del pistón, bajo las ranuras para los anillos es conocida como la falda, la superficie de empuje de la falda del pistón permite guiar al pistón en el diámetro interior, para evitar que el pistón se mueva de un lado a otro en el cilindro. La mayoría de pistones posee una marca en un lado, para identificar el lado del mismo que queda frente al motor.
Figura 14. Anillos o segmentos del pistón
(Bosch, 1999)
1. Anillo superior de comprensión 2. Segundo anillo de comprensión
34 2.2.3.4. Bielas
Es la encargada de transferir el movimiento del pistón, al muñón de biela ubicado en el cigüeñal. Es decir convierte el movimiento lineal alternativo del pistón en movimiento giratorio continuo en el cigüeñal, sometida a esfuerzos de tracción y comprensión. Su fabricación es por forjamiento en algunos casos de fabricantes las fabrican por mecanizado, además son construidas con materiales de aleaciones de acero, titanio o aluminio. En la figura 12 se detalla la disposición de la biela en el motor.
Figura 15. Disposición de la Biela
(Nash, 2004) 1. Biela
2. Cigüeñal
35 2.2.3.5. Tren de válvulas
El aire y combustible ingresan a los cilindros por medio del tren de válvulas sea el tipo de motor que sea, las válvulas se localizan al ingreso de la cámara de combustión ya que su función es la de abrir para permitir el ingreso del flujo, o se cierra de tal forma que crea un sello hermético en la cámara de combustión.
Las válvulas deben cerrarse y abrirse en el momento preciso según el requerimiento del motor, esta apertura y cierre de las válvulas es efectuado por el árbol de levas, en el campo automotriz se utiliza dos tipos de trenes de válvulas entre los más comunes, como se detalla en la figura 14, estos tipos son Válvulas en la cabeza OHV su siglas en inglés, en este tipo el tren de válvulas utiliza un solo árbol de levas, ubicado en la parte central del block, la apertura y cierre de válvulas son controlados por medio de componentes mecánicos de conexión. El otro tipo es de árbol de levas en cabeza, OHC por sus siglas en inglés, utiliza uno o más árboles de levas fijados.
Figura 16. Tren de válvulas OHV y OHC (Bosch, 1999)
36 2.2.3.6. Árbol de levas
Existe dos tipos básicamente SOHC por sus siglas en inglés, el cual posee un solo árbol de levas en la cabeza, normalmente acciona dos válvulas por cilindro, estos motores que poseen SOHC, utilizan seguidores del tipo rodillo que se asientan bajo el árbol de levas o utilizan balancines que se localizan arriba del árbol de levas.
El otro tipo es DOHC, en este tipo de motor posee un diseño con doble árbol de levas en cabeza, divide el trabajo de abrir las válvulas entre dos árboles de levas, este tipo de motores normalmente abren 4 válvulas por cilindro, el hecho de poseer un mayor número de válvulas, repercuta en el aumento de la eficiencia en la mezcla de combustible, durante el tiempo de admisión, así como en la expulsión de los gases de escape. Estos motores utilizan seguidores en forma de rodillo o levantadores mecánicos de acción directa para accionar las válvulas, la tarea del sistema de sincronización del motor es de coordinar el ingreso de la mezcla aire-combustible, de igual manera en el caso de la expulsión de los gases de escape, todo mediante la sincronización del cigüeñal con el árbol de levas, es decir dos revoluciones del cigüeñal por cada ciclo de combustión es una revolución del árbol de levas, es decir una relación de 2:1.
2.2.3.7. Válvulas
Su principal función es la de brindar un sello hermético a la cámara de combustión, su cabeza es redonda y una cara cónica que permite el sello en la cabeza de cilindros.
37 El vástago de la válvula es otra parte esencial de la válvula es la parte larga y arriba de la cabeza, tiene una ranura utilizada para la fijación de la válvula en la cabeza de cilindros mediante seguros, el resorte de la válvula es instalado, en el extremo del vástago, mediante un resorte y un retén es fijado al vástago.
El vástago es insertado mediante una guía de válvulas que permite mantener la válvula alineada y segura en la cabeza del cilindro. Se muestra el vástago de la válvula en la figura 17, de tal forma la disposición de la válvula en la cabeza de cilindro, las guías de válvula permiten mantener alineada la válvula en forma precisa en la cabeza de cilindro.
Los diseños de tres o cuatro válvulas por cilindro, son utilizados ya que permiten una mayor precisión y eficiencia en la admisión y escape. En el diseño de tres válvulas por lo general dos son de admisión y una de escape, de igual forma de 4 válvulas, las cuales dos son de admisión y dos de escape.
Figura 17. Componentes de válvula (Crouse, 1993)
1. Cabeza de cilindros
2. Sello de aceite de la válvula 3. Vástago de la válvula
38 2.2.4. CARBURADOR
2.2.4.1. Funcionamiento del carburador
El objetivo principal es conseguir una mezcla lo más similar a la mezcla estequiométrica entre el aire-gasolina, en proporciones adecuadas para el óptimo funcionamiento del vehículo. Su funcionamiento es basado en el efecto Venturi, cuyo principio de funcionamiento es que toda corriente de aire que pase por una canalización, genera una succión (depresión), en el caso del carburador este efecto es aprovechado con el fin de beneficiarse del combustible suministrado por el mismo carburador, y mediante este efecto utilizarse para la succión de combustible hacia la cámara de combustión (Bosch, 1999).
La depresión creada en el carburador depende de la velocidad de entrada del aire, entre menor sea la sección de paso de las canalizaciones mayor será la entrada de aire. Al tener un difusor en las canalizaciones se logra aumentar la velocidad del aire, en ese punto se coloca un surtidor comunicado a una cuba con el combustible a nivel constante. Este proceso produce una depresión de tal forma que se produce la salida de combustible por el surtidor, que se mezclara con el aire que pasa por el estrechamiento, para ser arrastrado hacia la cámara de combustión.
39 2.2.4.2. Principio de funcionamiento del carburador
Su principio está basado en la depresión creada por los pistones en su carrera hacia el punto muerto inferior (PMI) ya que el carburador es un elemento mecánico y su funcionamiento es basado en la depresión. En la figura 18, se aprecia el principio de funcionamiento del carburador basado en el efecto Venturi, brindado por el difusor, por medio de la cuba se envía el combustible para ser aprovechado por las canalizaciones y provocar el efecto Venturi para posteriormente enviarlo a los cilindros.
Figura 18. Esquema de principio de funcionamiento del carburador
(Aficionados a la Mecanica, 2009)
El pistón realiza un recorrido descendente en el tiempo de admisión se provoca un vacío en la cámara de combustión de tal forma que la presión absoluta en la misma será muy inferior a la atmosférica, con lo que conlleva a un aumento en la depresión.
40 iguales es decir la presión en el carburador es similar a la atmosférica, sin movimiento de aspiración para la realización de la mezcla. En cada fase la mariposa es la que se encarga de la depresión transmitida hacia el difusor, entre mayor sea la apertura de la mariposa el caudal de aire que pasara será mayor al igual que la depresión que arrastra mayor cantidad de gasolina desde el surtidor hacia los cilindros.
Figura 19.Fases de funcionamiento del carburador
(Aficionados a la Mecanica, 2009)
2.2.4.3. Mezcla de combustible
Un elemento esencial en la mezcla combustible es el aire. Mezcla entre el aire-gasolina, es denominada mezcla de combustible, compuesta por gasolina (combustible) y aire (comburente), que al introducirla en la cámara de combustión, explota y se expansiona para aprovechar esta energía por medio de los pistones y transmisión, para aprovechar dicha energía e impulsar el vehículo.
41 es brindar la correcta mezcla aire-combustible, mediante la mezcla gaseosa que se quema en el interior de los cilindros.
La dosificación exacta de la mezcla es basada con la relación estequiométrica conocida como relación teórica es decir, la cantidad de aire necesaria para quemar determinada cantidad exacta de combustible. Teóricamente la relación es 1 gramo de gasolina por 15,3 gramos de aire (1/15,3), para alcanzar una combustión en su totalidad. La dosificación posee un denominado “limite de inflamabilidad”, este límite es el punto máximo en el cual la mezcla ya no puede combustionar se, ya sea por exceso de combustible (excesivamente rica) o en su defecto por exceso de aire (excesivamente pobre).
Re =
peso de combustiblepeso de aire
=
1
15,3 [2.1.7]
Donde:
Re= relación estequiométrica (ecuación 2.1.7) (Rulle, 2006)
Los combustibles empleados por el carburador, posee una característica esencial la cual es la pulverización o conocida también como vaporización. La cual se consigue en dos fases, la primera fase mediante la pulverización de combustible a nivel del surtidor la cual sale y se mezcla con el aire de forma rápida en finas gotas. La segunda fase es realizada durante el ciclo de admisión debido al calor cedido por los colectores y cilindro, en el trabajo a temperatura de régimen de funcionamiento, la vaporización sucede en el ciclo de compresión de la mezcla, mediante la absorción de calor proporcionada por la energía del volante.
42 Al igual que la calibración de las válvulas y la succión de los cilindros en los dos casos deben ser idéntico. El llenado es realizado por el correcto diseño de colectores de admisión que permite una mayor turbulencia y equilibrio en el sistema de alimentación. De esta forma el llenado de los cilindros es similar en cada uno. En los motores de altas prestaciones ocurre que el llenado de los cilindros es mayor ya que posee un mayor número de carburadores, si fuera el caso que el vehículo fuese impulsado por este sistema.
La expansión de la llama debe ser uniforme en cada cilindro, para ello la homogeneidad debe ser igual en cada uno, al igual que la masa gaseosa. La válvula de admisión permite el ingreso de la mezcla con turbulencia a la cámara de combustión de cada cilindro para un mejor quemado de esta.
2.2.4.4. Bomba de aceleración
La bomba de aceleración es la encargada de la aspiración de combustible, el tipo más común es el de membrana, la membrana es accionada por la leva la cual permite la aspiración de combustible por efecto de las válvulas de admisión las cuales realizan el efecto contrario.
Un tejido de caucho sintético o plástico es la forma en la cual es constituida la membrana. Cualquier tipo de daño ya sea que se rompa o esta estropeada la membrana provocara que el combustible no llegue a los cilindros de forma adecuada y con normalidad además de producir fallos en el sistema de alimentación.
43
Figura 20. Bomba de alimentación
(Bosch, 1999)
2.2.4.5. Dispositivos de arranque en frio
Su régimen de funcionamiento es basado en la temperatura del motor, es decir mientras el motor esta frio, el combustible que es suministrado al motor por medio del carburador se condensa en las paredes de los colectores. Es así, que se dificulta que al cilindro le llegue una mínima cantidad de combustible, además de producirse una mínima succión realizada por los pistones en momento que el motor de explosión es movido por el de arranque. Existe una gran dificultad para que el motor de explosión se ponga en marcha (Bosch, 1999).
44 accionamiento (manual y automático) y de igual forma se diferencian por sus características constructivas (estrangulador, estárter).
Manuales
Estárter, biestater y estrangulador, su funcionamiento es basado en un sistema manual para puesta en marcha y así como para poner el sistema fuera de servicio por medio de una palanca en el habitáculo.
Automáticos
Estárter y estrangulador, su funcionamiento es automático, ya sea para poner en funcionamiento así como para fuera de servicio, básicamente el elemento abre y cierra el estárter o estrangulador, este elemento puede ser una lámina bimetálica, o un elemento termo dilatable, los cuales pueden calentarse por agua, resistencia eléctrica o aire caliente.
Estrangulador manual
Uno de los dispositivos más empleados consiste en una segunda mariposa de gases colocada por encima del difusor con un accionamiento manual por medio de un cable o varilla unido a un mando que se encuentra situado en el habitáculo del conductor.
La mariposa del estrangulador va montada con un eje descentrado combinada por un sistema de varillas de unión, con la mariposa de gases.
45 La forma en la cual se realiza el enriquecimiento de la mezcla es por medio de la depresión creada por los cilindros que no es transmitida al exterior, debido a que se cierra la entrada de aire por encima del difusor.
Ocasiona una depresión a la altura del surtidor, para obtener una mayor succión de combustible con la poca cantidad de aire que se encuentra en el proceso.
Este aire ingresa por efecto de la mariposa estranguladora, que permite crear o proporcionar una mezcla muy rica, necesaria para el arranque del motor.
Una vez que el motor esta puesto en marcha, y a medida que este aumente sus revoluciones también aumentara la riqueza de la mezcla.
Este aumento ocasiona disminución en la condensación del motor por el calentamiento del mismo y como consecuencia que la succión de aire aumente.
En este punto la mariposa estranguladora se abre de forma parcial, gracias a su eje descentrado, esta estrategia permite el aumento en el ingreso de aire, para evitar que el motor se ahogue por exceso de combustible.
El motor en medida que alcance su temperatura ideal de funcionamiento, el conductor debe abrir la mariposa de arranque en frío con que la mariposa de gases vuelve a su posición normal de funcionamiento es decir a ralentí.
