MODELADO TERMODINÁMICO Y ESTRUCTURAL DE
UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO
MOTIVACIÓN
El gusto y la pasión por los sólidos desarrollados en los cursos de diseño de
máquinas y análisis de mecanismos constituyen la principal razón por la
cual se llevó a cabo este trabajo, a esto se suma la idea de poder ver
integrados en un mismo problemas algunos criterios termodinámicos
fundamentales en los MCIA.
El poder realizar desde la perspectiva del estudiante los pasos
fundamentales para obtener las dimensiones preliminares de un Motor,
incluyendo herramientas de modelado y simulación hacen que la tarea se
aproxime mucho más a las prácticas industriales de la actualidad.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
Estudiar el comportamiento estructural y la
rigidez mecánica de los componentes móviles de un motor de combustión
interna alternativo cuando este se encuentra en condiciones de operación,
estableciendo una metodología de cálculo preliminar para nuevos motores.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Recopilar información y adquirir fundamentos de las herramientas de
diseño asistido por computador (CAD) y análisis de elementos finitos (FEA),
para analizar los esfuerzos y deformaciones del conjunto móvil de un
motor de combustión interna.
Proponer una metodología para el dimensionamiento previo de los
componentes estructurales de un motor a partir de definiciones y variables
termodinámicas y mecánicas.
Aplicar la metodología de diseño dimensional para obtener un modelo
CAD 3D de los componentes de un motor de combustión interna
alternativo.
Con ayuda de herramientas de modelado y simulación de elementos
finitos, realizar el análisis de los elementos del conjunto móvil del motor
determinando las deformaciones y esfuerzos en condiciones de operación
de interés (revoluciones y par), para las zonas críticas en las partes
estructurales del motor
.
1. Determinación de parámetros geométricos
METODOLOGÍA
2. Simulación del ciclo de trabajo
3. Análisis de las cargas dinámicas en el motor
4. Consideraciones de diseño y cálculo de las partes del motor
5. Dibujo en 3D y análisis de elementos finitos (FEA)
1. DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS GEOMÉTRICOS
MOTOR DV6 TED4 1,6L 16V
Figura 1.6 Tabla 1.3 Ec 1.1 Ec 1.2 Ec 1.3 Ec 1.6 Figura 1.11 Ec 1.4 Ec 1.5
2. SIMULACIÓN DEL CICLO DE TRABAJO
3. ANÁLISIS DE LAS CARGAS DINÁMICAS EN EL MOTOR
𝑣 = 𝑑𝑠 𝑑𝑡 = 𝑑𝑠 𝑑𝜑 𝑑𝜑 𝑑𝑡 = 𝑅𝜔 𝜆 2𝑠𝑒𝑛 2𝜑 + 𝑠𝑒𝑛 𝜑 𝑎 = 𝑑𝑣 𝑑𝑡 = 𝑑𝑣 𝑑𝜑 𝑑𝜑 𝑑𝑡 = −𝑅𝜔2 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝜆𝑐𝑜𝑠 2𝜑ANÁLISIS CINEMÁTICO
MASA ESPECÍFICA (kg/m
2)
SISTEMA EQUIVALENTE
DE LA BIELA
𝑚𝑏𝑝 = 𝑚𝑏 𝐿𝑟 𝐿𝑏 = 𝑚𝑏0,25 𝑚𝑏𝑟 = 𝑚𝑏 𝐿𝑝 𝐿𝑏 = 𝑚𝑏 0,75ANÁLISIS DINÁMICO
𝐹𝑔 = 106(𝑝 − 𝑝0)𝐴𝑝 𝐹𝑗 = −𝑚𝑗𝑅𝜔2 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝜆 𝑐𝑜𝑠 2𝜑 𝐹𝑏 = 𝐹 cos 𝛽 𝑁 = 𝐹 𝑡𝑎𝑛𝛽 𝐹𝑟 = 𝐹 cos(𝜑+𝛽)cos𝛽 𝐾𝑡 = 𝐹 sen(𝜑+𝛽)cos𝛽 𝑀 = 𝑅 𝐾𝑡 = 𝑅 𝐹 sen(𝜑+𝛽)cos𝛽-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 -12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 0 200 400 600 800 Aceleració n
COMPORTAMIENTO CINEMÁTICO DEL PISTÓN a 4000 〖𝐦𝐢𝐧〗^(−𝟏)
v [m 𝐬^(−𝟐)] [m 𝐬^(−𝟏)] 𝝋 [°] -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 0 200 400 600 800 Fuerzas alternativas
[N] COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL PISTÓN
-2000 8000 18000 28000 38000 48000 58000 68000 0 200 400 600 800 Fuerzas de combustión [N]
COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL PISTÓN a 4000 〖𝐦𝐢𝐧〗^(−𝟏) FUERZA DE LOS GASES
-20000 -10000 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 0 200 400 600 800 Fuerzas alternativas Fuerza de los gases Fuerza Total
[N]
COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL PISTÓN a 4000 〖𝐦𝐢𝐧〗^(−𝟏) FUERZA TOTAL
-400 -200 0 200 400 600 800 1000 0 100 200 300 400 500 600 700 800
PAR INDICADO DE UN CILINDRO a 4000 min-1 N-m -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 0 200 400 600 800
PAR INDICADO DEL MOTOR a 4000 min-1
M total
209
4. CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y CÁLCULO DE LAS
PARTES DEL MOTOR
𝜎𝑓 = 0,25 𝑝𝑧 𝑚𝑎𝑥 ( 𝑑𝑖 𝛿𝑐𝑎𝑟𝑎)2 𝜎𝑐 = 𝑃𝑧 𝑚𝑎𝑥 𝐴𝐴−𝐴 = 𝑝𝑧 𝑚𝑎𝑥 𝐴𝑝 𝐴𝐴−𝐴 𝜎𝑓= 0,0045 𝑝𝑧 𝑚𝑎𝑥 (ℎ𝐷 𝑝𝑠) 2 𝜏 = 0,0314 𝑝𝑧 𝑚𝑎𝑥 (ℎ𝐷 𝑝𝑠) 𝜎𝜀 = 𝜎𝑓2 + 4𝜏2
𝜎𝑓 = 50 a 150 MPa pistones de aluminio 30 a 40 MPa
deben estar entre 30 y 40 MPa
𝑑𝑐𝑧 = 𝐷 1+𝛼𝑐 𝑡𝑐−𝑡0 −𝛥′𝑐𝑧
1+𝛼𝑝 𝑡𝑐𝑧−𝑡0
𝑑𝑓 = 𝐷 1+𝛼𝑐 𝑡𝑐−𝑡0 −𝛥′𝑐𝑧
1+𝛼𝑝 𝑡𝑓−𝑡0
En los motores con enfriamiento
líquido,𝑡𝑐=110 - 115 °C, 𝑡𝑐𝑧=220 - 320 °C, 𝑡𝑓= 150 - 200 °C para pistones de aleación de aluminio.
Cálculo de holguras para el diámetro del pistón CÁLCULO DE LA FALDA DEL PISTÓN 𝑝𝑓 = 𝑁𝑚𝑎𝑥 (𝐷 ℎ𝑓) 𝑝𝑓 =0,3 - 1,2 MPa
CÁLCULO DEL BULÓN A LA FLEXIÓN Y CIZALLADURA 𝑓 = 𝑃(𝐿1,2 𝑑𝑏+2𝐿𝑒𝑎−1,5𝐿𝑐𝑧𝑏) 𝑒3(1−4) 𝑃 = 𝑝𝑧𝑚𝑎𝑥𝐴𝑝 + 0,7 𝑃𝑗𝑔𝑝 = 𝑑𝑑𝑖 𝑒 𝜏 = 0.85 𝑃 (1+ +𝑑 2) 𝑒2(1−4)
Los esfuerzos tangenciales permisible 𝜏 = 80 - 250 MPa
El esfuerzo normal permisible durante la flexión
𝑓 = 200 - 250 MPa Cálculo del bulón a la ovalización
𝛥𝑑𝑚𝑎𝑥 = 0,09𝑃𝐸𝐿 𝑏 1 + 1− 3 𝐾 𝐾 = 1,5 − 15( − 0,4)3 𝛥𝑑𝑚𝑎𝑥0,001 𝑑𝑒
MATERIAL DENSIDAD kg/dm3 LÍMITE ELÁSTICO N/mm2 RESISTENCIA A LA TRACCIÓN N/mm2 ELONGACIÓN % MÓDULO DE ELASTICIDAD 10-3 Mpa COEFICIENTE DE POISSON BIELA DIN 34Cr4 ó 17.033 7,72 460 700 - 850 15 210 0,3 CUGUEÑAL SAE 4140 7,85 589 690 - 785 14 210 0,3 BULÓN BLOQUE DIN GGG-40 ó 0.7043 7,2 240 - 250 370 - 390 14 169 0,275 CULATA DIN GK-AlMg5Si ó 3.3261.02 2,6 110 - 150 180 - 240 2 a 5 75 0,33 PISTÓN
MATERIALES EMPLEADOS
SOFTWARE DE SIMULACIÓN
COMSOL Multiphysics:
“COMSOL Multiphysics, antes conocido como FEMLAB, es un paquete de software de análisis y resolución por elementos finitos para varias aplicaciones físicas y de ingeniería, en especial fenómenos acoplados o multifísicos; también ofrece una buena interfaz a MATLAB, y sus toolboxes proporcionan una amplia variedad de posibilidades de programación, preprocesado y postprocesado. Los paquetes de simulación del programa son multiplataforma (Windows, Mac, Linux, Unix), además de las interfaces de usuario convencionales basadas en física, COMSOL también permite entrar a sistemas acoplados de ecuaciones de derivadas parciales (EDP). COMSOL Multiphysics fue iniciado en 1986 por dos graduados del Instituto Real de Tecnología en Estocolmo Suecia, Svante Littmarck y Farhad Saeidi quienes lanzaron la primera versión del programa en 1998 y hoy en día son los presidentes de la compañía que produce y promueve el software, el cual en los años siguientes, los módulos de simulación del programa se fueron ampliando hasta obtener un
conjunto de disciplinas de simulación para varias aplicaciones en el campo de la física y la ingeniería”
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La metodología planteada en el capítulo uno acompañada de experiencia y practica con los motores de combustión interna puede ser implementada para determinar los parámetros geométricos de un nuevo motor, claro está que se deben estar actualizando las tablas con las tendencias de los motores modernos, desde la perspectiva del estudiante es una buena herramienta practica y orientativa.
Al simular la combustión para un motor diesel se han interiorizado los fundamentos físicos y químicos más generales que rigen el proceso, siendo consciente de que se han conseguido valores comparables con los de un motor real, se tiene pleno convencimiento de que el proceso de combustión es muy complejo y requiere mucha más profundidad, lo elaborado en este trabajo es una herramienta de gran utilidad para efectos de diseño y modelado estructural de un motor, sin embargo se recomienda profundizar mucho más en las leyes de quemado de combustible, liberación de calor y dosado de los motores.
La metodología implementada para el análisis dinámico ha resultado ser de gran utilidad, en este trabajo se ha programado de manera específica para el tipo de motor obteniendo buenos resultados, es necesario plasmar esta metodología en un lenguaje de programación más refinado y de mejores ventajas, así ofrecer una herramienta practica para los nuevos estudiantes.
Las formulas empleadas para el diseño de las partes en el cuarto capítulo han sido muy conservadoras, como se puede apreciar en los resultados de la simulación, siendo confiables se debe realizar un proceso de optimización una vez se hallan aproximado las medidas iniciales, lo cual se recomienda incluir en el siguiente trabajo de modelado.
AGRADECIMIENTOS
Al Ingeniero Juan Manuel Anduquia por su contribución en el desarrollo de los fundamentos matemáticos para simular el proceso de combustión.
Al Ingeniero Jhon Alexander Betancur Bueno por sus contribuciones al orden y presentación de los contenidos en el presente trabajo.
Al Ingeniero Richard Javier Montes por sus aportes en el proceso de simulación de esfuerzos y deformaciones.
Al Ingeniero Carlos Alberto Romero por su asesoría y buena dirección,
especialmente por la disposición y paciencia durante el tiempo empleado para ejecutar el proyecto.
