Diseño de banco de pruebas para analizar desgaste en materiales por fricción

Texto completo

(1)DISEÑO DE BANCO DE PRUEBAS PARA ANALIZAR DESGASTE EN M ATERIALES POR FRICCIÓN.. XIM ENA TORRES M ENDEZ. P royecto de grado presentado a la Universidad De Los Andes como requisito parcial de grado del programa de Ingeniería Mecánica. ASESOR ING. JAIM E LOBOGUERRERO U. PhD.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAM ENTO DE INGENIERIA M ECANICA BOGOTA, ENERO DE 2006.

(2) IM-2005-II-41. TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN __________________________________________________1. 2. OBJETIVOS ______________________________________________________3. 3. JUSTIFICACIÓN. _________________________________________________4. 4. HIDRÓGENO COM O COM BUSTIBLE._______________________________6. P ROPIEDADES FÍSICAS DEL HIDRÓGENO______________________________________ 6 5 5.1 5.2 5.3. CARACTERÍSTICAS UNA CÁMARA DE COM BUSTIÓN._______________9 REACCIÓN A IRE HIDRÓGENO ________________________________________ 9 CICLO DE OTTO A NÁLISIS TERMODINÁMICO DE UN MOTOR ________________ 11 A NÁLISIS DINÁMICOS MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA. _________________ 17. 6. DESCRIPCIÓN DE PARÁM ETROS A REPRODUCIR ________________ 24. 7. DISEÑO. _______________________________________________________ 25. 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6. ESTRUCTU RA DE SOPORTE: ________________________________________ RODAMIENTOS: __________________________________________________ SISTEMA DE T RACCIÓN: ___________________________________________ PORTA P ROBETAS. _______________________________________________ EJES.__________________________________________________________ SISTEMA DE TRANSICIÓN DE CARGA. _________________________________. 26 27 27 28 28 29. 8. SELECCIÓN DE MATERIALES. __________________________________ 31. 9. PRUEBAS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS._________________________ 34. 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5. P ROCEDIMI EN TO . ________________________________________________ P RUEBA INICIAL 0 ________________________________________________ P RUEBA 1 ______________________________________________________ P RUEBA 2 CROMO DURO –A LUMINIO_________________________________ P RUEBA 3 GRAFITO –A LUMINIO . _____________________________________. 34 35 36 38 41. 10 COM ENTARIOS Y CONCLUSIONES. ______________________________ 43 11 REFERENCIAS _________________________________________________ 45 12 ANEXOS _______________________________________________________ 46. i.

(3) IM-2005-II-41. INDICE DE FIGURAS. FIGURA 1 EMISIONES EN LA COMBUSTIÓN DE HIDRÓGENO COMO FUNCIÓN DE LA RELACIÓN ES TEQUIOMÉTRICA.. __________________________________________ 11. FIGURA 2 EMISIONES EN LA COMBUSTIÓN DE GASOLINA _________________________ 11 FIGURA 3 CICLO DE UN MOTOR DE CUATRO TI EMPOS.____________________________ 12 FIGURA 4 GRAFICAS P -V Y T -S CICLO DE OTTO ________________________________ 12 FIGURA 5 GEOMETRÍ A DEL MOTOR A ANALIZAR. ________________________________ 14 FIGURA 6 MECANISMO PISTÓN.______________________________________________ 17 FIGURA 7 POSICIÓN DEL PISTÓN _____________________________________________ 19 FIGURA 8 VELOCIDAD DEL PISTÓN . __________________________________________ 20 FIGURA 9 A CELERACIÓN DEL PISTÓN . ________________________________________ 20 FIGURA 10 DIAGRAMA DE CU ERPO LIBRE PARA CADA UNO DE LOS COMPONENTES. ____ 21 FIGURA 11 P RESIÓN DEL GAS PARA EL TRAMO DE 360º A 540º____________________ 21 FIGURA 12 FUERZA 1-4 SOBRE EL PISTÓN . ___________________________________ 23 FIGURA 13 P RESIÓN DE CONTACTO ENTRE LAS 2 SUPERFICI ES. ____________________ 23 FIGURA 14 MONTAJE DEL BANCO DE PRU EBAS DENTRO DEL HORNO ________________ 26 FIGURA 15 ESTRUCTU RA DE SOPORTE _______________________________________ 26 FIGURA 16 DETALLE DE LOS RODAMI EN TOS ___________________________________ 27 FIGURA 17 PORTA PROBETAS _______________________________________________ 28 FIGURA 18 PORTA PROBETAS Y EJE HU ECO . ___________________________________ 29 FIGURA 19 DETALLE DEL SISTEMA DE APLICACIÓN DE CARGA _____________________ 30 FIGURA 20 PROBETAS DE A C ERO Y ALUMINIO LISTA PARA PRU EBAS. ________________ 37 FIGURA 21 P ROBETAS PRU EBA 1 DESPU ÉS DE 2 HORAS. _________________________ 38 FIGURA 22 P ROBETAS DE AC ERO Y ALUMINIO DESPU ÉS DE 4 HORAS._______________ 38 FIGURA 23 PROBETAS DE CROMO DURO -ALUMINIO LISTAS PARA LA PRU EBA __________ 39 FIGURA 24 P ROBETAS DE CROMO DURO -ALUMINIO DESPU ÉS DE UNA HORA__________ 39 FIGURA 25 P ROBETAS DE CROMO DURO Y A LUMINIO DESPU ÉS DE 2.5 HORAS. _______ 40 FIGURA 26 PROBETAS DE G RAFITO Y ALUMINIO . ________________________________ 41 FIGURA 27 P ROBETAS DE ALU MINIO Y GRAFITO DESPU ÉS DE 4 HORAS. _____________ 42. ii.

(4) IM-2005-II-41. INDICE DE T ABLAS.. T ABLA 1 P ROPIEDADES DE HIDRÓGENO , METANO , P ROPANO Y GASOLINA. ________ 8 T ABLA 2 RESULTADOS PRU EBA DE ALU MINIO CONTRA HIERRO . _________________ 36 T ABLA 3 RESULTADOS PARA LA PRU EBA A LUMINIO - A CERO . ___________________ 37 T ABLA 4 RESULTADO DE LA PRU EBA C ROMO DURO -ALUMINIO__________________ 40 T ABLA 5 RESULTADOS DE LA PRU EBA GRAFITO A LUMINIO . ____________________ 41. iii.

(5) IM-2005-II-41. 1. INTRODUCCIÓN. La necesidad de mejorar las condiciones de contaminación ambiental a nivel mundial ha generado la obligación de remplazar el petróleo por una fuente de energía no solo más limpia sino también renovable. Aunque el petróleo no es la única fuente contaminante, es la principal; ya que es la fuente de energía mas utilizada por los diferentes medios de transporte, generando grandes cantidades de gases como CO2, CO y NOx productos tóxicos tanto para la salud humana como para el entorno ambiental. Debido a esto desde finales del siglo XX se han venido investigando diferentes alternativas para remplazar los derivados de petróleo utilizados en los motores de combustión interna, el objetivo principal ha sido buscar fuentes alternas de combustible que generen mínimas cantidades de emisiones contaminantes. Como resultado de estos desarrollos hemos visto diferentes alternativas, como los motores eléctricos, los cuales tienen una baja acogida debido a su baja autonomía, los vehículos con motores que funcionan con GNL, con mezclas gasolina o DIESEL con diferentes sustancias para formar los Bio-combustibles. En la actualidad ya se encuentran en desarrollo varios modelos de vehículos diseñados de fábrica que utilizan el hidrógeno como combustible como son: Mazda que preparaprepara para 2008 una mini furgoneta con motor de hidrógeno y combustible, Honda, con el modelo FCX, Ford con el Focus C-MAX entre otros, con los cuales se han obtenido muy buenos resultados, pero todos con una característica en común, continúan utilizando aceites y grasas derivados del petróleo para su funcionamiento. Esto lleva a que el objetivo final de estos desarrollos se vea un poco opacado ya que los aceites y grasas utilizados para la lubricación de partes como los pistones y camisas, contaminan el proceso de combustión elevando los niveles de producción residuos como el NOx y el CO2.. 1.

(6) IM-2005-II-41. Viendo esto, se ha venido investigando sobre la posibilidad de modificar o reemplazar los materiales. de los elementos que en la actualidad requieren la. utilización de lubricantes, por otros que no lo requieran, pero que a la vez tengan las mismas características de resistencia al desgaste y. a la temperatura. así. como las demás características para su buen funcionamiento. En este proyecto se explora la posibilidad de utilizar, para elementos rozantes de un motor a pistón, combinaciones de diversos materiales en seco, sin lubricación. 2.

(7) IM-2005-II-41. 2. OBJETIVOS. El objetivo general de este proyecto es el diseño y construcción de un banco de pruebas para ver desgaste en materiales sometidos a fricción, simulando las condiciones internas de un motor. de combustión interna a. hidrógeno sin lubricación con hidrocarburos. Esto con el fin de buscar y analizar materiales que puedan ser utilizados para la fabricación de pistones, camisas y anillos para motores de combustión a hidrógeno, que no requieran la utilización de lubricantes derivados del petróleo ya que estos son una fuente contaminante no solo cuando están presentes en la combustión, sino en su fabricación misma P ara esto inicialmente se requiere conocer las condiciones tanto dinámicas como termodinámicas a las que van a ser sometidos estos elementos; así como los limites de desgaste permitidos; para así diseñar un banco de pruebas para duplicar estas características.. 3.

(8) IM-2005-II-41. 3. JUSTIFICACIÓN.. En respuesta a las necesidades de la industria, de tener materiales altamente resistentes que puedan ser sometidos cada vez a condiciones más severas, se encuentra una continua búsqueda de materiales de alto rendimiento que presenten mejores propiedades de resistencia al choque térmico, resistencia a la oxidación y corrosión y características de resistencia mecánica superiores. Esto llevado a enfocarse en los materiales cerámicos avanzados ya que para estos materiales sus características se mantienen hasta su punto de fusión dando excelentes características mecánicas a altas temperaturas. Los Materiales utilizados para los motores de combustión interna deben presentar varias características especiales para satisfacer las necesidades de operación, estas características incluyen: mayor vida útil, baja fricción, muy buena resistencia al desgaste, alta temperatura de operación, buena resistencia al choque térmico, y resistencia ante ambientes corrosivos. En adición los materiales deben mantener estas características a altas temperaturas. P or estos requerimientos, las investigaciones y desarrollos se han enfocado en los materiales cerámicos principalmente, buscando desarrollar soluciones para alguno de estos dos enfoques: −. Como materiales substitutos para partes del motor como las camisas, los pistones, las válvulas o los turbo cargadores.. −. Como medios para reducir problemas ambientales como el uso de hidrocarburos la emisión de monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y material particulado.. Se ha venido desarrollando varios prototipos de componentes cerámicos no solo para motores de combustión interna sino también para turbinas, en general las investigaciones −. 1. tienen unas justificaciones en común como son:. Baja fricción de los componentes.. 1 Re fe re ncia 8. 4.

(9) IM-2005-II-41. −. Si se manejan materiales cerámicos todas las partes tiene una expansión térmica similar lo que puede llevar a un juego entre pistón y camisa de hasta 2 micras, previendo un sellado suficiente tal que no se requieran anillos , eliminando así el uso de lubricantes. −. Las partes tiene un menor peso, produciendo así menos pérdidas inerciales.. −. Los materiales cerámicos pueden ser inertes en ambientes corrosivos, dando viabilidad para utilizar combustibles que. antes no se podían. utilizar por los componentes metálicos. −. Se generarían motores con menos costos de mantenimiento y con una vida útil mucho mayor.. Entre las investigaciones2 se encuentran componentes cerámicos principalmente de materiales como Carburo de silicio y nitruro de silicio argumentando su buen funcionamiento a elevadas temperaturas su buena resistencia al desgaste, pero con desventajas tales como su dificultad para ser maquinados y su alto costo. Otros materiales como el Zirconio. y la Alumina han hecho parte de estas. investigaciones. costo. teniendo. menor. pero. presentando. problemas. de. transformación de fase. Una investigación realizada por El Israel Institute of Technology muestra pruebas realizadas. modificando un motor. de laboratorio Petter AV1 de camisas. producidas en silicato del nitruro acopladas a un motor diesel con pistones en aluminio, los resultados muestran buenos comportamientos de desgaste pero problemas en el acople da la camisa con el bloque llevando a una vida útil muy corta para las camisas.. 2. Referencia 10. 5.

(10) IM-2005-II-41. 4. HIDRÓGENO COM O COM BUSTIBLE.. El hidrógeno aunque. ocupa el alrededor del 75% de los átomos del. universo no se encuentra como un combustible primario, es decir no puede ser obtenido directamente y es producido a partir de fuentes fósiles o idealmente del agua. Es un combustible limpio que tiene como residuos únicamente vapor de agua Propiedades físicas del hidrógeno. Es incoloro como líquido, como vapor es incoloro, inoloro y altamente inflamable Tiene el uno de los menores puntos de ebullición de todas las sustancias, seguido únicamente por el Helio, tiene su punto de ebullición en 20K y su punto de fusión en 14 K a presión atmosférica. Aunque no es tóxico puede causar asfixia ya que desplaza el oxigeno del aire. Su densidad como vapor a 20 ºC y 1 atm es 0.08376 Kg./m3 y como liquido a 1 atm es 70.8 Kg./m3 El hidrógeno está cerca de ser el combustible ideal en cuanto a reducción de smog se trata, ya que al no contener ni carbonos ni sulfuros no tiene residuos contaminantes como CO, CO2 o SOx, siempre en cuando no existan trazas de lubricantes en la cámara de combustión, lo cual produciría este tipo de gases. El Hidrógeno tiene un amplio rango de flamabilidad (entre 4 y 75 % ) 3 en comparación con otros combustibles, los que lleva a que el hidrógeno pueda a ser utilizado en un amplio rango de mezcla combustible/aire, Haciendo posible trabajar con mezclas pobres. produciendo una combustión mas completa, con. menor temperatura final lo que permite una menor producción de contaminantes. 3. Referencia 13. 6.

(11) IM-2005-II-41. como óxidos nitrosos, Aunque existe un límite de que tan pobre puede ser la mezcla para evitar el exceso de pérdida de potencia del motor P ara trabajar motores con hidrógeno, se debe tener en cuenta la baja energía de ignición que tiene el hidrógeno ya que es hasta una magnitud menor a la de los combustibles tradicionales y puede producir ignición cuando en la cámara se encuentren puntos calientes. La temperatura de auto ignición es relativamente alta 858 ºC lo que hace difícil que la mezcla de hidrógeno-aire se inflame cuando entre a una cámara caliente, también es un factor determinante en la determinación de la relación de compresión a utilizar, ya que el aumento de temperatura está directamente relacionado con el radio de compresión, esto hace que en motores a hidrógeno se puedan utilizar radios de compresión mayores a los que se utilizan en motores a gasolina, optimizando su eficiencia térmica.. La velocidad de llama presentada por el hidrógeno, es hasta 10 veces mayor a la presentada por otros combustibles tradicionales, esto lo hace acercarse mas al ciclo termodinámico ideal, aumentado así su eficiencia Su alta difusividad o facilidad para dispersarse en el aire trae dos ventajas, en primer lugar facilita la formación de una mezcla uniforme cuando es combinado con el aire y evita accidentes en caso que se presente una fuga ya que se dispersa rápidamente evitando niveles de concentración tóxicos. A continuación se presenta una tabla comparativa de las diferentes propiedades mencionadas entre el Hidrógeno y otros combustibles tradicionales.. 7.

(12) IM-2005-II-41. Propiedad Peso Molecular Densidad de Gas (g/cm3) Limite de Flamabilidad en aire, vol % Li mi te de detonabilidad en aire, vol % Minima energia de ignicion en aire (mJ) Temperatura de Auto Ignici on (K) Temperatura de ll ama adiabati ca (k) Energia de Explocion (g TNT/g Combustible). H2 2.016 0.0838 4-75 18.3-59 0.02 858 2318 24. Metano CH4 Propano C3H8 16.4 44.094 0.6512 1.87 5.3-15.0 21-95 6.3-14 0.3 0.26 813 760 2148 2385 11 10. Tabl a 1 P ropiedades de Hidrógeno, Metano, P ropano y gasolina.. Gasolina 107 4.4 1.0-7.6 1.1-3.3 0.24 501-744 2470 10. 4. La gran desventaja del hidrógeno se encuentra en el almacenaje debido a su baja densidad de requieren grandes tanques para su almacenamiento, los cuales deben ser diseñados para resistir las temperaturas criogénicas que se presentan al aumentar la presión de los tanques.. 4. Tomado de referencia 5. 8.

(13) IM-2005-II-41. 5. CARACTERÍSTICAS UNA CÁM ARA DE COM BUSTIÓN.. Inicialmente para conocer las características a las cuales están sometidos los diferentes materiales que hacen parte de la cámara de combustión. de un. motor, se debe partir del análisis termodinámico del mismo, teniendo en cuenta las diferentes concentraciones combustible aire que se pueden presentar.. 5.1. Reacción Aire Hidrógeno. La reacción teórica de la combustión del hidrógeno con el oxigeno es como se muestra a continuación.. 2H2 + O2= 2H2O Debido a la composición del aire 21% oxígeno,. 79% nitrógeno, este último se. debe tener en cuenta en la reacción, la cual se modifica y queda así: Moles de N2 en el aire. = Moles de O2 x (79% N2 en el aire / 21% O2 en el aire) = 1 mol de O2 x (79% N2 en el aire / 21% O2 en el aire) = 3.762 moles N 2. Numero de moles en el aire= Moles de O2 + moles de N2 = 1 + 3.762 = 4.762 moles de aire P eso del O2. = 1 mol de O2 x 32 g/mol = 32 g. 9.

(14) IM-2005-II-41. P eso del N2. = 3.762 moles de N2 x 28 g/mol = 105.33 g. P eso del aire. = P eso del O2 + P eso del N (1) = 32g + 105.33 g. P eso del H2. = 2 moles de H2 x 2 g/mol = 4g. La relación estequiométrica aire hidrógeno Aire /H2 masa. =masa del aire/ masa del hidrógeno = 137.33 g / 4 g = 34.33:1. Aire /H2 volumen. =volumen del aire/ volumen del hidrógeno = 4.762 / 2 = 2.4:1. Ya que el hidrógeno tiene un amplio rango de flamabilidad, los motores a hidrógeno pueden trabajar en cualquier relación entre la estequiométrica 34: 1 a 180:1; La relación Aire /H2 también puede ser expresada en términos de la relacion de equivalencia phi (Φ) que es la relación estequiométrica dividida la relación utilizada. Si se utiliza una mezcla teórica se tendrá un phi igual a 1, para mezclas pobres como las que se utilizan phi debe ser menor que 1. Según un estudio publicado Unidos. por el Departamento de Energía de Los Estados. donde muestra los niveles de emisiones para. diferentes valores de Φ. tanto para el hidrógeno como para otros combustibles, como se muestran en las graficas5. y. se puede ver que trabajar con un Φ de 0.5 reducen casi a las. emisiones de NOx.. 5. Recuperado el 06 de septiembre de la pagina de Internet www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/ tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf. 10.

(15) IM-2005-II-41. Figura 1. Emisiones en l a combustión de hidrógeno como función de l a rel ación. estequiométrica.. Figura 2 Emisiones en l a combustión de Gasol ina. Reduciendo las emisiones de gases contaminares como NOx, hay que tener en cuenta que lo único que deja la oxidación del Hidrógeno con el aire es agua en forma de vapor, lo cual podría influir en la vida útil diferentes partes de la cama de combustión, si se utilizan los materiales tradicionales ya que la presencia del agua puede producir corrosión y desgaste corrosivo.. 5.2. Ciclo de Otto Análisis termodinámico de un motor. Los motores de combustión interna aunque no tiene un ciclo termodinámico como tal, se asemejan en el comportamiento al ciclo de cuatro tiempos de Otto.. 11.

(16) IM-2005-II-41. El ciclo de cuatro tiempos como se muestra en la figura 3 puede ser explicado de la siguiente forma por medio de los diagramas P -v y T -s de la figura 4.. Figura 3 cicl o de un motor de cuatro tiempos.6. Figura 4 Graficas P-v y T-s Cicl o de Otto7. El proceso 1-2: compresión isentrópica justo después que la válvula de ingreso de combustible se cierra, a medida que el pistón se mueve del P MI (punto muerto inferior) al P MS (punto muerto superior) la temperatura aumenta. Durante 2-3 cuando el pistón se encuentra en el P MS, a volumen constante calor es añadido a la mezcla por medio de la chispa que produce la bujía, lo cual. 6 7. Tomado referencia 1 pag 625 Tomado de referencia 2 pag 388. 12.

(17) IM-2005-II-41. produce la reacción que genera un aumento casi instantáneo en la temperatura y la presión en el gas. P roduciendo así un desplazamiento del pistón. El desplazamiento producido en la etapa 3-4 es una expansión isentrópica que lleva al pistón al P MI para así empezar la carrera de escape. Analizando el comportamiento de cada una de las etapas se tiene: P or la primera ley de la termodinámica se tiene para el ciclo:. (Qin − Qout ) + (Win − Wout ) = ΔU Qin = U 3 − U 2 = Cv ⋅ (T3 − T2 ) Qout = U 4 − U1 = Cv ⋅ (T4 − T1 ). P ara Cada etapa: Carrera de Admisión: Entrada del aire y del hidrógeno a la cámara, las condiciones de presión y temperatura se conservan iguales a las ambientales. T1 = 25º C P1 = 101.3 KPa Entre 1-2 Proceso compresión isentrópica La relación de compresión y geometría para optimizar la potencia y evitar la auto ignición fueron tomadas del proyecto de grado “Comportamiento de una Cámara de Combustión de un Motor de Hidrógeno”8 el resumen se encuentra en la figura 5.. 8. Referencia 6. 13.

(18) IM-2005-II-41. Figura 5 Geometría del motor a anal izar.9. s1 = s2 ⎛ V1 ⎞ ⎜⎜ ⎟ = Rc Re lacion de comprecion ⎟ ⎝ V2 ⎠ Rc= 10.1. Cp = Razon de Calores especifi cos Cv k = 1.403 k=. T2 ⎛ V1 ⎞ =⎜ ⎟ T1 ⎜⎝ V 2 ⎟⎠. k −1. P2 ⎛ V1 ⎞ =⎜ ⎟ P1 ⎜⎝ V2 ⎟⎠. k. T2 = Rc k −1 T1. P2 = Rc k P1. T 2=. 757.14 K. P 2=. 2598.19 KP a. Esta T emperatura es aceptable ya que no sobrepasa la temperatura de autoignición del hidrógeno, lo cual produciría fenómenos como pre-ignición lo que afecta el desempeño del motor.. 9. Referencia 6. 14.

(19) IM-2005-II-41. Para 2-3 Adición de calor a volumen constante En esta etapa se genera la temperatura y la presión críticas justo después que la chispa es encendida por la bujía lo cual genera un calor Qin .. Qin =. mf ΦFs ⋅ qc = q 10 m 1 − ΦFs c. En donde Fs= Relación estequiométrica Combustible-aire en masa 1/34 Φ= mezcal pobre 0.5 qc =Calor de combustión del hidrógeno Qc= 141.6MJ/Kgmezcla. 1 34 141.6 Qin = 1 1 − 0.5 ⋅ 34 Qin = 2052.17 MJ 0.5 ⋅. Entonces:. Qin = Cv ⋅ (T3 − T2 ) T3 =. Qin + T2 Cv. T3 P3 = T2 P2 T P3 = 3 P2 T2 T 3=. 2049.18 K. P 3=. 7031.95 KP a. 10. Tomado de Ferguson y Kirkpatrick;”Internal combustión Engines: Applied Thermosciences”, Wiley, 2da edicion 2001. 15.

(20) IM-2005-II-41. Para 3-4 Carrera de Expansión Isentrópica. T3 ⎛ V 4 ⎞ =⎜ ⎟ T4 ⎜⎝ V 3 ⎟⎠. k −1. P3 ⎛ V4 ⎞ =⎜ ⎟ P4 ⎜⎝ V3 ⎟⎠. k. T3 = Rc k −1 T4. P3 = Rck P4. T 4=. 805.35 K. P 4=. 272.294 KP a. En las carrera de escape, la válvula es salida se abre y la cámara vuelve a la presión ambiental. La eficiencia térmica de este ciclo se puede encontrar así:. ηt =. Qin − Qout Q m ⋅ Cv ⋅ (T4 − T1 ) = 1 − out = 1 − Qin Qin m ⋅ Cv ⋅ (T3 − T2 ). ⎛T ⎞ T1 ⋅ ⎜⎜ 4 ⎟⎟ − 1 ⎝ T1 ⎠ ηt = ⎛T ⎞ T2 ⋅ ⎜⎜ 3 ⎟⎟ − 1 ⎝ T2 ⎠ Y como. T3 T4 = T2 T1. ηt = 1 −. T1 1 = 1 − Rc (1−k ) η t = 1 − (k −1) T2 Rc. Es decir, la eficiencia de un ciclo de Otto aumenta al aumentar la relación de compresión,. 16.

(21) IM-2005-II-41. T eniendo una eficiencia del 60.62 % P ara una relación de compresión de 10.1,. 5.3. Análisis dinámicos Motor de combustión interna.. En un motor los pistones están conectados a la biela por medio de un pasador, lo cual permite que el empuje lateral de la biela al cigüeñal se transmita a los anillos y la parte lateral (falda) del pistón, produciendo grandes presiones de contacto entre la falda del pistón y la sección correspondiente de la pared del cilindro. P ara conocer cuales son las condiciones de fuerza, presión y velocidad a las cuales esta sometido el conjunto de pistón, camisa y anillos para poder simular así como podría llegar a ser el desgate por fricción debemos conocer el análisis dinámico del mecanismo. En los motores de combustión interna el funcionamiento del pistón se modela como un mecanismo de cuatro barras manivela – corredera, como se muestra en la figura 6, en donde se enumera cada uno de los componentes.. Figura 6 mecanismo pistón 11 . Aquí se puede apreciar como se genera el movimiento del pistón, la mezcla confinada entre cilindro y el pistón, desplaza el pistón hacia el P MI. 11. Referencia 1 pag 658. 17.

(22) IM-2005-II-41. Análisis de posición y velocidad del pistón: Como se muestra en la figura r= Longitud de la manivela l= Longitud de la Biela x= posición del pistón ω= Velocidad angular φ= ωt Entonces:. l ⋅ sen(φ ) = r ⋅ sen(ω ⋅ t ). q = r ⋅ sen (ω ⋅ t ) s = r ⋅ cos (ω ⋅ t ) u = l cos(φ ) x= s +u x = r ⋅ cos(ω ⋅ t ) + l cos(φ ). cos(φ ) = 1 − sen 2 (φ ) ⎛r ⎞ cos(φ ) = 1 − ⎜ sen(ω ⋅ t ) ⎟ ⎝l ⎠. 2. ⎛r ⎞ x = r cos(ω ⋅ t ) + l ⋅ 1 − ⎜ sen(ω ⋅ t ) ⎟ ⎝l ⎠. 2. 18.

(23) IM-2005-II-41. Derivando con respecto al tiempo se tienen la velocidad y la aceleración.. ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ • r sen(2ω ⋅ t ) ⎢ ⎥ x = rω ⎢ sen(ω ⋅ t ) + ⎥ 2 2l r ⎛ ⎞ ⎢ 1 − ⎜ sen(ω ⋅ t )⎟ ⎥⎥ ⎢ ⎝l ⎠ ⎦ ⎣ ⎡ •• r l 2 1 − 2 cos 2 (ω ⋅ t − r 2 sen 4 (ω ⋅ t ) x = rω ⎢cos(ω ⋅ t ) − 3 ⎢ 2 2 2 l − rsen(ω ⋅ t ) ⎣. [ (. ). [ (. )]. ]⎤⎥ ⎥ ⎦. Simplificando las ecuaciones con el teorema de binomios. r2 r ⎛ ⎞ + r⎜ cos(ω ⋅ t ) + cos(2ω ⋅ t ) ⎟ 4l 4l ⎠ ⎝ • r ⎛ ⎞ x ≅ rω ⎜ sen(ω ⋅ t ) + sen (2ω ⋅ t ) ⎟ 2l ⎝ ⎠ •• r ⎛ ⎞ x ≅ rω 2 ⎜ cos(ω ⋅ t ) + cos( 2ω ⋅ t )⎟ l ⎝ ⎠ x ≅ 1−. T eniendo una velocidad angular promedio de 3000RP M Posición.. Posició n. (m). 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0. 180. 360. 540. 720. Angu lo. Figura 7 posición del pistón. 19.

(24) IM-2005-II-41. Velocidad. Velo cidad (m/s). 10 5 0 0. 180. 360. 540. 720. -5 -10 Ang ulo. Figura 8 Vel ocidad del pistón. Ace le ración. Aceleración (m/s2). 2000 1000 0 -1000. 0. 180. 360. 540. 720. -2000 -3000 An gulo. Figura 9 Acel eración del pistón.. Análisis de Fuerzas sobre el pistón. La figura 10 muestra los diagramas de cuerpo libre para cada uno de los componentes del mecanismo.. 20.

(25) IM-2005-II-41. Figura 10 Diagrama de cuerpo l ibre para cada uno de l os componentes.12. P artiendo de la presión producida por la combustión del gas y enfocándose en la presión que ejerce el pistón sobre la camisa F14 T omando solo el tramo crítico la presión del gas:. Presión del gas. P (KPa). 8000 6000 4000 2000 0 360. 400. 440. 480. 520. De splazamie nto (Grados) Figura 11 Presión del gas para el tramo de 360º a 540º. 12. Referencia 1 pag 658. 21.

(26) IM-2005-II-41. Fg = Pg ⋅ A p Ap =. π. ⋅Rp. 4. F14 = Fg ⋅ tan(φ ) F14 =. π. Pg ⋅ R p tan(φ ) 2. 4. Simplificando:. F14 =. π 4. ⋅ Pg ⋅ R p ⋅. r sen (ω ⋅ t ) l ⎛r ⎞ 1 − ⎜ sen (ω ⋅ t ) ⎟ ⎝l ⎠. 2. T eniendo en cuenta las fuerzas inerciales producidas por la aceleración de las masas se tiene. FiP=fuerza inercial de la masa del pistón Fip= fuerza inercial por la masa del pasador mp= masa del pistón. mpa= masa del pasador.. F = F14 + FiP + Fipa F = Fg tan(φ ) + mPa P tan(φ ) + m paa P tan(φ ) F = ((m p + m pa )a p + Fg )⋅ tan(φ ). Las Figuras 12 y 13 muestran la presión y fuerza producida por el gas sobre las paredes de las camisas, solo se muestra en el tramo de 360ª a 540 ª ya que es donde se encuentran los momentos críticos.. 22.

(27) IM-2005-II-41. Fuer za Sobre la Falda del Piston 3000 Fuerza (N). 2500 2000 1500 1000 500 0 360. 400 440 480 520 De splazamiento (gr ados). Figura 12 fuerza 1-4 sobre el pistón.. Pre sión de cont acto pistón Camisa.. Presión (KPa) ). 160 0 140 0 120 0 100 0 8 00 6 00 4 00 2 00 0 3 60. 40 0 440 480 520 De splazamiento ( grados). Figura 13 Presión de contacto entre l as 2 superficies.. 23.

(28) IM-2005-II-41. 6. DESCRIPCIÓN DE PARÁM ETROS A REPRODUCIR. P ara el diseño del banco de pruebas se busca recrear las condiciones a las que. están. sometidos. los. materiales,. comportamiento de los mismos,. para. así. poder. ver. cual. será. el. bajo las mismas condiciones de velocidad,. presión y temperatura, pero sin la presencia de lubricantes. P or esto se partió del análisis del motor, como resultado se tienen las condiciones criticas, pero lo que se busca es reproducir un estado promedio de estos 3 factores. Como se vio anteriormente, una velocidad promedio a la que puede trabajar el motor es 2500 RP M lo cual produce, para el motor que se esta analizando, una velocidad lineal promedio de 2.6 m/s. En cuanto a la presión de contacto la cual varía entre 0 y 90KP a con un promedio de 54 KP a En cuánto a la temperatura esta también varía desde el estado de un motor en frió, hasta la máxima que se presenta cuando se produce la combustión, teniendo un promedio de 240 ºC.. 24.

(29) IM-2005-II-41. 7. DISEÑO.. P ara el diseño del banco de pruebas,. se partió del requisito de. mantener las condiciones que se describieron en el capítulo anterior, pero teniendo facilidad de poder variarlas, a necesidad. P or esto se escogió diseñar un sistema que pudiera de ser introducido en un horno o mufla, según los rangos de temperatura que se quisieran manejar; inicialmente se planeó trabajar con un Horno del CIPP: horno marca Thermoline que maneja temperaturas hasta 260º C. El primer requisito fue que el sistema tuviera la facilidad de ser desarmado para poder ser puesto y retirado del horno con facilidad, para esto se fabricó una estructura que da soporte al sistema, la cual va ubicada fuera del horno, dentro de el horno solo se van a encontrar los elementos a ser probados, los cuales van ubicados dentro de dos porta probetas que a su vez van conectados a la parte exterior, por medio de dos ejes, uno que se mantiene fijo, ejerciendo presión para mantener las muestras en contacto y el otro, un eje hueco (por donde se introduce el eje fijo) que va conectado a una polea para trasmitir el movimiento giratorio que producirá la fricción entre las dos superficies.. A continuación se encuentra la descripción de cada una de las partes del sistema.. 25.

(30) IM-2005-II-41. Figura 14 montaje del banco de pruebas dentro del horno. 7.1. Estructura de soporte:. Como se muestra en la figura 14 y en el anexo 6 la estructura está compuesta por perfiles huecos, cuadrados en acero, de 1 pulgada de ancho y 1/16” de espesor, soldados para formar un marco, adicionalmente cuenta de una estructura para ubicar los rodamiento que guían al eje de movimiento, esta estructura. como se puede ver en el 5 cuenta con ranuras para deslizar los. rodamientos y así poder tensionar la correa que transmite la potencia.. Figura 15 Estructura de soporte. 26.

(31) IM-2005-II-41. El calculo de la estructura se hizo en las partes criticas, dos vigas que resisten el peso muerto con el que se ejerce la presión, como se muestra a continuación se trabajo con un peso muerto máximo de 30 Kg. y un factor de seguridad de 1.5. 7.2. Rodamientos:. Se utilizaron dos rodamientos de bolas con chumacera tipo UCF 204 -12U, colocados de forma opuesta como se muestra en la figura 16 para asegurar la posición del eje; por catálogo estos rodamientos resisten una carga estática13 de 12.5KN, para una velocidad máxima de 5000RP M.. Figura 16 detal l e de l os rodamientos. 7.3. Sistema de T racción:. P ara el sistema de tracción se utilizaron poleas. con relación 3 a 1 (anexo 8). conectadas por medio de una banda. Como Fuente de potencia se utilizó un motor de 1/16 HP que opera a 1620 RP M, para dar a las prueba una velocidad lineal promedio de 4.5m/s.. 13. Recuperado de la pagina http://www.skf.com/portal el 15 de noviembre de 2005.. 27.

(32) IM-2005-II-41. 7.4. Porta Probetas.. Los porta pobretas son las piezas en donde van los elementos que van a ser probados, como se mencionó anteriormente el diseño se basa en dos elementos, uno fijo y otro que gira, para así poder producir la fricción. El elemento que gira, va conectado por medio de soldadura al eje hueco, este elemento es un disco con tres cavidades para las muestras, como se ven en la figura 17.. Figura 17 porta probetas. El disco fabricado en acero inoxidable AISI 304 tiene un diámetro de 2.25 pulg., un espesor de 0.5 pulg., tres cavidades de 0.5 pulg. repartidas equidistantemente a 1/16 pulg. del borde como de muestra en el anexos 1-2, tiene un hueco pasante de 0.75 pulg., por donde atraviesa el eje fijo, Las probetas que van en este elemento son cilindros de 0.5 pulg. de diámetro y 0.5pilg de longitud como se aprecia en el anexo 3. El elemento fijo va conectado por medio de soldadura al eje que transmite la carga; este elemento fabricado en acero inoxidable AISI 304, tiene una cavidad para poner el disco de la muestra, como se ve en el anexo 3 y el la figura 17, la muestra, es un disco de 2 pulg de diámetro con un hueco pasante de 0.5 pulg. en el centro, con cuatro cortes en la partes inferior para impedir que el disco gire 7.5. Ejes.. El sistema cuenta con dos ejes, el primero, que transmite el movimiento, es un eje hueco en acero inoxidable AISI 304 de ¾ pulg de diámetro y espesor de 1/16. 28.

(33) IM-2005-II-41. pulg., con una longitud de 35 cm. Como se muestra en la figura 18 va soldado en un borde al elemento porta probetas.. Figura 18 porta probetas y eje hueco.. El otro eje, el que transmite la carga, tiene un diámetro de 1/4 pulg. y una longitud de 42 cm para que sobresalga del eje hueco y pueda ser conectado al sistema de transición de carga, como de aprecia en la figura 14. Adicionalmente para evitar el contacto entre los dos ejes, para evitar la vibración y asegurar la posición del eje fijo (el que va por dentro) ya que un eje va ubicado dentro del otro, se fabricaron dos bujes de teflón de 10 cm de longitud cada uno.. 7.6. Sistema de transición de carga.. P ara asegurar la presión de contacto entre las dos superficies, se diseño un sistema que por medio de poleas y cable, transmite fuerza hacia arriba asegurando que las dos superficies tengan una presión de contacto controlada, por medio de pesos muertos. Como aparece en la figura 19 es un conjunto simple de dos poleas y un cable que va conectado al eje fijó para así trasmitir la carga. 29.

(34) IM-2005-II-41. Figura 19 detal l e del sistema de apl icación de carga. 30.

(35) IM-2005-II-41. 8. SELECCIÓN DE MATERIALES.. Esta es una etapa muy importante en este proceso ya que en la selección de los materiales a utilizar, se deben tener en cuenta muchas características de los mismos; características tanto físicas como económicas, ya que con el avance del desarrollo de nuevos materiales se han encontrado muchos casos en donde todas las condiciones físicas son ideales pero el precio, no solo de la producción de material, sino del maquinado de la pieza es tan elevado, que se debe descartar algunos materiales. Esta búsqueda se debe basar no solo en los materiales que por sus condiciones de resistencia al desgaste sito que se deben tener en cuenta las demás condiciones al las que son sometidos estos materiales en una cámara de combustión, como son el choque térmico, la conductividad térmica, el factor de expansión térmica y la compatibilidad química con los residuos de la combustión, estas características entre las mas importantes. Las. características más importante para tener en la búsqueda de. esta. combinación perfecta son con las mencionadas anteriormente: •. Relación resistencia/peso. •. Dureza. •. T emperatura máxima de operación.. •. Expansión térmica.. •. Resistencia al choque térmico. •. Compatibilidad química con el vapor de Agua.. •. Facilidad de fabricación. T eniendo en cuenta lo descrito anteriormente y los desarrollos existentes sobre el tema, se llego a estudiar en primera instancia los materiales cerámicos avanzados, estos con muy buenas características de resistencia al desgaste al choque térmico y sobretodo con factores de expansión térmica muy bajos lo que los hace muy. 31.

(36) IM-2005-II-41. convenientes para sistemas que requieran un ajuste perfecto, para poder evitar la presencia de anillos y detonas maneras asegurara un sellado óptimo. Los materiales encontrados con sus característica mas relevantes se encuentran el listado a continuación: Alumina Al 2O. 3. y Circonio ZrO3; Aunque tiene alta temperatura de fusión. (2054ºC y 2710ºC) presentan un alto porcentaje de cambio volumétrico en comparación con otros materiales cerámicos. Carburo de Silicio SiC: difícil de sinterizar, alta dureza, T emperatura de fusión 4050º C, bajo coeficiente de expansión volumétrica, buen aislante térmico. Nitruro de Boro BN: Lubricante, Buen aislante térmico, alta dureza en escala solo el diamante es más duro, expansión térmica muy baja. Nitruro de Silicio Si 3N 4: Buena conductividad térmica, alta dureza, baja dilatación térmicas, difícil maquinado. Boruros: Alta resistencia ala oxidación. Aunque se encontraron características muy buenas con los materiales cerámico estudiados en todos los casos se encontró la misma dificultad, el proceso de sinterizado como el de maquinado para la fabricación de las piezas es muy costoso y dispendioso, por lo cual se decidió analizar otro tipo de materiales. Entre los cuales se encuentran el Acero recubierto con Cromo Duro y El grafito. Los cuales tienen como características principales: Recubrimiento con Cromo Duro: •. Buena resistencia térmica. •. Buen acabado superficial. •. Fácil de producir. •. Alta dureza. 32.

(37) IM-2005-II-41. •. Buena Conductividad térmica. Grafito: •. Lubricante. •. Altísima temperatura de servicio. •. Fácil maquinado. •. Muy liviano. •. Buena conductividad térmica. Estos dos materiales fueron los escogidos para las primeras pruebas ya que presentan características ideales como son la posibilidad de un muy buen acabado superficial, para poder así reducir al máximo el desgaste por el rozamiento. Así como también la facilidad de fabricación, el mínimo porcentaje de expansión térmica en el caso del grafito, lo cual lo haría el material ideal ya que además es autolubricante y muy liviano. En el caso del recubrimiento del cromo duro, es ideal también por el tipo de acabado superficial que se puede obtener, por la facilidad de fabricación y sobretodo porque no se requeriría de un cambio muy radical en el diseño del motor ya que seria lo mismo que se utiliza e la actualidad pero con un simple recubrimiento adicional. P ara los dos casos se utilizaran con aluminio ya que es un material con muy buena características además de ser el material en que se fabrican los pistones en la actualidad, se busca que este cambio sea los mas leve posible, siendo así necesario partir de los materiales actuales para así poder buscar la economía y la mayor facilidad de fabricación. No siendo este un impedimento para probar materiales. completamente. diferentes. como. los. cerámicos. mencionados. anteriormente.. 33.

(38) IM-2005-II-41. 9. PRUEBAS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.. Ya que esta prueba no se trata de un ensayo que se encuentre estandarizado, no se tiene referencia sobre el tiempo que debe durar, ni la forma exacta de realizar las pruebas, ni como se deben interpretar los resultados, lo que se buscó fue hacer un proceso comparativo del comportamiento de diferentes juegos de materiales, cuando estos son sometidos a las mismas condiciones. P artiendo de este principio, el primer paso para verificar la funcionalidad del banco de pruebas, fue realizar un ensayo que se denominó de prueba, en donde los materiales sometidos a fricción fueron los que se utilizan en la actualidad para hacer los pistones y la camisa, es decir se realizó una prueba de aluminio desgastándose contra hierro fundido.. 9.1. Procedimiento.. Inicialmente se fabrican las probetas con un acabado superficial liso, tipo espejo como para realizar una metalografía. Como se puede apreciar en la figura 20. Luego se procede a realizar el montaje como se ve e las figuras 14 y 19 En esta prueba se determinó para una duración inicial de 2 horas para una primera verificación del desgaste, luego se puso a funcionar por otras 2 horas para poder ver así la relación del desgaste con el tiempo. Adicionalmente se instaló una termocupla en una de las probetas para tener mas control sobre la temperatura a la cual se realizaría el ensayo.. 34.

(39) IM-2005-II-41. Ya que el desgaste no se puede calcular como tal, lo que se buscó fue comparar, en primer lugar la perdida o aumento en masa, la perdida o aumento en el espesor de las probetas y por último el estado de la superficie. T eniendo estos resultados se realizaron varios ensayos con diferentes juegos de materiales, cabe anotar que estas pruebas deben ser solo el comienzo de una serie de ensayos que deben llevar a la selección de algunos materiales que cumplan las condiciones tribológicas ideales para desempeñar la función que se está buscado. Adicionalmente, estos ensayos se realizaron sin incluir factores externos, que más adelante se deben tener en cuenta, como la presencia del vapor de agua que deja la combustión, así como las partículas de polvo, que pueden ser abrasivas y pasan a través del filtro de aire. Estas primeras fueron realizadas con una presión de contacto entre las dos superficies de 31.6 Kpa escogida así para el buen funcionamiento de la prueba y buscando mantener una temperatura promedio de 245 ºC A continuación se muestran los resultados de las pruebas que se realizaron. 9.2. Prueba inicial 0. En esta prueba se buscaba obtener una referencia del comportamiento de los materiales que se utilizan para fabricar los pistones y los cilindros, buscando así establecer un patrón de comparación para el análisis posterior de las demás combinaciones de materiales. Aunque se conoce que bajo estas condiciones, estos materiales sin la presencia de un lubricante van a presentar problemas como el soldado de puntos, se procedió a realizar la prueba dando como resultado lo esperado; 1 Hora después de estar funcionado el sistema, se presentó soldadura entre el aluminio y el hierro.. 35.

(40) IM-2005-II-41. Prueba 0 Aluminio-Hierro Fundido. Inicial Aluminio Hierro. Peso (gr.). Diámetro (mm). Espesor(mm). 4.232 221.9. 12.7 48.9. 13.1 19.4. Temperatura Promedio ºC. 1H Aluminio Hierro. Peso (gr.) 4.084 226.4. σ2 245.675. Diámetro (mm) 12.7 48.9. 6.054. Espesor(mm) 12.32 19.4. % aumento Peso % aumento Long -3.50% -5.95% 2.03% 0.00%. Esta prueba no se pudo completar ya que la probeta de aluminio se soldó a la de hierro fundido impidiendo que se completara la prueba.. Tabl a 2 Resul tados prueba de al uminio contra Hierro.. Como se muestra en la tabla 2 la reducción , tanto en la longitud y el peso de las probeta de aluminio fue significativo aunque relativo, ya que no se debió a un desgaste progresivo sino que estas probetas se soldaron y al separarlas la rebaba que se le había formado a la probeta de aluminio quedo adherida a la probeta de hierro. 9.3. Prueba 1. P ara esta prueba se utilizaron probetas de aluminio y de acero, ya que en muchos casos los cilindros del motor van recubiertos con camisas en acero de diferentes calidades, para este ensayo se utilizó acero 1020. Se alistaron las probetas como se ve en la figura 20.. 36.

(41) IM-2005-II-41. Figura 20 probetas de Acero y al uminio l ista para pruebas.. En este caso si se pudo completar el ensayo como se tenia previsto.. Prueba 1 Aluminio-Acero. Inicial Aluminio Acero. Peso (gr.). Diámetro (mm). Espesor(mm). 4.192 240.5. 12.9 49.2. 12.7 19.1 σ2. Temperatura Promedio ºC. 2H. 246.5. 6.206. Peso (gr.). Diámetro (mm). Espesor(mm). Aluminio. 4.1709. 12.9. 12.65. -0.50%. -0.39%. Acero. 240.5. 49.2. 19.1. 0.00%. 0.00%. σ2. Temperatura Promedio ºC 4H Aluminio Acero. % aumento Peso % aumento Long. 241.1625. 3.883. Peso (gr.). Diámetro (mm). Espesor(mm). 4.1493 240.6. 12.9 49.2. 12.6 19.1. % aumento Peso % aumento Long -0.52% 4.16%. -0.79% 0.00%. Tabl a 3 Resul tados para l a prueba Al uminio- Acero. En este ensayo se presentó un desgaste moderado del aluminio, del 0.5% para la primera etapa en donde la superficie de la probeta de aluminio como se ve en la figura 21 se encuentra bastante desgastada, para la segunda el desgaste en solo aumento en un 0.02% lo que llevaría a concluir que el desgaste inicial es el mas importante, luego de que las dos superficies se han nivelado, es decir una ha. 37.

(42) IM-2005-II-41. copiado de la otra todos los desniveles, el porcentaje de desgaste con el tiempo comienza disminuir. En esta primera etapa se encontró sobre la superficie del acero una capa de aluminio, y en la superficie del aluminio se aprecia desgaste y la presencia de material desprendido en forma de rebaba.. Figura 21 Probetas prueba 1 después de 2 horas.. En al segunda etapa se aprecia un incremento en la rebaba producida en el aluminio, en al acero se percibe un aumento en la capa de aluminio que se la ha adherido, la cual en peso es ya apreciable también.. Figura 22 Probetas de acero y aluminio después de 4 Horas.. 9.4. Prueba 2 Cromo Duro –Aluminio. Como se explico en el capitulo 8 se decidió hacer una prueba en recubrimiento en cromo duro, por sus características de resistencia y buen acabado, como se puede ver en la figura 22 donde se muestra las probetas listas.. 38.

(43) IM-2005-II-41. Figura 23 probetas de Cromo duro-al uminio l istas para l a prueba. En este ensayo ocurrió lo mismo que en el primero pero un poco mas lento, se completó el primer ciclo, con un desgaste un poco mayor que la prueba con el acero, el aluminio formó una rebaba en forma de estela que fue la que posteriormente se soldó a la otra probeta.. Figura 24 Probetas de Cromo Duro-al uminio después de una hora. En la segunda etapa el aluminio se soldó con la probeta recubierta impidiendo completar la prueba. La probeta de aluminio quedó muy desgastada, se formó una rebaba de casi el 4% del peso de la probeta inicial.. 39.

(44) IM-2005-II-41. Prueba 2 Aluminio-Acero Recubierto Cromo duro. Inicial Aluminio Acero Cromado. Peso (gr.). Diámetro (mm). Espesor(mm). 4.133 242.8. 12.6 49.4. 12.7 19.15. Temperatura Promedio ºC. 2H Aluminio Acero Cromado. Acero Cromado. 6.268. Peso (gr.). Diámetro (mm). Espesor(mm). 4.089 242.8. 12.6 49.4. 11.96 19.27. Temperatura Promedio ºC 2.5H Aluminio. σ2 241.308. Peso (gr.) 3.9046 242.9. % aumento Peso % aumento Long -1.06% 0.00%. -5.83% 0.62%. σ2 243.067 Diámetro (mm) 12.6 49.4. 1.621 Espesor(mm) 11.88 19.05. % aumento Peso % aumento Long -4.51% -6.46% 0.04% -1.14%. Esta prueba no se pudo completar ya que la probeta de aluminio se soldó a la recubierta con cromo duro impidiendo que se completara la prueba.. Tabl a 4 Resul tado de l a prueba Cromo Duro-al uminio. En la probeta recubierta con cromo se percibieron además de una capa relativamente pareja de acumulaciones de aluminio, en algunas zonas se encontraron depósitos adicionales como pequeños puntos de soldadura.. Figura 25 Probetas de Cromo duro y Al uminio después de 2.5 horas.. 40.

(45) IM-2005-II-41. 9.5. Prueba 3 Grafito–Aluminio.. P ara esta prueba el acabado que se le dió al grafito fue el más liso posible aunque por la composición porosa del material se perciben ondulaciones en la superficie.. Figura 26 probetas de Grafito y al uminio.. Prueba 3 Aluminio-Grafito. Inicial Aluminio Grafito. Peso (gr.). Diámetro (mm). Espesor(mm). 4.1868 49.479. 12.45 48.73. 12.74 19.1. Temperatura Promedio ºC. 4H Aluminio Grafito. 4.312. Peso (gr.). Diámetro (mm). Espesor(mm). 4.167 48.488. 12.45 48.73. 12.64 18.85. Temperatura Promedio ºC 2.5H Aluminio Grafito. σ2 245.661. Peso (gr.) 4.161 47.987. % aumento Peso % aumento Long -0.47% -2.00%. -0.78% -1.33%. σ2 245.350 Diámetro (mm) 12.45 48.73. 7.238 Espesor(mm) 12.65 18.35. % aumento Peso % aumento Long -0.62% -0.71% -3.02% -2.65%. Tabl a 5 Resul tados de l a prueba Grafito Al uminio.. En esta prueba el aluminio no tuvo mucho cambio aunque el cambio en masa y volumen fue similar al de la prueba 1, la superficie quedó en mejor estado,. 41.

(46) IM-2005-II-41. presenta desgaste y se encuentra rayada pero en menor proporción a las pruebas anteriores, a diferencia de los ensayos anteriores acá el grafito se incrustó en las ondulaciones de la superficie del aluminio.. Figura 27 Probetas de al uminio y Grafito después de 4 horas.. En cambio el Grafito sufrió un alto porcentaje de desgaste, su espesor se redujo significativamente en 2.65 % lo que es casi un milímetro, esto se ve reflejado claramente en la disminución en masa también, en cuanto al estado de la superficie el rozamiento contra el aluminio produjo un surco, es decir se puede ver claramente la trayectoria de movimiento, pero esta área quedo mucho mas lisa en comparación con el estado inicial de la probeta, no se ve la presencia de poros ni de ondulaciones.. 42.

(47) IM-2005-II-41. 10 COM ENTARIOS Y CONCLUSIONES. Este proyecto es solo el inicio de una serie de ensayos que se deben hacer antes de llegar a establecer un juego de materiales ideales para un motor que no requiera lubricación. La continuación de este trabajo se debe basa en la búsqueda, análisis y selección de materiales. que cumplan con todas las propiedades necesarias para. desempeñar esta función. Se debe investigar sobre los desarrollos en esta área como el trabajo realizado por la Instituto de Tecnología de Israel14 en donde después de hacer una selección exhaustiva de los materiales diseñaron un conjunto de pistón sin anillos en aluminio y camisa en nitruro de silicio para ver su comportamiento en un motor de prueba, teniendo buenos resultados. La investigación debe evolucionar desde el comportamiento de los materiales mas simples hasta los más avanzados teniendo en cuenta que posiblemente algún material tradicional puede llegar a satisfacer los requerimientos. No solo se debe investigar mas sobre los nuevos materiales sino que es importante seguir el desarrollo de los mismo ya que por las características que se buscan, estos nuevos son muy adaptables pero no se hacen comerciales el costo de los mismos es el primer impedimento para poderlos utilizar. Además se debe tener en cuenta que estas primeras pruebas se hicieron solo teniendo en cuenta las condiciones ideales, como por ejemplo que no existieran residuos de la combustión, no se tuvo en cuenta el vapor de agua, ni partículas de polvo que entran a la cámara de combustión, convirtiéndose en abrasivos para las superficies; T odo esto debería hacer parte de futuros análisis, para así acercarse mas a las condiciones reales en que operarían los elementos. 14. Referencia 10. 43.

(48) IM-2005-II-41. En cuanto a las pruebas realizadas se debe destacar que en ninguna se obtuvo resultados satisfactorios, en todas se buscaba buscar un nivel de desgaste muy leve, pero en todos los casos se encontró desgaste altos en unas mas que en otras como es el caso de Cromo duro o en el grafito, dos casos diferentes pero en donde el desgaste fue mayor. En el caso del grafito fue este el que desgasto dejando al aluminio en muy buena condición, mostrando que esta combinación con el aluminio no es viable, ya que fuera del nivel de reducción del grafito, este produce polvo o trazas de carbono que pueden llegar a dañar los residuos limpios de la combustión, aunque como se vio en el capitulo 8 este conjunto podría tener muchas ventajas sobre los otro, es evidente que no es viable. P ara el juego revestimiento en Cromo-duro y aluminio, los resultados no fueron mejores se encontró que, aunque el acabado de las dos superficies puede se excelente buscando un juego perfecto el aluminio tiende a soldarse con el cromo produciendo que este se desprenda y se deposite encima del cromo duro, lo que traería resultado desastrosos para el juego y el ajuste de las dos piezas P or esto es importante hacer un análisis mas detallado de los materiales para poder pasar así a realizar mas pruebas, que lleven a un mejor resultado, eso si teniendo en cuente las demás variables que entran en juego en una cámara de combustión, así como buscar mas información acerca de estos desarrollos y la implementación de este tipo de motores.. 44.

(49) IM-2005-II-41. 11 REFERENCIAS 1. Norton, Robert L, Desing Of Machinery: An Introduction to The Synthesis and Analysis Of Mechanisms And Machines, Worcester, Massachusetts, USA T hird Edition. 2. Sontag, Bargnakke, Van Wylen, Fundamentals of Thermodynamics, Fifth Edition, Hope Collage, University of Michigan, USA, 1998. 3. Askeland, D.R, Ciencia e Ingeniería de Materiales, T ercera Edición, international T homson, 1998 4. Callister, W.d; Material Science an d Engineering, An Introduction. Fifth Edition Jhon Willey And Sons , 2000 5. Salinas, Simon, Gasoline Engine Conversion to Hydrogen , Universidad de los Andes, Bogota Colombia, 2005 6. Sayago, Jorge Andrés; Comportamiento de una Cámara de Combustión En un Motor de Hidrogeno, Universidad de los Andes, Bogota Colombia 2005 7. Shigley, Joseph; Mischke, Charles; Budynas, Richard; Mechanical Engineering Design, Mc Graw -Hill , Seventh Edition , 2003 8. Willis, J Gorge; Fundamentos de Lubricación, T raducido P or Rafael Beltrán Universidad de Los Andes Bogota Colombia. 9. http://www.atsspartec.com/aspro-ceramics.htm 10. http:// www.skf.com 11. T zabari, Yhuda; Gutman, Marcel, Stotter, Arthur; Ceramic Pistón-Cup: Design and Testing, Department of Materials Israel Institute of T echnology .1990 12. Demirbas, Anhan; Fuel Properties of Hydrogen, Liquefied Petroleum and Compressed Natural Gas for transportation. , Energy Sources 2002. 13. Hydrogen Fuel Cell Engines and Related T echnologies: Hydrogen Use in Internal Combustion Engines, T omado de www.eere.energy.gov/. hydrogenandfuelcells/ tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf. 45.

(50) IM-2005-II-41. 12 ANEXOS 1. 46.

(51) IM-2005-II-41. 2.. .. 47.

(52) IM-2005-II-41. 3.. 48.

(53) IM-2005-II-41. 4.. 49.

(54) IM-2005-II-41. 5.. 50.

(55) IM-2005-II-41. 6.. 51.

(56) IM-2005-II-41. 7.. 52.

(57) IM-2005-II-41. 8.. 53.

(58) IM-2005-II-41. 9.. 54.

(59)