UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA MOTRIZ DE UN
VEHÍCULO MONOPLAZA PARA LA COMPETENCIA
FÓRMULA SAE
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
JONATHAN DAVID LARA RAMOS
DIRECTOR: ING. MILTON REVELO
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1717870271
APELLIDO Y NOMBRES: Lara Ramos Jonathan David
DIRECCIÓN: Los Encuentros S13-260
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 2622747
TELÉFONO MOVIL: 0992737160
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Diseño y construcción del sistema motriz de un vehículo monoplaza para la competencia
fórmula SAE
AUTOR O AUTORES: Jonathan David Lara Ramos
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
2017/03/26
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Milton Revelo
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El proyecto que se presentó fue en realidad un subproyecto de uno global, que consistió en la concepción, diseño y fabricación de un prototipo de un vehículo monoplaza fórmula SAE para la competición universitaria de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE). La parte que aquí se describió es la del sistema motriz compuesto por motor y trasmisión. El alcance del proyecto no fue sólo teórico, sino también práctico, con la fabricación y montaje de componentes. El diseño y la elección de cada componente del vehículo estuvo regido por una normativa estricta impuesta por los organizadores de la competición. Desde el inicio no se pensó en diseñar y fabricar un motor para que cumpliera con las reglas de la competencia ya que esto hubiese conllevado a contar con recursos que no se disponen. La opción más práctica fue la de adquirir un motor y modificarlo para que cumpliese con las normas establecidas. También se modificó o
prestaciones aumenten. En cuanto al motor se decidió montar un Kawasaki GPX 600R del año 1990. Por normativa, la potencia del motor se restringió por una brida de 20 mm de diámetro situada entre el filtro de aire y la culata. Fue necesario el diseño de un nuevo múltiple de admisión fabricado en acero inoxidable. El múltiple de escape también fue rediseñado y ensamblado. La transmisión del vehículo consto de un embrague multidisco húmedo y de una caja de cambios secuencial, integrados en el mismo bloque del motor, una transmisión secundaria por cadena y los palieres. También fue necesario el diseño de piezas para ensamblar todos estos elementos.
PALABRAS CLAVES: Fórmula, SAE, motor, transmisión, Kawasaki.
secondary transmission by chain and the bearings. It was also necessary to design pieces to assemble all these elements.
KEYWORDS Formula, SAE, engine, transmission,
Kawasaki.
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, LARA RAMOS JONATHAN DAVID, CI 1717870271 autor del proyecto titulado: Diseño y construcción del sistema motriz de un vehículo monoplaza para la competencia fórmula SAE 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.
DECLARACIÓN
Yo JONATHAN DAVID LARA RAMOS, 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.
CERTIFICACIÓN
DEDICATORIA
Este trabajo está dedicado a Dios, mi Padre Celestial; quien ha sido, es y será la razón, el motivo y motivación para día a día seguir adelante cumpliendo los propósitos que Él tiene para mi vida.
"Todos los llamados de mi nombre; para gloria mía los he creado, los formé y
los hice". Isaías 43:7 (RVR1960)
A mis padres, Holger y Patricia, porque gracias a ellos conocí a mi amado Señor y Salvador Jesús, al educarme en amor y temor de Dios, y al sacrificarse tanto para darme lo que me han dado.
"Honra a tu padre y a tu madre, que es el primer mandamiento con promesa".
Efesios 6:2 (RVR1960)
A mis hermanas y amigas, Sandy y Leslie, que han sido un pilar fundamental en toda mi vida como apoyo, cuando se aproxima una tormenta; como ayuda, cuando he necesitado de alguien en ocasiones difíciles y como compañeras ya que hemos compartido tantos momentos y a pesar de ellos, seguimos amándonos y fortaleciéndonos siempre unidos.
"El hombre que tiene amigos ha de mostrarse amigo; Y amigo hay más unido
que un hermano". Proverbios 18:24 (RVR1960)
Dedico también a mi Abuela Olga, quien durante mi vida universitaria estuvo apoyándome y ayudándome de la mejor manera sirviendo como ejemplo de lo que es ser una persona de Fe.
"Corona de los viejos son los nietos, Y la honra de los hijos, sus padres". Proverbios 17:6 (RVR1960)
Se lo dedico también a toda mi familia y amigos que de una u otra manera creyeron en mí y aportaron con un granito de arena para alcanzar una meta más.
Esto es para Dios y para todos ustedes.
AGRADECIMIENTO
Agradezco primeramente a Dios por darme la sabiduría, la inteligencia y la fuerza para afrontar cada circunstancia sea buena o sea mala con una única esperanza, Jesucristo.
"Mas el Dios de toda gracia, que nos llamó a su gloria eterna en Jesucristo,
después que hayáis padecido un poco de tiempo, él mismo os perfeccione, afirme, fortalezca y establezca". 1 Pedro 5:10 (RVR1960)
Agradezco a mi padre, Holger, por su sacrificado trabajo para conmigo, su apoyo y ayuda incondicional ya que sin su guía nada de esto se hubiera logrado; a mi madre, Patricia, por su amor y paciencia al comprenderme, formarme, ayudarme y cuidarme.
Agradezco a mis amigos y compañeros: David, Sebastián, Franklin, Andrés Mesa y Andrés Moncayo que creyeron en la posibilidad de este proyecto y colaboraron en la realización del mismo para sacarlo adelante juntos.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 3
2. METODOLOGÍA 10
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 13
3.1 ANÁLISISDEALTERNATIVASDELMOTOR 14
3.1.1 SELECCIÓN DEL MOTOR 17
3.1.2 IMPLEMENTACIÓN DEL MOTOR 23
3.2 MÚLTIPLEDEADMISIÓN 25
3.2.1 INFLUENCIA DEL RESTRICTOR AL RENDIMIENTO DEL
MOTOR 25
3.2.2 DISEÑO Y JUSTIFICACIÓN DEL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN 28
3.3 MÚLTIPLEDEESCAPE 35
3.3.1 DISEÑO Y JUSTIFICACIÓN DEL MÚLTIPLE DE ESCAPE 36
3.3.2 EL SILENCIADOR 42
3.4 PRUEBASDINÁMICASDEFUNCIONAMIENTO 44
3.4.1 ACELERACIÓN 44
3.4.2 SKID-PAD 46
3.4.3 AUTOCROSS 47
3.4.4 RESISTENCIA Y EFICIENCIA 48
3.5 MANTENIMIENTODELSISTEMAMOTRIZ 50
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 51
4.1 CONCLUSIONES 51
4.2 RECOMENDACIONES 52
5. BIBLIOGRAFÍA 53
ii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Ficha técnica Yamaha FZR600. 14
Tabla 2. Ficha técnica Honda CBR 600F. 15
Tabla 3. Ficha técnica Kawasaki GPX 600R. 15
Tabla 4. Ficha técnica Kawasaki GPX 600R continuación. 16
Tabla 5. Ficha técnica Suzuki GSF 600N. 16
Tabla 6. Ficha técnica Suzuki GSF 600N continuación. 17 Tabla 7. Análisis y evaluación de los tipos de motor. 17 Tabla 8. Análisis y evaluación de los tipos de transmisión. 19 Tabla 9. Análisis y evaluación de la transmisión secundaria. 19 Tabla 10. Análisis y evaluación del diferencial. 20
Tabla 11. Relación de transmisión primaria. 21
Tabla 12. Relación de transmisión en cada marcha. 21 Tabla 13. Relación de transmisión secundaria. 22
Tabla 14. Velocidad final en cada marcha. 23
Tabla 15. Caudal de llenado de la admisión en función de RPM. 28 Tabla 16. Longitud de tubo en función del régimen de giro del motor. 30 Tabla 17. Longitud del tubo en función del régimen de giro del motor. 37 Tabla 18. Diámetros y longitudes del tubo de escape. 41 Tabla 19. Análisis de tipos de silenciadores. 43
Tabla 20. Mantenimiento del Sistema Motriz. 50
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Sistema Motriz. 5
Figura 2. Puntos de soporte del motor 24
Figura 3. Puntos de soporte del motor al chasis 24 Figura 4. Bloqueo del flujo de aire con el restrictor. 26
Figura 5. Proceso de admisión por pulsos. 29
Figura 6. Diagrama de distribución. 29
Figura 7. Diseño del restrictor. 31
Figura 8. Molde de madera del restrictor. 32
Figura 9. Corte longitudinal del restrictor en fibra de vidrio. 32
Figura 10. Restrictor acabado 32
Figura 11. Esquema del nuevo múltiple de admisión 33 Figura 12. Tubo de acero inoxidable de 3 pulgadas. 33 Figura 13. Caja de aire con los conductos del múltiple. 34 Figura 14. Modelo virtual del múltiple de admisión. 34
Figura 15. Carburadores Keihin CVK32 35
Figura 16. Onda de compresión. 38
Figura 17. Onda de rarefacción. 38
Figura 18. Tipos de onda según RPM. 39
Figura 19. Colector tipo baffle. 39
Figura 20. Coelctor tipo merge. 40
Figura 21. Múltiple tipo merge original Kawasaki. 40 Figura 22. Modelo virtual del múltiple de escape. 41
Figura 23. Múltiple de escape (4 a 2) 42
Figura 24. Múltiple de escape (2 a 1) 42
Figura 25. Tipos de silenciadores 44
Figura 26. Muffler Netami. 44
Figura 27. Ejemplo de circuito de evaluación 45
Figura 28. Esquema de la prueba SKID-PAD. 46
Figura 29. Ejemplo de circuito de evaluación 48
Figura 30. Esquema de un Fórmula SAE 64
Figura 31. Puntaje total Fórmula SAE. 64
Figura 32. Tiempos de un motor de combustión interna. 65 Figura 33. Ciclo termodinámico de un motor de combustión interna 65 Figura 34. Esquema de un silenciador con oscilaciones 66
Figura 35. Motocicleta Kawasaki GPX600 71
Figura 36. Desarme de la motocicleta 71
Figura 37. Extracción del motor 71
Figura 38. Colocación del motor al chasis 72
Figura 39. Ubicación de los soportes del motor 72
iv
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1. Artículos correspondientes al sistema motriz de la Normativa
Fórmula SAE 55
Anexo 2. Sistema motriz fórmula SAE 64
Anexo 3. Parámetros del motor 65
Anexo 4. Fichas técnicas de motocicletas 67
Anexo 5. Modificaciones Kawasaki GPX 600 71
1
RESUMEN
El proyecto que se presentó fue en realidad un subproyecto de uno global, que consistió en la concepción, diseño y fabricación de un prototipo de un vehículo monoplaza fórmula SAE para la competición universitaria de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE). La parte que se analizó e implementó es la del sistema motriz compuesto por motor y trasmisión. El alcance del proyecto no fue sólo teórico, sino también práctico, con la fabricación y montaje de componentes. El diseño y la elección de cada componente del vehículo estuvo regido por una normativa estricta impuesta por los organizadores de la competición. Desde el inicio no se pensó en diseñar y fabricar un motor para que cumpliera con las reglas de la competencia ya que esto hubiese conllevado a contar con recursos que no se disponen. La opción más práctica fue la de adquirir un motor y modificarlo para que cumpliese con las normas establecidas. También se modificó o cambio ciertas partes del motor para que sus prestaciones mejoren. En cuanto al motor se decidió montar un Kawasaki GPX 600R del año 1990. Por normativa, la potencia del motor se restringió por una brida de 20 mm de diámetro situada entre el filtro de aire y la culata. Fue necesario el diseño de un nuevo múltiple de admisión fabricado en acero inoxidable. El múltiple de escape también fue rediseñado y ensamblado. La transmisión del vehículo constó de un embrague multidisco húmedo y de una caja de cambios secuencial, integrados en el mismo bloque del motor, una transmisión secundaria por cadena y los palieres. También fue necesario el diseño de piezas para ensamblar todos estos elementos.
2
ABSTRACT
The project that was presented was in fact a subproject of a global one, which consisted in the conception, design and manufacture of a prototype of a single-seater vehicle formula SAE for the university competition of the Society of Automotive Engineers (SAE). The part that was analyzed and implemented is the motor system composed of motor and transmission. The scope of the project was not only theoretical but also practical, with the manufacture and assembly of components. The design and choice of each component of the vehicle was governed by strict regulations imposed by the organizers of the competition. From the beginning it was not thought to design and manufacture an engine to comply with the rules of competition as this would have entailed resources that are not available. The most practical option was to acquire an engine and modify it to comply with the established standards. Certain parts of the engine were also modified or changed to improve performance. As for the engine it was decided to mount a Kawasaki GPX 600R of the year 1990. By normative, the power of the motor was restricted by a flange of 20 mm of diameter located between the air filter and the butt. It was necessary to design a new intake manifold made of stainless steel. The exhaust manifold was also redesigned and assembled. The transmission of the vehicle consisted of a wet multidisk clutch and a sequential gearbox, integrated in the same block of the engine, a secondary transmission by chain and the bearings. It was also necessary to design pieces to assemble all these elements.
3
1.
INTRODUCCIÓN
Debido a la falta de un prototipo fórmula SAE en la Universidad Tecnológica Equinoccial y la oportunidad para afianzar el compromiso tanto de docentes como de estudiantes al desarrollo de proyectos tecnológicos en la carrera de Ingeniería Automotriz nació la necesidad de adaptar, diseñar y construir el sistema motriz para un vehículo monoplaza tipo fórmula SAE; aquí radica el motivo de esta investigación, en modificar los sistemas fundamentales del motor cumpliendo las normas establecidas en el reglamento de la competencia fórmula SAE para adaptarlo al chasis de un monoplaza para dicha competición.
Históricamente solo dos universidades del país han construido un vehículo monoplaza para la competencia fórmula SAE con sus primeros prototipos desde el año 2011 y 2014, es por esta razón que como estudiante de Ingeniería Automotriz me propuse la construcción del sistema motriz de un monoplaza para mostrar las capacidades que la Universidad Tecnológica Equinoccial posee, tomando en cuenta para la investigación los avances tecnológicos, innovaciones en el campo automotriz y conocimientos adquiridos, para obtener un sistema de propulsión competitivo cumpliendo las normas y parámetros establecidos por la SAE; para de esta manera ser un modelo de investigación y desarrollo tecnológico para la carrera de Ingeniería Automotriz.
4 Los prototipos de otras universidades usan como el corazón del sistema de propulsión un motor Yamaha FZR600 (4 tiempos, 4 cilindros en línea, 599cc de cilindrada, 76 HP de potencia a 10000 RPM y 45 N-m de torque a 8250 RPM) y un motor Honda CBR 600 F (4 tiempos, 4 cilindros en línea, 599cc de cilindrada, 85 HP de potencia a 9500 RPM y 59 N-m de torque a 8500 RPM). Estos motores pueden cumplir con las restricciones, así pues, interesa encontrar uno que sea óptimo para el tipo de vehículo y pruebas que se han de llevar a cabo en la competición y con un precio razonablemente bajo. (Hinojosa & Piña, 2015)
La competencia Fórmula SAE es una competencia automovilística internacional avalada por la Society of Automotive Engineers (SAE) o Sociedad de Ingenieros Automotrices en español con sede en más de 10 países en el mundo; donde los participantes, que son estudiantes de Ingeniería Automotriz de más de 500 universidades diseñan, fabrican y compiten con un vehículo monoplaza a partir de normas y parámetros establecidos por la SAE en las que se enmarcan límites de potencia, resistencia, peso, dimensiones, etc; con el fin de incentivar la investigación, el ingenio y la creatividad. (SAE International, 2016)
La mayoría de prototipos para un vehículo monoplaza que compiten en la fórmula SAE son parecidos al de la figura 28 en el anexo 2; los cuales constan de un chasis tubular, motor transversal y tracción trasera. El sistema de puntuación impuesto por los organizadores consta de pruebas dinámicas y estáticas (SAE, 2015). En las pruebas dinámicas se evalúa las prestaciones del vehículo en diferentes campos como son:
Aceleración (Acceleration). Consiste en recorrer 75 m en el menor tiempo posible, comenzando con el vehículo parado, con un puntaje total de 75 puntos.
Giro de radio constante (Skid-Pad). El monoplaza debe realizar una especie de “8” como muestra la figura 29 del anexo 2, en el menor tiempo posible, con un puntaje total de 75 puntos.
Vuelta rápida (Autocross). Hay que dar una vuelta al circuito completo en el menor tiempo posible, con un puntaje total de 100 puntos. Se pone a prueba la aceleración, el frenado y la velocidad de paso por curva del vehículo en un circuito de 805 m aproximadamente.
Resistencia (Endurance). Esta es la prueba más valiosa. El monoplaza debe correr alrededor de un circuito en el menor tiempo posible, con un puntaje total de 300 puntos. Las velocidades de la prueba se pueden estimar mediante las siguientes especificaciones estándar: la velocidad media debe ser de 48 km/h a 57 km/h con velocidades máximas de aproximadamente 105 km/h.
5 Eficiencia se basa en una medición de la cantidad de combustible consumido o la energía utilizada.
Las dos pruebas, resistencia y consumo, se realizan conjuntamente y evalúan el funcionamiento general del vehículo, la fiabilidad y el consumo de combustible. En las pruebas estáticas se evalúa el trabajo realizado durante cada etapa del diseño y construcción del vehículo en cuatro partes:
Diseño de ingeniería (Engineering Design): Es la reina de las pruebas estáticas. El equipo debe justificar cada decisión de diseño del monoplaza, con un puntaje total de 150 puntos.
Costo (Cost): Consiste en presentar un presupuesto del prototipo para una fabricación en serie de 10.000 unidades, con un puntaje total de 100 puntos.
Presentación (Presentation): En esta prueba el equipo debe vender a inversores (los jueces) una empresa creada por él mismo y que tiene al monoplaza como producto principal. Así el total de la competición será de 1000 puntos como lo indica la figura 30 del anexo 2.
El sistema motriz es el corazón de todo vehículo y consta de dos partes fundamentales: el motor de combustión interna y la transmisión. El primero tiene la función de generar trabajo y el segundo trasmitir el trabajo generado a las ruedas, como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Sistema Motriz.
6
𝑽 = 𝝅×𝑪×𝑫
𝟐
𝟒 [𝟏]
Donde:
V: es la cilindrada unitaria.
C: es la carrera del pistón en cm
D: es el diámetro interior del cilindro en cm.
La cilindrada de un motor es la cilindrada unitaria de cada cilindro multiplicada por el número de cilindros, como lo muestra la ecuación 2. (Crouse, 2001)
𝑽𝒕 = 𝟒×𝑽 [𝟐]
Donde:
Vt: es la cilindrada total
V: es la cilindrada unitaria
La relación de compresión (ρ) de un motor es la relación entre el volumen total del cilindro y el volumen de la cámara de combustión y es un parámetro relacionado con la construcción del motor, se calcula como lo muestra la ecuación 3. (Crouse, 2001)
𝝆 =𝑽 + 𝒗 𝒗
[𝟑]
Donde:
ρ: es la relación de compresión.
V: es el volumen del cilindro.
v: es el volumen de la cámara de combustión.
En ciclo de trabajo del motor se genera con cuatro carreras del pistón, es decir cuatro tiempos de trabajo como se muestra en la figura 31 en el anexo 3. El ciclo termodinámico que se sigue es el ciclo Otto. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante, como lo muestra la figura 32 en el anexo 3.
7 solamente se aíslan, sino que además se obtiene que en el extremo del tubo de escape sobresalga una depresión oscilatoria que influye positivamente en el vaciado de los cilindros, lo cual influye en la potencia del motor. (Gerschler, 2001)
Los parámetros de diseño para estos sistemas son similares, por ejemplo: el caudal, masa de aire, revoluciones por minuto, rendimiento volumétrico, longitud y diámetros de tubos. El caudal o gasto se define como el volumen de fluido que pasa a través de cierta sección transversal en una unidad de tiempo, se calcula como lo muestra la ecuación 4. (Tippens, 2007)
𝑸 = 𝑽 ×𝑨 [𝟒]
Donde:
Q: caudal.
V: Velocidad del fluido.
A: Área de la restricción.
El rendimiento volumétrico representa la eficiencia de llenado de los cilindros y se define como la relación entre la masa de mezcla o aire que entra en el motor por ciclo y la que debería entrar para unas condiciones óptimas, se calcula como lo muestra la ecuación 5 (González Calleja, Motores térmicos y sus sistemas auxiliares, 2015)
𝒏𝒗= 𝑴𝒂
𝑽𝒕 ×𝒏×𝟏𝟐 ×𝝆𝒂
[𝟓]
Donde:
𝑛𝑣: Rendimiento volumétrico.
𝑀𝑎: Flujo másico de aire.
𝑉𝑡: Cilindrada total.
𝑛: Numero de revoluciones.
𝜌𝑎: Densidad del aire.
La longitud de tubos admisión-escape se calcula como lo muestra la ecuación 6. (Payri & Desantes, 2011)
𝑳 =𝑪𝒑𝒓 𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍×∆ 𝜶
𝟒×𝝅×𝑵 [𝟔]
Donde:
Cpr final:velocidad media de propagación de la onda del aire.
Δα: Diferencia angular entre apertura de admisión y escape.
8 El área de restricción de la brida se calcula como lo muestra la ecuación 7.
𝑨 =𝝅×𝒅
𝟐
𝟒 [𝟕]
Donde:
A: Área del circulo donde está la restricción.
π: constante pi.
d: Diámetro de la restricción.
Al calcular el caudal de llenado especialmente en la zona de autorregulación y la velocidad de propagación del aire se usa la ecuación 8 para calcular la longitud del tubo.
𝑪𝒑𝒓𝒇 = 𝑪𝒑𝒓 + (𝟎. 𝟔 𝒎/𝒔×𝑻𝒈𝒆) [𝟖]
Donde:
𝐶𝑝𝑟𝑓: Velocidad final de propagación del aire
Cpr: Velocidad media de propagación de la onda del aire. Tge:Temperatura media del aire en el múltiple de admisión.
El sistema de admisión se encargará de brindar la cantidad necesaria de aire en cada momento, dependiendo de las condiciones de uso del motor y de las condiciones ambientales. En los motores de combustión interna de encendido provocado, debido a los límites de inflamabilidad del combustible, el dosado relativo (F
R) debe mantenerse dentro de unos límites.
0.8 < F
R < 1.2
Esta es la razón por la que, para regular la carga, es necesario la mariposa o acelerador que regula la cantidad de aire que entra en el motor, regulando así el grado de carga, manteniendo el dosado relativo dentro de los límites de inflamabilidad señalados. Es decir, por las características del combustible (inflamabilidad), se necesita una cantidad precisa de combustible para cada cantidad de aire.
9 combustible (Gasolina o Ethanol 85) se puede utilizar como combustible. (SAE, 2015).
Para definir la relación de transmisión final se usó la ecuación 8. (Mateus, 2009):
𝑹𝑭 = 𝑹𝒄
𝑹𝒎𝒂 [𝟗]
Donde:
𝑅𝐹: Relación de trasmisión final.
𝑅𝑐: Relación de trasmisión de la caja.
10
2.
METODOLOGÍA
En una competencia uno de los factores fundamentales a escoger es el motor. Si se tiene varios motores entre los cuales elegir, es importante saber qué motor es el más indicado para una determinada competencia. Existen varias reglas y técnicas para hacer esta elección, entre ellas hay una que es la propia experiencia, esto es, mediante la prueba en pista de los diferentes motores y medición de los tiempos de vuelta.
El problema de este método es la pérdida enorme de tiempo y la escasa fiabilidad, sobre todo ante motores similares, pues de un motor a otro pueden cambiar algunas condiciones de la prueba, como el desgaste de los neumáticos o la forma de conducción.
Hay dos opciones a la hora de decidir el motor, una es diseñar y fabricar un motor que se adapte a la normativa y las características que demanda este tipo de competición (lo que no es factible, ya que no se tiene ni el tiempo ni las condiciones adecuadas para construirlo) con lo cual ya se ha descartado desde un principio. La otra opción y la más fácil y factible es la de utilizar un motor ya existente y hacer las modificaciones y adaptaciones necesarias para ponerlo a punto.
La metodología de trabajo llevada a cabo consiste, inicialmente, en un estudio de mercado acerca de las opciones de motorización que se puede encontrar, analizar y comparar entre ellos los parámetros fundamentales y una posterior elección de uno de los motores que se adapte mejor a las condiciones de prestaciones que se necesitan en el monoplaza.
La elección de las principales partes del sistema motriz fue evaluando las posibilidades que el mercado ofreció sin dejar a un lado el aspecto económico como gran moderador de la elección, ponderando varios factores en una tabla como son:
“Peso de los diferentes elementos (Peso). Costos previstos para la fabricación (Costo). Disposición en el mercado (Mercado).
Cantidad de componentes (Componentes). Facilidad de montaje (Montaje).
Resistencia y durabilidad (Resistencia).” (Mateus, 2009)
Cada factor fue evaluado con un rango de calificación entre 1 y 5. Considerando que:
11 1: Malo o insuficiente.
Una vez evaluado y ponderando cada opción de motor, transmisión secundaria y diferencial en cada factor de evaluación, se sumó cada valor de cada opción y de acuerdo a esta cifra se selecciona la mejor opción.
Según este motor se desarrollan diferentes soluciones teóricas de todos los sistemas y componentes que se deben modificar, adaptar o hacer completamente nuevos que, cumpliendo con los requisitos impuestos, sean viables dentro la totalidad del monoplaza.
Los parámetros que se obtuvieron y midieron en un motor y que ayudaron a seleccionar el mejor, son los siguientes:
“Normativa de la competencia: reglamento establecido por los organizadores para participar en su competencia.
Potencia: Trabajo efectuado en un tiempo determinado. Consumo: rendimiento del motor por litro de combustible.
Torque: fuerza por distancia que se ejerce en el eje de transmisión. Factores externos: número de velocidades, relación de transmisión. Progresividad: máxima capacidad de rendimiento y zona de
autorregulación.” (Mateus, 2009)
A continuación, se resumen las limitaciones que hacen referencia al motor y fueron fijados en la normativa de la fórmula SAE; artículos 1, 3 y 8 que se encuentran en el anexo 1:
La cilindrada no puede superar los 610 centímetros cúbicos.
Todo el aire del que se alimenta el motor debe pasar por una única restricción de 20 mm de diámetro situada entre la válvula mariposa y el motor (en caso de utilizar E85 como combustible la restricción debe ser de 19 mm).
Sólo se pueden utilizar motores de cuatro tiempos.
Los únicos combustibles que pueden ser utilizados son la gasolina convencional y el E85 (Combustible compuesto por gasolina y etanol). Los sistemas de sobrealimentación están permitidos si el equipo diseña la
12 incorporada mejora su compacidad. Así pues, el motor fue de motocicleta de 600 cc porque es la cilindrada más elevada posible en motores de serie. Al seleccionar un motor hay que mirar las prestaciones que se le puede llegar a sacar y, por tanto, se analizó qué tipo de motor es el más conveniente. El número de cilindros, la cilindrada total, el tipo de alimentación de combustible, el número de válvulas, etc; son factores que afectan directamente a las prestaciones.
“Los motores que podemos encontrar para cilindradas inferiores a 610 cc son monocilíndricos, bicilíndricos o tetracilíndricos. Para motores de una misma cilindrada total el número de cilindros influye en el par, así pues, los motores monocilíndricos darán un par más elevado a bajas revoluciones de motor y tetracilíndricos lo harán a unas revoluciones más altas. Un par elevado a bajas revoluciones implica una capacidad de aceleración mayor al vehículo. Este es un aspecto beneficioso para un monoplaza fórmula SAE”. (Pinedo, 2008). En los sistemas de admisión y escape se hizo un rediseño total para cumplir el reglamento; en cuanto al sistema de admisión se diseñó un nuevo plenum o caja de aire para acoplar un único restrictor que tendrá la función de limitar al motor según el artículo 8 sección restrictor del sistema de admisión del reglamento.
La finalidad del escape es la de evacuar los gases quemados en la combustión, pero estos también se utilizan para optimizar el barrido del cilindro que será más eficiente si aprovechan las ondas de presión que se originan con la apertura y el cierre de las válvulas de escape.
Del sistema de escape original solo se mantuvo las uniones 4 a 2, a partir de allí se implementó una unión 2 a 1 con un muffer cumpliendo la norma del nivel máximo de ruido en el artículo 3 del reglamento; tomando en cuenta también que este sistema está sometido a fuertes cambios térmicos, químicos y mecánicos. Y se procedió a medir la longitud de los tubos calculando la velocidad media de propagación de la onda de los gases de escape considerando la potencia máxima y torque máximo.
Cada modificación fue tomando en cuenta el chasis del vehículo ya que todas las partes del sistema motriz deben estar definidas en un espacio definida por la parte superior de la barra antivuelco y el borde exterior de los cuatro neumáticos establecido por los organizadores tal como indica el articulo 1 sección de localización de sistemas del motor de combustión interna del reglamento fórmula SAE que se encuentra en el anexo 1.
13
3.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Como se indicó en la metodología y en el anexo 1, el motor debió cumplir algunas normas contenidas en el reglamento establecido como son: “el sistema de refrigeración y lubricación totalmente sellado, protección a los sistemas de transmisión del tren motriz que podrían separarse del vehículo, un motor de 4 tiempos con una cilindrada no mayor a 610 cc, todo el aire del que se alimenta el motor debe pasar por una única restricción de 20 mm de diámetro situada entre el filtro de aire y el motor, un motor de arranque a bordo sin arranque remoto, todas las partes de los sistemas de control de aire del motor y de combustible (incluyendo el acelerador o el carburador y el sistema de admisión de aire completo, incluyendo el filtro de aire y las cajas de aire) deben estar dentro de la superficie definida por la parte superior de la barra antivuelco y el borde exterior de los cuatro neumáticos, se prohíben las líneas de combustible plásticas entre el depósito de combustible y el motor (alimentación y el retorno), El depósito de combustible, por diseño, no debe tener una capacidad variable y puede ser de cualquier tamaño y el tubo de escape deberá colocarse de forma que el conductor no se somete a los gases de escape a cualquier velocidad”. (SAE, 2015)
Los motores más comunes para este tipo de monoplaza son los de motocicletas de 600 centímetros cúbicos (cc) con cuatro cilindros en línea. Una de las ventajas más importantes que presentan estos tipos de motor es que incorporan la caja de cambios en el bloque del motor, lo que aumenta su compacidad. La carrera del pistón y el diámetro del cilindro dan una idea de la rapidez del motor. Para una misma cilindrada unitaria cuanto mayor sea la carrera más lento será el motor, es decir, el motor trabajará a máxima potencia a bajas revoluciones por minuto.
El número de válvulas afecta al rendimiento volumétrico. Lo más habitual son motores de dos o cuatro válvulas por cilindro. Los motores con cuatro válvulas (dos para la admisión y dos para el escape) permiten llenar o vaciar, según convenga, el cilindro más eficazmente ya que el área de entrada y de salida de fluido es mayor que en el caso de tener dos válvulas por cilindro para que se aprovecha mejor el espacio de la cámara de combustión.
El tipo de alimentación de combustible interesa que sea electrónica ya que es más efectiva y se puede modificar según convenga. Sin embargo, no se tiene en cuenta a la hora de escoger el motor ya que, aunque el motor no lo monte de serie se puede adaptar.
14 motores que se adaptan mejor a estos prototipos son los de motocicleta al llevar la caja de cambios incorporada mejora su compacidad.
3.1 ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS DEL MOTOR
Tomando en cuenta la oferta del mercado y el precio, se obtuvo el siguiente listado de tablas de fichas técnicas de motores que podrían ser útiles para el monoplaza como son: Yamaha FZR600 como se muestra en la Tabla 1, Honda CBR 600F como se muestra en la Tabla 2, Kawasaki GPX 600R como se muestra en la Tabla 3 y Suzuki GSF 600N como se muestra en la Tabla 4.
Tabla 1. Ficha técnica Yamaha FZR600.
Detalle Descripción
Año 1992
Modelo Yamaha FZR600
Tipo de motor DOHC, 16 válvulas, 4 cilindros en línea, 4 tiempos Refrigeración del motor Liquido
Cilindrada 599 cc
Diámetro y carrera del pistón 59.0 x 54.8 mm Relación de compresión 12.0:1
Potencia máxima 76 Hp @ 10000 rpm
Torque máximo 61 Nm @ 8250 rpm
Lubricación Carter húmedo
Sistema de combustible 4 carburadores 32 mm Mikuni Tipo de embrague Disco húmedo, múltiple
Sistema de encendido Transistor controlado (digital) Sistema de arranque Eléctrico
Sistema de transmisión 6 velocidades, cadena
15 Tabla 2. Ficha técnica Honda CBR 600F.
Detalle Descripción
Año 1990
Modelo Honda CBR 600F
Tipo de motor DOHC, 16 válvulas, 4 cilindros en línea, 4 tiempos Refrigeración del motor Liquido
Cilindrada 598 cc
Diámetro y carrera del pistón 63.0 x 48.0 mm Relación de compresión 11.3:1
Potencia máxima 85 Hp @ 9500 rpm
Torque máximo 59 Nm @ 8500 rpm
Lubricación Carter húmedo
Sistema de combustible 4 carburadores 32 mm Keihim Tipo de embrague Disco húmedo, múltiple Sistema de encendido Transistor controlado (digital)
Sistema de arranque Eléctrico
Sistema de transmisión 6 velocidades, cadena
Peso en seco 182 kg
Consumo Promedio 18.7 km/ltr
Tabla 3. Ficha técnica Kawasaki GPX 600R.
Detalle Descripción
Año 1990
Modelo Kawasaki GPX 600R
16 Tabla 4. Ficha técnica Kawasaki GPX 600R continuación.
Refrigeración del motor Liquido
Cilindrada 592 cc
Diámetro y carrera del pistón 60.0 x 52.4 mm
Relación de compresión 11.7:1
Potencia máxima 84 Hp @ 11000 rpm
Torque máximo 57 Nm @ 9000 rpm
Lubricación Carter húmedo
Sistema de combustible 4 carburadores 32 mm Keihin
Tipo de embrague Disco húmedo, múltiple Sistema de encendido Transistor controlado (digital) Sistema de arranque Eléctrico
Sistema de transmisión 6 velocidades, cadena
Peso en seco 180 kg
Consumo Promedio 19.2 km/ ltr
Tabla 5. Ficha técnica Suzuki GSF 600N.
Detalle Descripción
Año 1995
Modelo Suzuki GSF 600N
Tipo de motor DOHC, 16 válvulas, 4 cilindros en línea, 4 tiempos Refrigeración del motor Aire / aceite
Cilindrada 599 cc
17 Tabla 6. Ficha técnica Suzuki GSF 600N continuación.
Potencia máxima 77 Hp @ 10500 rpm
Torque máximo 54 Nm @ 9500 rpm
Lubricación Carter húmedo
Sistema de combustible 4 carburadores 32 mm Keihin Tipo de embrague Disco húmedo, múltiple Sistema de encendido Transistor controlado (digital)
Sistema de arranque Eléctrico
Sistema de transmisión 6 velocidades, cadena
Peso en seco 196 kg
Consumo Promedio 17.8 km/ ltr
En esta lista no aparecen todas las motocicletas de las que se podría aprovechar el motor sino las que se tienen al alcance en el mercado y cumplen con los requerimientos antes mencionados. Adicional en el anexo 3 se puede observar las fichas técnicas más detalladas de cada motocicleta. Las alternativas se han valorado en base a lo que se encuentra en el mercado, es decir, partiendo de los datos de los motores de serie sin ninguna modificación. 3.1.1 SELECCIÓN DEL MOTOR
La idea de obtener un motor directamente de fábrica no es posible debido a su costo. Así que en la tabla 7, se presenta una comparación del performance de los motores antes indicados.
Tabla 7. Análisis y evaluación de los tipos de motor.
Alternativa Potencia Torque Costo Consumo Peso Suma
Yamaha FZR600 2 5 3 2 5 17
Honda CBR600 5 4 1 3 3 16
Kawasaki GPX600 4 3 5 4 4 20
18
El motor elegido para propulsar el monoplaza fue un Kawasaki GPX 600R del año 1990, la elección de este motor ha sido determinada sobre todo por la disponibilidad y el costo. Aunque el motor adquirido no es un motor moderno, cumple con la mayoría de especificaciones que requieren este tipo de monoplazas, además la motocicleta contaba con poco kilometraje y se encontraba en perfecto estado. La carrera es más pequeña que el diámetro por tanto se trata de un motor súper cuadrado. Las ventajas de este tipo de motores son las siguientes:
“Mayor espacio para colocar válvulas de más sección ya que el espacio en la culata aumenta.
La velocidad media del pistón disminuye si se compara con un motor con la misma cilindrada, pero diferente carrera y diámetro.
Se reduce la inercia ya que el efecto positivo que tiene la velocidad es mayor que el efecto negativo del aumento de masa del pistón.
El cigüeñal es más rígido porque las bielas son más cortas.
El motor es compacto, sin gran altura, y por tanto la altura del centro de gravedad disminuye.” (González Calleja, Motores, 2011)
El inconveniente más importante es que tienen un rendimiento termodinámico bajo. Este bajo rendimiento se compensa aumentando el número de explosiones, es decir, trabajando a regímenes altos de revoluciones por minuto. Esto indica que los índices máximos de par y potencia se encuentran en altas revoluciones del motor.
La transmisión para este tipo de vehículos se compone por la transmisión primaria, el embrague, la caja de cambios, la transmisión secundaria (formada por el piñón, la cadena y la corona o sprocket), los palieres o semiejes y manzanas de rueda trasera. El diseño o selección de estos componentes es crítico ya que la quiebra de cualquier componente provocaría la parada del monoplaza.
La transmisión exige una gran capacidad de diseño ya que no está impuesta en el reglamento. No obstante, los objetivos que se persiguen son: la fiabilidad y el peso. La fiabilidad es muy importante para garantizar que los componentes no se deterioren durante la competición. La mayoría de los componentes de la transmisión rotan y para reducir sus inercias hay que minimizar su masa. Este efecto se verá reflejado en una mejor capacidad de aceleración del vehículo.
19
El percance de no poder ensayar el motor en un banco de pruebas ha imposibilitado ajustar los cálculos y los diseños de las piezas de la transmisión. Para realizar estos diseños se ha recopilado y usado información de motores de modo que se tomó en cuenta tres tipos de trasmisión que se detallan en la tabla 8 de acuerdo a los criterios de selección del motor que están en la parte de metodología.
Tabla 8. Análisis y evaluación de los tipos de transmisión.
Alternativa Peso Costo Mercado Componentes Montaje Resistencia Suma
TM 5 5 5 5 5 5 30
TA 3 2 3 4 3 4 19
CVT 2 1 2 3 3 4 15
La ponderación para la elección de la transmisión dio como resultado una transmisión manual la cual está compuesta de un embrague multidisco húmedo y de una caja de cambios secuencial, integrados en el mismo bloque del motor. Por otro lado, se analizó la trasmisión secundaria en la Tabla 8 y el diferencial en la tabla 9 con los mismos parámetros antes mencionados.
Tabla 9. Análisis y evaluación de la transmisión secundaria.
Alternativa Peso Costo Mercado Componentes Montaje Resistencia Suma
Engranaje 3 2 2 4 4 5 20
Sprocket 4 5 5 5 5 4 28
Polea 5 3 3 3 3 3 20
A partir de los resultados de la evaluación anterior se decidió que los elementos convenientes para la transmisión secundaria es sprocket y cadena; las ventajas en cuanto a rendimiento mecánico e implementación que presenta este sistema junto con su coste reducido han sido factores suficientes para su elección.
La necesidad de montar un diferencial viene determinada por la configuración de las pruebas a realizar con el vehículo. En el caso de la Formula SAE es necesario ya que las pruebas del 8, sprint o resistencia; las curvas están presentes.
20
Un diferencial torsen, trabaja según el par a repartir y no según la velocidad de giro de las ruedas. Un problema de este tipo de diferenciales es cuando una de las ruedas pierde adherencia y patina, esto provoca que la otra rueda pierda par y el coche quede atascado.
Para evitar estas situaciones existe el diferencial autoblocante que al detectar que una de las ruedas patina se bloquean transformando los dos semiejes en uno rígido permiten salir del paso de la situación anterior. La tabla 10 muestra el resultado del análisis para el este elemento.
Tabla 10. Análisis y evaluación del diferencial.
Alternativa Peso Costo Mercado Componentes Montaje Resistencia Suma
Sencillo 5 5 5 5 5 5 30
Bloqueo 3 3 3 4 4 3 20
Torsen 4 2 2 3 3 4 18
En cuanto al diferencial es simple, en este caso se usó el mismo sprocket de la motocicleta. A pesar de que la mejor opción fue un diferencial torsen, el diseño y construcción de este sistema diferencial esta fuera del alcance de este trabajo. Ya que el bloque del motor con la transmisión forma un solo cuerpo, las relaciones de transmisión en cada velocidad no varían, por ende, las velocidades en cada marcha se tomarán de:
La relación de transmisión primaria.
La relación de transmisión en cada marcha.
La relación de transmisión secundaria.
La medida de las llantas.
La trasmisión primaria se encarga de transmitir el movimiento del cigüeñal al embrague. Los dos métodos más comunes de transmisión primaria son la cadena o los engranajes. En el motor Kawasaki, el método utilizado es mediante engranajes, el cigüeñal termina con una rueda dentada que engrana a un auxiliar del cigüeñal, este engrana a un auxiliar del embrague y este directamente con el engranaje de la campana del embrague.
21 Tabla 11. Relación de transmisión primaria.
Engranaje Número de dientes
Cigüeñal 27
Auxiliar cigüeñal 23
Embrague 63
Auxiliar embrague 28 Relación de trasmisión primaria 2.641
(Henderson & Haynes, 1999)
La caja de cambios que incorpora el motor es del tipo secuencial de 6 velocidades, con engranajes rectos y toma constante. Los engranajes rectos, como ya se mencionó anteriormente, tienen menos pérdidas por fricción y, por tanto, aumentan el rendimiento de la transmisión. Este tipo de cambio es adecuado para el monoplaza porque permite cambiar de marcha con poco tiempo. La relación de trasmisión de cada marcha se muestra en la tabla 12.
Tabla 12. Relación de transmisión en cada marcha.
Posición de la marcha Valor de reducción
Primera 2.571 Segunda 1.777 Tercera 1.380 Cuarta 1.125
Quinta 0.961
Sexta 0.851
(Henderson & Haynes, 1999)
El punto muerto está situado entre la primera y la segunda marcha. Así pues, se engrana la primera velocidad accionando la palanca hacia adelante y de la segunda hasta la sexta con la palanca hacia atrás. La selección de marcha se hace mediante una palanca situada en la parte izquierda del volante y cable de acero, aprovechando el apoyo que monta el motor de serie.
El sistema de transmisión secundaria utilizado fue de transmisión por cadena.
22 como resultado el número de dientes de los sprokets considerando la disponibilidad de estos en el mercado, como lo muestra la tabla 13.
Tabla 13. Relación de transmisión secundaria.
Engranaje Número de dientes
Sprocket de diferencial 42 Sprocket de caja 15 Relación de trasmisión secundaria 2.8
En cuanto a las llantas se colocaron de marca Maxxis, medida 175/ 50 R13. Tomando en cuenta que 175 es el ancho en milímetros, 50 es perfil de la llanta e indica el valor correspondiente al 50 % del ancho, 13 es el diámetro del rin en pulgadas y 1 pulgada (in) es 25.4 milímetros (mm); el diámetro de la llanta es:
13 in 𝑥 25.4 mm = 330.2 𝑚𝑚 50 % 𝑑𝑒 175 mm = 87.5 𝑚𝑚 330,2 + (87.5 𝑥 2) = 505.2 𝑚𝑚
El perímetro de la llanta se calculó mediante la ecuación 10.
𝑷 = 𝝅 𝒙 ∅ [𝟏𝟎]
Donde:
𝑃: Perímetro de la llanta.
𝜋: Numero Pi (3.1416)
∅: Diámetro de la llanta
𝑃 = 𝜋 𝑥 505.2 𝑚𝑚 𝑃 = 1587.13 𝑚𝑚 𝑃 = 0.00158713 𝑘𝑚
Una vez calculado el perímetro de la llanta en kilómetros, se calculó la velocidad final en cada marcha como se muestra en la tabla 14, tomando en cuenta el régimen de potencia máxima del motor que es 11000 rpm como lo muestra la Ecuación de velocidad 11.
𝑽𝒎𝒂𝒓𝒄𝒉𝒂 =
𝒏 ×𝟔𝟎×𝑷
23 Donde:
𝑉𝑚𝑎𝑟𝑐ℎ𝑎: Velocidad de cada marcha en Km/h.
𝑛: Numero de revoluciones del motor en potencia máxima en RPM.
𝑃: Perímetro de la llanta en Km.
𝑅𝑝: Relación de transmisión primaria.
𝑅𝑠: Relación de trasmisión secundaria.
𝑅𝑚𝑎𝑟𝑐ℎ𝑎: Relación de trasmisión en cada marcha.
Tabla 14. Velocidad final en cada marcha.
Posición de la marcha Velocidad del vehículo en km/h
Primera 55.09
Segunda 79.71
Tercera 102.64
Cuarta 125.91
Quinta 147.40
Sexta 166.45
3.1.2 IMPLEMENTACIÓN DEL MOTOR
El motor se ha colocado en la parte posterior, justo detrás del conductor, a una altura de 30 mm del suelo con el plano del cárter paralelo al plano del suelo. La disposición es transversal. Esta es la solución más utilizada por todos los equipos ya que el motor se aprovecha como parte estructural. Los puntos para fijar el motor al chasis son los mismos que se utilizan en la motocicleta como lo muestra la figura 2 y, por tanto, no hace falta mecanizar el bloque motor.
24 Figura 2. Puntos de soporte del motor
(Henderson & Haynes, 1999)
En un vehículo de competición, bajar el centro de gravedad es primordial para reducir los movimientos del vehículo debido a las inercias y aumentar la estabilidad. Los movimientos de masa son constantes durante una vuelta a un circuito, por ejemplo, en una frenada un porcentaje de la masa del eje trasero pasa al eje delantero. Minimizar estas traslaciones de masa minimiza también la fatiga en la suspensión y el chasis.
También se tiende a acercar la posición del motor a la del piloto, siempre respetando la normativa de seguridad, para reducir la batalla y aumentar la maniobrabilidad del vehículo. En un prototipo fórmula SAE se tiende siempre a compactar todos los componentes del vehículo ya que se consigue un coche de dimensiones reducidas y se disminuye el peso. Esta reducción de peso vendrá determinada al utilizar menos material para construir la carrocería o el chasis, como lo muestra la figura 3.
25
3.2 MÚLTIPLE DE ADMISIÓN
“Los múltiples de admisión son los encargados de conducir el aire hasta el motor”. (González Calleja, Mantenimiento de sistemas auxiliares del motor de ciclo otto, 2015) El objetivo de este sistema es permitir la entrada del aire desde el exterior hasta la cámara de combustión, pasando por todos los elementos correspondientes. Interesa introducir la mayor cantidad de aire posible dentro de los cilindros para mejorar el rendimiento volumétrico y energético del motor.
Para un volumen dado de cilindro, cuando más volumen de aire se pueda hacer entrar a través de las válvulas de admisión mejor. Para aumentar el volumen de aire por encima de la capacidad geométrica de los cilindros se recurre a la compresión y el enfriamiento del aire de admisión. El sistema de admisión tiene que alimentar de igual manera todos los cilindros. (González Calleja, Motores térmicos y sus sistemas auxiliares, 2015)
Cuando un flujo de gases circula no estacionariamente para tuberías y válvulas, siempre se presentan fuerzas debido a fenómenos de inercia y la propagación de ondas de presión. La importancia de estas fuerzas depende de la velocidad del gas, del tamaño y forma de los conductos y de cómo se unan estos conductos. Estas fuerzas, inercias y presiones son muy importantes en el colector de admisión ya que definen como se realiza la mezcla aire y combustible y la velocidad y forma del llenado del cilindro en la fase de admisión. (Navarro, 2008)
La presión de admisión cambia durante el proceso (ya que los gases no fluyen estacionariamente), debido a que el área descubierta por la válvula de admisión va cambiando, así como la velocidad del pistón.
Por otra parte, se conoce que el rendimiento volumétrico está muy influenciado por la presión en la trompeta del colector de admisión, justo antes de cerrar la válvula.
El sistema de admisión de aire en un monoplaza fórmula SAE se compone de cuatro partes: el filtro de aire, cuerpo de aceleración, el restrictor o brida de restricción y la caja de aire que, según la reglamentación se debe colocar en ese orden.
Ya que el motor que se eligió no posee inyección electrónica sino carburadores, se debió variar el orden de colocación del múltiple de admisión siendo el mismo de la siguiente manera: filtro, restrictor, caja de aire o plenum y carburadores.
3.2.1 INFLUENCIA DEL RESTRICTOR AL RENDIMIENTO DEL MOTOR
26 pérdidas por fricción, depende fundamentalmente de dos factores: la presión máxima en la cámara de combustión (medida como Presión Media Efectiva, PME) y el régimen máximo de revoluciones. “La PME depende principalmente de la masa de aire que entra en la fase de admisión, añadiendo la de gasolina corresponden para una combustión óptima”. (Orovio, 2010)
Mediante la brida se condiciona la aerodinámica dentro del múltiple de admisión porque aparece un bloqueo del flujo como se muestra en la figura 4. Es decir, que se consigue que el flujo de entrada de aire se mantenga constante a partir de un cierto número de revoluciones por minuto. Cuando el motor llega a este punto las prestaciones caen drásticamente ya que no es posible conseguir condiciones de trabajo ideales o perfectas (para obtener la máxima eficacia en una combustión son necesarias 14,7 partículas de aire por cada partícula de hidrocarburo, esta relación se llama estequiométrica).
Figura 4. Bloqueo del flujo de aire con el restrictor. (Pinedo, 2008)
Si se aplica el principio de continuidad del teorema de Bernoulli se obtiene que el aire que entra por la parte izquierda aumenta la velocidad y disminuye la presión hasta llegar al punto de diámetro mínimo, además dependen de una serie de factores como la temperatura y presión del aire dentro del conducto, la velocidad media del pistón, etc. Llega un momento en que la velocidad del aire tiene un valor cercano al 0,6 Mach y la compresión del aire es máxima. La presión mínima de la brida se iguala con el exterior y se convierte en el bloqueo del flujo aerodinámico. En este punto a pesar de aumentar las revoluciones del motor, es decir, el caudal de bombeo; el caudal de entrada al motor no aumenta y, por tanto, la potencia disminuye.
En esta parte lo que se calculó es el efecto que tiene la brida sobre el motor, para saber si limitará mucho la potencia o no. “Sabemos que el motor succiona el aire a una cierta velocidad, y el punto crítico o restricción es la misma brida de la admisión ya que da la impresión de cuello de botella”. (Tapia, 2011). Por lo tanto, a partir de este punto, la brida se colapsará y ya no podrá entrar más aire, por mucho más que el motor pida.
27 constante. Para calcular el punto de colapso de la brida, se partió de los siguientes datos:
La velocidad de colapso o de Mach 1 para aire en temperatura ambiente es de 340.3 m/s.
El diámetro de la brida es circular de 20 mm.
Usando la ecuación del área dada en el capítulo 2 de metodología, se calculó el área de paso del restrictor.
𝑨 =𝝅×𝟐𝟎
𝟐
𝟒 = 𝟑𝟏𝟒. 𝟏𝟔 𝒎𝒎
𝟐
Con estos datos se obtuvo la sección, que es de 314.16 mm2, convertido a m2 es 0.00031416 y por lo tanto se puede calcular el caudal de colapso de la restricción con la ecuación de caudal 10 de la introducción:
𝑸 = 𝟑𝟒𝟎. 𝟑 ×𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟑𝟏𝟒𝟏𝟔
𝑄 = 0.1069 𝑚
3
𝑠
Se obtiene un caudal de 0.1069 m3/s, o lo que es lo mismo 384.84 m3/h. Como datos, se sabe el caudal de entrada máximo para la brida (384.84 m3/h) y la cilindrada (592.63 m3).
El caudal de llenado de los cilindros o el aire que necesita el motor para dar las prestaciones óptimas se obtiene despejando la ecuación 5 de rendimiento volumétrico y se tiene la siguiente fórmula:
𝑸 = 𝑹𝑷𝑴 × 𝟔𝟎 𝒔 𝟏 𝒎𝒊𝒏 ×𝑪 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝒄𝒎𝟑 𝟏 𝒎𝟑 [𝟏𝟑] Donde:
Q: Caudal que necesita el motor en ciertos regímenes de giro. (m3/h)
RPM: Régimen de llenado de cilindro (rpm).
C: Cilindrada (cm3)
28 Tabla 15. Caudal de llenado de la admisión en función de RPM.
Régimen de giro (rpm) Régimen de llenado de cilindro (rpm)
Caudal de llenado de cilindros (m3/h)
1000 500 17.78
2000 1000 35.56
3000 1500 53.34
4000 2000 71.12
5000 2500 88.89
6000 3000 106.67
7000 3500 124.45
8000 4000 142.23
9000 4500 160.01
10000 5000 177.79
11000 5500 195.57
Como se puede ver en la tabla, el caudal que se había calculado para colapsar la brida (3840.84 m3/h) no se ve reflejado en esta tabla, esto quiere decir que no afecta al motor, ya que el límite máximo para la potencia máxima del motor es de 11000 rpm tal y como se puede ver en la tabla 4. Haciendo la operación inversa a la actual, es decir a partir de un caudal (384.84 m3/h) estimando el régimen de giro que colapsa da un resultado de 21,645 rpm, esto significa que hasta ese régimen de giro el efecto de la brida es nulo, porque el motor dispone siempre de la cantidad de aire necesario hasta alcanzar su régimen de giro de potencia máxima de 11000 rpm. El diseño de la brida se encuentra en el anexo 6.
3.2.2 DISEÑO Y JUSTIFICACIÓN DEL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN
29
tiempo de compresión. Esto es más exagerado a medida que la velocidad del motor crece. Para ello se realiza el retraso del cierre de la válvula de admisión. Dado que la válvula de admisión cierra después del Punto Muerto Inferior (PMI), cuando, debido al movimiento del pistón (la presión del cilindro es mayor a la presión del múltiple de admisión), se origina un reflujo de mezcla fresca desde el cilindro a la admisión. El proceso de admisión es por pulsos tal como se ve en la figura 5, lo que origina ondas de presión que se propagan hacia el múltiple de admisión.
Figura 5. Proceso de admisión por pulsos. (Navarro, 2008)
Se dispone en un principio de los siguientes datos del diagrama de distribución como lo muestra la figura 6.
Figura 6. Diagrama de distribución. Retraso Cierre Admisión (RCA): 65º.
Retraso Cierre Escape (RCE): 20º.
Temperatura media del aire en el múltiple de admisión: 20ºC
Con estos datos se puede calcular la diferencia angular entre el retraso de la admisión y el retraso del escape con la ecuación 14.
∆ 𝜶 = 𝑹𝑪𝑨 + 𝟏𝟖𝟎° − 𝑹𝑪𝑬 [𝟏𝟒]
30 Δα: Diferencia angular entre apertura de admisión y escape.
RCA: Retraso al cierre de la admisión.
RCE: Retraso al cierre del escape.
∆ 𝜶 = 𝟔𝟓° + 𝟏𝟖𝟎° − 𝟐𝟎° = 𝟐𝟐𝟓 °
Sabiendo que, a temperatura igual a 0º C, la velocidad media de propagación de la onda del aire en la admisión de un motor es de 331 m/s y que cada grado centígrado que aumenta la temperatura la velocidad aumenta 0.6 m/s, se tiene:
𝑪𝒑𝒓𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍 = 𝟑𝟑𝟏𝒎
𝒔 + (𝟎. 𝟔 𝒎
𝒔 ×𝟐𝟎°) = 𝟑𝟒𝟑𝒎/𝒔
𝑪𝒑𝒓𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍= 𝟑𝟒𝟑𝒎/𝒔
La longitud de cada tubo en función del régimen de giro del motor está dada por la Ecuación 6. En la tabla 16 se muestra los datos obtenidos de la longitud del tubo en diferentes regímenes de giro, empezando por el régimen más bajo (1000 rpm) hasta llegar al régimen de potencia máxima (11000 rpm).
Tabla 16. Longitud de tubo en función del régimen de giro del motor. Régimen del giro del motor
(rpm) Longitud del tubo (m) Longitud del tubo (mm)
1000 6.14 6141
2000 3.07 3071
3000 2.04 2047
4000 1.54 1535
5000 1.23 1228
6000 1.02 1024
7000 0.88 877
8000 0.77 767
9000 0.68 682
10000 0.61 614
31 Por lo tanto, la longitud optima del tubo de admisión para maximizar el efecto de las ondas de presión, a dos regímenes de giro diferentes: 9000 y 11000 rpm, será de 682 y de 558 mm. Que se han hecho de 700 y de 560 mm.
Esto significa que desde la salida del bloque motor hasta el restrictor hay 550 mm (Punto que será óptimo para un régimen de giro igual a 11000 rpm), y desde el restrictor hasta la toma aire del filtro hay 150 mm (punto que será óptimo para un régimen de giro igual a 9.000 rpm); longitud total igual a 700 mm.
La admisión se puede poner lateral, por encima (tipo Fórmula 1) o enfocada hacia atrás. Esta última se descarta porque el aire en la parte posterior está perturbado y no garantiza un llenado óptimo. Debido a la perturbación que sufre el aire en la parte lateral del motor a causa del giro de las ruedas se optó por colocar la admisión por arriba ya que esta es la mejor solución porque la velocidad del aire en esta región es máxima.
El diseño de la caja de aire y la restricción es la parte más importante para optimizar el rendimiento del motor. El restrictor se manufacturó en fibra de vidrio a fin de conseguir el diámetro preciso y evitar errores en el diámetro de la sección de paso de aire; y por sus propiedades que son:
“Evitar corrosión química.
Disminuir costos de mantenimiento. Peso reducido.
aislante térmico.
Aislante eléctrico “. (Miravete, 2003)
Para empezar, se hizo un corte longitudinal del diseño original con las acotaciones principales como lo muestra la figura 7.
Figura 7. Diseño del restrictor.
Posteriormente se elaboró un molde en madera de la figura 7 para manufacturarlo en fibra de vidrio en 2 partes como lo muestra la figura 8.
50 mm 20 mm 80 mm
50.8 mm 50.8 mm
32 Figura 8. Molde de madera del restrictor.
Una vez fabricado las dos partes del restrictor en fibra de vidrio se unió para obtener un solo cuerpo como lo muestra la figura 9 y se dio un acabado liso y así mejorar la presentación del mismo, como lo muestra la figura 10.
Figura 9. Corte longitudinal del restrictor en fibra de vidrio.
Figura 10. Restrictor acabado
33 diámetro. Mientras que, el cono que expande el aire lo hace de una manera más progresiva con un ángulo de apertura de 6 ° hasta llegar a la caja de aire.
Figura 11. Esquema del nuevo múltiple de admisión
El material utilizado para la fabricación de la caja de aire fue un tubo de acero inoxidable de diámetro 3 pulgadas, en el cual se realizó cuatro perforaciones de diámetro 2 pulgadas para el múltiple, como lo muestra la figura 12.
Figura 12. Tubo de acero inoxidable de 3 pulgadas.
Filtro de aire
Tubo
Restrictor
Tubo
Múltiple 100 mm
50 mm
150 mm
170 mm
150 mm 700 mm
34 La caja de aire se divide en dos partes: la caja de aire o plenum y el múltiple. El diseño de toda la caja está condicionado por las barras del chasis. La longitud del conducto hasta llegar a cada cilindro debe ser la más corta posible para tener las mínimas pérdidas de carga y evitar turbulencias, para ello se usó codos de 45° de acero inoxidable de 2 pulgadas de diámetro y se soldó a la caja de aire, como lo muestra la figura 13.
Figura 13. Caja de aire con los conductos del múltiple.
El diseño óptimo es una T invertida de tal manera que el caudal de aire se mantenga constante hasta llegar al cilindro que queda más alejado de la entrada. Es decir, la reducción de sección de paso del aire compensaría la pérdida de masa que entra en cada cilindro y por tanto mantendría un caudal constante hasta llegar al último cilindro, como lo muestra la figura 14.
Figura 14. Modelo virtual del múltiple de admisión.
35 Por último, al tener un motor con carburadores se utilizaron los mismos como válvula mariposa para permitir la calibración y control del motor en ralentí y en plena carga o aceleración máxima. Estos 4 carburadores son modelos Keihin CVK de 32 mm de diámetro, como lo muestra la figura 15.
Figura 15. Carburadores Keihin CVK32 (Henderson & Haynes, 1999)
3.3 MÚLTIPLE DE ESCAPE
Este sistema es el encargado de conducir los gases de escape de cada cilindro hasta el exterior, normalmente desde el múltiple hasta llegar a uno o dos tubos de escape. “Si estos gases se expulsaran directamente a la salida del motor, se generaría un nivel de ruido muy elevado, siendo molesto para el conductor y las personas que se encuentren alrededor”. (González Calleja, Mantenimiento de sistemas auxiliares del motor de ciclo otto, 2015)
El sistema de escape es la última parte del motor por donde pasan los gases de la gasolina ya quemada, y es lo que conduce estos gases hacia el exterior con el fin de expulsarlos del sistema.
El sistema de escape en un motor alternativo, tiene tres funciones claramente diferenciadas:
Es el responsable de la evacuación de los gases quemados, evitando o reduciendo las contrapresiones del escape.
Es el encargado de reducir a niveles aceptables el ruido que produce el proceso.
Es el encargado de reducir a niveles aceptables las emisiones contaminantes a la atmósfera.
36
propia culata o cilindro, para pasar a continuación al múltiple de escape y llegar finalmente al tubo de escape, en el que aparte del conducto existen unos recipientes con geometrías especiales para disminuir el ruido, que se conocen como silenciadores. (Navarro, 2008)
Actualmente se tiende a sistemas de escape que no dificulten el flujo de gases y que aparte sean capaces de aprovechar las diferentes perturbaciones de presión y depresión, que se generan para mejorar el proceso de renovación de la carga, como se muestra en la figura 33 del anexo 3.
3.3.1 DISEÑO Y JUSTIFICACIÓN DEL MÚLTIPLE DE ESCAPE
El sistema de escape del vehículo monoplaza fue diseñado y fabricado modificando el sistema de escape de serie de la moto para esquivar la estructura tubular o chasis. En esta parte lo que se calculó es la longitud óptima de los tubos del múltiple de escape para aprovechar al máximo el fenómeno de reflexión de ondas. Se dispone en un principio de los siguientes datos:
Avance Apertura Admisión (AAA): 25º.
Avance Apertura Escape (AAE): 40º.
Temperatura media de los gases en el colector de escape: 400ºC
Con estos datos se puede calcular la diferencia angular entre la apertura del escape y la apertura de la admisión con la ecuación 15.
∆ 𝜶 = 𝑨𝑨𝑬 + 𝟏𝟖𝟎° − 𝑨𝑨𝑨 [𝟏𝟓]
Donde:
Δα: Diferencia angular entre apertura de escape y admisión.
AEE: Avance Apertura de Escape
AAA: Avance apertura de admisión.
∆ 𝜶 = 𝟒𝟎° + 𝟏𝟖𝟎° − 𝟐𝟓° = 𝟏𝟗𝟓 °
Sabiendo que, a temperatura igual a 0º C, la velocidad media de propagación de la onda de los gases de escape de un motor es de 331 m/s y que cada grado centígrado que aumenta la temperatura la velocidad aumenta 0.6 m/s, se tiene la ecuación 16.
𝑪𝒑𝒓𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍 = 𝑪𝒑𝒓 + (𝟎. 𝟔 𝒎/𝒔×𝑻𝒈𝒆) [𝟏𝟔]
Donde:
