Diseño y construcción de un banco simulador de un turbo, para medición de parámetros de funcionamiento

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO SIMULADOR DE

UN TURBO, PARA MEDICIÓN DE PARÁMETROS DE

FUNCIONAMIENTO

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

RUBÉN DARÍO PACHECO TUFIÑO

DIRECTOR: ING. IVÁN YANEZ Msc.

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 050325372-6

APELLIDO Y NOMBRES: Pacheco Tufiño Rubén Darío

DIRECCIÓN: Av. Amazonas - Latacunga

EMAIL: [email protected]

TELÉFONO FIJO: 03 - 2380664

TELÉFONO MOVIL: 0981198070

DATOS DE LA OBRA

TITULO: Diseño y construcción de un banco simulador

de un turbo, para medición de parámetros de funcionamiento.

AUTOR O AUTORES: Pacheco Tufiño Rubén Darío

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO

DE TITULACIÓN: Julio 2017

DIRECTOR DEL PROYECTO DE

TITULACIÓN: Ing. Iván Yánez Msc.

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz

RESUMEN: Mínimo 250 palabras La investigación tuvo como finalidad el diseño

y construcción de un banco simulador de un turbo, para medición de parámetros de funcionamiento que está enfocado a la para mejorar el rendimiento de un motor de combustión interna de 4 tiempos de motocicleta. Para ello, el diseño tuvo parte con la implementación de un turbocompresor que se pudo conseguir aumentar el volumen de la mezcla aire-gasolina que es aspirado por el cilindro, de esta manera la introducción de una masa gaseosa y en mayor cantidad se lograra el incremento de la potencia del motor de combustión interna a carburador. El turbocompresor es uno de los mecanismos más eficaz que es utilizado para la sobrealimentación de los motores, permitiendo aprovechar los gases combustionados de escape que genera el motor para por medio de ellos lograr un incremento de potencia mediante la recarburación de los mismos. Con la adaptación de un acople al sistema de escape del motor de motocicleta hacia el turbocompresor se logro corregir la deficiencia de los gases al no ser quemados íntegramente, los mismos que mediante ductos de admisión permitieron que el turbocompresor envié aire comprimido hacia el burador y así tener una mejor mezcla en el

cilindro del motor. De igual manera y mediante un sistema electrónico y sensores lograr medir la temperatura y presión otorgada por el turbo. Esta investigación otorgo nuevos conocimientos factibles para dar alternativas tecnológicas a la solución de problemas como: incremento de potencia.

PALABRAS CLAVES: turbocompresor,sobrealimentación,potencia

ABSTRACT: The research was aimed at designing and

building a turbo simulator bench for measuring operating parameters that is focused on improving the performance of a 4-cycle motorcycle internal combustion engine. For this, the design had part with the implementation of a turbocharger that could be achieved increase the volume of the air-gasoline mixture that is sucked by the cylinder, in this way the introduction of a mass of gas and in greater quantity the increase Of the power of the internal combustion engine to carburetor. The turbocharger is one of the most efficient mechanisms that is used for the supercharging of the engines, allowing to take advantage of the combustion exhaust gases generated by the engine to achieve an increase in power through the recharging thereof. With the adaptation of a coupling to the exhaust system of the motorcycle engine to the turbocharger, it was possible to correct the deficiency of the gases by not being burned in the whole, which by means of intake ducts allowed the turbocharger to send compressed air to the carburetor and thus Have a better mix in the engine cylinder. In the same way and through an electronic system and sensors manage to measure the temperature and pressure given by the turbo. This research gave new feasible knowledge to give technological alternatives to solving problems such as: power increase.

KEYWORDS turbocharger, supercharger, power

Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.

:

__________________________________________ PACHECO TUFIÑO RUBÉN DARÍO

DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN

Yo, PACHECO TUFIÑO RUBÉN DARÍO, CI: 050325372-6 autor del proyecto titulado: Diseño y construcción de un banco simulador de un turbo, para medición de parámetros de funcionamiento, previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.

1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.

2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.

Quito, 07 de agosto 2017

__________________________________________ PACHECO TUFIÑO RUBÉN DARÍO

DECLARACIÓN

Yo PACHECO TUFIÑO RUBÉN DARÍO, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.

_________________________ PACHECO TUFIÑO RUBÉN DARÍO

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y construcción de un banco simulador de un turbo, para medición de parámetros de funcionamiento”, que, para aspirar al título de INGENIERO AUTOMOTRIZ fue desarrollado por PACHECO TUFIÑO RUBÉN DARÍO, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.

___________________

Ing. Iván Yánez M.sc. DIRECTOR DEL TRABAJO

DEDICATORIA

AGRADECIMIENTO

Quiero expresar mi más sincero agradecimiento en primer lugar a DIOS por darme la sabiduría para poder concluir esta etapa en mi vida, agradecer a toda mi familia por brindarme su apoyo y confianza así como a la Universidad Tecnológica Equinoccial y a la Carrera de Ingeniería Automotriz que siempre estuvieron presentes.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN 1

ABSTRACT 2

1. INTRODUCCIÓN 3

2. METODOLOGÍA 9

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 11

3.1. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL BANCO

DE PRUEBAS 11

3.1.1. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA 11

3.1.2. CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA 12

3.1.3. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA METÁLICA DEL BANCO DE

SOPORTE 13

3.1.4. SELECCIÓN DEL MÉTODO DE SOLDADURA 17

3.1.4.1.Rango de espesor del material base 18

3.2. CÁLCULO DEL FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR 19

3.2.1. GENERALIDADES 19

3.3. CÁLCULO DE LA CILINDRADA TOTAL DEL MOTOR 20 3.4. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO TÉRMICO DEL MOTOR 20 3.5. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO TÉRMICO A 2800 METROS

SOBRE EL NIVEL DEL MAR (CIUDAD DE QUITO) 21

3.6. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO MECÁNICO DEL MOTOR 21 3.7. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO DEL MOTOR 22

3.8. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO ÚTIL DEL MOTOR 23

3.9. CÁLCULO DEL CONSUMO ESPECIFÍCO DE COMBUSTIBLE A

2800 METROS DE ALTURA 23

3.10. LA SOBREALIMENTACIÓN Y EL TURBOCOMPRESOR 24

3.10.1. LA RELACIÓN DE COMPRESIÓN 24

3.11. CÁLCULOS DE ADECUACIÓN DEL SISTEMA DE TURBO

ALIMENTACIÓN 24

3.11.1. CÁLCULO DE LA RELACIÓN DE PRESIÓN 24

3.11.2. CÁLCULO DE FLUJO DE AIRE NECESARIO 26

3.11.3. CÁLCULO DE LA PRESIÓN DE ADMISIÓN SEGÚN LA

POTENCIA. 26

3.11.4. CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE ADMISIÓN CON EL

TURBOCARGADOR 27

ii 3.11.6. CÁLCULO DE TEMPERATURA DE SALIDA DEL

INTERCAMBIADOR DE CALOR 29

3.11.7. CÁLCULO DEL INCREMENTO DE POTENCIA 29

3.11.8. GRÁFICA DE SELECCIÓN DEL TURBOCOMPRESOR 29 3.11.9. CARACTERÍSTICAS DEL TURBO SELECCIONADO 30

3.12. SELECCIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR 31

3.13. CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS 31

3.13.1. SENSOR DE TEMPERATURA LM35 36

3.13.2. SENSOR DE PRESIÓN MPX4115AP 37

3.13.3. CIRCUITO ELÉCTRICO DEL PROYECTO 39

3.13.4. ELABORACIÓN DE LA PLACA. 39

3.13.5. MONTAJE DE ELEMENTOS AL BANCO DE PRUEBAS 43

3.14. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO 45

3.15. ANÁLISIS TÉCNICO ECONÓMICO 50

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 51

4.1. CONCLUSIONES 51

4.2. RECOMENDACIONES 52

5. BIBLIOGRAFIA 53

iii

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Clasificación de los aceros según su contenido de carbono 12

Tabla 2. Metales soldables (SMAW) 18

Tabla 3. Rango de espesor del material base 18

Tabla 4. Ficha técnica del motor Tundra 250cc 19 Tabla 5. Densidad del aire en función de la variación de la altura 21 Tabla 6. Rendimiento mecánico según el tipo de motor 22 Tabla 7. Relación entre rendimiento y temperatura del compresor 24

Tabla 8. Características del turbocompresor 30

Tabla 9. Características técnicas del intercooler 31 Tabla 10. Elementos utilizados Procesador Arduino 35

Tabla 11. Datos primera prueba 46

Tabla 12. Datos segunda prueba 46

Tabla 13. Datos tercera prueba 47

Tabla 14. Datos cuarta prueba 47

Tabla 15. Datos quinta prueba 48

Tabla 16. Datos sexta prueba 48

Tabla 17. Datos prueba final 49

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Componentes de la sobrealimentación 4

Figura 2. Componentes del turbocompresor 4

Figura 3. Vistas principales de la estructura 11

Figura 4. Cotas vistas principales 12

Figura 5. Construcción de la estructura del banco de pruebas 12

Figura 6. Platinas soldadas a la estructura 13

Figura 7. Dimensión de la platina 13

Figura 8. Análisis de fuerzas ejercidas 14

Figura 9. Diagrama de cuerpo libre 14

Figura 10. Simulación del peso ejercido sobre la estructura 15 Figura 11. Especificaciones del tubo seleccionado 16

Figura 12. Soldadura SMAW 17

Figura 13. Datos presión del turbocompresor 25

Figura 14. Salida de presión y temperatura a través del turbocompresor 28 Figura 15. Grafica de selección del turbocompresor 30

Figura 16. Turbocompresor TD025 30

Figura 17. Intercooler 31

Figura 18. Construcción de la estructura 31

Figura 19. Soportes del motor 32

Figura 20. Instalación de elementos del motor 32 Figura 21. Montaje del turbocompresor al motor 32 Figura 22. Montaje del motor y turbo a la estructura 33 Figura 24. Entradas y salidas de aire del turbo 33 Figura 23. Entrada y salida de aceite al turbocompresor 33 Figura 25. Montaje del intercooler a la estructura 34 Figura 26. Montaje elementos internos a la estructura 34

Figura 27. Protección del banco de pruebas 34

Figura 28. Adaptación del tubo de escape 35

Figura 29. Sensor de temperatura LM35 36

Figura 30. Esquema eléctrico sensor temperatura LM35 36 Figura 31. Montaje en protoboard del sensor LM35 37

Figura 32. Sensor de presión 37

Figura 33. Esquema eléctrico sensor de presión MPX4115AP 38 Figura 34. Voltaje vs presión absoluta del sensor 38

Figura 35. Conexión de sensores y pantalla 39

Figura 36. Impresión de la placa 39

Figura 38. Impresión de esquema en la placa 40

Figura 37. Placa de baquelita 40

Figura 39. Placa de baquelita con el circuito 40

Figura 40. Placa en cloruro férrico 41

v

Figura 42. Perforación de placa 41

Figura 43. Elementos soldados en la placa 41

Figura 44. Conexión de pines 42

Figura 45. Conexión modulo I2C 42

Figura 46. Conexión de plug de alimentación de corriente 42 Figura 47. Orificios para colocación de medidores 43

Figura 49. Indicadores de control 43

Figura 48. Conexión instrumentos del tablero 43

Figura 50. Montaje de la caja protectora 44

Figura 51. Colocación de tarjera arduino y placa 44

Figura 52. Fijación de cables 44

Figura 53. Montaje sensor de presión 45

Figura 54. Montaje sensor de temperatura 45

Figura 55. Prueba 0 RPM 46

Figura 56. Prueba 1000 RPM 46

Figura 57. Prueba 1500 RPM 47

Figura 58. Prueba 1800 RPM 47

Figura 59. Prueba a 2000 RPM 48

Figura 60. Prueba a 2300 RPM 48

Figura 61. Prueba a 2500 RPM 49

vi

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

Anexo 1. Dimensiones platinas de acero 56

Anexo 2. Características tubo de la estructura 57 Anexo 3. Condiciones de soldadura recomendadas para electrodos

recubiertos 58

Anexo 4. Medición de temperatura de admisión 59 Anexo 5. Código de programación cargado en la tarjeta Arduino: 60 Anexo 6. Esquema electrónico de la placa de baquelita y pistas 62

Anexo 7. Banco de pruebas 63

Anexo 8. Manual de uso y mantenimiento 64

1

RESUMEN

La investigación tuvo como finalidad el diseño y construcción de un banco simulador de un turbo, para medición de parámetros de funcionamiento que está enfocado a la para mejorar el rendimiento de un motor de combustión interna de 4 tiempos de motocicleta. Para ello, el diseño tuvo parte con la implementación de un turbocompresor que se pudo conseguir aumentar el volumen de la mezcla aire-gasolina que es aspirado por el cilindro, de esta manera la introducción de una masa gaseosa y en mayor cantidad se lograra el incremento de la potencia del motor de combustión interna a carburador. El turbocompresor es uno de los mecanismos más eficaz que es utilizado para la sobrealimentación de los motores, permitiendo aprovechar los gases combustionados de escape que genera el motor para por medio de ellos lograr un incremento de potencia mediante la recarburación de los mismos. Con la adaptación de un acople al sistema de escape del motor de motocicleta hacia el turbocompresor se logro corregir la deficiencia de los gases al no ser quemados íntegramente, los mismos que mediante ductos de admisión permitieron que el turbocompresor envié aire comprimido hacia el carburador y así tener una mejor mezcla en el cilindro del motor. De igual manera y mediante un sistema electrónico y sensores lograr medir la temperatura y presión otorgada por el turbo. Esta investigación otorgo nuevos conocimientos factibles para dar alternativas tecnológicas a la solución de problemas como: incremento de potencia.

2

ABSTRACT

The research was aimed at designing and building a turbo simulator bench for measuring operating parameters that is focused on improving the performance of a 4-cycle motorcycle internal combustion engine. For this, the design had part with the implementation of a turbocharger that could be achieved increase the volume of the air-gasoline mixture that is sucked by the cylinder, in this way the introduction of a mass of gas and in greater quantity the increase Of the power of the internal combustion engine to carburetor. The turbocharger is one of the most efficient mechanisms that is used for the supercharging of the engines, allowing to take advantage of the combustion exhaust gases generated by the engine to achieve an increase in power through the recharging thereof. With the adaptation of a coupling to the exhaust system of the motorcycle engine to the turbocharger, it was possible to correct the deficiency of the gases by not being burned in the whole, which by means of intake ducts allowed the turbocharger to send compressed air to the carburetor and thus Have a better mix in the engine cylinder. In the same way and through an electronic system and sensors manage to measure the temperature and pressure given by the turbo. This research gave new feasible knowledge to give technological alternatives to solving problems such as: power increase.

3

1. INTRODUCCIÓN

La sobrealimentación o turbo-alimentación en los motores de combustión interna fue implementada desde los años 1885 y 1896, la cual fue diseñada con el fin de incrementar la potencia del motor de combustión interna y reducir la contaminación por gases de escapes. En los últimos años, la industria automotriz, ha puesto énfasis en el tema relacionado con re-potenciación de motores, por lo que el turbocompresor es el sistema más utilizado para este tipo de modificaciones. El sistema de sobrealimentación se lo puede obtener equipado directamente de fábrica en la mayoría de vehículos a Diesel, y en los de gasolina por lo general se los encuentra en los vehículos de alta gama. La geografía irregular en la que el Ecuador se encuentra ubicado hace que existan variaciones muy notables de la altura sobre el nivel del mar de algunas ciudades del país, lo cual altera directamente el rendimiento de los automotores a gasolina. El presente trabajo muestra la utilidad, ventajas y beneficios mediante la implementación de un banco simulador del turbocompresor, para poder conocer y establecer de forma didáctica, medible y real el funcionamiento del mismo, así como los parámetros de funcionamiento y condiciones de trabajo. El objetivo general del trabajo está estructurado de manera tal que empezará su desarrollo mediante el diseño de un banco simulador del turbocompresor, para posteriormente realizar la construcción del mismo y de esta manera mediante pruebas obtener los parámetros de funcionamiento requeridos. Los objetivos específicos se detallan a continuación:

Identificar las tecnologías existentes relacionadas con bancos simuladores de turbos (estado del arte).

Diseñar un banco simulador del turbo el cual permita identificar y conocer los componentes del turbo.

Construir el banco simulador de acuerdo con los parámetros requeridos del diseño.

Realizar pruebas de funcionamiento y recopilación de datos para el análisis de resultado.

4 potencia que puede alcanzar el motor sin necesidad de modificar la cilindrada inicial del mismo” (Gordillo & Sanchez, 2013).

Figura 1.Componentes de la sobrealimentación

(Hermogenes, 2002)

Los principales componentes que forman un turbo son el eje común (3) que tiene en sus extremos los rodetes de la turbina (2) y el compresor (1) este conjunto gira sobre los cojinetes de apoyo, los mismos que trabajan en condiciones extremas y necesariamente necesitan de un circuito de engrase que lubrica correctamente los componentes, y por último la válvula de descarga o válvula waste gate (4), como se observa en la figura 2.

Figura 2.Componentes del turbocompresor

5 Para determinar los valores de funcionamiento e incremento de potencia del motor se debe calcular varios parámetros los mismos que se detalla a continuación.

“La cilindrada de un motor de un cilindro es el volumen que queda comprendido entre el PMS y el PMI del recorrido del pistón” (Ingelibre, 2014).

Dónde:

Vt: cilindrada total [cm³]

: 3.1416

D: Diámetro interior del cilindro. [mm] C: Carrera del embolo. [mm]

N: Número de cilindros.

“El rendimiento térmico del motor no se encuentra relacionado con la cilindrada del mismo, pero si está en función de la relación de compresión, lo que significa que el rendimiento sería mayor si su relación de compresión fuera elevada” (Gordillo & Sanchez, 2013).

Dónde:

: Rendimiento térmico.

: Relación de compresión.

: Constante de gas ideal del aire de calor específico constante.

El rendimiento térmico disminuye al igual que la densidad del aire cuando la altura sobre el nivel del mar aumenta considerablemente. A 2800 metros que es la altura a la cual se encuentra ubicada la ciudad de quito se toma los valores establecidos.

: Constante de gas ideal del aire de calor específico constante

6

“El rendimiento volumétrico (ηv) en el cilindro que también es conocido como grado de llenado el mismo que viene determinado por la relación que existe entre el peso de los gases aspirados y el peso correspondiente a su cilindrada unitaria” (Gordillo & Sanchez, 2013).

“El rendimiento útil o rendimiento efectivo del motor ( ) equivale al producto de los rendimientos obtenidos en la transformación de la energía y viene determinado por la relación que existe entre la energía total útil aprovechada del combustible y la energía total aportada al motor para su transformación de trabajo” (Sanz, 2008).

Dónde:

: Rendimiento útil : Rendimiento teórico

: Rendimiento del diagrama : Rendimiento mecánico

“El consumo especifico de combustible en los motores de combustión interna, es el consumo en gramos de combustible aportado al motor por cada caballo*hora (CV/h) de potencia útil entrada por el mismo” (Gordillo & Sanchez, 2013).

Dónde:

: Consumo especifico de combustible

: Poder calorífico de la gasolina [cal/g]

: Rendimiento útil a 2800 metros de altura sobre el nivel del mar.

7

Dónde:

PR: Relación de presión

P2: Presión de salida de aire compresor

P1: Presión de entrada de aire compresor 1bar: 14.5037 psi

“El valor de flujo de aire necesario es la masa de aire que fluye a través del compresor para posteriormente pasar al motor, puede ser expresado en kg/s (lb/min)” (Gordillo & Sanchez, 2013).

Dónde:

Flujo de aire necesario [lb/min].

:

Pe: Potencia del motor en [kW o HP]

Relación estequiométrica aire/combustible 14.7

“El cálculo de la presión de admisión según la potencia, es la presión absoluta en el múltiple de admisión y tiene relación con la potencia requerida del motor” (Gordillo & Sanchez, 2013).

Dónde:

CPM: Calculo presión de admisión [psi] R: Constante de gases [lt*atm/K*mol] nv: Rendimiento volumétrico

n: Revoluciones por minuto

T1: Temperatura de admisión [°C] Vt: Volumen total [cm³]

“La temperatura de admisión con el turbo es la que se genera al comprimir el aire y ser otorgado a la entrada del sistema de admisión del motor” (Gordillo & Sanchez, 2013).

8 Dónde:

: Temperatura en la admisión con sobrealimentador [K]. : Temperatura Teórica del Aire a 2800 msnm [K]

: Presión de salida el aire compresor. [psi]

: Presión de entrada de aire al compresor [psi] X: Exponente adiabático

El intercambiador de calor en el intercooler es impórtate ya que relaciona la refrigeración del aire de admisión a la variación de temperatura de admisión.

Dónde:

∆T: Valor de refrigeración del intercambiador de calor [°C]

T2: Temperatura de entrada del aire al intercambiador de calor [°C]

Ta: Temperatura de aire que atraviesa el intercambiador de calor (dato del fabricante) 15°C

ᶲ: 0.5 valor tomado de los paramentos para de intercambiador de calor

“El incremento de potencia ( ) es el cálculo que permitirá obtener el valor aproximado del incremento del motor mediante la instalación del sistema de sobrealimentación” (Gordillo & Sanchez, 2013).

Dónde:

: Potencia a 2000 rpm a 2800 msnm con el sistema de sobrealimentación. : Potencia en atmosfera estándar [HP]

: Presión generada por el turbo cargador [bar]

: Presión normal de 760 mm de mercurio [bar] : Temperatura absoluta [K]

9

2. METODOLOGÍA

Para llevar a cabo este proyecto de titulación se debe tener en cuenta el procedimiento y pasos a seguir, que serán indispensables para dar cumplimiento a los objetivos que se planteó. De esta manera se realizara el diseño y construcción del banco simulador y sus componentes, para poder identificar parámetros de funcionamiento y observar el comportamiento de cada uno de los elementos que intervienen.

Con estos métodos aplicados en la práctica muestran destrezas de todo lo aprendido en las aulas y talleres de la universidad para así tener un mejor conocimiento y comprender el funcionamiento de un turbocompresor. Para esto se debe dar cumplimiento a varios requisitos:

Obtención del motor de 4 tiempos (Tundra 250cc) el cual será sobrealimentado y sus diferentes componentes para ponerlo en marcha como:

Bobina de alta

Rectificador de corriente

Sistema de encendido CDI (capacitive discharge ignition) Carburador

Instalación de cables completa Batería

Adquisición del turbocompresor Hyundai TD025.

Implementación, programación y construcción de la tarjeta Arduino UNO Diseño y construcción de la estructura metálica: La estructura metálica (bastidor), en la que se montara el motor sobrealimentado será de forma cuadrada, la cual se construirá con un perfil de acero, permitiendo que la misma soporte los pesos de los componentes.

Construcción del banco simulador. La construcción principal se realizará implementando materia prima para que soporte los elementos que constituyen el banco simulador, para posteriormente armado el bastidor construir las bases de anclaje del motor y de la misma manera el acople de la salida del escape del motor para poder conectarlo hacia el turbo y de esta manera que realice su funcionamiento para finalmente la construcción de un tablero donde se encontraran todos los medidores y mandos del banco asi como la pantalla con los indicadores de temperatura y presión otorgados por la tarjeta Arduino.

11

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL

BANCO DE PRUEBAS

3.1.1. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA

El modelado de la estructura que forma el banco de soporte para el motor 4 tiempos Tundra 250cc, fue desarrollado en un asistente de diseño de tipo CAD (Computer Aided Design). En cuanto al dimensionamiento de la estructura, las cotas que limitan el modelado es el siguiente, como se observa en las figuras 3 y 4.

Largo: 55[cm] Ancho: 45[cm] Alto: 55[cm]

Vista frontal Vista lateral

Vista superior Perspectiva isométrica

12

Vista frontal Vista lateral

Figura 4.Cotas vistas principales

3.1.2. CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA

Para la construcción de la estructura se debe considerar el material adecuado a usarse figura 5, el mismo que deberá cumplir con las características para que soporte los esfuerzos a que este se encuentre sometido, para nuestro caso es tubo de acero duro inoxidable de 22,2mm de diámetro el mismo que se detalla en la tabla 1 de acuerdo a su porcentaje de carbono, además se debe tener en cuenta el adecuado tipo de soldadura el cual se describe posteriormente.

Tabla 1.Clasificación de los aceros según su contenido de carbono

%Carbono Denominación Resistencia kg/mm²

0.1-0.2 Aceros extrasuaves 38-48

0.2-0.3 Aceros suaves 48-55

0.3-0.4 Aceros semisuaves 55-62

0.4-0.5 Aceros semiduros 62-70

0.5-0.6 Aceros duros 70-75

0.6-0.7 Aceros extraduros 75-80

(Mott, 2006)

13 A la estructura se le colocó platinas de acero que se observa en la figura 6, las cuales sirven de soportes del motor e intercooler y de esta manera fijarlos a la base evitando vibraciones y rupturas.

Figura 6.Platinas soldadas a la estructura

Para la selección de la platina se debe tener en cuenta su dimensionamiento que está constituida, las mismas que se observan en la figura 7. Para tener una especificación más clara de sus características en el Anexo 1 se encuentra todos los datos de la misma.

Figura 7. Dimensión de la platina

Longitud: 6 [m] Ancho: 25.4 [mm] Espesor: 3.18 [mm]

3.1.3. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA METÁLICA DEL BANCO DE SOPORTE

14

Figura 8. Análisis de fuerzas ejercidas

Pm: peso motor

Pt: peso turbocompresor

(DCL)

Pm= 220lb Pt= 12.1lb

RA RB

35cm (13.77in)

47cm (18.50in)

Mediante estos cálculos realizados se puede determinar que la estructura seleccionada es óptima para el desarrollo del proyecto, la misma que es capaz de soportar los pesos a los cuales está sometida, esta información se puede verificar con la tabla 1 la cual indica la resistencia que el acero que este soporta y de igual manera en el anexo 2 se encuentra todas las

15 características del tubo estructural. La simulación de las fuerzas aplicadas se realizó en el programa MDSolids 2.6 como se observa en la figura 10.

Figura 10.Simulación del peso ejercido sobre la estructura

Para comprobar la resistencia del material seleccionado se debe realizar el cálculo para evitar una falla estructural, las cargas que una estructura es capaz de soportar deben ser mayores que las cargas a las que se va a someter. Como la resistencia es la capacidad de una estructura para resistir cargas, el criterio anterior se puede replantear como: la resistencia real de una estructura debe ser mayor que la resistencia requerida. La relación de la resistencia real entre la resistencia requerida se llama factor de seguridad n, que debe ser mayor a 1.

[14]

Donde:

: factor de seguridad

16

Figura 11. Especificaciones del tubo seleccionado

[15]

Donde:

: momento máximo 1120,30 [lb*in]; ver figura 10

C: distancia del eje a la fibra más alejada; D/2 = 11,1 [mm] I: momento de inercia a la sección transversal

Trasformaciones: [16] Donde:

: diámetro externo del tubo ; 22,2 [mm] : diámetro interno del tubo; 20,7 [mm]

17

3.1.4. SELECCIÓN DEL MÉTODO DE SOLDADURA

Una ventaja principal que presenta el uso del acero en estructuras metálicas, es la compatibilidad con la mayoría de procesos de soldadura conocidos. El método de uso más común para la construcción de estructuras de tipo artesanal es la soldadura por arco o SMAW (Shielded Metal Arc Welding), como se observa en la figura 12, este método es el adecuado para la construcción del banco ya que es un método sencillo, eficaz, de bajo coste y el soldador no requiere de mucha preparación como la que se requeriría mediante el uso de métodos de soldadura con equipos más sofisticados. El tipo de electrodo que se utilizó para este proceso es E-6011el mismo que las características y condiciones se puede observar en el Anexo 2.

Figura 12.Soldadura SMAW

(Demaquinasyherramientas, 2014)

18

Tabla 2.Metales soldables (SMAW)

Material Base Soldabilidad

Aluminios Posible pero no popular

Bronces Soldable

Cobre Posible pero no popular

Cupro-niquel Aceptable

Hierro fundido y maleable Saldable

Hierro forjado Saldable

Inconel Saldable

Níquel Saldable

Monel Saldable

Acero de bajo carbono Saldable Acero de baja aleación Saldable Alto y mediano carbono Saldable

Aceros de aleación Saldable

Aceros inoxidable Saldable

(Acuña, 2001)

3.1.4.1. Rango de espesor del material base

Los rangos de espesor del material base que se sueldan por medio del proceso de soldadura SMAW como se detalla en la tabla 3, depende de varios factores los cuales son indispensables al momento de realizar el proceso de soldadura como: selección de material a soldar, tipo de electrodo, juntas o uniones etc.

Tabla 3.Rango de espesor del material base

Espesor

pulg 0,005 0,015 0,062 0,125 3/16 1/4 3/8 1/2 3/4 1 2 4 8

Factor

mm 0,13 0,4 1,6 3,2 4,8 6,4 10 12,7 19 25 51 102 203

19

3.2. CÁLCULO DEL FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR

3.2.1. GENERALIDADES

Los motores de combustión interna, son máquinas y su característica principal es poder transformar la energía térmica en energía mecánica, que se puede usar directamente para producir un trabajo.

Para su funcionamiento estos motores requieren de una mezcla aire-combustible la misma que es preparada previamente por un elemento llamado carburador, en el caso de los vehículos antiguos y por un sistema de inyección en la actualidad.

La mezcla una vez combustionada en el interior de los cilindros del motor provoca que la presión en la cámara de combustión incremente notablemente; la misma que actúa sobre los émbolos del motor, haciendo que efectúen un desplazamiento lineal ascendente o descendente dentro de los cilindros. Por lo cual posteriormente este movimiento hace girar el cigüeñal del motor. Para la realización de este proyecto se utilizará un motor de marca Tundra 4 tiempos (250cc) que su ficha técnica como se detalla la tabla 4, el mismo que será sobrealimentado con un turbocompresor TD025.

Tabla 4.Ficha técnica del motor Tundra 250cc

Motor: 166 FMM

Tipo de motor: 1 - cilindro / 4 - tiempos / 2 – válvulas

Diámetro x Carrera: 65.5x66.2 mm

Potencia Max.: 12.5 kw/ 16,5 hp

Torque Max.: 17.5/N.m / 6000 rpm

Relación de Compresión: 9.3:1

Temperatura de admisión 87,7°C Sistema de Combustible: Carburador

Sistema de Lubricación: SOHC

Encendido: C.D.I.

Arranque: Electrico

Sistema de Lubricación: Salpicadura bajo presión Sistema de Refrigeración: Aire

Transmisión: 5 Velocidades

Tipo de Embrague: Platos húmedos múltiples

Velocidad Máxima: 110 Km/h

Batería: 12 V 6.5 Ah

20

3.3. CÁLCULO DE LA CILINDRADA TOTAL DEL MOTOR

Usando la ecuación [1] se determina el valor a continuación.

:3.1416

D: (65,5mm); tabla 4. C: (66,2mm); tabla 4. N: 1 cilindro

NOTA: Al ser un motor de motocicleta la cilindrada total será igual a la cilindrada unitaria.

3.4. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO TÉRMICO DEL MOTOR

La ecuación para determinar este valor se muestra en la ecuación [2]. Relación de compresión: 9,3; ver tabla 4

: Constante de gas ideal del aire de calor específico constante (1,33 motores a gasolina)

21

3.5. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO TÉRMICO A 2800

METROS SOBRE EL NIVEL DEL MAR (CIUDAD DE

QUITO)

Los valores se detallan en la tabla 5 y utilizando las ecuaciones [3] y [4] se determina los valores a continuación.

= Por lo cual el rendimiento térmico es el siguiente:

= %

Tabla 5.Densidad del aire en función de la variación de la altura

Altura Temperatura Presión Densidad

(m) °K mmHg Bar kg/mᵌ

0 288 760 1,013 1,225

200 286,8 742 0,989 1,202

400 285,4 725 0,966 1,179

600 284,4 707 0,942 1,156

800 282,9 690 0,920 1,134

1 000 281,6 674 0,898 1,112

1 400 279 642 0,856 1,070

1 600 277,7 626 0,834 1,048

2 000 275,1 596 0,794 1,007

2 200 273,8 582 0,776 0,987

2400 272,5 567 0,756 0,967

2600 271,2 553 0,737 0,947

2 800 269,9 539 0,718 0,928

3 000 268, 528 0,701 0,909

(Giacosa, 2014)

3.6. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO MECÁNICO DEL MOTOR

22 pueden estar en el rango de 75 y 90%” (Gordillo & Sanchez, 2013). En la tabla 6 se detalla el rendimiento de los diferentes tipos de motores con sus respectivos rangos.

Tabla 6.Rendimiento mecánico según el tipo de motor

TIPO DE MOTOR ( )

Cuatro tiempos Gasolina 0,8 a 0,9 Diesel 0,75 a 0,85 Dos tiempos Gasolina 0,85 a 0,95 Diesel 0,85 a 0,90 (Sanz, 2008)

3.7. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO DEL

MOTOR

El rendimiento volumétrico (ηv) se calcula mediante la ecuación [5] y viene determinado por la relación que existe entre el peso de los gases aspirados el cual se aprecia en la tabla 5 a 2800 metros sobre el nivel del mar y el peso correspondiente a su cilindrada unitaria que se calculó en la ecuación [1]. Donde: [17] masa teórica

: densidad del aire; ver tabla 5 [kg/m³]

: cilindrada parcial; calculado ecuación 1 [cm³]

[18] Donde:

: masa real [kg]

: masa teórica [kg]

23

3.8. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO ÚTIL DEL MOTOR

Para realizar este cálculo se debe tener a consideración la altura sobre el nivel del mar en la que el motor está en funcionamiento. En el proyecto 2800 metros ya que es la altura a la cual se encuentra la ciudad de Quito. “Por otra parte se debe tomar en cuenta un factor de suma importancia que es el rendimiento del diafragma ( ), ya que es la relación entre la superficie del diagrama real y la superficie del diagrama teórico. Esta relación alcanza valores entre 75 y 90%. Para nuestro cálculo se tomara el valor mínimo de 75%” (Gordillo & Sanchez, 2013). La ecuación [6] permite hacer el cálculo para saber su valor.

: 0,39; ver cálculo ecuación [3]

: 0,75

: 0,8; ver tabla 6

3.9. CÁLCULO

DEL

CONSUMO

ESPECIFÍCO

DE

COMBUSTIBLE A 2800 METROS DE ALTURA

Este cálculo se realiza mediante la ecuación [7]

: (10550 cal/g)

24

3.10. LA SOBREALIMENTACIÓN Y EL TURBOCOMPRESOR

3.10.1. LA RELACIÓN DE COMPRESIÓN

Es la relación entre la presión de aire a la salida de compresión y la presión atmosférica a la entrada. La sobrepresión proporcionada por el compresor será la diferencia entre estas dos presiones. La tabla 7 resume la relación entre rendimiento y temperatura de aire comprimido.

Tabla 7.Relación entre rendimiento y temperatura del compresor

Si el rendimiento es de La temperatura de aire comprimido es

de (°C)

0,4 150

0,5 125

0,6 110

0,7 95

(Manualdelamotocicleta, 2014)

3.11. CÁLCULOS DE ADECUACIÓN DEL SISTEMA DE TURBO

ALIMENTACIÓN

3.11.1. CÁLCULO DE LA RELACIÓN DE PRESIÓN

Como se indica en la ecuación [8]. “Se debe tener en cuenta que los fabricantes de turbocompresores indican como dato un valor constante para la presión de salida de aire del compresor que oscila de 0,689 bar a 0,8268 bar o lo que es igual a (10 a 12 psi)” (Gordillo & Sanchez, 2013). A este valor se le debe sumar la presión atmosférica a la altura sobre el nivel del mar, que para este caso es de 2800msnm (Quito), dando un valor de presión atmosférica de 0,7185 bar (10,41 psi), como lo muestran los datos presentados en la Tabla 5.

25 bar (1 psi) en la presión que ingresa de aire al compresor ( . De esta manera el siguiente cálculo matemático se toma en cuenta la presión atmosférica como la presión de admisión para el turbocompresor pero tomando en cuenta el valor de depresión como se observa en la figura 13.

Figura 13.Datos presión del turbocompresor

Con la obtención de los datos anteriores se puede encontrar el valor de la relación de presión PR; un punto muy importante que se debe tomar a consideración es que a la presión del turbo es necesario añadirle la presión atmosférica, ya que los manómetros utilizados por los fabricantes en la medición de la presión del turbocompresor no consideran la presión atmosférica, la misma que depende a la atura sobre el nivel del mar a la q se efectué la medición, para de esta manera obtener valores más reales de la relación de presión PR.

26 3.11.2. CÁLCULO DE FLUJO DE AIRE NECESARIO

La fórmula para su cálculo se puede observar en la ecuación [9]. Este flujo de aire es necesario e indispensable para ubicación en el mapa del turbo cargador, el cual se indica más adelante.

Trasformación de unidades para obtención del aire necesario:

;

Transformaciones:

3.11.3. CÁLCULO DE LA PRESIÓN DE ADMISIÓN SEGÚN LA POTENCIA.

Su ecuación queda determinada de la siguiente manera:

Flujo de aire necesario= 2,3074 ; calculado ecuación [9] R: 639,6 [lt*atm/K*mol]

nv: 0,59: calculado ecuación [5] n: 2000rpm

T1: Temperatura de admisión 87,7°C x + 32= 190°F; ver tabla 4 Vt: Volumen total = 223,06cc; calculado ecuación 1

27

Al encontrar los valores que se calculó anteriormente se procede al cálculo de la relación de presión (PR) con el sistema de sobrealimentación, se debe tener en cuenta las pérdidas de presión existentes entre el turbocompresor y los diferentes componentes como ductos, uniones, curvas hacia el sistema de admisión del motor. La suma de estas pérdidas de presión se la conoce como ∆P la misma que tiene un promedio de pérdida de:

De esta forma se calcula la presión de aire de admisión que existe con el turbocompresor.

El valor es la presión que otorga el turbocompresor al motor de combustión interna, el cual también sirve para identificar el aumento de potencia que se realiza posteriormente. De esta manera se calcula la relación de presión final (PR).

bar

3.11.4. CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE ADMISIÓN CON EL TURBOCARGADOR

28 este tiene un incremento de temperatura, mediante la ecuación [11] se desarrolla el siguiente cálculo.

: a 2800 msnm (269.9°K); ver tabla 5

: 0,63 bar (9,26 psi)

: 0.6496 bar (9,40 psi)

X: Exponente adiabático obtenido de la relación de presión 0,98

Figura 14.Salida de presión y temperatura a través del turbocompresor

(Salinas & Parreño, 2011)

3.11.5. GRADO DE INTERCAMBIO DE CALOR (ᶲ)

Este intercambio de calor puede ser valores entre 0,4 a 0,7 cuya ecuación está definida por la ecuación [12] y las temperaturas que se detalla a continuación

.

∆T: Valor de refrigeración del intercambiador de calor T2:

;

Ta: 15°C; dato fabricante.

29

ó

3.11.6. CÁLCULO DE TEMPERATURA DE SALIDA DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

Mediante una relación de temperatura a la entrada del intercooler (T2) menos el valor de refrigeración (∆T) es posible calcular la temperatura de salida de aire de admisión (Ts).

3.11.7. CÁLCULO DEL INCREMENTO DE POTENCIA

Para realizar el mismo se utiliza la ecuación [13] anteriormente descrita.

: 16,5 HP; tabla 4

: 0,63 bar

: 1,013 bar; tabla 5 : 288°K

: 273,41 °K

3.11.8. GRÁFICA DE SELECCIÓN DEL TURBOCOMPRESOR

30

Figura 15.Grafica de selección del turbocompresor

(Turbobygarret, 2012)

3.11.9. CARACTERÍSTICAS DEL TURBO SELECCIONADO

Las principales características que presenta el turbocompresor seleccionado como sé detallan en la tabla 8 y se observa en la figura 16 son:

Tabla 8.Características del turbocompresor

Marca Hyundai

Modelo TD025

Sistema de refrigeración y lubricación Aceite Ubicación de la válvula Wastegade Interna

Caballos de fuerza 50-115 HP

Cilindrada 1,6 litros

Número máximo de revoluciones 250,000 Máxima temperatura de gases de escape 900°C Relación de presión máxima 2,3 a 1

Peso 5,5 kg (12,1lb)

31

3.12. SELECCIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

El intercambiador de calor o intercooler figura 17, es un radiador el cual puede ser de aire-aire o aire-agua. Este se encarga de enfriar el aire comprimido enviado por el turbocompresor hacia el sistema de admisión. El Intercooler utilizado es de un camión, con la intención que haya un mejor enfriamiento del aire comprimido ya que al ser un motor estacionario no tiene una corriente de aire que actúe sobre él, de esta manera se obtiene una mayor capacidad de enfriamiento del aire sobre el sistema de admisión. Las características del intercambiador de calor se detallan en la tabla 9 a continuación.

Tabla 9.Características técnicas del intercooler

Tipo de intercambiador de calor Aire-Aire

Material Aluminio

Modelo NK2000

Capacidad de refrigeración del aire maximo 56,1°C

Figura 17.Intercooler

3.13. CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS

Para la realización del proyecto se debe tomar en cuenta los pasos de la construcción, mediante procesos que se detallan a continuación por medio de imágenes las mismas que permitirán una mayor comprensión de todo lo realizado. En la construcción de la estructura del proyecto se eligió tubo de acero duro inoxidable de 21,3mm de diámetro, ya que el porcentaje de carbono permite que soporte los esfuerzos que serán aplicados. La forma de la estructura es cuadrada con medidas las cuales son: largo (55cm), ancho (45cm) y alto (55cm) como se observa en la figura 18.

32 Para la sujeción del motor se soldó tubos laterales de las mismas características al material de la estructura y soportes para el motor mediante platinas, como se observa en la figura 19.

Figura 19. Soportes del motor

Posteriormente se arma el motor con todos los elementos que son necesarios para la puesta a punto del mismo como: bobina de encendido, rectificador de corriente, sistema de encendido CDI, carburador, cables de sistema, batería permitiendo que el motor funcione correctamente como se observa en la figura 20.

Figura 20. Instalación de elementos del motor

Como siguiente paso se instala el turbocompresor como se observa en la figura 21 al motor mediante un acople proveniente del escape, el cual permitirá el accionamiento de la turbina del turbo y que este realice su funcionamiento.

Figura 21. Montaje del turbocompresor al motor

33

Figura 22. Montaje del motor y turbo a la estructura

El turbocompresor necesita de una correcta lubricación para su funcionamiento ya que es indispensable lubricar los elementos internos evitando desgaste y rupturas, de esta manera se procede mediante ductos como se observa en la figura 23 provenientes del cabezote del motor y transferirla hacia la entrada de lubricación del turbocompresor, y de igual manera el retorno que será de la salida del turbo hacia el cárter del motor

A continuación se coloca los ductos por los cuales va circular el aire comprimido generado por el turbocompresor hacia el sistema de alimentación del motor como se observa en la figura 24. También se instala el filtro de aire que permitirá filtrar las impurezas que existen en el medio ambiente, evitando que ingresen hacia el turbo y de esta manera prevenir daños que perjudiquen al sistema.

Figura 24. Entradas y salidas de aire del turbo

Entrada de aceite al turbo del motor Salida de aceite al cárter del motor Entrada de aire al turbo (atmosfera) Salida de aire del turbo Entrada de gases procedentes del escape Válvula de regulación del turbo

34 Posteriormente se monto el intercooler a la estructura mediante platinas y pernos, el cual su principal función es de enfriar el aire comprimido proveniente del turbocompresor hacia la entrada del carburador del motor como se observa en la figura 25.

Figura 25. Montaje del intercooler a la estructura

En la parte interior de la estructura se monto los elementos indispensables que son necesarios para el funcionamiento del motor como la batería, CDI, rectificador de corriente, relé de encendido, depurador y silenciador como se observa en la figura 26.

Figura 26. Montaje elementos internos a la estructura

Para proteger los elementos del motor se forra con láminas de acero corrugado y malla para evitar incidentes como se observa en la figura 27, de igual manera se monta el tanque de combustible, el acelerador, el sistema de arranque y un panel donde se colocara los medidores.

Figura 27. Protección del banco de pruebas

35

Figura 28. Adaptación del tubo de escape

Una vez culminada la etapa de montaje de los componentes del motor se procede a realizar todos los pasos para la programación, construcción y montaje de la tarjeta Arduino, la tabla 10 detalla los materiales utilizados para la implementación del mismo, especificación de los sensores, sotfware utilizado y herramientas que serán necesarias para la implementación al banco de pruebas permitiendo de esta manera obtener datos de temperatura y presión generadas por el turbocompresor.

Tabla 10. Elementos utilizados Procesador Arduino

Materiales Sensores

LM35 Sensor de temperatura

MPX4115AP Sensor de presión

Interfaz

LCD 20x4 Pantalla

Modulo I2C Comunicación entre pantalla y Arduino Procsador

Arduino UNO R3 Tarjeta procesadora

Placa electrónica

Espadín macho (32) Conectar la tarjeta con los pines del Arduino Borneras de 3 pines (2) Conectar los sensores

Bornera de 4 pines (1). Conectar el módulo I2C. Condensador de 100uF/16V Filtra la señal del sensor LM35. Condensador de 100uF/25V Regula y balancea el voltaje que entrega el

Arduino a la placa electrónica Placa de baquelita de 10 x 6 cm

Cables de conexión

Software

IDE Arduino versión 1.6.8 Programar el Arduino. Proteus Professional versión 8.5 Diseñar el PCB o placa electrónica

Herramientas

 Sierra de corte  Fosforera

 Mini taladro  Fuente 12VDC

 Plancha  Multímetro

 Cautín  Manguera termoencogible

 Estaño  Destornillador

36 3.13.1. SENSOR DE TEMPERATURA LM35

“El LM35 como se observa en la figura 29 es un sensor de temperatura digital. A diferencia de otros dispositivos como los termistores en los que la medición de temperatura se obtiene de la medición de su resistencia eléctrica, el LM35 es un integrado con su propio circuito de control, que proporciona una salida de voltaje proporcional a la temperatura. La salida del LM35 es lineal con la temperatura, incrementando el valor a razón de 10mV por cada grado centígrado. El rango de medición es de -55ºC (-550mV) a 150ºC (1500 mV). Su precisión a temperatura ambiente es de 0,5ºC.” (Llamas, 2015). Como sus principales características se tiene:

 Está calibrado directamente en grados Celsius.

 La tensión de salida es proporcional a la temperatura.

 Tiene una precisión garantizada de 0.5 °C a 25 °C.

 Baja impedancia de salida.

 Baja corriente de alimentación (60 μA).

 Bajo coste.

Figura 29. Sensor de temperatura LM35

(Llamas, 2015)

El esquema eléctrico necesario para su operación está representado en la figura 30 con sus respectivos pines de conexión.

Figura 30. Esquema eléctrico sensor temperatura LM35

37 De igual manera la figura 31 representa su montaje en la Protoboard para su configuración.

Figura 31. Montaje en protoboard del sensor LM35

3.13.2. SENSOR DE PRESIÓN MPX4115AP

“Es un sensor de presión integrado de silicio para la presión absoluta múltiple. Este sensor integra en el chip un amplificador operacional bipolar y una red de resistencia de capa delgada para proporcionar una señal de alto rendimiento y la compensación de temperatura (desde -40° a +125°). Este sensor convierte la presión de aire a una salida de voltaje analógico (0,2 a 4,8 voltios). El rango de funcionamiento es de 15KPa a 115KPa (2,2 a 16,7 psi) y genera un error de 1,5% en temperatura de 0° a 85°C, la figura 32 representa el sensor de presión”. (Hernandez, 2010)

38 El esquema electrico se representa en la figura 33 del sensor de presion MPX4115AP para su configuración.

Figura 33. Esquema eléctrico sensor de presión MPX4115AP

En la figura 34 se observa que la relación entre la presión que detecta el sensor y el voltaje de salida que emite como una señal para el arduino es prácticamente lineal y que por cada voltio la presión aumenta + o – de 20KPa a 25KPa. Este dato es muy importante para posteriormente representarlo en la programación de arduino.

Figura 34. Voltaje vs presión absoluta del sensor

39 3.13.3. CIRCUITO ELÉCTRICO DEL PROYECTO

Las conexiones de los sensores de temperatura y presión se encuentran con los respectivos pines de instalación al igual que la pantalla LCD, que permiten conectar en la parte física del mismo, como se observa en la figura 35, la alimentación de todo el sistema antes del regulador de voltaje es de 12v, permitiendo el regulador disminuir la señal de voltaje a los sensores a 5v para su funcionamiento.

Figura 35. Conexión de sensores y pantalla

3.13.4. ELABORACIÓN DE LA PLACA.

Para iniciar con este proceso se imprimió en papel fotográfico y en impresora lasser el esquema de las pistas como se observa en la figura 36.

40 Paso siguiente como se observa en la figura 37 se cortar la placa de baquelita del tamaño del diseño de placa. En el anexo 6 se representa el esquema de la placa electrónica y sus pistas.

Con una plancha se procede a calentar el papel impreso sobre la placa de baquelita como se observa en la figura 38, para que de esta manera se quede impreso el diseño y poder posteriormente trabajar sobre la misma.

Figura 38. Impresión de esquema en la placa

Se introduce la placa planchada en un recipiente con agua por unos minutos para que se adhiera el circuito, después se retira el papel fotográfico de la placa teniendo cuidado que no quede ningún residuo como se observa en la figura 39.

Figura 37. Placa de baquelita

41 Se introduce la placa en cloruro férrico por alrededor de 30 minutos como se observa en la figura 40 para eliminar residuos existentes de cobre.

Figura 40. Placa en cloruro férrico

Con Thinner y lustre fino retirar el toner que se encuentra sobre las pistas de placa como se observa en la figura 41.

Figura 41. Retiro de toner de la placa

Se procede a perforar la placa con un mini taladro como se observa en la figura 42.

Figura 42. Perforación de placa

Como se observa en la figura 43 se procede a soldar los elementos de la placa con cautín y estaño.

42 Se conecta las borneras de 3 pines de los sensores de temperatura y presión a la placa (señal, positivo y negativo) al igual que la bornera de 4 pines que conecta el módulo I2C.como se observa en la figura 44.

Figura 44. Conexión de pines

El módulo I2C se conecta al LCD como se observa en la figura 45, el mismo que permite recibir la información y proyectarla a la pantalla.

Figura 45. Conexión modulo I2C

La alimentación a la tarjeta arduino se la toma de la batería del banco de pruebas la misma que proporciona la energía para su funcionamiento, mediante un plug adaptador facilita la conexión del sistema con la fuente de alimentación como se observa en la figura 46.

43 3.13.5. MONTAJE DE ELEMENTOS AL BANCO DE PRUEBAS

En el panel se realiza los orificios teniendo en cuenta las medidas tales como: el diámetro del switch, del tacómetro y del medidor de voltaje al igual que el largo y ancho de la pantalla donde se indicara la temperatura y presión generada por el turbocompresor como se observa en la figura 47.

Figura 47. Orificios para colocación de medidores

Posteriormente se toma los cables provenientes de la batería como se observa en la figura 48 para la conexión del switch y de los demás elementos que permitirán ser alimentados con corriente para su funcionamiento.

Como se observa en la figura 49 se procede a colocar los indicadores en el panel de control con sus respectivas conexiones de cables los mismos que encenderán al girar el switch en la posición de accesorios.

Figura 49. Indicadores de control

44 Para el montaje de la tarjeta arduino y la placa se instala una caja protectora la misma que sirve para alojar todos los elementos evitando problemas de rupturas de cables, mediante tornillos y con la ayuda de un taladro se coloca en la parte delantera del banco de pruebas como se observa en la figura 50.

Figura 50. Montaje de la caja protectora

Mediante la ayuda de silicona se coloca la tarjera de Arduino en la parte interior de la caja permitiendo que esta quede estable y sin riesgo de daños, para posteriormente colocar la placa de baquelita con los elementos conectores de los sensores y la pantalla como se observa en la figura 51.

Figura 51. Colocación de tarjera arduino y placa

Con la utilización de un taladro se realiza los agujeros en la caja para permitir el paso de los cables de los sensores, pantala LCD y alimentación de corriente; como se observa en la figura 52 mediante silicona se fijan los cables permitiendo que no se muevan y se desconecten para evitar problemas.

45 Para colocar el sensor de presión en el ducto a la salida del turbocompresor figura 53, mediante de un codo insertado en dicho ducto permitirá canalizar el aire enviado por el turbo y mediante una manguera conectada al sensor recibir la señal de presión de aire y proyectarla en la pantalla.

Figura 53. Montaje sensor de presión

De igual manera se coloca el sensor de temperatura en el interior del ducto figura 54, con sus respectivas salidas de cables para ser conectadas al modulo que recibirá su señal.

Figura 54. Montaje sensor de temperatura

3.14. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

46 observa en la figura 55, los cuales varian al aumentar las revoluciones del motor y se detallan en la tabla 11.

Figura 55. Prueba 0 RPM

Tabla 11. Datos primera prueba

RPM TEMPERATURA PRESIÓN

0 13,20°C 55,75°F 9,38 psi 0,63 bar

La segunda prueba se la realiza a 1000 rpm como se observa en la figura 56, y sus datos se detalla en la tabla 12.

Figura 56. Prueba 1000 RPM

Tabla 12. Datos segunda prueba

RPM TEMPERATURA PRESIÓN

47 La tercera prueba es a 1500 rpm observando un cambio de valores en la figura 57 y detallados en la tabla 13.

Figura 57. Prueba 1500 RPM

Tabla 13. Datos tercera prueba

RPM TEMPERATURA PRESIÓN

1500 15,15°C 59,27°F 9,43 psi 0,64 bar

En la figura 58 las revoluciones del motor es de 1800 rpm y los valores son detallados en la tabla 14.

Figura 58. Prueba 1800 RPM

Tabla 14. Datos cuarta prueba

RPM TEMPERATURA PRESIÓN

48 A 2000 rpm los valores se observan en la figura 59 y los datos obtenidos se detallan en la tabla 15.

Figura 59. Prueba a 2000 RPM

Tabla 15. Datos quinta prueba

RPM TEMPERATURA PRESIÓN

2000 32,26°C 90,06°F 9,63 psi 0,65 bar

Las revoluciones del motor en la figura 60 ascienden a los 2300 rpm para obtener los siguientes datos detallados en la tabla 16.

Figura 60. Prueba a 2300 RPM

Tabla 16. Datos sexta prueba

RPM TEMPERATURA PRESIÓN

49 La última prueba se la realiza a 2500 rpm con los siguientes datos obtenidos figura 61 y los valores detallados en la tabla 17.

Figura 61. Prueba a 2500 RPM

Tabla 17. Datos prueba final

RPM TEMPERATURA PRESIÓN

2500 32,75°C 90,94°F 9,70 psi 0,65 bar

Como prueba final se mide la compresión que tiene el motor mediante el instrumento indicado el cual es el medidor de compresión como se observa en la figura 62.

Figura 62. Compresión del motor