Comportamiento de una cámara de combustión en un motor de hidrógeno

Texto completo

(1)IM-2005-I-37. PROYECTO DE GRADO. COMPORTAMIENTO DE UNA CÁMARA DE COMBUSTIÓN EN UN MOTOR DE HIDRÓGENO. Autor: JORGE ANDRÉS SAYAGO. Asesor de Proyecto: Ing. JAIME LOBOGUERRERO USCATEGUI, PhD, MsC.. Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá, Colombia 1.

(2) IM-2005-I-37 Junio de 2005. “The Hydrogen age is upon us”. BMW.. 2.

(3) IM-2005-I-37 ÍNDICE INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 5 CAPÍTULO 1. CONCEPTOS BÁSICOS DE UNA CÁMARA DE COMBUSTIÓN6. 1 .1. El ciclo de Otto ....................................................................................... 6. 1 .2. Análisis de fuerzas para el pistón ......................................................... 10. 1 .3. Mezcla del gas combustible.................................................................. 12. CAPÍTULO 2. CÁLCULOS DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO ................... 15. 2 .1. Condiciones iniciales: ........................................................................... 15. 2 .2. Presiones y Temperaturas críticas. ...................................................... 16. 2 .2 .1. Carrera de admisión: ..................................................................... 16. 2 .2 .2. Carrera de compresión: ................................................................. 16. 2 .2 .3. Carrera de Expansión:................................................................... 17. 2 .2 .4. Carrera de Escape: ....................................................................... 18. 2 .3. Relación de compresión ....................................................................... 19. 2 .4. Fuerza y torque ejercidos por el gas .................................................... 19. 2 .5. Análisis de resistencia de materiales .................................................... 21. 2 .6. Lubricación de cilindro y pistón ............................................................. 23. 2 .7. Cálculos de anillos y sellos de la cámara de combustión ..................... 24. CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LOS CÁLCULOS ................................................ 28. 3 .1. Elección de los parámetros de diseño .................................................. 28. 3 .2. Diseño de la cámara de combustión .................................................... 33. 3 .2 .1. Cilindro .......................................................................................... 33. 3 .2 .2. Pistón ............................................................................................ 34. 3 .2 .3. Anillos y sellos ............................................................................... 34. 3 .2 .4. Inyección del hidrógeno................................................................. 35. CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES ...................................................................... 37. CAPÍTULO 5. RECOMENDACIONES .............................................................. 43. CAPÍTULO 6. AGRADECIMIENTOS ................................................................ 44. CAPÍTULO 7. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................... 45 3.

(4) IM-2005-I-37 ANEXO 1. GRÁFICA DE EMISIONES ............................................................ 47. ANEXO 2. CÁLCULOS DE RESISTENCIA DE MATERIALES ....................... 48. ANEXO 3. ITERACIONES DEL PROGRAMA DE EXCEL. ............................. 50. ANEXO 4. TABLA DE DATOS DE LAS FIGURAS 3.1 Y 3.2 .......................... 51. ANEXO 5. TABLA DE COMPATIBILIDAD QUÍMICA DE MATERIAL PARA. LOS ANILLOS..................................................................................................... 52 ANEXO 6. PROGRESO DEL CAUDAL DEL AIRE ......................................... 55. ANEXO 7. FUERZA NETA VERSUS RECORRIDO ANGULAR DEL. CIGUEÑAL 56 ANEXO 8. TORQUE VERSUS RECORRIDO ANGULAR DEL CIGÜEÑAL ... 57. ANEXO 9. VELOCIDAD DEL PISTÓN VERSUS EL RECORRIDO ANGULAR. DEL CIGÜEÑAL.................................................................................................. 58 ANEXO 10. ACELERACIÓN DEL PISTÓN VERSUS EL RECORRIDO. ANGULAR DEL CIGÜEÑAL ............................................................................... 59 ANEXO 11. PROGRAMA "ANÁLISIS TERMODINÁMICO" (TABLAS DE. CONSTANTES) .................................................................................................. 60 ANEXO 12. PROGRAMA "ANÁLISIS TERMODINÁMICO" (TABLAS DE. COMBINACIONES DE LOS PARÁMETROS DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN) .................................................................................................. 61. 4.

(5) IM-2005-I-37 INTRODUCCIÓN Desde hace 20 años, la humanidad ha venido tomando conciencia de los daños que ha causado al medio ambiente con su desarrollo industrial. Dentro de los mayores contaminadores del medio ambiente se encuentra el petróleo y sus derivados. Esta fuente de energía fue vital para el desarrollo tecnológico e industrial de la humanidad durante todo el siglo XX. Pero aún más importante, se convirtió en la fuente de energía principal para acortar las distancias. El petróleo ha sido el que ha permitido que los automóviles, aviones, camiones, buses, y otros medios de transporte funcionen. Esto no sería problema sino fuera porque el petróleo ha causado una gran contaminación en los centros urbanos, generando emisiones de CO2, CO y NOx, los cuales son venenosos para los seres humanos. Es por esto que a finales del siglo XX, se ha incrementado el interés por la investigación de fuentes de energía limpias para reducir los índices de estos contaminantes. Como resultado se esto, han surgido varias opciones tales como motores que funcionan con gas, motores eléctricos y motores que funcionan con hidrógeno. Las investigaciones todavía están en étapa de desarrollo. Los pioneros en este campo son BMW, que ya ha sacado prototipos a las carreteras alemanas, y General Motors. Pero, dado que es una tecnología tan nueva, no se encuentra información respecto al diseño de estos motores. Lo que sí se ha visto, es el gran potencial que tiene el Hidrógeno como fuente de energía limpia para mover los medios de transporte del futuro. Pero hasta ahora, sólo se han hecho adaptaciones de motores que funcionan con gasolina, a hidrógeno. Dicho esto y viendo la importancia que tiene el desarrollo de fuentes de energía limpias para la estabilidad ambiental del mundo, este documento entrará a fondo en las variables a considerar para poder diseñar una cámara de combustión, especialmente, para que funcione con hidrógeno.. 5.

(6) IM-2005-I-37. CAPÍTULO 1 CONCEPTOS BÁSICOS DE UNA CÁMARA DE COMBUSTIÓN. 1.1. El ciclo de Otto. Este ciclo es un ciclo de 4 tiempos en el que se basa el funcionamiento de una cámara de combustión de un motor. Este se puede ver en la figura 1.1. A continuación se describe cada tiempo: - Primer tiempo: Admisión. En esta etapa el pistón baja hasta el punto muerto inferior (P.M.I). Mientras que baja, la válvula de admisión se abre para que la mezcla entre dentro de la cámara de combustión, como producto de la succión que ejerce el pistón al bajar. La presión se mantiene igual o parecida a la atmosférica, al igual que la temperatura. - Segundo tiempo: Compresión. En este tiempo, el pistón comienza la carrera de subida. La válvula de admisión se cierra. Debido a que comprime la mezcla de gas, la temperatura y presión dentro de la cámara se incrementan ya que la mezcla no tiene forma de expandirse. Este tiempo es un proceso de compresión isentrópica1. Esto se puede ver en la figura, en la curva 1-2. - Tercer tiempo: Combustión. Unos milisegundos después de que el pistón alcanza el punto muerto superior (P.M.S), la bujía produce una chispa la cual inflama la mezcla de combustible. En este momento, la temperatura y presión se incrementan instantáneamente hasta niveles críticos. Debido a esto, la mezcla ejerce una gran fuerza sobre el pistón, el cual es despedido por esta fuerza. 1. Ferguson y Kirkpatrick; “Internal Combustion Engines: Applied Thermosciences”, Wiley, Segunda ed., 2001 6.

(7) IM-2005-I-37 hasta el P.M.I. Este es un proceso de adición de calor a volumen constante2. En la figura es la curva 2-3.. 2. Ibidem.. 7.

(8) IM-2005-I-37 - Cuarto tiempo: Escape: Una vez que el pistón ha llegado al P.M.I, la válvula de escape se abre para que cuando el pistón suba de nuevo al P.M.S., los gases sean expelidos por el conducto de escape. En esta etapa, la temperatura y presión disminuyen como consecuencia de la salida de los gases residuo de la combustión. Este es un proceso isentrópico3. En la figura, es la curva 3-4.. FIGURA 1.1. El ciclo de Otto4 Las ecuaciones que rigen cada uno de estos procesos son5: Adición de calor:. Qin = mcv (T3 T2 ) Escape:. Qout = mcv (T4 T1 ). 3. Ibidem. Sonntag, Borgnakke y Van Wylen; “Fundamentals of Thermodynamics”, Wiley, Quinta ed., 1998. 5 Ibidem.. 4. 8.

(9) IM-2005-I-37 Carrera de Compresión:. P2 =r P1. T2 =r T1. 1. Carrera de expansión:. P4 = (1 ) r P3. T3 P3 = T2 P2. T4 = (1 ) r T3. 1. Las variables son:. P1V1 m = Masa del gas en el cilindro (. R1T1 ).. cv = Calor específico a volumen constante. r = Relación de compresión. = Relación de calores específicos. La eficiencia térmica de este ciclo se puede determinar de la siguiente manera6:. th. 1) T1 (T4 Qh Ql Ql mcv (T4 T1 ) T1 =1 = =1 =1 T Qh Qh mcv (T3 T2 ) 1) T2 ( 3 T2. Pero, ya que th. =1. T3 T4 = T2 T1. , se puede decir que:. T1 = 1 (r )1 T2. =1. 1 r. 1. La relación de compresión se puede determinar así7:. 6 7. Sonntag, Borgnakke y Van Wylen; “Fundamentals of Thermodynamics”, Wiley, Quinta ed., 1998 Ibidem. 9.

(10) IM-2005-I-37. r=. V1 V2. 1.2. Análisis de fuerzas para el pistón. Para este análisis se toman en cuenta las partes que componen al pistón (La manivela que va al cigueñal, la palanca que va entre la manivela y la cabeza del pistón, y la cabeza del pistón). Se deben tener en cuenta la fuerza que ejerce el gas sobre el pistón, la cual está compuesta por una componente horizontal que va dirigida hacia el cilindro en el sentido contrario a donde va la manivela, y una fuerza vertical. Al mirar el diagrama se cuerpo libre para cada parte, se tiene que:. FIGURA 1.2. Análisis de fuerzas del mecanismo del pistón.8 Aquí se tiene el diagrama para todo el mecanismo. Podemos ver la manivela en blanco, la barra conectora con rayas negras y la cabeza del pistón dentro de las paredes que hacen de cilindro, soportando la fuerza (líneas rojas) que se produce de la explosión del combustible debido a la presión generada de la combustión. A continuación se muestra el diagrama de cuerpo libre de la cabeza del pistón:. 8. NORTON, ROBERT; “Design of machinery”, Mc Graw-Hill, Tercera Edición, Pág. 647.. 10.

(11) IM-2005-I-37. FIGURA 1.3. Análisis de fuerzas del pistón.9 Se pueden ver las componentes de la fuerza que ejerce el gas sobre el pistón debido al aumento de presión que se produce la combustión del combustible. Esta fuerza se propaga a través de la barra conectora (FIGURA 1.4) para aplicar a la manivela (FIGURA 1.5) que hará que le cigüeñal se mueva.. FIGURA 1.4. Barra conectora.. FIGURA 1.5. Manivela.. Definiendo el movimiento, la velocidad y la aceleración del mecanismo se obtiene que: Wt = El ángulo entre la manivela y la línea vertical imaginaria que pasa por el centro del pistón. = Angulo entre la barra conectora y la vertical. L = Longitud de la barra conectora. R = Longitud de la manivela.. X. 9. r2 r l ( ) + r (cos wt + ( ) cos 2 wt ) 10 4l 4l. Ibidem, pág. 647. Ibidem, pág. 649. 10. 11.

(12) IM-2005-I-37. rw( senwt + (. V A. r ) sen2wt ) 11 2l. r rw2 (cos wt + ( ) cos 2wt ) 12 l. Al analizar el análisis de fuerzas del gas y el torque que aplica este sobre el cigüeñal se tienen las siguientes ecuaciones: Fg = Fuerza del gas. Ap = Área del pistón Pg = Presión del cilindro B = Diámetro del cilindro. Fg = PgAp. Ap = Fg =. 4. B2. 4. PgB 2. Tg = RXFg. r Tg = Fg rsenwt (1 + cos wt ) t. 1.3. Mezcla del gas combustible. En la última década, la humanidad ha tomado conciencia del gran daño que se le está haciendo al medio ambiente, con la emisión de partículas que destruyen la capa de ozono y de otras que contaminan las ciudades, tales como CO, CO2 y NOx. Es por esto que se. 11 12. Ibidem, pág. 649 Ibidem, pág. 649. 12.

(13) IM-2005-I-37 han comenzado investigaciones para conocer y producir fuentes de energía limpias para empezar a reducir la contaminación ambiental. Hay una fuente que ha tomado mucha fuerza en los últimos años y es el hidrógeno. Compañías automotrices como BMW y General Motors han sido pioneras en el desarrollo tecnológico para adaptar motores que funcionan con gasolina a hidrógeno. Pero debido a lo novedoso de estas investigaciones, no se han publicado números en cuanto a las variaciones en el diseño de los motores. Lo que se busca con el uso del hidrógeno como combustible es reducir las emisiones de CO2, CO y NOx. Debido a esto, se debe tener en cuenta las curvas que afectan el aumento de estas emisiones con respecto a la cantidad de hidrógeno a utilizar. En el ANEXO 113 se puede ver el comportamiento de las emisiones con respecto a la relación de mezclas aire-combustible estequiométrico (A/Fest) a aire-combustible actual (A/Fact), T. Cuando T, es menor a 1, significa que se está trabajando con una mezcla pobre; es decir, que la cantidad de hidrógeno que se usa en la mezcla es menor a la que se usa estequiométricamente. Pero en esto, hay que tener en cuenta el porcentaje de hidrógeno que necesita la mezcla para que esta se inflame. Hay un límite inferior y un límite superior de flamabilidad. Para el hidrógeno, el límite inferior está en 4% y el superior en 75%. Esto nos da un rango bastante amplio para poder experimentar con distintas cantidades de hidrógeno en la mezcla. En el gráfico del anexo, podemos ver que el T para el que las emisiones son cercanas al cero (0.3 g/KWh) y se tiene una cantidad aceptable de hidrógeno, es de 0,5. Tomando este dato, se hace el balanceo de la ecuación química que dicta la reacción del hidrógeno en presencia de oxígeno (oxidación del hidrógeno): Ecuación estequiométrica (,=1):. 2 H 2 + O2 + 3.76 N 2 > 2 H 2 O + 3.76 N 2 13. Recuperado el 3 de Febrero de 2005 de la página de internet: http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf. 13.

(14) IM-2005-I-37 Ecuación con ,=0,5:. H 2 + O2 + (3.76) N 2 > H 2 O + 3.76 N 2 + 0.5O2 Es decir, que por cada mol de hidrógeno que hay en la mezcla, hay 4,76 moles de aire (3.76 moles de nitrógeno y 1 de oxígeno). En porcentaje, sería un 17,36% de hidrógeno y un 82,64% de aire en la mezcla.. 14.

(15) IM-2005-I-37. CAPÍTULO 2 CÁLCULOS DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO. 2.1. Condiciones iniciales:. Las condiciones de entrada para el aire en cuanto a temperatura y presión serán de 25°C (273.15°K) y 1atm (101,3 KPa), respectivamente. El motor que se va a utilizar para realizar los cálculos pertinentes es el de un Mazda Allegro modelo 97. Los datos técnicos del motor son::14 Tipo: Cuatro cilindros en línea. DOHC-16V (Double Over Head Cam) en la culata: Cuatro válvulas por cilindro. Diámetro del pistón: 78,0mm. Carrera: 83,6mm. Cilindrada: 1598 centímetros cúbicos. Relación de compresión. 9,0. Longitud de la barra conectora (l): 0,145m. Longitud de la manivela (r): 0,04m. Volumen de desplazamiento por cilindro: 399,5cc. Volumen total: 449,4cc. Volumen cámara de combustión: 49,9cc.. 14. Manual del conductor, Mazda Allegro; Compañía Colombiana Automotriz S.A.. 15.

(16) IM-2005-I-37. 2.2. Presiones y Temperaturas críticas.. 2.2.1. Carrera de admisión:. En esta carrera las presiones y temperaturas se mantienen muy similares a las iniciales, ya que la bajada del pistón, aumentando el volumen, se compensa con la entrada de combustible a la cámara de combustión.. 2.2.2. Carrera de compresión:. Las presiones y temperaturas críticas en esta etapa se encuentran al final de la carrera; es decir, cuando el pistón alcanza el PMS. Para el cálculo de estas presiones y temperaturas se tiene lo siguiente: La presión, P2, es:. P2 =r P1. P2 = (101,3KPa)(91, 403 ) = 2,210 MPa. Donde,. = 1,403 =. Cp. Cv. =. 14,2091KJ / Kg * K 10,0849 KJ / Kg * K. La temperatura, T2, es:. 16.

(17) IM-2005-I-37. T2 =r T1. 1. T2 = ( 298 K )(9 (1, 403 1) ) = 722 K. Esta temperatura es buena ya que no sobrepasa la temperatura de auto ignición del hidrógeno (585°C ó 858°K). Esta temperatura es crítica, ya que si se sobrepasan los 858°K, la mezcla puede hacer auto ignición o, pre ignición, que es cuando la mezcla explota sola antes de que la chispa generada por la bujía la haga inflamarse. Este fenómeno es muy perjudicial para la duración del motor, ya que ejerce la fuerza en el momento en el que el pistón va subiendo, generando grandes esfuerzos en los componentes del pistón y produciendo en su cara superior cavitaciones.. 2.2.3 Carrera de Expansión:. Para esta etapa, la presión y temperatura críticas se encuentran en el momento después que la bujía genera la chispa, cuando la presión y la temperatura se incrementan violentamente como producto del calor generado por la chispa (Q Qin) Así:. Qin ( KJ / Kg mezcla ) =. mf m. qc =. Fs q c 15 1 + Fs. para. 1. Donde, Fs = Relación combustible-aire estequiométrica. Para el hidrógeno, 1/34. Qc = Calor de combustión del combustible. Para el hidrógeno, 141,6 MJ/Kg.. Qin = 2,052 MJ. 15. Ferguson y kirkpatrick; “Internal Combustion Engines: Applied Thermosciences”, Wiley, segunda ed., 2001. 17.

(18) IM-2005-I-37. T3 =. QIN + T2 M GAS × CV. M GAS =. P1V1 PM GAS RU T1. PM GAS = ( M AIRE × YAIRE ) + ( M H 2 × YH 2 ) Maire = 28,97 g. Yaire = 0,83 MH2 = 2,016 g. YH2 = 0,17. PM GAS = 24,29 Kg / Kmol Ru = 8,315 Kj/Kmol*Kg. M GAS = 4,46 × 10. 1. T3 = 2049,198 K T3 P3 = T2 P2. P3 = P2 (. T3 ) = 6269.307 KPa. T2. En los motores de gasolina, La temperatura y presión en este punto suele de ser de más o menos 2000°K y 5 MPa, respectivamente.. 2.2.4. Carrera de Escape:. En esta etapa, las la presión y la temperatura se reducen drásticamente debido a la salida de los gases que quedaron como producto de la combustión del gas. El punto donde están más reducidas es al final de la carrera:. 18.

(19) IM-2005-I-37. P4 = (1 ) r P3 T4 = (1 ) r T3. 2.3. P4 = 287,354 KPa. 1. T4 = 845,326° K .. Relación de compresión. La relación de compresión es la relación entre el volumen entre la cámara de combustión y el pistón cuando se encuentra en el PMI y el volumen entre la cámara de combustión y el pistón cuando se encuentra en el PMS. Si llamamos al primer volumen V1 y al segundo volumen V2, La relación de compresión estaría determinada por:. r=. V1 + Vcamara V2 + Vcamara. Esta relación determina que tan altas van a estar las temperaturas y presiones que se van a desarrollar en la cámara de combustión, a lo largo de todo el proceso. Cuando la relación de compresión es muy alta, la compresión de la mezcla es mayor, obligándola a permanecer dentro del volumen de la cámara de combustión. Esto hace que la temperatura y la presión debidas a esa compresión sobre la mezcla, aumenten. Por el contrario, cuando la relación de compresión es baja, las presiones y temperaturas mencionadas anteriormente también disminuyen, ya que la mezcla no es comprimida tanto.. 2.4. Fuerza y torque ejercidos por el gas. 19.

(20) IM-2005-I-37. La fuerza del gas aparece como la variable más importante dentro del proceso de la combustión de este para hacer funcionar un motor. Cuando el gas sufre la chispa de la bujía en total compresión, este se expande. Pero, para expandirse, este debe ejercer una fuerza contra el pistón para hacerlo bajar y poder expandirse. El torque es el producto de la fuerza perpendicular ejercida por el gas sobre la manivela que va conectada al cigüeñal. La fuerza máxima que se genera en el momento de la expansión se determina de la siguiente manera:. Fg =. 4. PgB 2. La presión ejercida por el gas en el momento de la expansión ya fue encontrada anteriormente y es la presión P3, Pg=P P3= 6269,307 KPa. Así, Fg = 29960 N El torque desarrollado para esta fuerza es de,. = Fg × r = 1198,28 Nm Estos 30 KN son generados por la combustión y son los que hacen que el pistón empiece la carrera de escape hacia abajo, hasta el PMI. El torque generado, es el que hace que el cigüeñal se tenga una velocidad angular para llevar potencia a las ruedas y poder mover el automóvil. A mayor torque, el cigüeñal se moverá más rápido y transmitirá mayor potencia a las ruedas. Por el contario, si el torque es menor, el cigüeñal no se moverá tan rápido. Al hacer un análisis del torque con respecto el tiempo, hay un límite de revoluciones en el que el torque es máximo; pero, al sobrepasar este límite, el torque vuelve a decaer. Esto infiere que hay un rango óptimo para el funcionamiento del motor que depende de esta curva de torque con respecto al tiempo. El torque máximo se da en el 20.

(21) IM-2005-I-37 punto medio de la carrera hacia el PMI, después de la combustión. El comportamiento del torque y de la fuerza ejercida con el gas, así como el caudal de entrada de aire a la cámara de combustión se pueden ver en los ANEXOS.. 2.5. Análisis de resistencia de materiales. Para saber que tipo de materiales se podían realizar, se eligieron dos tipos de materiales y se les hicieron los respectivos análisis para saber cuanta carga podrían soportar. En este análisis se toman en cuenta la biela (barra conectora entre la manivela y el pistón), la manivela y el cilindro. Y Biela:. Para la biela se utiliza un análisis de vigas que se explica continuación:16 - Ecuación de Euler:. Pcr =. C. 2. EI. l2. Pcr C 2 E = A (l / k ) 2. Donde, A = El área de la viga. C = Constante de condición final de la viga. Como se puede ver en la FIGURA 2.1, hay diferentes valores para distintas terminaciones de la viga. Para este caso, el final de la biela es fija-redondeada, por lo que se toma a C igual a dos.. 16. SHIGLEY, Joseph; MISCHKE, Charles; BUDYNAS, Richard; “Mechanical Engineering Design”; Mc Graw-Hill, Séptima Edición, 2003, Pág. 217 – 221. 21.

(22) IM-2005-I-37. Figura 2.1. Valores de la constante de condición final de una viga..17 E = Es el módulo de elasticidad para un material determinado. (l/k) = Relación de Slenderness. Esta relación es usada en la clasificación de columnas, de acuerdo a las categorías de longitudes..18 Pero hay otra relación de Slenderness conocida como (l/k)1, la cual es utilizada para determinar por qué camino analizar la viga. La relación se calcula de la siguiente manera:. 2 2CE 1 2 l ( )1 = ( ) k Sy Sy = La resistencia a la tensión del material. Cuando (l/k) es mayor a (l/k)1, se debe usar la ecuación de Euler. Pero, cuando (l/k) es menor a (l/k)1, entonces se usa un análisis diferente llamado, análisis de Jonson. Este se describe a continuación:19. pcr = Sy A. (. Sy l 2 1 ) 2 k CE. l k. l ( )1 k. 17. Ibidem, pág. 220. Ibidem, pág. 218. 19 Ibidem, pág. 221. 18. 22.

(23) IM-2005-I-37. Para el cilindro se analizan los esfuerzos, radial, tangencial y longitudinal de la siguiente manera:. t. r. ( P (r = (r. 2. 1 out 2 out. =. (r. 2 in 2 out. r. + rin 2 rin. ). × P1 2 rin. 2. ). )). 20. 2. 1. rout 2 rin. 21. 2. l. P1 × rout = 2 2 rout rin. 22. En el ANEXO 2 se ve el programa diseñado para hacer los cálculos de resistencia de materiales.. 2.6. Lubricación de cilindro y pistón. Para saber que características de lubricante usar en un motor, se deben tener en cuenta cuales son los agentes químicos contra los que tienen que luchar y las temperaturas a las que van a trabajar para evitar el desgate entre el cilindro y el pistón. Los agentes químicos que se presentan en la cámara de combustión son, en su mayoría producto de la combustión de la mezcla. La combustión de una mezcla pobre ( =0.5) de hidrógeno con aire, da como resultado una cantidad pequeña de NOx, una muy pequeña de sulfuros que vienen con el aire del ambiente y, en su mayoría, agua. A diferencia de la gasolina, el hidrógeno no se 20. Ibidem, pág. 149. Ibidem, pág. 149. 22 Ibidem, pág. 149. 21. 23.

(24) IM-2005-I-37 descompone en ninguna clase de elementos hidrocarbonosos, ya que no es un hidrocarburo. Esta es una variable muy importante, ya que los elementos hidrocarbonosos actúan como una película lubricante en las paredes del cilindro. Debido a que el hidrógeno no produce residuos sólidos, no tiene estas ayudas lubricantes. Esto lleva a utilizar viscosidades de lubricante más altas que las acostumbradas en los motores que funcionan con gasolina. La combustión del hidrógeno con el aire es muy similar a la combustión de gas con aire. En los dos casos se produce agua y NOx. Debido a esto, los dos deben tener las mismas características en cuanto al diseño del aceite. Debido a esto, se puede utilizar un combustible que se utilice en la actualidad en motores de gas. En su libro, “Fundamentos de Lubricación” (Traducido por el profesor e Ingeniero Rafaela. Beltrán), J. George Wills habla de los aditivos y viscosidades que deben tener los lubricantes que se usan en los motores que funcionan con gas. Se hablan de las siguientes características:23 -. Se recomienda una viscosidad SAE de 30 o 40.. -. Se deben utilizar dispersantes para controlar los depósitos y barnices resultantes de la oxidación y la nitración.. -. Se deben usar detergentes metalo-orgánicos con un porcentaje de 0,4% - 0,9% de cenizas para controlar los desgastes de los asientos de la válvula y la superficie de la misma. Las cenizas reemplazan los elementos hidrocarbonosos que hacen de película lubricante en la gasolina.. 2.7. 23. Cálculos de anillos y sellos de la cámara de combustión. Wills, J. George, “Fundamentos De Lubricación”, Traducido por Rafael G. Beltrán, Profesor Titular, Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes, Bogotá D.C. Colombia. 24.

(25) IM-2005-I-37. Para poder diseñar un sello se necesitan tener en cuenta la fricción que hay entre el cilindro y el pistón. Los anillos se encuentran alojados en unas muescas que tiene la cabeza del pistón y van hasta la pared del cilindro donde actúa como un sello para evitar que los productos de la combustión (en este caso, agua y NOx) se salgan de la cámara de combustión y entren al alojamiento de la biela y el cigüeñal. Para esta ocasión, se decidió utilizar una nueva tecnología de anillos, en donde se utilizan materiales poliméricos. Esta tecnología la ha desarrollado Una empresa llamada, “Apple Rubber”. En su página de internet, esta empresa da unas pautas para escoger el material que se debe utilizar y las condiciones de esfuerzos y tensiones a las que deben estar sometidos los anillos. Como el material que se va a utilizar es un polímero, es conveniente que los anillos estén siempre a tensión. Por esto, se debe mirar el porcentaje de estiramiento que debe tener el anillo en condiciones iniciales. Apple Rubber recomienda un rango de 1% a 5% de estiramiento de los anillos, teniendo como el óptimo, un 2% de elongación. También es importante tener en cuenta lo apretado que va estar el anillo al ser instalado entre el pistón y el cilindro, ya que de esta compresión depende el buen sello de la cámara de combustión. Para calcular la sección transversal del anillo, se debe considerar el tamaño del collarín que debe ser llenado, Así como la cantidad de compresión que se necesita para mantener un buen sello. El collarín tiene un pequeño claro entre las dos superficies compañeras (Claro diametral). La sección transversal del anillo debe ser mayor a su altura. Las ecuaciones para obtener la máxima y la mínima sección transversal son las siguientes:24. 24. Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online. 25.

(26) IM-2005-I-37. ID _ ANILLO =. DIAMETRO _ MUESCA % _ ELONGACIÓN _ DESEADA. Donde ID_ANILLO es el diámetro interior del anillo.. MÁX _ % _ COMPRESION=. MIN _ % _ COMPRESION=. % _ ELONGACIÓN =. DIAM. _ MIN. _ CILINDRO DIAM. _ MAX. _ MUESCA 2 MAX. _ ORING_ C.S.. DIAM. _ MAX. _ CILINDRO DIAM. _ MIN. _ MUESCA 2 MIN. _ ORING_ C.S.. 1 × 100. 1 ×100. DIAM . _ MUESCA 1 × 100 ID _ ANILLO. Para realizar los cálculos se tomen las siguientes medidas: -. Diámetro de la muesca = Diámetro del pistón – Profundidad de la muesca = 0.081m - 0.001m = 0.080m = 80mm.. -. % elongación deseada = 2%.. -. Diámetro del cilindro = 0.0815mm = 81.5mm.. -. Claro diametral (C) = 0.0005m = 0.5mm. -. Ancho de la muesca (B) = 0.003m = 3mm.. -. Profundidad de la muesca (D) = 0.002m = 2mm.. -. Sección transversal del anillo = 0.0036m = 3.6mm. -. Tolerancia de la sección transversal del anillo = 0.0005m = 0.5mm. -. Tolerancia del diámetro de la muesca = 0.0001m = 0.1mm. -. Tolerancia del diámetro del cilindro = 0.0001m = 0.1mm 26.

(27) IM-2005-I-37. La muesca y las dimensiones del anillo se pueden ver en las FIGURAS 2.2 Y 2.3.. FIGURA 2.2. Descripción de las muescas (GROOVES), cuello (GLAND) y claro diametral (diametrical clearence) entre el pistón y el cilindro.25. FIGURA 2.3. Dimensiones del anillo.26. 25. Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online. 27.

(28) IM-2005-I-37. Según los datos anteriores, se obtienen los siguientes resultados: D.I. ANILLO = 0.07843m MAX. % COMPRESION DEL ANILLO = 81%. MIN. % COMPRESIÓN DEL ANILLO = 76%.. CAPÍTULO 3 ANÁLISIS DE LOS CÁLCULOS. 3.1. Elección de los parámetros de diseño. Los aspectos que se tomaron en cuenta para diseñar la cámara de combustión y determinar las condiciones de funcionamiento óptimas fueron la relación de compresión, las temperaturas y presiones críticas en cada etapa del ciclo, la eficiencia térmica, las dimensiones de la carrera y el pistón y la fuerza del gas. Se hicieron numerosas iteraciones para poder maximizar todas las variables de acuerdo a las posibilidades de materiales que se tienen y el costo que tendría usar materiales de alta calidad. La franja de iteraciones más posible se puede ver en el ANEXO 3, como resultado de un programa hecho en EXCEL, las cuales se hicieron de acuerdo a las ecuaciones mostradas anteriormente en los capítulos 1 y 2. En el ANEXO, la elección está subrayada con color naranja. La variable que se consideró como la más relevante fue la relación de compresión. La razón es que la relación de compresión es la que afecta directamente el incremento de las temperaturas y presiones máximas dentro de la cámara de combustión, además de la. 26. Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online. 28.

(29) IM-2005-I-37 eficiencia térmica. Al incrementar la relación de compresión, la eficiencia térmica se incrementa al igual que la presión y la temperatura, fenómeno que pueden ver en la tabla del ANEXO 4 y en las FIGURAS 3.1 y 3.2. En el ANEXO, la elección está subrayada con color naranja. En los motores a gasolina, se acostumbra a diseñar los pistones y las carreras de tal manera que la relación carrera a diámetro sea cercana a 1. Esto se hace porque si el diámetro del pistón es más grande que la carrera, hay más posibilidades de que se presenten depósitos de elementos hidrocarbonosos en los anillos del pistón, produciendo mayor fricción y desgaste. Pero en el caso del hidrógeno, este problema desaparece. Entonces en los motores que funcionan con hidrógeno se puede buscar obtener la relación diámetro a carrera más alta posible para que el motor pueda alcanzar altas revoluciones. En las iteraciones, se toman como constantes la carrera y el volumen de la cámara de combustión, variándolas para obtener diferentes resultados en las demás variables. Se toma un rango de relaciones de compresión que estén dentro de lo posible y luego se mira la mayor relación diámetro a carrera posible y que la fuerza ejercida por el gas no sea Eficiencia Termica Ciclo de Otto. Eficiencia Termica (%). 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0,000. 2,000. 4,000. 6,000. 8,000. 10,000. 12,000. 14,000. Rc. demasiado grande, ya que destrozaría el pistón y elevaría las presiones a niveles inconvenientes como se puede ver en la FIGURA 1.9. FIGURA 3.1. Relación de compresión versus la eficiencia térmica.. 29.

(30) IM-2005-I-37 Se decidió tomar una relación de compresión cercana al 10 para evitar incrementar el costo del motor por tener que utilizar materiales más resistentes. Mirando en el ANEXO 3, se puede ver que, con una relación de compresión de 10,1, se obtienen los siguientes resultados: • Carrera: 78 mm. • Diámetro del pistón: 81 mm. • Area del pistón: 5121 mm2. • Volumen total: 443400 mm2 • Volumen de desplazamiento: 400 cm3 • Volumen de la cámara de combustión: 43,93 cm3 • Eficiencia térmica: 60,61%. • Masa del gas a utilizar: 0.44 g. • Temperatura al final de la compresión: 756,53 °K. • Presión al final de la compresión: 2595,51 KPa. • Temperatura al final de la explosión: 2101,29 °K • Presión al final de la explosión: 7209 KPa. • Temperatura al final del escape: 827,7 °K. • Presión al final del escape: 281,36 KPa. • Fuerza ejercida por el gas sobre el pistón: 36,921 KN.. 14,000 12,000. Rc. 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0,000 0. 200. 400. 600. T PMS 1-2 (°k). 800. 1000 30.

(31) IM-2005-I-37 FIGURA 3.2. Temperatura en la carrera de compresión versus relación de compresión.. 31.

(32) IM-2005-I-37. FIGURA 3.3. Comportamiento de la fuerza que ejerce el gas con el aumento de la presión Se decidió escoger estos parámetros, ya que escoger parámetros más altos, implicaría un costo mucho mayor para construir el motor por cuenta de los materiales de alta resistencia que se tendrían que utilizar y por un segundo factor que es muy importante en la vida del motor: La pre-ignición o detonación. Este fenómeno se da cuando la mezcla se inflama antes de que se produzca la chispa de la bujía, en el momento en el que el pistón está subiendo. La inflamación anticipada se produce por las altas temperaturas que se presentan en la cámara de combustión debidas a la alta relación de compresión. Es importante evitar este fenómeno ya que esto produce grandes esfuerzos al pistón y a la biela y lo comienza a desgastar de forma acelerada.. 32.

(33) IM-2005-I-37. 3.2 3.2.1. Diseño de la cámara de combustión Cilindro. Para escoger el material del cilindro se realizaron los cálculos de los esfuerzos tangenciales, radiales, longitudinales y de Von Mises como se mostró en la sección 2.5. Se debe tener en cuenta el factor de seguridad, ya que se va a transportar personas. En el ANEXO 5, podemos ver que se seleccionaran como posibles materiales al Acero 1030 y al Aluminio 2024 T3. En ambos casos, los materiales son trabajados con forja en caliente, ya que de esta manera, el material resiste más los esfuerzos a tensión y tracción que cuando se hace por fundido. Al ver los factores de seguridad (Para el Acero es de 307,8 y para el Aluminio es de 408,4) se ve que los materiales resisten perfectamente los esfuerzos a los que está expuesto. Entonces se pasa a mirar que tan caros son cada uno de estos materiales. Tomando en cuenta esto último, se puede tomar el acero 1030 como material para hacer el cilindro. Pensando en reducir las temperaturas en la cámara de combustión y, así, poder incrementar un poco más la relación de compresión, se puede hacer un traslapo de válvulas. Esto significa que las válvulas de admisión se abren antes de que las de escape se cierren e introducen aire fresco para ayudar a extraer los gases calientes que quedan de la combustión. De esta manera, se limpia la cámara de combustión de posibles puntos calientes que ayudan a la pre-ignición, se extrae el vapor agua producido más efectivamente y, por consiguiente se reducen las temperaturas de funcionamiento. Con este mismo fin, se pueden poner cuatro válvulas por cada cilindro y, de esta manera, tener más salidas de escape.. 33.

(34) IM-2005-I-37 3.2.2. Pistón. El pistón será hecho del mismo material y de la misma manera que el cilindro; es decir, de Acero 1030 forjado en caliente. La cara del pistón que soporta la fuerza ejercida por el gas, se puede hacer plana, ya que la mezcla del combustible es homogénea (el hidrógeno se disipa muy rápido en el aire por lo que queda bien mezclado). Al quedar homogénea, la mezcla no necesita ser direccionada ni sometida a turbulencias. Entonces no se necesita que el pistón tenga formas en la superficie ni que la culata donde van las válvulas tenga forma hemisférica (En motores que funcionan con gasolina, la tapa es hemisférica para direccionar la gasolina para que se acerque a la bujía debido a que esta no se disipa tan bien en el aire como el hidrógeno y la mezcla no queda homogénea). Entonces la cámara de combustión tendría una forma de disco, ya que el pistón sería plano, al igual que la culata. Como ya se había dicho anteriormente, el diámetro del pistón puede ser más grande que la carrera para que el motor pueda funcionar a altas revoluciones.. 3.2.3. Anillos y sellos. Dado que el material que se va a utilizar es un polímero, es mejor que este se encuentre a tensión cuando este en condiciones iniciales (con el motor sin funcionar). Si se deja un solo anillo, este puede sufrir un fenómeno de extrusión con el incremento de la presión, como se puede ver en la FIGURA 3.427. Debido a esto, se deben instalar dos anillos más, que ayuden a distribuir la presión entre estos, además de lubricar las paredes del cilindro a través de conductos dentro de estos.. 27. Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online 34.

(35) IM-2005-I-37 Para elegir el polímero utilizar, Apple rubber presenta unas tablas donde muestran qué materiales son resistentes a determinados componentes químicos. Viendo el motor que funciona con hidrógeno, se tiene que los componentes químicos que atentarían contra la vida de los anillos son el agua y los NOx, además de pequeñas cantidades de sulfuros que vienen con el aire que se recoge del medio ambiente. La tabla de compatibilidad química se puede ver en el ANEXO 4. Al analizar esta tabla, vemos que el polímero que mejor soporta el ataque químico del agua, los NOx y los sulfuros es el TEFLON® Virgin..28 El TEFLON® Virgin es un polímero duro, químicamente inerte, que tiene rango de temperaturas de trabajo amplio. Sella especialmente bien, en condiciones de alta exposición química con temperaturas extremas.29 Tiene una dureza Shore A de 98 y un rango de temperaturas de -185°C (-300°F) a 234°C (450°F).. 3.2.4. Inyección del hidrógeno. La inyección del hidrógeno dentro de la cámara de combustión es muy importante por varios fenómenos que se pueden presentar. Si se considerara introducir el hidrógeno como se hace con la gasolina, el hidrógeno se mezclaría con el aire entes de entrar a la cámara de combustión. En el momento de entrar a la cámara de combustión, puede ocurrir el fenómeno de pre-ignición dependiendo de las temperaturas que se manejen. Si se llegara a presentar pre-ignición en el momento de admisión, la llama se propagaría por toda la entrada de admisión ya que la mezcla es homogénea. Al ocurrir esto, la llama se extendería por fuera de la cámara de combustión, deteriorando las partes del motor que estuvieran en contacto con esta llama.. 28. Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online. 29 Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online. 35.

(36) IM-2005-I-37 Para evitar lo anterior, se puede pensar en inyectar el hidrógeno directamente a la cámara de combustión, momentos antes de que se produzca la chispa. De esta manera, el hidrógeno entrará en la cámara de combustión cuando las válvulas estén cerradas y se evitará la propagación de la llama. Entonces, el inyector irá directamente a la cámara de combustión y por las válvulas entraría sólo el aire que se mezclaría con el hidrógeno dentro de la cámara de combustión, instantes antes de que se produzca la chispa.. 36.

(37) IM-2005-I-37. CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES El trabajo de investigación que se llevó a cabo para realizar este proyecto, permitió profundizar en una tecnología nueva que se ha vuelto prioridad en la construcción de motores de combustión para automóviles, debido a razones ambientales. Han surgido varias alternativas como el gas, combustibles hechos de alcoholes, hidrógeno y otros. El hidrógeno ha tomado mucha fuerza para convertirse en la opción que reemplazaría a la gasolina en un futuro cercano. Debido a lo nuevo de estas tecnologías, quienes las han desarrollado, no entregan información técnica de estos temas. Es por esto, que este proyecto toma más relevancia. En materia técnica se puede decir que se comprobó la posibilidad de que el hidrógeno se convierta en el combustible del futuro. Así, el tema se divide en tres aspectos: El aspecto termodinámico, concerniente a las temperaturas que se pueden alcanzar dentro de la cámara de combustión y el efecto de éstas en la reacción química que se produce como resultado de la combustión de la mezcla de hidrógeno con aire. Otro aspecto sería el del análisis de fuerzas y presiones que se presentan en cada una de las etapas del ciclo de OTTO dentro de la cámara. El último aspecto corresponde al análisis de los materiales a usar, dependiendo de los aspectos anteriores, así como el diseño de las partes que componen el sistema; en este caso, el pistón (con su biela y manívela) el cilindro y la culata. Para el aspecto termodinámico se evaluaron las temperaturas críticas o importantes en cada una de las etapas del ciclo; es decir, se tomaron las temperaturas al final de cada carrera del pistón. Viendo los resultados que se obtuvieron, se concluye que las temperaturas no son demasiado diferentes a las de la gasolina, especialmente, en la temperatura que se alcanza en el momento después de que se produce la chispa de la bujía. Según los cálculos, con el 37.

(38) IM-2005-I-37 hidrógeno se alcanza una temperatura de 2101°K (1828°C), que es apenas 100 grados más alta de lo que se consigue con la gasolina (en promedio 2000°K o 1727°C). Entonces la temperatura no sería un factor crítico para seleccionar los materiales que facilitan la construcción de las partes. Pero sí hay un factor importante y es el de evitar que la temperatura de la cámara sobrepase la temperatura de auto ignición del hidrógeno en el momento de la compresión. Si esto llegara a suceder, se correría el riesgo de que la mezcla se inflamara espontáneamente, al estar por encima de los 571°C (854°K es la temperatura de auto ignición del hidrógeno30. Al ocurrir esto, la fuerza que ejerce el gas sobre el pistón, actuaría sobre éste antes de que subiera completamente, generando unos esfuerzos bastante dañinos sobre la biela y el pistón. Esta pre ignición debe tenerse muy en cuenta para no reducir la vida de los componentes. En este caso, dada la mezcla pobre que se utilizó, se obtuvo una temperatura de 756,5°K (483.5°C), la cual se encuentra por debajo de la de auto ignición31. También se debe hablar de la forma en que se inyectaría la mezcla dentro de la cámara de combustión. Como se dijo en esta sección, es recomendable que el hidrógeno se introduzca directamente a la cámara para evitar la propagación de la llama a través de los conductos de admisión. Este fenómeno ocurre debido a que el hidrógeno se mezcla homogéneamente con el aire y, en presencia de una temperatura alta, la llama de la ignición se puede propagar por el conducto de entrada (estando las válvulas de entrada abiertas), dañando varias partes del motor que no deberían estar expuestas a estas llamas y temperaturas. La propagación se da, debido a que por este conducto entra el aire a la cámara; al haber presencia de oxígeno, la llama se alimenta de este y sigue la estela por el conducto. En cuanto a la mezcla que se debe usar, se encontró que se debe trabajar con una mezcla pobre de hidrógeno para conseguir cero emisiones. Tomando en cuenta la gráfica expuesta sobre el comportamiento de las emisiones con respecto a la cantidad de. 30. Recuperado el 20 de Febrero de 2005 de safety.deas.harvard.edu/services/hydrogen.html#physical 31 Mirar renglón subrayado en naranja en el ANEXO 3.. la. página. de. Internet:. http://www38.

(39) IM-2005-I-37 hidrógeno que se debe usar en la mezcla, se decidió tomar un. de 0.5, lo que significa. que en la mezcla va a haber un 50% de exceso del aire, el cual es necesario para la reacción con el hidrógeno. De esta manera se obtienen cantidades muy pequeñas de NOx, teniendo como principal emisión, el agua. Esto es muy bueno ambientalmente, pero perjudicial para la potencia que pueda desarrollar el motor, ya que ésta se reduce al usar una mezcla pobre. Según un pdf. sobre motores de combustión interna (ICE)32, al usar este. , la potencia se reduciría en un 50 %. Para solucionar este problema, se deben usar. supercargadores que aumenten el caudal de aire por la cámara de combustión y, así, aumentar la cantidad de energía en la cámara y generar mayor potencia en cada explosión. Pero, entonces, se tendrían que recalcular las temperaturas dentro de la cámara, ya que éstas aumentarían como consecuencia del incremento de la temperatura de entrada del aire, el cual ya no entraría a temperatura ambiente sino a una temperatura mayor debido a la compresión adiabática que le imprimiría el supercargador. También se encontró que la eficiencia térmica resultó ser mucho más alta que con gasolina, obteniendo un 60,6% en la tabla de cálculos de Excel realizados por el autor. En cuanto al análisis de fuerzas y presiones, se encontró que, para un pistón de 51,21 cm2 área la fuerza máxima es la que se produce después de la chispa, obteniendo una magnitud de 36,9 KN. La presión en este mismo momento alcanza una magnitud crítica de 7,21 MPa.33 Aunque la fuerza que ejerce esta mezcla es mayor que la que ejerce la mezcla con gasolina, la diferencia es de 7 KN en promedio ya que la fuerza realizada por la mezcla con gasolina oscila entre 25 y 30 KN. Para el caso de la presión, en cambio, la diferencia es más grande. Con gasolina, la presión oscila por los 5 MPa. La diferencia es de 2 MPa, aproximadamente. En los cálculos de Excel realizados (VER ANEXO 2) se escogió el Acero 1030 y al Aluminio AL2024 T-3, como posibles candidatos para la construcción de las partes. Se optó por escoger el Acero 1030, ya que ofrecía una seguridad bastante alta de que va a resistir y es más barato que el Aluminio. El peso del. 32. Recuperado el 16 de Febrero de 2005 de la página de internet: http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf 33 Mirar renglón subrayado en naranja en el ANEXO 3.. 39.

(40) IM-2005-I-37 motor, al hacerlo con Acero, aumentaría con relación al Aluminio, pero no afecta críticamente la capacidad de desarrollar potencia ni la capacidad de funcionar a altas revoluciones. Con respecto al último aspecto, el diseño, se sugieren varias alternativas que pueden servir para bajar los costos de construcción y, al mismo tiempo, optimizar el funcionamiento del motor: -. Se recomienda hacer el pistón plano en la superficie que da hacia la cámara de combustión, ya que la homogeneidad de la mezcla aire - hidrógeno, hace innecesario direccionar la mezcla hacia el área donde se produce la chispa. Con la gasolina, éste si es un problema, ya que la gasolina no se mezcla homogéneamente con el aire, por lo que hay que direccionar el combustible hacia el área donde se va a producir la chispa y aprovechar todo el poder de la expansión.. -. Por lo anterior, la parte de la culata donde se encuentran alojadas las válvulas es hemisférico. Esta forma le permite al combustible (gasolina) acercarse más al sitio donde está la bujía. Pero con el hidrógeno, esto no es necesario, por la homogeneidad de la mezcla. Por ello, se podría pensar en hacer esta parte de la culata plana34.. -. Se puede pensar en el uso de cuatro válvulas por cilindro (dos de admisión y dos de escape) para hacer más eficaz la extracción de los gases calientes que quedan de la combustión. De esta manera se evitan que queden puntos calientes dentro de la cámara de combustión, los cuales son principales causas de que ocurra detonación, fenómeno que, como ya habíamos dicho, reduce la vida del pistón y el cilindro por los grandes esfuerzos que produce sobre estos elementos. También se puede graduar el eje de levas para que haya un traslapo de válvulas, en el que las válvulas de admisión se abren antes de que las de escape se cierren, metiendo aire fresco a la cámara de combustión para que haga un barrido de gases y puntos calientes y los. 34. Recuperado el 16 de Febrero de 2005 de la página de internet: http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf 40.

(41) IM-2005-I-37 expulse más efectivamente. Esto ya se hace en los nuevos automóviles que funcionan con gasolina para este fin.35 -. Tocando el tema de los anillos y los sellos, se decidió utilizar una nueva tecnología de anillos construidos con materiales poliméricos. Se tomaron las dimensiones que se habían elegido como las óptimas y, de acuerdo a las ecuaciones utilizadas por la página de Apple Rubber36para encontrar las dimensiones y el material que se debía escoger de acuerdo a la compatibilidad química con los productos de la combustión, se resolvió diseñar con tres anillos para evitar la extrusión del primer anillo debido a la presión. Además, se consideró que, por el material que se utiliza, era mejor que el anillo estuviera a tensión en condiciones iniciales, por lo que éste se diseñó con diámetro interior menor que el de la muesca. Así mismo, la sección transversal del anillo debe hacerse más grande que el claro entre la muesca y la pared del cilindro, para que quedara comprimido y el sello fuera mejor. Con esto se evita que el agua, producto de la combustión, se salga de la cámara de combustión por otros sitios que no sean las válvulas de escape.. Por la similitud de los productos que deja la combustión del gas y del hidrógeno, se decidió utilizar un lubricante que fuera diseñado para motores a Gas. Con esto, se evita el problema de no tener la película lubricante que producen los hidrocarbonos que quedan de la combustión de la gasolina, usando detergentes metalo - orgánicos y se elude el daño que pudieran producir las pequeñas cantidades de NOx utilizando dispersantes. Por último, se demostró que con el hidrógeno se pueden hacer relaciones de diámetro del pistón – carrera mayores a uno. En el programa que se hizo en EXCEL y que se encuentra en el ANEXO 3, se puede ve que se pueden alcanzar relaciones de hasta 1,3 sin haber sobrepasado la temperatura de auto ignición del hidrógeno en la etapa de compresión, con una relación de compresión de hasta 13 y una eficiencia térmica del 64%. El problema en este caso extremo, sería que la presión máxima se incrementaría a. 35. Fuente de Curso de Colmotores tomado en Mayo de 2005. Recuperado el 5 de Junio de 2005 de la página de internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online. 41 36.

(42) IM-2005-I-37 9,9Mpa, generando una temperatura máxima de 2220°K. Estas presiones desgastarían más los materiales usados en la actualidad y se tendría que pensar en conseguir materiales más resistentes. Tomando en cuenta lo dicho anteriormente, se optó por seleccionar la siguiente configuración del motor: -. Carrera: 0.078m.. -. Diámetro pistón: 0.081m.. -. Area pistón: 0.005121m.. -. Vol. Desplazamiento: 4x10(-4)m3.. -. Vol. Cámara: 3.49x10(-5)m3.. -. Relación compresión: 10.1.. -. Eficiencia térmica: 60.61%.. -. Masa del gas: 0.44g.. -. Temp. Compresión: 756°K.. -. Presión compresión: 2.6MPa.. -. Temp. Explosión: 2101.3°K.. -. Presión Explosión: 7,21MPa.. -. Temp. Escape: 827°K.. -. Presión Escape: 281.36KPa.. -. Fuerza del Gas: 36.92KN.. 42.

(43) IM-2005-I-37. CAPÍTULO 5 RECOMENDACIONES Se recomienda hacer un análisis más exhaustivo para saber si conviene hacer la culata plana o mantenerla hemisférica, ya que, al hacerla plana, se puede interrumpir el flujo de aire entre las válvulas de entrada y las de escape cuando hay traslapo de válvulas. Se recomienda además, investigar sobre el tipo de refrigerante a usar en las camisas del cilindro de tal forma que se reduzca más efectivamente la temperatura de las paredes del cilindro. Por último, se sugiere hacer la inversión necesaria para plasmar toda la teoría expuesta anteriormente en un motor real y mirar qué posibles factores en la práctica pueden afectar los cálculos hechos en este proyecto.. 43.

(44) IM-2005-I-37. CAPÍTULO 6 AGRADECIMIENTOS Es este el momento más preciso para agradecer a todos aquellos profesores y personas de la Universidad de los Andes que estuvieron alrededor mío durante todo el transcurso de mis estudios. Agradecerles por haberme enriquecido con toda su vastedad de conocimientos pero, más aún, con sus propias experiencias personales. Agradecerles porque, además de enseñarme sobre lo que es la Ingeniería Mecánica, siempre se preocuparon por formarnos como personas correctas que siempre utilicemos nuestros conocimientos para bien. Gracias a la Universidad de los Andes por haberme dejado ser parte de la institución universitaria más sobresaliente de Colombia y, por qué no, una de las mejores de Latinoamérica. Hoy, cuando me encuentro finalizando esta etapa de mi vida, me siento muy orgulloso de poderme graduar y decir que fui y soy UNIANDINO. Finalmente, agradecerles a mis padres por haberme dado alientos cuando intente desfallecer y cuando creía que ya no podía más. A mi hermanita por acompañarme en el estudio mientras tecleaba este proyecto y darme ánimos. A toda mi familia y mis suegros por el solo hecho de existir y preocuparse por como iba evolucionando hacia mi meta, preguntándome y dándome confianza. Y, por supuesto, a ti mi amor, por aconsejarme, por aguantarme cuando estuve de mal genio, por tomarte el trabajo de leer toda mi tesis y darme tus opiniones. Pero, sobre todo, por quererme y hacerme sentir especial... 44.

(45) IM-2005-I-37. CAPÍTULO 7 BIBLIOGRAFÍA •. Ferguson y Kirkpatrick; “Internal Combustion Engines: Applied Thermosciences”,. Wiley, Segunda edición., 2001. • Sonntag,. Borgnakke y Van Wylen; “Fundamentals of Thermodynamics”, Wiley, Quinta. ed., 1998. •. NORTON, ROBERT; “Design of machinery”, Mc Graw-Hill, Tercera Edición, Pág.. 647. • http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf. • Manual. •. del conductor, Mazda Allegro; Compañía Colombiana Automotriz S.A.. SHIGLEY, Joseph; MISCHKE, Charles; BUDYNAS, Richard; “Mechanical. Engineering Design”; Mc Graw-Hill, Séptima Edición, 2003, Pág. 217 – 221. • Wills, J. George, “Fundamentos De Lubricación”, Traducido por Rafael G. Beltrán, Profesor Titular, Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes, Bogotá D.C. Colombia. • http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online. • http://www-safety.deas.harvard.edu/services/hydrogen.html#physical • http://www.faqs.org/faqs/autos/gasoline-faq/part4/preamble.html • http://saber.towson.edu/~schmitt/pyro/chapter1.html#T1. 45.

(46) IM-2005-I-37. • http://www.gexcon.com/index.php?src=handbook/GEXHBchap4.htm& PHPSESSID= 757d1999b1b22401a96069005d8d2ae3 • http://www.bmw.com/com/en/index_highend.html.. 46.

(47) IM-2005-I-37 ANEXOS ANEXO 1 GRÁFICA DE EMISIONES37. 37. Recuperado el 7 de Febrero de 2005 de la página de internet: http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf. 47.

(48) IM-2005-I-37. ANEXO 2 CÁLCULOS DE RESISTENCIA DE MATERIALES. 48.

(49) IM-2005-I-37. 49.

(50) IM-2005-I-37 ANEXO 3 ITERACIONES DEL PROGRAMA DE EXCEL.. 50.

(51) IM-2005-I-37 ANEXO 4 TABLA DE DATOS DE LAS FIGURAS 3.1 Y 3.2. 51.

(52) IM-2005-I-37 ANEXO 5 TABLA DE COMPATIBILIDAD QUÍMICA DE MATERIAL PARA LOS ANILLOS38. 38. Recuperado el 6 de Junio de 2005 la página de Internet: http://www.applerubber.com/sdg/index.cfm, seal design guide online. 52.

(53) IM-2005-I-37. 53.

(54) IM-2005-I-37. ω(RPM)= N° Cilindros = Volumen total (cm³) = L (m)=. 3400 4 449,4 0,145. Area Pistón(m^2)= Area Inyector(m^2)= A/F BASADA EN VOLUMEN =. 722. λ= k mezcla = T3 PMS (°K)= T4 PMI (°K)= P2 PMS 1-2 (KPa) = P3 PMS (kPa)= P4 PMI (kPa)= Fg(N)=. Φexceso de aire =. 0,50. Volumen Aire PMI (m³)=. Cv (kJ/Kg °k) =. 3,47. Volumen Hidrógeno PMI (m³)=. R (m)=. mB (kg)= ØPISTON (m) = T Auto-ignición (°K) = P1 PMI 1-2 (KPa) = T1 PMI 1-2 (°K) = T2 PMS 1-2 (°K) =. r bugia (m)= Calor Comb. Qc (Kj/Kg)=. 0,04 0,00526 0,0780 858 101,300 298. 0,0015 141600,00. Carrera(m) = Rc =. ηTERMICA CTE. UNIVERSAL GAS Ru (Kj/Kmol*K) Cte. Gas R (Kj/(Kg*K)) = V1 (m^3) = V2 (m^3) = Vd (m^3) = Masa del Gas m (g) = Masa de H2 m (g) = Masa de aire m (g) = Densidad gas (Kg/m^3) = Qin (2-3) (Kj) = Qout (4-1) (Kj) =. 8,315 4,12418 4,494E-04 4,993E-05 3,995E-04 4,463E-01 6,471E-03 4,398E-01 9,930E+02 2052,173913 846,5535423. L/R = B/S = Torque τ (Nm). 0,00478 0,0000071 4,80 2,00 1,403 2049,198 845,326 2210,099 6269,307 287,354 -2,996E+04 0,00011235 2,34063E-05 0,084 9,000 0,587484503 3,625 0,933 -1198,280852. MOLES DE H2 1 PESO MOLECULAR H2 Mf (Kg/Kmol) 2,016 MOLES DE AIRE 4,76 PESO MOLECULAR AIRE Ma (Kg/Kmo 28,97 FRACCIÒN MOLAR DE H2 Yf 0,173611111 FRACCIÒN MOLAR DE AIRE Ya 0,826388889 PESO MOLECULAR GAS M (Kg/Kmol) 24,29048611. Los criterios para escoger el mejor fueron el que tuviera la mayor relación Diám del pistón/ Carrera, pero que a su vez tuviera una presión y una temperatura de combustión aceptables y una relación de compresión no muy alta.. 54.

(55) IM-2005-I-37. TABLA DE COMBINACIONES DE LOS PARÁMETROS DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN Carrera (m) 0,040 0,041 0,042 0,043 0,044 0,045 0,046 0,047 0,048 0,049 0,050 0,051 0,052 0,053 0,054 0,055 0,056 0,057 0,058 0,059 0,060 0,061 0,062 0,063 0,064 0,065 0,066 0,067 0,068 0,069 0,070 0,071 0,072 0,073 0,074 0,075 0,076 0,077 0,078. Area. ØPISTON (m) Pistón(m^2) 0,113 0,111 0,110 0,109 0,108 0,106 0,105 0,104 0,103 0,102 0,101 0,100 0,099 0,098 0,097 0,096 0,095 0,094 0,094 0,093 0,092 0,091 0,091 0,090 0,089 0,088 0,088 0,087 0,086 0,086 0,085 0,085 0,084 0,083 0,083 0,082 0,082 0,081 0,081. 0,009987 0,009743 0,009511 0,009290 0,009079 0,008877 0,008684 0,008499 0,008322 0,008152 0,007989 0,007833 0,007682 0,007537 0,007398 0,007263 0,007133 0,007008 0,006887 0,006771 0,006658 0,006549 0,006443 0,006341 0,006242 0,006146 0,006053 0,005962 0,005875 0,005789 0,005707 0,005626 0,005548 0,005472 0,005398 0,005326 0,005256 0,005188 0,005121. Vol. total (m^3) 4,054E-04 4,064E-04 4,074E-04 4,084E-04 4,094E-04 4,104E-04 4,114E-04 4,124E-04 4,134E-04 4,144E-04 4,154E-04 4,164E-04 4,174E-04 4,184E-04 4,194E-04 4,204E-04 4,214E-04 4,224E-04 4,234E-04 4,244E-04 4,254E-04 4,264E-04 4,274E-04 4,284E-04 4,294E-04 4,304E-04 4,314E-04 4,324E-04 4,334E-04 4,344E-04 4,354E-04 4,364E-04 4,374E-04 4,384E-04 4,394E-04 4,404E-04 4,414E-04 4,424E-04 4,434E-04. Vol. Desplazamie nto (m^3) 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04 3,995E-04. Vol. Cámara (m^3). Rc. ηTERMICA. Masa del Gas m (g). 0,00000593 0,00000693 0,00000793 0,00000893 0,00000993 0,00001093 0,00001193 0,00001293 0,00001393 0,00001493 0,00001593 0,00001693 0,00001793 0,00001893 0,00001993 0,00002093 0,00002193 0,00002293 0,00002393 0,00002493 0,00002593 0,00002693 0,00002793 0,00002893 0,00002993 0,00003093 0,00003193 0,00003293 0,00003393 0,00003493 0,00003593 0,00003693 0,00003793 0,00003893 0,00003993 0,00004093 0,00004193 0,00004293 0,00004393. 68,3203037 58,6114203 51,3499837 45,714141 41,2129685 37,5351394 34,4736777 31,8856176 29,6690346 27,7493044 26,0705361 24,5900411 23,2746519 22,0982083 21,0397991 20,0825092 19,212508 18,4183771 17,6906066 17,0212121 16,4034408 15,8315426 15,300591 14,8063404 14,3451127 13,9137051 13,5093163 13,1294852 12,7720406 12,43506 12,1168351 11,8158422 11,5307188 11,2602418 11,0033111 10,7589338 10,526212 10,304331 10,0925507. 0,81774627 0,80613333 0,79551933 0,78571113 0,77657008 0,76799279 0,75989982 0,75222854 0,74492862 0,73795891 0,73128521 0,72487882 0,71871532 0,71277377 0,70703601 0,70148624 0,69611055 0,69089666 0,68583364 0,68091173 0,67612218 0,67145706 0,66690923 0,66247219 0,65813999 0,65390721 0,64976887 0,64572037 0,6417575 0,63787634 0,63407325 0,63034487 0,62668806 0,62309988 0,61957761 0,61611866 0,61272065 0,60938131 0,60609851. 0,40258373 0,40357677 0,40456981 0,40556285 0,40655589 0,40754893 0,40854198 0,40953502 0,41052806 0,4115211 0,41251414 0,41350718 0,41450022 0,41549326 0,4164863 0,41747934 0,41847238 0,41946543 0,42045847 0,42145151 0,42244455 0,42343759 0,42443063 0,42542367 0,42641671 0,42740975 0,42840279 0,42939583 0,43038888 0,43138192 0,43237496 0,433368 0,43436104 0,43535408 0,43634712 0,43734016 0,4383332 0,43932624 0,44031928. T2 PMS 1-2 P2. PMS 1-2. (°K). (KPa). 1635,0831 1537,13889 1457,35048 1390,64616 1333,75151 1284,44287 1241,14858 1202,72124 1168,30044 1137,22621 1108,98252 1083,15908 1059,42494 1037,50969 1017,18987 998,278938 980,619761 964,078866 948,542037 933,910868 920,100044 907,035172 894,651041 882,890207 871,701837 861,040759 850,866672 841,143486 831,838775 822,923306 814,370644 806,156819 798,260032 790,660411 783,339797 776,281554 769,470412 762,892321 756,534335. 37973,6898 30625,8772 25438,8515 21610,2796 18685,3829 16388,7566 14544,6934 13036,2595 11782,8714 10727,3424 9828,06099 9054,08735 8381,979 7793,67702 7275,06362 6814,95614 6404,39166 6036,10943 5704,17038 5403,67344 5130,54131 4881,3567 4653,23579 4443,72947 4250,74552 4072,4868 3907,40174 3754,14433 3611,54168 3478,56746 3354,31997 3238,00412 3128,9163 3026,4318 2929,99423 2839,10651 2753,32334 2672,24471 2595,51035. T3 PMS (°K). P3 PMS (kPa). T4 PMI. 3105,88589 3004,32262 2920,93293 2850,64495 2790,18415 2737,32674 2690,50093 2648,55921 2610,64102 2576,08628 2544,37883 2515,10827 2487,94354 2462,61408 2438,89634 2416,60366 2395,57878 2375,68812 2356,81734 2338,86794 2321,75448 2305,40246 2289,74657 2274,72925 2260,29956 2246,41222 2233,02683 2220,1072 2207,62079 2195,53827 2183,83311 2172,48123 2161,46074 2150,75166 2140,33574 2130,19626 2120,31783 2110,68632 2101,28869. 72132,0816 59857,9714 50986,4853 44298,281 39089,4847 34926,7242 31529,2721 28707,6538 26329,5692 24299,9671 22548,877 21023,6986 19684,1604 18498,9297 17443,2784 16497,4411 15645,4371 14874,212 14173,0015 13532,8531 12946,2631 12406,8968 11909,3705 11449,0809 11022,0695 10624,9141 10254,6418 9908,65766 9584,68725 9280,72874 8995,01358 8725,97366 8472,21389 8232,48911 8005,68463 7790,79964 7586,93314 7393,27188 7209,07999. 566,059301 582,438028 597,274316 610,861497 623,410636 635,079527 645,989765 656,237385 665,899794 675,040465 683,712214 691,959548 699,82039 707,327369 714,5088 721,389447 727,991118 734,333137 740,432727 746,305316 751,964788 757,423698 762,693438 767,784387 772,706033 777,467077 782,075522 786,538749 790,863584 795,056356 799,122944 803,068821 806,899098 810,618548 814,231645 817,742584 821,155308 824,473528 827,70074. (°K). P4 PMI. (kPa). 192,422172 197,98984 203,033182 207,651911 211,917776 215,884416 219,593165 223,076668 226,361239 229,468453 232,416266 235,219806 237,891965 240,443834 242,885038 245,223997 247,468122 249,623983 251,697434 253,69372 255,617561 257,473223 259,264581 260,995162 262,668192 264,286627 265,853189 267,370387 268,840541 270,265802 271,648168 272,989502 274,291539 275,555903 276,784113 277,977597 279,137694 280,265666 281,362701. Fg(N) 720367,047 583208,04 484943,508 411532,163 354889,078 310049,264 273805,065 243997,405 219122,957 198104,787 180152,493 164673,725 151216,408 139429,958 129038,622 119822,744 111605,356 104242,418 97615,5942 91626,842 86194,2992 81249,1261 76733,0534 72596,4591 68796,847 65297,6327 62067,167 59077,9457 56305,9639 53730,1871 51332,1137 49095,4125 47005,6193 45049,8832 43216,7518 41495,9906 39878,4279 38355,8239 36920,7577. 55.