Repositorio Digital UTE - Universidad Tecnológica Equinoccial

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CALENTADOR DE
COMBUSTIBLE EN UN AUTOMÓVIL VOLKSWAGEN GOL
MODELO 2005 COMO POSIBLE SOLUCIÓN A LA EXCESIVA
EMISIÓN DE GASES NOCIVOS”
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO
AUTOMOTRIZ
GABRIEL EDUARDO TEJADA ARELLANO
DIRECTOR: ING. ALEXANDER PERALVO, MSc.
Quito, junio 2014
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2014
Reservados todos los derechos de reproducción.
DECLARACIÓN
Yo, Gabriel Eduardo Tejada Arellano 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.
_____________________________
GABRIEL EDUARDO TEJADA ARELLANO.
C.I. 1719531442
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e
implementación de un calentador de combustible en un automóvil
Volkswagen gol modelo 2005 como posible solución a la excesiva
emisión de gases nocivos”, que, para aspirar al título de Ingeniero
Automotriz fue desarrollado por Gabriel Tejada, bajo mi dirección y
supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las
condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos
18 y 25.
_____________________________
Ing. Alexander Peralvo - MSC.
DIRECTOR DEL TRABAJO
C.I. 1718133448
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN
IX
ABSTRACT
X
1. INTRODUCCIÓN
1
2. MARCO TEÓRICO
3
2.1 LA COMBUSTIÓN EN EL MOTOR DE CICLO OTTO
4
2.2 GASES EMITIDOS POR EL MOTOR DE CICLO OTTO
7
2.2.1 TIPOS DE GASES EMITIDOS POR EL MOTOR DE CICLO OTTO
7
2.2.1.1 Gases inofensivos
7
2.2.1.2 Gases contaminantes
8
2.2.2 CONSECUENCIA DE LOS GASES EMITIDOS POR EL MOTOR
DE CICLO OTTO
9
2.2.2.1 El efecto invernadero
9
2.2.2.2 Principios de la termodinámica
12
2.2.2.3 Ciclos termodinámicos
16
2.2.3 EL CALOR Y LA TEMPERATURA
16
2.2.3.1 El calor sensible
17
2.2.3.2 El calor latente
17
2.3 TIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
17
2.3.1 CONDUCCIÓN
18
2.3.2 CONVECCIÓN
18
2.3.3 RADIACIÓN
19
2.4 EL SISTEMA DE ESCAPE
20
2.4.1 PARTES DEL SISTEMA DE ESCAPE
22
2.4.1.1 Válvulas de escape
22
2.4.1.2 El múltiple de escape
23
2.4.1.3 El sensor de oxígeno
23
2.4.1.4 El convertidor catalítico
24
2.4.1.5 El silenciador
25
2.4.1.6 Los tramos de tubo
26
2.5 COMBUSTIBLES
26
2.5.1 TIPOS DE COMBUSTIBLES
27
2.5.1.1 Según su estado natural
27
2.5.1.2 Combustibles manufacturados
27
2.5.1.3 Según su estado de agregación
27
2.5.2 CARACTERÍSTICAS DE LA GASOLINA
28
i
2.5.2.1 Poder calorífico
2.5.2.2 Volatilidad
2.5.2.3 Densidad
2.5.2.4 Resistencia a la detonación
2.5.3 CARACTERÍSTICA DE LA MEZCLA AIRE-COMBUSTIBLE
2.5.3.1 Mezcla rica y mezcla pobre
3. METODOLOGÍA
3.1 ESTADO ACTUAL DEL VEHÍCULO
3.1.1 CAMBIO DE BUJÍAS
3.1.2 LIMPIEZA DEL COLECTOR DE ADMISIÓN
3.1.3 CAMBIO DEL DEPURADOR O FILTRO DE AIRE
3.1.4 DESARME Y LIMPIEZA DEL SENSOR IAC.
3.1.5 LIMPIEZA MARIPOSA
3.1.6 ARMADO SISTEMA DE ADMISIÓN
3.1.7 LIMPIEZA DE INYECTORES POR ULTRASONIDO
3.1.8 REVISIÓN DE NIVELES DEL VEHÍCULO
3.2 FICHA TÉCNICA DEL VEHÍCULO
3.3 ANÁLISIS TEMPERATURAS EN EL VEHÍCULO
3.3.1 EL BLOCK DEL MOTOR
3.3.2 SISTEMA DE ESCAPE DEL VEHÍCULO
3.3.2.1 Catalizador
3.3.2.2 Presilenciador y silenciador
3.3.2.3 Tubo final de escape de gases
3.3.2.4 Múltiple de escape
3.4 MEDICIONES DE GASES EN EL VEHÍCULO SIN EL DISPOSITIVO
3.4.1 TABLA COMPARATIVA DE EMISIONES DE GASES
3.4.2 MEDICIONES DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE
4. ANÁLISIS Y RESULTADOS
4.1 SELECCIÓN DE MATERIALES
4.1.1 ACERO INOXIDABLE
4.1.2 ALUMINIO
4.1.3 ZINC
4.1.3.1 Usos del zinc
4.1.4 COBRE
4.1.4.1 Propiedades físicas y usos
4.1.4.2 Propiedades químicas
4.1.4.3 Importancia biológica
4.2 DISEÑO DEL CALENTADOR DE COMBUSTIBLE
4.2.1 TOMA DE DATOS REALES
4.2.1.1 Presión
28
29
30
30
30
31
27
34
34
36
37
38
40
41
41
42
44
46
46
47
47
47
47
48
48
51
51
47
54
54
56
58
58
59
60
60
60
62
62
62
ii
4.2.1.2 Temperatura
65
4.3 FORMAS DEL CALENTADOR DE COMBUSTIBLE
66
4.3.1 Forma tipo radiador
66
4.3.2 Forma tipo sepertín
67
4.4 CÁLCULOS PREVIOS AL DESARROLLO DEL DISPOSITIVO
68
4.5 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES DEL DISPOSITIVO
69
4.6 CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO EN SOLID WORKS
71
4.7 SIMULACIÓN DEL DISPOSITIVO EN EL PROGRAMA ANSYS
72
4.7.1 GEOMETRY
73
4.7.2 MESH
74
4.7.3 SETUP
75
4.7.4 SOLUTION
79
4.7.5 RESULTS
80
4.7.5.1 Espiral número 1.
82
4.7.5.2 Espiral número 2.
83
4.7.5.4 Espiral número 4.
84
4.7.5.5 Espiral número 5.
85
4.8 CONSTRUCCIÓN DEL CALENTADOR DE COMBUSTIBLE
86
4.9 MEDICIONES DE GASES EN EL VEHÍCULO CON EL DISPOSITIVO 90
4.9.1 PRESIÓN DE LA BOMBA DE COMBUSTIBLE
90
4.9.2 CONSUMO DE COMBUSTIBLE
91
4.9.3 MEDICIONES DE GASES
93
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES
5.2 RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFÍA
86
96
98
88
iii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
TABLA 1. TABLA DEL PODER CALORÍFICO
29
TABLA 2. CARACTERÍSTICAS DEL VEHÍCULO
44
TABLA 3. TABLA DE MEDICIONES DE LOS GASES DE ESCAPE
51
TABLA 4. CUADRO COMPARATIVO CONDUCTIVIDAD TÉRMICA.
62
TABLA 5. VOLUMEN DEL COBRE
68
TABLA 6. TABLA DE MEDICIONES DE GASES DE ESCAPE, SEGUNDA OPORTUNIDAD.
94
TABLA 7. TABLA COMPARATIVA DE LAS MEDICIONES DE LOS GASES DE ESCAPE
PRIMERA Y SEGUNDA OPORTUNIDAD
95
TABLA 8. TABLA COMPARATIVA DE LAS MEDICIONES DE LOS GASES DE ESCAPE
PRIMERA Y SEGUNDA OPORTUNIDAD EN RALENTÍ.
96
TABLA 9. TABLA COMPARATIVA DE LAS MEDICIONES DE LOS GASES DE ESCAPE
PRIMERA Y SEGUNDA OPORTUNIDAD A 2500 RPM.
96
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
FIGURA 1. SISTEMA DE ESCAPE DE UN MOTOR OTTO.
FIGURA 2. CUATRO TIEMPOS DEL MOTOR OTTO.
FIGURA 3. CICLO OTTO
FIGURA 4. EL EFECTO INVERNADERO
FIGURA 5. PROCESO TERMODINÁMICO
FIGURA 6. PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA
FIGURA 7. PRIMER PRINCIPO DE LA TERMODINÁMICA.
FIGURA 8. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
FIGURA 9. TRANSFERENCIA DE CALOR.
FIGURA 10. ESQUEMA DE GESTIÓN DE LOS GASES DE ESCAPE
FIGURA 11. SISTEMA DE ESCAPE DE UN MOTOR OTTO.
FIGURA 12. VÁLVULAS DE ESCAPE.
FIGURA 13. VÁLVULAS DE ESCAPE.
FIGURA 14. CONVERTIDOR CATALÍTICO.
FIGURA 15. CONVERTIDOR CATALÍTICO.
FIGURA 16. CURVA DE LA MEZCLA RICA Y POBRE.
FIGURA 17. CAMBIO DE BUJÍAS 1.
FIGURA 18. CAMBIO DE BUJÍAS 2.
FIGURA 19. CAMBIO DE BUJÍAS 3.
FIGURA 20. CAMBIO DE BUJÍAS 4.
FIGURA 21. LIMPIEZA DEL COLECTOR 1.
FIGURA 22. LIMPIEZA DEL COLECTOR 2.
FIGURA 23. CAMBIO DEL DEPURADOR 1.
FIGURA 24. CAMBIO DEL DEPURADOR 2.
FIGURA 25. LIMPIEZA DEL SENSOR IAC 1.
FIGURA 26. LIMPIEZA DEL SENSOR IAC 2.
FIGURA 27. LIMPIEZA DEL SENSOR IAC 3.
FIGURA 28. LIMPIEZA DEL SENSOR IAC 4.
FIGURA 29. LIMPIEZA DE LA MARIPOSA
FIGURA 30. SISTEMA DE ADMISIÓN
FIGURA 31. REVISIÓN DE NIVELES 1.
FIGURA 32. REVISIÓN DE NIVELES 2.
FIGURA 33. SISTEMA DE ESCAPE DE UN MOTOR OTTO
FIGURA 34. PRUEBA DE GASES EN RALENTÍ SIN DISPOSITIVO 1.
FIGURA 35. PRUEBA DE GASES EN RELANTÍ SIN DISPOSITIVO 2.
FIGURA 36. PRUEBA DE GASES A 2500 RPM SIN DISPOSITIVO 3.
FIGURA 37. RESULTADOS CORPAIRE PRIMERA REVISIÓN
FIGURA 38. MEDICIÓN DE COMBUSTIBLE SIN DISPOSITIVO 1.
1
4
6
11
13
13
15
15
20
21
21
22
24
25
26
32
34
35
35
36
36
37
37
38
38
39
39
40
40
41
43
43
46
48
49
49
50
52
v
FIGURA 39. MEDICIÓN DE COMBUSTIBLE SIN DISPOSITIVO 2.
52
FIGURA 40. TRAYECTORIA PARA MEDICIÓN DE COMBUSTIBLE.
53
FIGURA 41. FICHA TÉCNICA ACERO INOXIDABLE.
55
FIGURA 42. FICHA TÉCNICA ALUMINIO.
57
FIGURA 43. FICHA TÉCNICA DEL COBRE.
59
FIGURA 44. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA.
61
FIGURA 45. PRESIÓN DE LA BOMBA 1.
63
FIGURA 46. PRESIÓN DE LA BOMBA 2.
64
FIGURA 47. PRESIÓN DE BOMBA 3.
64
FIGURA 48. TEMPERATURA MEDIDA EN EL MÚLTIPLE DE ESCAPE.
65
FIGURA 49. TEMPERATURA MEDIDA EN SITO DE INSTALACIÓN DEL DISPOSITIVO 66
FIGURA 50. SERPENTÍN TIPO RADIADOR.
66
FIGURA 51. SERPENTÍN ENROSCADO AL TUBO DE ESCAPE
67
FIGURA 52. EL TUBO DE ESCAPE CON 2 VUELTAS DEL TUBO DE COBRE
71
FIGURA 53. EL TUBO DE ESCAPE CON 3 VUELTAS DEL TUBO DE COBRE
71
FIGURA 54. EL TUBO DE ESCAPE CON 4 VUELTAS DEL TUBO DE COBRE
72
FIGURA 55. EL TUBO DE ESCAPE CON 5 VUELTAS DEL TUBO DE COBRE
72
FIGURA 56. PASOS DEL PROGRAMA ANSYS DE SIMULACION DE FLUJO
73
FIGURA 57. TUBO DE COBRE. CARGADO EN PROGRAMA ANSYS
73
FIGURA 58. TUBO DE ESCAPE, TIPO SERPENTÍN. CARGADO EN PROGRAMA ANSYS
74
FIGURA 59. MALLAS DEL DISPOSITIVO EN EL PROGRAMA ANSYS
74
FIGURA 60. CREACIÓN DE LOS MATERIALES. PROGRAMA ANSYS.
75
FIGURA 61. PROPIEDADES DEL ACERO INOXIDABLE. PROGRAMA ANSYS
76
FIGURA 62. DISPOSITIVO CON MALLAS
77
FIGURA 63. TIEMPO DE SIMULACIÓN. PROGRAMA ANSYS
78
FIGURA 64. PRESIÓN DE LA BOMBA. PROGRAMA ANSYS
78
FIGURA 65. ERRORES DE LA SIMULACIÓN. PROGRAMA ANSYS
79
FIGURA 66. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
80
FIGURA 67. GRÁFICA DE RESULTADOS. PROGRAMA ANSYS
80
FIGURA 68. GRÁFICA DE RESULTADOS CON EL FLUJO SOLO DE GASOLINA.
PROGRAMA ANSYS
81
FIGURA 69. GRÁFICA DE RESULTADOS CON NÚMERO DE ESPIRALES. PROGRAMA
ANSYS
82
FIGURA 70. TOMA DE MEDIDAS DE TEMPERATURA ESPIRAL UNO. PROGRAMA
ANSYS
83
FIGURA 71. DESARMANDO EL TUBO DE ESCAPE
86
FIGURA 72. DESARMANDO EL TUBO DE ESCAPE 2.
87
FIGURA 73. TUBO DE ESCAPE
87
FIGURA 74. TUBO DE ESCAPE CON EL CALENTADOR DE COMBUSTIBLE
88
FIGURA 75. EMPAQUE DEL SISTEMA DE ESCAPE
89
FIGURA 76. REDUCTOR DE CAUDAL
89
vi
FIGURA 77. CALENTADOR DE COMBUSTIBLE ARMADO
FIGURA 78. PRESIÓN EN EL SISTEMA DE INYECCIÓN CON EL CALENTADOR DE
90
91
FIGURA 79. MEDICIÓN DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE CON EL DISPOSITIVO 1. 92
FIGURA 80. MEDICIÓN DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE CON EL DISPOSITIVO 2. 92
FIGURA 81. MEDICIÓN DE GASES EN RALENTÍ, SEGUNDA OPORTUNIDAD.
93
FIGURA 82. MEDICIÓN DE GASES A 2500 RPM, SEGUNDA OPORTUNIDAD.
94
COMBUSTIBLE
vii
ÍNDICE DE FÓRMULAS
FÓRMULA 1. PROPORCIÓN DE MEZCLA.
31
FÓRMULA 2. FÓRMULAS MEZCLA RICA Y MEZCLA POBRE.
32
FÓRMULA 3. FÓRMULA DE PRESIÓN.
63
FÓRMULA 4. FÓRMULA DEL CAUDAL.
63
FÓRMULA 5. FÓRMULA CÁLCULO DEL VOLUMEN.
68
FÓRMULA 6. COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL DEL COBRE.
68
FÓRMULA 7. COEFICIENTE DE DILATACIÓN VOLUMÉTRICA DEL
COBRE.
69
viii
RESUMEN
En el presente proyecto se diseñó y construyó para un Volkswagen gol 2005,
un sistema el cual calienta el combustible antes de ingresar al riel de
inyección, utilizando la energía calorífica que se produce en el sistema de
escape del vehículo, con el fin de reducir los niveles de gases tóxicos que
emanan los mismos producto de la combustión, obteniendo también una
mejor eficiencia en el consumo del combustible.
A pesar de que se ha implementado una revisión técnica vehicular
obligatoria en la urbe quiteña, tanto en el sector público como privado y
también para el transporte pesado y liviano, no se ha logrado cumplir con el
objetivo de reducir de una manera permanente los niveles de gases tóxicos
emitidos por los automóviles, como son: Hidrocarburos (HC), Monóxido de
Carbono (CO), Dióxido de carbono (CO2) y Óxidos de nitrógeno (NOx).
La mayoría de vehículos que presentan problemas con las excesivas
emisiones de gases tóxicos, en vez de solucionar su problema de raíz, lo
que hacen es manipular su motor hasta el punto en el cual se mantiene
encendido con bajas emisiones pero sin su normal rendimiento y
funcionamiento, esto se lo hace solo para el momento de la revisión y
después los automóviles vuelven a sus estados originales y con las mismas
emisiones elevadas de gases tóxicos.
Entonces para solucionar de manera permanente la excesiva emisión de
gases tóxicos que emiten los automóviles y no manipularlos solo para
obtener la aprobación de la revisión obligatoria vehicular, se diseñó y
construyó un dispositivo el cual calienta el combustible con la ayuda de la
energía calorífica que se produce en el sistema de escape. Siendo un
dispositivo que se puede utilizar permanentemente y no afecta el
funcionamiento del automóvil.
ix
ABSTRACT
The device I present here was designed and built for a Volkswagen gol 2005.
It is a device which uses heat energy produced by the exhaust system in
order to heat the fuel before entering the rail injection. The ultimate goal of
this project is to reduce the levels of toxic gases that are produced from the
same product of combustion while also achieving more efficient fuel
consumption.
Although a mandatory vehicle technical review has been implemented in
Quito, both private and public sectors and also for heavy and light
transportation, we have not been able to reduce the levels of toxic gases
emitted by the vehicles, which are: hydrocarbons (HC), carbon monoxide
(CO), carbon dioxide (CO2) and nitrogen oxides (NOx).
Most vehicles have problems with excessive emissions of toxic gases.
Instead of solving the problem, they have turned to the manipulation of the
engine to the point where it remains functional on low emissions and low
performance, which is done only to pass the review and then they return their
vehicles to their original conditions with the elevated toxic emissions.
Therefore, in order to permanently solve the excessive emission of toxic
gases emitted by the vehicles and not just manipulate them in order to pass
revision, this device was designed and built to heat the fuel with heat energy
produced by the exhaust system. This device will be of permanent use and it
will not alter the function of the vehicle.
x
1. INTRODUCCIÓN
A pesar de que se ha implementado una revisión técnica vehicular
obligatoria en la urbe quiteña, tanto en el sector público como privado y
también para el transporte pesado y liviano, no se ha logrado cumplir con el
objetivo de reducir de una manera permanente los niveles de gases tóxicos
emitidos por los automóviles, como son: Hidrocarburos (HC), Monóxido de
Carbono (CO), Dióxido de carbono (CO2) y Óxidos de nitrógeno (NOx).
La mayoría de vehículos que presentan problemas con las excesivas
emisiones de gases tóxicos, en vez de solucionar su problema de raíz, lo
que hacen es manipular su motor hasta el punto en el cual se mantiene
encendido con bajas emisiones pero sin su normal rendimiento y
funcionamiento, esto se lo hace sólo para el momento de la revisión y
después los automóviles vuelven a sus estados originales y con las mismas
emisiones elevadas de gases tóxicos.
Por ese principal motivo se diseñará un nuevo dispositivo, el cual calienta el
combustible por medio de las altas temperaturas que podemos encontrar en
el vehículo como son: el block del motor que se encuentra aproximadamente
a 90ºC o el sistema de sistema de escape que varía entre los 400ºC a
700ºC, dependiendo del punto en el sistema donde se mida la temperatura.
FIGURA 1. Sistema de escape de un motor Otto.
Diagrama de bloques de un sistema de escape.
(http://www.sabelotodo.org/automovil/sisescape.html, 2013)
1
Aprovechando dicha temperatura calentaremos el combustible antes de
ingresar al riel de inyección, haciendo que la mezcla aire-combustible que se
introduce a la cámara de combustión, se encuentre con la temperatura
adecuada para que se logre la combustión de la manera más eficiente,
reduciendo así los niveles de gases tóxicos emanados por el vehículo,
siendo un dispositivo que se puede utilizar permanentemente y que
posiblemente no afecte el funcionamiento del automóvil.
El objetivo principal es diseñar e implementar un calentador de combustible
como posible solución a la excesiva emisión de gases nocivos que producen
los automóviles.
Teniendo como objetivos específicos diseñar un dispositivo que caliente el
combustible antes de ingresar al riel de inyección, comprobar el estado del
vehículo realizando las mediciones de gases como: Hidrocarburos (HC) en
ralentí y en 2500 rpm, Oxígeno (O2) en bajas y en altas rpm, Monóxido de
Carbono (CO) en ralentí y en 2500 rpm, antes y después de instalar el
calentador de combustible y medir el consumo de combustible antes y
después de instalar el dispositivo, realizando un recorrido por una misma
ruta durante 7 días.
En la Facultad de Ingeniería Automotriz no se encontró ningún trabajo
relacionado con esta investigación por tal razón no existen comparaciones
de ningún tipo.
Entonces con la implementación de un dispositivo que caliente el
combustible antes de ingresar al riel de inyección, ¿Disminuirá la emisión de
gases nocivos al medio ambiente? y también ¿Reducirá el consumo de
combustible del vehículo?, son preguntas que tendremos que responder al
finalizar la investigación.
2
Para esta investigación se utilizará el método inductivo, ya que el dispositivo
se instala en un vehículo de prueba, en el cual se experimentará si
calentador de combustible otorga los resultados deseados. Para de esta
manera poder fabricar para cada marca y modelo un dispositivo exclusivo.
Primero se instalará el dispositivo en un Volkswagen Gol 2005 con un
cilindraje de 1800 centímetros cúbicos, siendo este un prototipo para este
modelo y marca de vehículo.
3
2. MARCO TEÓRICO
2.1 LA COMBUSTIÓN EN EL MOTOR DE CICLO OTTO
El motor de ciclo Otto lleva ese nombre gracias a su inventor Nikolaus
August Otto (1832-1891), también es conocido como motor de combustión
interna o motor de gasolina, el cual puede ser de dos o de cuatro tiempos,
este tipo de motores podemos encontrar en su gran mayoría en nuestros
automóviles, o también como un motor estacionario.
A continuación se realiza una explicación del funcionamiento de un motor
ciclo Otto de cuatro tiempos.
Como el funcionamiento de este motor se repite en todos sus cilindros se
dará la explicación del funcionamiento de un solo cilindro de cuatro tiempos
y así se conocerá cómo funcionan el resto de los cilindros.
Los cuatro tiempos de un motor Otto son:
1 Admisión, 2 Compresión, 3 Explosión, 4 Escape.
FIGURA 2. Cuatro tiempos del motor Otto.
(http://www.asifunciona.com/mecanica/af_motor_gasolina/af_motor_
gasolina_7.htm, 2005)
4
El primer tiempo es el de Admisión, en este punto el pistón se encuentra en
el Punto Muerto Superior o PMS, la válvula de admisión se abre, el pistón
comienza a bajar hacia el Punto Muerto Inferior o PMI provocando un vacío
dentro de la cámara de combustión, este vacío producido hace que la
mezcla aire-combustible ingrese al cilindro por medio de la válvula de
admisión abierta.
El segundo tiempo es el de Compresión, este tiempo comienza cuando el
pistón alcanza el Punto Muerto Inferior, la válvula de admisión que se
encontraba abierta se cierra. En ese momento el pistón comienza a
desplazarse hasta el Punto Muerto Superior, comprimiendo la mezcla airecombustible que se encuentra dentro del cilindro.
El tercer tiempo es el de explosión, una vez que el cilindro alcanza el Punto
Muerto Superior y la mezcla aire-combustible ha alcanzado el máximo de
compresión, salta una chispa eléctrica en el electrodo de la bujía, que
inflama la mezcla y hace que explote, haciendo que el pistón se desplace
con fuerza hacia abajo, ese movimiento rectilíneo se transmite por medio de
la biela al cigüeñal, donde se convierte en movimiento giratorio.
El cuarto tiempo es el de escape, la válvula de escape se abre, permitiendo
que los gases que se produjeron en la explosión salgan del cilindro hacia el
sistema de escape del vehículo, este ciclo se completa mientras el pistón
comienza a desplazarse desde el punto muerto inferior al punto muerto
superior.
Así es como funciona los cuatro tiempos del Motor Otto, estos tiempos se
continuarán efectuando ininterrumpidamente en cada uno de los cilindros,
hasta que se detenga el funcionamiento del motor.
También podemos representar gráficamente el funcionamiento del motor de
ciclo Otto, de la siguiente manera:
5
FIGURA 3. Ciclo Otto
(http://www.asifunciona.com/mecanica/af_motor_gasolina/af_motor_
gasolina_7.htm, 2005)
1. La línea amarilla representa el tiempo de admisión. La válvula de
admisión se encuentra abierta. La mezcla aire-combustible comienza a
ingresar al cilindro haciendo que aumente el volumen, pero podemos ver
en el gráfico que la presión no aumenta en ningún punto durante el
tiempo de admisión.
2. La línea azul representa el tiempo de compresión. La válvula de admisión
se cierra. El pistón comienza a desplazarse del punto muerto inferior al
punto muerto superior, haciendo que el volumen se reduzca y comience
a comprimir la mezcla aire-combustible. En el momento que se termina
este tiempo, podemos observar que el pistón se encuentra en el punto
muerto superior y la presión en el cilindro está en su punto máximo.
3. La línea naranja representa el tiempo de explosión, antes de la explosión
podemos notar que la presión de la mezcla está en su punto máximo y
que el volumen se encuentra en su punto mínimo. En este momento se
produce la chispa en la bujía, seguido de la explosión, provocando que el
pistón se desplace hacia el punto muerto inferior y se logre transmitir por
medio de sus elementos toda la fuerza al cigüeñal.
6
En este tiempo la presión disminuye mientras el volumen del cilindro
aumenta.
4. La línea blanca representa el tiempo de escape. Como se puede
apreciar, durante este tiempo el volumen del cilindro disminuye a medida
que el pistón arrastra hacia el exterior los gases de escape sin aumento
de presión, hasta que el pistón llega al Punto Muerto Superior.
2.2 GASES EMITIDOS POR EL MOTOR DE CICLO OTTO
2.2.1 TIPOS DE GASES EMITIDOS POR EL MOTOR DE CICLO OTTO
Los gases que se producen en un motor Otto se los puede clasificar en dos
grupos: gases inofensivos y gases contaminantes.
2.2.1.1 Gases inofensivos
-
Nitrógeno.- Este es un gas inerte que se encuentra presente en el aire
que respiramos en una concentración del 79%. Debido a las altas
temperaturas existentes en el motor, el Nitrógeno se oxida formando
pequeñas cantidades de Óxidos de Nitrógeno, que no son perjudiciales
para la salud.
-
Oxígeno.- Es uno de los elementos indispensables para la combustión,
se encuentra presente en el aire en una concentración del 21%.
El
oxígeno se mezcla con la gasolina antes de ingresar a la cámara de
combustión, como la combustión en el vehículo no es 100% efectiva en el
tiempo de explosión, entonces existe un porcentaje de oxigeno que
saldrá por el escape. Hay que tener en cuenta que este oxigeno no es
perjudicial para la salud.
7
-
Dióxido de carbono.- Es el resultado de la combustión completa del
carbono no resulta nocivo para los seres vivos y constituye una fuente de
alimentación para el reino vegetal, hay que tener en cuenta que la gran
concentración de este gas está provocando el llamado efecto
invernadero. Entonces lo clasifique como gas inofensivo porque en este
punto solo estoy centrado en los gases que causan daño a la salud del
ser humano.
-
Vapor de Agua.- Este se produce al momento de la combustión, ya que
el hidrógeno en este proceso se oxida y se forma vapor de agua, el cual
no es perjudicial para la salud de los seres humanos y es uno de los
gases que sale por el sistema de escape del vehículo.
2.2.1.2 Gases contaminantes
Monóxido de Carbono.- Este es un gas muy peligroso, ya que en
concentraciones superiores al 0,3% y expuesto por periodos largos de
tiempo al ser humano, puede causar la transformación irreversible de la
Hemoglobina en Carboxihemoglobina. Conociendo que la hemoglobina es
una molécula encargada de transportar el oxígeno desde los órganos
respiratorios hasta los tejidos, el dióxido de carbono desde los tejidos hasta
los pulmones que lo eliminan y también participa en la regulación de pH de
la sangre.
Hidrocarburos.- La presencia simultánea de Hidrocarburos, Óxidos de
Nitrógeno, rayos ultravioleta y la estratificación atmosférica conduce a la
formación del smog fotoquímico, de consecuencias muy graves para la salud
de los seres vivos, dependiendo la estructura molecular de los gases
también se puede producir el benceno.
8
El Benceno.- Es un gas venenoso, y la exposición a este gas provoca
irritaciones de piel, ojos y conductos respiratorios; si el nivel es muy alto,
provocará depresiones, mareos, dolores de cabeza y náuseas. El Benceno
es uno de los múltiples causantes de cáncer.
Óxidos de Nitrógeno.- Hay que tener presente que estos gases pueden
viajar por la atmosfera varios kilómetros desde su punto de emisión. El oxido
de nitrógeno mesclados con hidrocarburos y la humedad, hace que se forme
ácidos nitrosos la cual provoca lluvias ácidas, siendo estas son las culpables
de dañar varias hectáreas de terreno que sirve para la agricultura.
El plomo.- el plomo lo podemos encontrar en los aditivos que trae la
gasolina para aumentar su octanaje. Inhalado puede provocar la formación
de coágulos hasta llegar a la trombosis. Actualmente se ha remplazado el
plomo por otros aditivos que cumplen la misma función de alzar el octanaje
de los combustibles.
2.2.2 CONSECUENCIA DE LOS GASES EMITIDOS POR EL MOTOR DE
CICLO OTTO
La principal y más grande consecuencia de los gases emitidos por un motor
de ciclo Otto, es el llamado efecto invernadero.
2.2.2.1 El efecto invernadero
Hay que saber que la atmosfera terrestre está compuesta por varios gases,
unos en mayores proporciones que otros. Los gases que podemos encontrar
en abundancia son: el nitrógeno y el oxigeno el cual todos los seres vivos
necesitamos para respirar. El resto de gases se los llama gases de efecto
invernadero y no son perceptibles a los sentidos del ser humano.
9
Todos los gases que encontramos en pequeñas proporciones llamados
gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono, dióxido de
nitrógeno, metano, etc., ayudan a que se desarrolle la vida en el planeta
tierra, esto sucede por medio de los rayos solares los cuales atraviesan las
capas atmosféricas, las nubes, los gases de efecto invernadero, hasta llegar
al suelo terrestre. Parte de esta energía es aprovechada por los seres vivos,
como por ejemplo las plantas la utilizan para crecer y desarrollarse.
Pero no toda la energía del Sol es aprovechada en la Tierra, una parte
realiza un efecto rebote y se devuelve espacio en forma de energía
infrarroja.
Entonces aquí es cuando los gases de invernadero actúan absorbiendo toda
esta energía infrarroja, calentando a su paso el aire que los rodea y la
superficie terrestre, dándonos así condiciones ideales para que se desarrolle
la vida, ya que si estos gases de invernadero no existieran, se cree que la
temperatura de la tierra sería la misma que la del planeta Marte,
aproximadamente 30 grados centígrados menos que la temperatura actual.
El planeta Marte tiene casi el mismo tamaño que el planeta Tierra, y está a
una distancia del Sol muy similar, pero es tan frío que no existe agua líquida
sólo se ha encontrado hielo, y tampoco se ha encontrado rastro de vida.
Esto sucede porque su atmósfera es mucho más delgada y casi no tiene
gases de invernadero, Por lo tanto, es una suerte que nuestro planeta tenga
la cantidad apropiada de gases de invernadero.
Una característica principal de estos gases es que permiten la entrada de los
rayos infrarrojos, ultravioleta y luz visible, pero no permite que salgan todos
estos rayos en su totalidad, y es así como se mantiene la temperatura de la
tierra.
10
Entonces lo que sucede es que estos gases de efecto invernadero han ido
creciendo poco a poco, lo cual ha estado provocando que la tierra se
comience a calentar más de lo habitual, ya que mientras exista mas gases
de efecto invernadero, menor será la salida de rayos que nos llega por
medio del sol, aumentando así nuestro planeta.
Los motores Otto son uno de los más grandes contribuyentes para que se
produzca el efecto invernadero, ya que estos son principales emisores del
dióxido de carbono, el cual es uno de los gases de efecto invernadero.
Las consecuencias del planeta tierra si se sigue calentando son: Aumento de
sequías en unas zonas e inundaciones en otras, Progresivo deshielo de las
zonas polares provocando el aumento de los niveles de los océanos, y el
aumento de la cantidad de días calurosos.
FIGURA 4. El Efecto Invernadero
(http://www.aporrea.org/actualidad/n230482.html, 2013)
11
2.2.2.2 Principios de la termodinámica
Concepto.- “Es el campo de la física que describe y relaciona las
propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como
sus intercambios energéticos.
Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico,
que se define como un conjunto de materia que se puede aislar
espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable.
El estado de un sistema macroscópico se puede describir mediante
propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se
conocen como variables de estado.
Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables
termodinámicas (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o
el coeficiente de dilatación), con lo que se obtiene una descripción más
completa de un sistema y de su relación con el entorno. Todas estas
variables se pueden clasificar en dos grandes grupos: las variables
extensivas, que dependen de la cantidad de materia del sistema, y las
variables intensivas, independientes de la cantidad de materia.
Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se
dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la
termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos
experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos
termodinámicos”5
Recuperado
por:
http://html.principios-de-
termodinamica.html
12
FIGURA 5. Proceso Termodinámico
(http://www.aporrea.org/actualidad/n230482.html, 2013)
Principio cero de la termodinámica.- Si dos sistemas distintos están en
equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en
equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la
temperatura.
Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno que se
encuentra a una temperatura determinada, el sistema acabará alcanzando el
equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma
temperatura que éste.
FIGURA 6. Principio cero de la Termodinámica
(http://rangelhernandez.blogspot.com.br/2008/11/ley-cero-de-la-termodinmica.html, 2008)
13
Primer principio de la Termodinámica.- Cuando un sistema se pone en
contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las
temperaturas de ambos.
Para explicar este fenómeno, los científicos conjeturaron que una sustancia
que estaba presente en mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura
fluía hacia el cuerpo de menor temperatura.
Según se creía, esta sustancia hipotética llamada “calórico” era un fluido
capaz de atravesar los medios materiales. Por el contrario, el primer principio
de la termodinámica identifica el calórico, o calor, como una forma de
energía. Se puede convertir en trabajo mecánico y almacenarse, pero no es
una sustancia material. Experimentalmente se demostró que el calor, que
originalmente se medía en unidades llamadas calorías, y el trabajo o
energía, medidos en julios, eran completamente equivalentes. Una caloría
equivale a 4,186 julios.
El primer principio es una ley de conservación de la energía. Afirma que,
como la energía no puede crearse ni destruirse la cantidad de energía
transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía
transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento
de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por
los que los sistemas intercambian energía entre sí.
En cualquier máquina, hace falta cierta cantidad de energía para producir
trabajo; es imposible que una máquina realice trabajo sin necesidad de
energía.
14
FIGURA 7. Primer principo de la Termodinámica.
(http://sistematermodinamico.wordpress.com, 2013)
Segundo principio de la termodinámica.- Este principio dice que si no se
realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura
más baja a una región de temperatura más alta. El segundo principio impone
una condición adicional a los procesos termodinámicos.
FIGURA 8. Segunda Ley de la Termodinámica.
(http://anthonyriosvargas.blogspot.com.br/2013/06/segunda-ley-de-la-termodinamica.html,
2013)
15
2.2.2.3 Ciclos termodinámicos
Todas las relaciones termodinámicas importantes empleadas en ingeniería
se derivan del primer y segundo principios de la termodinámica.
Resulta útil tratar los procesos termodinámicos basándose en ciclos:
procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una
serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas
relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la
energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende
de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe
ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema.
Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un ciclo ideal en el que
todo el calor se convertiría en trabajo mecánico. El científico francés del siglo
XIX Nicolas L. Sadi Carnot, que concibió un ciclo termodinámico que
constituye el ciclo básico de todos los motores térmicos, demostró que no
puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor térmico pierde parte del
calor suministrado. El segundo principio de la termodinámica impone un
límite superior a la eficiencia de un motor, límite que siempre es menor del
100%. La eficiencia límite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de
Carnot.
Tercer principio de la termodinámica.- El segundo principio sugiere la
existencia de una escala de temperatura absoluta con un cero absoluto de
temperatura. El tercer principio de la termodinámica afirma que el cero
absoluto no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un
número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero
absoluto, pero nunca se puede llegar a él.
2.2.3 EL CALOR Y LA TEMPERATURA
El calor es una forma de energía que se transmite de unos cuerpos a otros y
hace que aumente su temperatura.
16
La temperatura mide el grado de calor o de frío que tienen los cuerpos, se la
puede medir en grados Centígrados o en grados Fahrenheit, el termómetro
es el instrumento que se emplea para medir la temperatura.
El calor se transmite a través de los materiales, los cuales se los pueden
clasificar como conductores o aislantes.
Los materiales conductores son los que transmiten el calor rápidamente,
como por ejemplo los metales entre los cuales puede estar, el oro, la plata,
el cobre, el aluminio, etc.
Los materiales aislantes son los que transmiten el calor lentamente, como
por ejemplo el vidrio, la lana, la madera, el plástico, etc.
2.2.3.1 El calor sensible
Es la cantidad de calor que hay que aportar a un cuerpo para elevar su
temperatura sin que cambie de estado, por ejemplo un recipiente lleno de
agua puesto al fuego, se necesita una cantidad de calor para que el agua
aumente su temperatura hasta llegar a los 100 ºC.
2.2.3.2 El calor latente
Es la cantidad de energía que hay que suministrar a un cuerpo para que
cambie de estado, tomando el mismo ejemplo anterior, cuando el agua del
recipiente llega a los 100 ºC, la continua aportación del calor hace que el
agua cambie de estado líquido a gaseoso.
2.3 TIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Existen tres métodos para la transferencia de calor: conducción, convección
y radiación.
17
2.3.1 CONDUCCIÓN
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si
se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su
temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción.
No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de
calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de
los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de
temperatura.
Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también
tienden a ser buenos conductores del calor.
Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades
térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el
vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces
menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes.
2.3.2 CONVECCIÓN
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas,
es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento
transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado
convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se
calienta un líquido o un gas, su densidad suele disminuir. Si el líquido o gas
se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso
asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo
de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura
del fluido, se denomina convección natural.
La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de
presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la
mecánica de fluidos.
18
2.3.3 RADIACIÓN
Es la transferencia de calor, en forma de energía electromagnética, por el
espacio. La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la
conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen
que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La
radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de
fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos
de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única
explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría
cuántica.
La Teoría Cuántica es uno de los pilares fundamentales de la Física actual.
Recoge un conjunto de nuevas ideas introducidas a lo largo del primer tercio
del siglo XX para dar explicación a procesos cuya comprensión se hallaba
en conflicto con las concepciones físicas vigentes. Su marco de aplicación
se limita, casi exclusivamente, a los niveles atómico, subatómico y nuclear,
donde resulta totalmente imprescindible. Pero también lo es en otros
ámbitos, como la electrónica, en la física de nuevos materiales, en la física
de altas energías, en el diseño de instrumentación médica, en la criptografía
y la computación cuánticas, y en la Cosmología teórica del Universo
temprano. La Teoría Cuántica es una teoría netamente probabilista: describe
la probabilidad de que un suceso dado acontezca en un momento
determinado, sin especificar cuándo ocurrirá.
19
FIGURA 9. Transferencia de Calor.
(http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~29701428/ccnn/interactiv/calor00j.htm, 2013)
2.4 EL SISTEMA DE ESCAPE
El sistema de escape se puede dividir en dos partes para su mejor
entendimiento.
1 Uno a las partes y piezas, que conforman el sistema de escape dentro
del motor.
2 El segundo el que corresponde al tubo de escape y sus partes, las cuales
se encargan de conducir los gases hacia el exterior del vehículo.
Las partes que componen este sistema son: Válvulas de escape, Múltiple de
escape,
Sensores
de
oxígeno,
Convertidor
catalítico,
Silenciador,
Resonador, Tubo de escape el cual unen las diferentes partes del sistema.
20
FIGURA 10. Esquema de gestión de los gases de escape
(http://www.automotrizmiga.com.mx/page_1176400236625.html, 2013)
FIGURA 11. Sistema de escape de un motor Otto.
(http://www.sabelotodo.org/automovil/sisescape.html, 2013)
Como podemos observar en la figura, los gases que salen del motor hacia el
múltiple de escape, se encuentran a 700 ºC, en el convertidor catalítico estos
llegan a tener una temperatura de 400ºC, y así hasta que salen al exterior a
una temperatura de aproximadamente 100 ºC. Hay que aclarar que estas
temperaturas del sistema de escape son internas.
21
2.4.1 PARTES DEL SISTEMA DE ESCAPE
2.4.1.1 Válvulas de escape
Estas válvulas tienen la responsabilidad de cerrar herméticamente la salida
de los gases en la cámara de combustión, como vimos anteriormente estos
gases se pueden encontrar hasta en 700 ºC, lo que hace que las válvulas de
escape sean una pieza del motor de altas exigencias constructivas y de
material.
Las válvulas están construidas de aceros muy especiales, que son capaces
de resistir por largo tiempo la acción erosionante y corrosiva de los gases de
escape, también como las altas temperaturas de trabajo, llegando en ciertos
casos a muy alta temperatura la cabeza de las válvulas convirtiéndose en no
soportables por los materiales de que están construidas, si no se les dota de
una vía de enfriamiento.
FIGURA 12. Válvulas de Escape.
(http://maquinasdebarcos.blogspot.com.br/2009/04/motores-diesel-hablemos-de-lasvalvulas.html, 2009)
22
2.4.1.2 El múltiple de escape
La primera característica que debe cumplir el tubo de escape es tener
suficiente resistencia a la corrosión, ser duradero a las altas temperaturas de
funcionamiento, y lo más importante impedir un elevado enfriamiento de los
gases calientes, lo cual se explica más adelante porque es importante este
fenómeno.
La forma y longitud de los tubos del múltiple de escape se las diseña según
las características del motor y también son importantes, ya que son los que
ayudan para que los gases de escape evacuen de la manera más rápida.
2.4.1.3 El sensor de oxígeno
Hay que tener en cuenta que este sensor llevan los vehículos a inyección,
dependiendo el modelo y marca pueden traer 1 o 2. Fundamentalmente los
sensores de oxigeno son generadores químicos, trabajan midiendo
constantemente el contenido de oxígeno en el interior del tubo de escape y
compararlo con el aire fuera del motor.
Si detecta que existe poco oxígeno en los gases de escape, este manda una
señal a la ECU, la cual por medio del sistema de inyección corrige la mezcla
y resuelve el problema. Funciona de la misma manera cuando detecta que
existe demasiado oxígeno en los gases de escape, este intercambio de
señales entre el sensor y la computadora del vehículo nunca se detiene, y
está constantemente haciendo ajustes en función de las necesidades del
motor.
Cuando el sensor falla, deja de enviar señal a la computadora, esta
interpreta que la señal está muy baja, la cual hace que la mezcla airecombustible sea rica, consumiendo mayor cantidad de combustible.
23
FIGURA 13. Válvulas de Escape.
(http://www.mifordfiesta.com/foro042004/index.php?showtopic=9716, 2004)
2.4.1.4 El convertidor catalítico
Es la pieza más cara del sistema de escape, se utiliza un convertidor
catalítico para la eliminación de un alto porcentaje de gases tóxicos emitidos
por el motor Otto.
El funcionamiento de este dispositivo es el siguiente, los gases que salen de
la cámara de combustión, se trasladas por el tubo de escape hasta llegar al
catalizador, en su interior se producen reacciones químicas que convierten
los gases tóxicos, en gases inofensivos para ser expulsados al medio
ambiente. Las reacciones se producen de forma catalítica por lo que de ello
deriva su nombre.
Las principales transformaciones que ocurren en el convertidor catalítico
son: el monóxido de carbono (CO), el óxido de nitrógeno (NOx) y los
hidrocarburos (CnHm) se convierten a dióxido de carbono (CO2), nitrógeno
molecular (N2) y agua (H2O).
24
Los catalizadores están construidos por metales preciosos como el platino,
el paladio, el rodio, y es por eso que esta pieza resulta costosa.
FIGURA 14. Convertidor Catalítico.
(http://html.rincondelvago.com/convertidor-catalitico.html, 1998)
2.4.1.5 El silenciador
El objetivo es el de amortiguar el ruido que se produce la onda mecánica de
choque generada cuando se abre la válvula de escape.
Esta es una pieza que no afecta al normal funcionamiento del vehículo, pero
sin esta pieza en nuestros automóviles sufriéramos de contaminación por el
ruido producido de los motores de combustión interna, es por eso que en la
mayoría de países es un dispositivo obligatorio que debe tener cada
automóvil.
Para su correcto funcionamiento es esencial conducir los gases de escape
que salen del motor, como ondas de choque desde cada uno de los
cilindros, a una cámara donde estas ondas choquen y se reflejen desde las
paredes y actúen de manera destructiva sobre las ondas entrantes.
Otra manera de construir un silenciador es llenar el espacio interior con un
material fibroso que absorbe y atenúa las ondas sonoras.
25
FIGURA 15. Convertidor Catalítico.
(http://luisarteaga.wikispaces.com/MOFLE+SILENCIADOR, 2014)
2.4.1.6 Los tramos de tubo
No son tubo cualquiera, son en general de paredes muy finas para que sean
de poco peso, y relativamente flexibles y así evitar cargas adicionales a las
partes integrantes durante las dilataciones y contracciones, por el notable
cambio de temperatura entre reposo y funcionamiento.
Además son partes que están sometidos por el exterior a la intemperie y por
el interior a gases oxidantes muy caliente, por eso reciben un tratamiento
protector superficial, generalmente aluminado, que le permite resistir esas
condiciones por largo tiempo.
2.5 COMBUSTIBLES
Combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida
de forma violenta con desprendimiento de calor. Están compuestos de:
a) Esencialmente por carbono (C) e hidrógeno (H2) sea en forma libre o
combinada en forma de hidrocarburos.
26
b) Azufre, si bien esta especie no se tolera más que en pequeños
porcentajes debido a los efectos perjudiciales de sus compuestos con
oxígeno.
c) Oxígeno, que puede encontrarse bien inicialmente fijado al carbono e
hidrogeno, o bien presente en estado libre en el combustible.
d) Inertes como son la humedad, las cenizas el dióxido de carbono (CO2) y
el nitrógeno.
2.5.1 TIPOS DE COMBUSTIBLES
Los combustibles se pueden clasificar:
2.5.1.1 Según su estado natural
Se les encuentra en la naturaleza y antes de su utilización solo se efectúan
tratamientos mecánicos o físicos, por ejemplo: El Carbón al cual se lo
pulveriza, lava y se lo seca, el Petróleo al cual se somete al proceso de
destilación, el Gas natural al cual se lo depura y la Madera la cual se la
corta.
2.5.1.2 Combustibles manufacturados
Son los mismos del ejemplo anterior pero pasan por tratamientos químicos,
hasta obtener el gas de gasógeno, coque, carbón vegetal.
2.5.1.3 Según su estado de agregación
Se pueden clasificar en:
- Combustibles sólidos: por ejemplo los carbones, la madera.
-
Combustibles líquidos: por ejemplo petróleo, gasolinas.
-
Combustibles gaseosos: por ejemplo gas natural, gases licuados del
petróleo.
27
2.5.2 CARACTERÍSTICAS DE LA GASOLINA
2.5.2.1 Poder calorífico
El poder calorífico de un combustible es la cantidad de energía desprendida
en la reacción de combustión, referida a la unidad de masa de combustible.
Es la cantidad de calor que entrega un kilogramo, o un metro cúbico, de
combustible al oxidarse en forma completa.
El poder calorífico expresa la energía máxima que puede liberar la unión
química entre un combustible y el comburente y es igual a la energía que
mantenía unidos los átomos en las moléculas de combustible, menos la
energía utilizada en la formación de nuevas moléculas en las materias
(generalmente gases) formada en la combustión.
La magnitud del poder calorífico puede variar según como se mida. Según la
forma de medir se utiliza la expresión poder calorífico superior (PCS) y poder
calorífico inferior (PCI).
-
Poder calorífico superior (PCS): Es la cantidad total de calor
desprendido en la combustión completa de 1 Kg de combustible cuando
el vapor de agua originado en la combustión está condensado y se
contabiliza.
-
Poder calorífico inferior (PCI): Es la cantidad total de calor desprendido
en la combustión completa de 1 kg de combustible sin contar la parte
correspondiente al calor latente del vapor de agua de la combustión, ya
que no se produce cambio de fase, y se expulsa como vapor.
28
TABLA 1. Tabla del Poder Calorífico
2.5.2.2 Volatilidad
La volatilidad de una gasolina es el rango de temperaturas desde que
comienza a hervir la mezcla hasta que se evapora todo el líquido, en la
gasolina normalmente hasta los 200 grados Centígrados.
29
2.5.2.3 Densidad
Tiene una densidad de 680 g/L y un litro de gasolina tiene una energía de
34,78 megajulios, aproximadamente.
2.5.2.4 Resistencia a la detonación
La característica que diferencia la gasolina tipo súper a la de tipo extra es la
resistencia a la detonación, que viene determinada por el octanaje,
actualmente la gasolina de tipo súper posee 92 Octanos y la gasolina tipo
extra es de 87 octanos.
Por lo tanto, el octanaje sirve para determinar el grado de resistencia a la
detonación, es decir, si la gasolina tiene poco octanaje, en la cámara de
combustión de un motor se producen inflamaciones espontáneas, dicho de
otra manera, detonaciones a destiempo en la cámara de combustión que
pueden repercutir para mal al motor y perjudicar su rendimiento.
Cuanto mayor es el número de octanos de la gasolina, mayor es el octanaje
de ésta y por tanto, la resistencia a la detonación o el poder antidetonante de
la gasolina es mayor.
Lo ideal es acatar lo que indique el fabricante del vehículo y del motor a la
hora de decidirse por un tipo de gasolina , pues los beneficios de usar una
gasolina de mayor octanaje si no es necesario, lo único que hará es que
gastemos más dinero pagando por este tipo de gasolina sin tener ningún
beneficio para nuestro motor.
2.5.3 CARACTERÍSTICA DE LA MEZCLA AIRE-COMBUSTIBLE
En condiciones normales, la combustión total de 1 gramo de gasolina se
consigue con 14.8 gramos de aire.
30
La relación entre aire y combustible varía constantemente en un motor de
pistones. Esta proporción se calcula de acuerdo al peso.
aire atmosférico en gramos
Proporción de Mezcla =
consumo de gasolina en gramos
FÓRMULA 1. Proporción de Mezcla.
Sin embargo, los motores de pistón no son capaces de crear las condiciones
de homogeneidad entre aire y gasolina para quemarla el ciento por ciento. Si
la combustión de los motores fuese completa o perfecta, las emisiones
resultantes de la misma serían exclusivamente: nitrógeno (N2), anhídrido
carbónico (CO2), vapor de agua (H2O) y oxígeno (O2).
2.5.3.1 Mezcla rica y mezcla pobre
Estos son términos que se les da a las mezclas que se desvían de la mezcla
estequiométrica aire-combustible.
-
MEZCLA RICA.- Se da cuando no hay suficiente aire en la mezcla,
cuando se produce esto, aumenta el consumo de combustible del
vehículo trayendo como consecuencia el aumento de los hidrocarburos y
el monóxido de carbono.
-
MEZCLA POBRE.- Se da cuando existe más aire del necesario, cuando
se produce esto en el motor de combustión interna, la gasolina se
combustiona por completo aumentando la temperatura del motor
pudiendo llegar a que se produzca la pre-ignición en el cilindro, pudiendo
ocasionar serio daños al motor, también aumenta las emisiones de los
óxidos de nitrógeno.
31
FÓRMULA 2. Fórmulas Mezcla Rica y Mezcla Pobre.
(http://www.iessierradeguara.com/documentos/departamentos/automocion/circuitos_auxiliar
es/Mezclas%20y%20gases%20de%20escape/combustion_mezcla.pdf, 2014)
FIGURA 16. Curva de la mezcla Rica y Pobre.
(http://www.tornado250.com.ar/forobc/index.php?topic=6380.0, 2006 - 2009)
32
3. METODOLOGÍA
3.1 ESTADO ACTUAL DEL VEHÍCULO
Antes de realizar las mediciones de gases como Hidrocarburos (HC) en
ralentí y en 2500 rpm, Oxígeno (O2) en bajas y en altas rpm, Monóxido de
Carbono (CO) en ralentí y en 2500 rpm, provenientes del tubo de escape y
tomar mediciones de cuantos kilómetros por galón es el consumo actual, se
realizó un mantenimiento, el cual constó de:
3.1.1 CAMBIO DE BUJÍAS
Se procedió a cambiar las bujías, de los cuatro cilindros del motor,
colocando bujías de las mismas características a las que se encontraban
colocadas.
FIGURA 17. Cambio de bujías 1.
34
FIGURA 18. Cambio de bujías 2.
FIGURA 19. Cambio de bujías 3.
35
FIGURA 20. Cambio de bujías 4.
3.1.2 LIMPIEZA DEL COLECTOR DE ADMISIÓN
En este punto se procedió a desarmar el sistema de admisión de aire para
su completa limpieza ya que aquí se acumula gran parte de carboncillo.
FIGURA 21. Limpieza del colector 1.
36
FIGURA 22. Limpieza del colector 2.
3.1.3 CAMBIO DEL DEPURADOR O FILTRO DE AIRE
FIGURA 23. Cambio del depurador 1.
37
FIGURA 24. Cambio del depurador 2.
3.1.4 DESARME Y LIMPIEZA DEL SENSOR IAC.
FIGURA 25. Limpieza del sensor IAC 1.
38
FIGURA 26. Limpieza del sensor IAC 2.
FIGURA 27. Limpieza del sensor IAC 3.
39
FIGURA 28. Limpieza del sensor IAC 4.
3.1.5 LIMPIEZA MARIPOSA
Se terminó limpiando la toma de entrada de la mariposa.
FIGURA 29. Limpieza de la mariposa
40
3.1.6 ARMADO SISTEMA DE ADMISIÓN
Luego se volvió armar todo el sistema de admisión.
FIGURA 30. Sistema de admisión
3.1.7 LIMPIEZA DE INYECTORES POR ULTRASONIDO
Se procedió a desmontar los inyectores, aflojando los tornillos del riel y
sacando las vinchas de seguridad correspondientes.
Luego de desmontar los inyectores se procedió a limpiarlo por fuera
utilizando un desengrasante, esto se lo realiza para evitar ensuciar el líquido
de la máquina de ultrasonido.
Después se colocó los inyectores en el equipo de ultrasonido encendiendo el
generador de pulsos por aproximadamente 15 minutos.
41
Pasado este tiempo se saca los inyectores del líquido de ultrasonido y se los
seca preferiblemente con presión de aire.
Para comprobar el buen funcionamiento de cada uno de los inyectores se
necesita un banco de pruebas, el cual entrega presión de un líquido de
pruebas el cual debe ser lubricante para no dañar la bomba del banco de
pruebas, también debe ser un poco denso y preferiblemente no inflamable.
Un generador de pulsos simula el rango de trabajo que tienen los inyectores
en el motor del automóvil, el líquido que se liberan de los inyectores se
almacena en probetas independientes y calibradas, en la cual podemos
medir la cantidad de líquido inyectado en forma comparativa.
Si la diferencia no es mayor al 10% entre los volúmenes vertidos en las
probetas se puede decir que la limpieza ha sido un éxito, y si no es así se
procede nuevamente a realizar la limpieza de los inyectores en la máquina
de ultrasonido, siguiendo los pasos ya explicados.
Por último se procede armar todo el sistema de inyección, teniendo en
cuenta que el vehículo no encenderá hasta que se encuentre todo el sistema
presurizado, para esto se recomienda colocar la llave en contacto y luego
apagarlo, repetir este procedimiento por lo menos 3 veces.
3.1.8 REVISIÓN DE NIVELES DEL VEHÍCULO
Se reviso los niveles de refrigerante, nivel de aceite de motor, nivel de aceite
hidráulico y el nivel de líquido de frenos. Completando si hubiese sido
necesario.
42
FIGURA 31. Revisión de niveles 1.
FIGURA 32. Revisión de niveles 2.
43
3.2 FICHA TÉCNICA DEL VEHÍCULO
En la siguiente tabla se describe las características del vehículo.
TABLA 2. Características del vehículo
Motor
Disposición
1,8 Litros
4 cilindros
Cilindrada
Diámetro de los
cilindros
Carrera
Potencia
Relación de
compresión
Orden de encendido
Combustible
1781 cm3 / Cilindrada individual 445 cm3
81,4 mm
86,4 mm
87,1 CV a 5200 rpm.
8,5:1
1-3-4-2
Nafta
Luz de válvulas
Admisión
Escape
Admisión
Motor caliente
Escape
Encendido
Electrónico.
Avance inicial
9 +/- 0,5
Filtro de aire
Seco con control termostático
Bujías
Diámetro de la rosca
Embrague
Luz de electrodos
Caja de velocidades Monodisco seco con placa a diafragma
Relaciones
1 era.
2 da.
3 era.
4 ta.
5 ta.
Reversa.
Motor frío
0,15 a 0,25 mm.
0,35 a 0,45 mm.
0,20 a 0,30 mm.
0,40 a 0,50 mm.
M14 x 1,25
0,6 a 0,8 mm.
3,45:1.
1,79:1.
1,13:1.
0,83:1.
0,68:1.
4,11:1.
Frenos
Delanteros
Traseros
Estacionamiento
Líquido de frenos
A disco.
Tambor.
Mecánico sobre ruedas traseras.
Tipo DOT 4.
44
Dirección
Tipo
Vueltas de volante
Delantera
Trasera
Neumáticos
Delanteros
Traseros
Tanque de Nafta
Carter motor
Sistema de
Enfriamiento
Líquido de frenos
Lavaparabrisas
Alternador
Tensión
Capacidad con aire
Capacidad sin aire
Distancia entre ejes
Trocha delantera
Trocha trasera
Longitud total
Ancho total
Altura sin carga
Con aire
Acondicionado
Sin aire
Acondicionado
Piñón y cremallera
3.65
Suspensión
Continúa…
Tipo independiente, McPherson con barra estabilizadora,
brazos inferiores triangulares y resortes helicoidales.
Amortiguadores telescópicos hidráulicos de doble acción.
Tipo independiente, eje auto deslizante, brazos tubulares
longitudinales, resortes helicoidales, amortiguadores
telescópicos, hidráulicos de doble acción.
Radial con cinturón de acero 205/50 R15
Presión de inflado (lb)
32
30
Capacidades
47 litros.
Sin filtro 3 litros.
Con filtro 3,5 litros.
6,2 litros
0,34 litros
3 litros
Potencia generada 55 A/h.
Batería
12 volts
54 A/h
36 A/h
Dimensiones
2,358 m
1,350 m
1,370 m
3.810 m
1,601 m
1,350 m
Peso
945 kg.
915 Kg
45
3.3 ANÁLISIS TEMPERATURAS EN EL VEHÍCULO
En el automóvil existen varios puntos calientes, unos debidos al movimiento
permanente del motor y sus partes, y otros a la combustión que se realiza en
el mismo. Es por esto que voy aprovechar las altas temperaturas que existe
en el vehículo para diseñar un dispositivo que caliente el combustible antes
de que ingrese al riel de inyectores. Pero antes de eso realizare un estudio
previo de los diferentes puntos calientes en el automóvil, analizando la
temperatura máxima que puede llegar dichas partes, también como la
facilidad de adaptación del dispositivo.
FIGURA 33. Sistema de escape de un motor Otto
(http://www.sabelotodo.org/automovil/siescape.html, 2013)
3.3.1 EL BLOCK DEL MOTOR
El block del motor puede alcanzar una temperatura de 90 a 110ºC,
dependiendo las condiciones ambientales como por ejemplo si hay viento, si
el aire es húmedo o seco o la temperatura de la ciudad en donde este se
encuentre. Además como sabemos que el sistema de refrigeración pasa por
todo el block por medio de conductos y su temperatura no es constante en
todo el conjunto, es por esto que el block del motor no es un buen sitio para
instalar el dispositivo de calentador de combustible.
46
3.3.2 SISTEMA DE ESCAPE DEL VEHÍCULO
En el sistema de escape del vehículo existen muchos puntos referenciales
en los cuales tenemos diferentes tipos de temperaturas, como son:
3.3.2.1 Catalizador
Para que el catalizador comience a realizar reacciones químicas de
oxidación y reducción necesarias para producir la conversión de los gases
nocivos, debe llegar a una temperatura por lo mínimo de 250ºC, siendo su
temperatura de trabajo de 400ºc hasta los 800ºc, no puede superar esta
temperatura, ya que si lo hiciera los metales nobles que componen el
catalizador se dañarían.
Es muy dificultoso y peligroso a la vez colocar el dispositivo cerca del
catalizador. Porque el catalizador se encuentra en la parte inferior del
vehículo y esta propenso a golpes, los cuales dañarían por completo al
dispositivo pudiendo hasta existir fuga de combustible.
3.3.2.2 Presilenciador y silenciador
Al igual que el catalizador estos sistemas se encuentran ubicados en la parte
inferior del vehículo, siendo estos propensos a golpes y muy distantes del
riel de inyección. Es por esto que no son apropiados para instalar en este
punto el dispositivo calentador de combustible. Como se puede observar en
la Figura 33 la temperatura del Silenciador es menor a 400 °C.
3.3.2.3 Tubo final de escape de gases
Como podemos ver en la gráfica inicial. Los gases que salen a una
temperatura promedio de 700ºC hacia el múltiple de escape y luego de
pasar por el pre silenciador, silenciador y el catalizador, llegan ya al tubo
final aproximadamente a una temperatura de 100ºC, la cual no es la
apropiada para poder utilizar en el dispositivo de calentador de combustible,
además que el dispositivo se encontraría muy lejos de la riel de inyección,
47
haciendo que la gasolina pierda calor hasta llegar desde el dispositivo hasta
la riel de inyección.
3.3.2.4 Múltiple de escape
En este punto los gases salen de la cámara de combustión a una
temperatura de 700ºC, esta es la temperatura más alta que podemos
encontrar en el vehículo. Es el sitio indicado en el cual podemos instalar
nuestro dispositivo, ya que disponemos de espacio necesario y lo más
importante se encuentra relativamente cerca del riel de inyección a
comparación con los otros puntos analizados.
3.4 MEDICIONES DE GASES EN EL VEHÍCULO SIN EL
DISPOSITIVO
Una vez realizada el mantenimiento correspondiente del vehículo y
verificación del correcto funcionamiento del mismo, se procedió hacer
mediciones de los niveles de gases.
FIGURA 34. Prueba de gases en ralentí sin dispositivo 1.
48
FIGURA 35. Prueba de gases en relantí sin dispositivo 2.
FIGURA 36. Prueba de gases a 2500 rpm sin dispositivo 3.
En la revisión técnica vehicular obligatoria de la ciudad de Quito, se permite
realizar cuatro revisiones, esto quiere decir que todos los vehículos tienen
cuatro posibilidades de pasar la revisión técnica vehicular.
49
La primera revisión tiene un costo para vehículos livianos de $26,02 dólares,
la segunda revisión es sin ningún costo, la tercera revisión tiene un costo del
50% de la primera revisión, y la cuarta revisión tiene el mismo costo de la
primera revisión.
Conociendo que con el costo de la primera revisión tengo dos oportunidades
para aprobar al vehículo, decidí pasar el vehículo sin el dispositivo para
saber en qué condiciones se encuentra.
Obteniendo los siguientes resultados:
FIGURA 37. Resultados Corpaire primera revisión
Con los datos obtenidos se procedió a realizar una tabla comparativa de
emisiones de gases.
50
3.4.1 TABLA COMPARATIVA DE EMISIONES DE GASES
TABLA 3. Tabla de mediciones de los gases de escape
TABLA DE
EMISIONES DE
GASES.
En ralentí
A 2500 rpm
Hidrocarburos (HC)
208 (ppm)
147 (ppm)
Oxígeno (O2)
1.08 (%)
1.22 (%)
Monóxido de
Carbono (CO)
0.67 (%)
1.07 (%)
Límites Permitidos
en ralentí
Límites
Permitidos a 2500
rpm
0.00<=x<159.99
0.00<=x<159.99
(ppm)
(ppm)
0%<=x<3%
0%<=x<3%
(%)
(%)
0.00%<=x<0.59%
0.00%<=x<0.59%
(%)
(%)
Como pudimos observar, después de haber pasado el vehículo por la
primera revisión técnica vehicular, se detectaron algunos inconvenientes en
las emisiones de gases, detallados a continuación:
Excesiva emisión de CO a 2500 RPM
Excesiva emisión de Hidrocarburos en ralentí.
Excesiva emisión de CO en ralentí.
3.4.2 MEDICIONES DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE
A parte de las mediciones de gases que se efectuaron al automóvil, también
se realizó la medida del consumo del combustible.
Primero se procedió a llenar el tanque de combustible con gasolina extra (87
octanos), luego de que el automóvil se encontraba con el tanque de
combustible lleno se tomó la medida del kilometraje la cual fue de 93.875
km.
51
FIGURA 38. Medición de combustible sin dispositivo 1.
Después se realizó el normal recorrido del automóvil, este procedimiento
duro 7 días, hasta que el indicador de combustible se encendió en el tablero
mostrando que el vehículo ya no dispone de combustible, en este momento
se volvió a tomar la medida del odómetro el cual fue 94.274 km.
FIGURA 39. Medición de combustible sin dispositivo 2.
52
Para saber el consumo de combustible en kilómetros por galón que tiene el
vehículo, se hizo una relación con la toma de medidas realizadas
anteriormente, conociendo que la capacidad del tanque de combustible es
de 47 litros o 12.42 galones
Entonces por diferencia sabemos que con 12.42 galones pudimos recorrer
399 km, y por cada galón el automóvil puede recorrer 32.13 km.
El recorrido realizado en los 7 días fue:
Av. Manuel Córdova Galarza Km 4 ½ hacia Av. Antonio José de Sucre y
Mariana de Jesús, Luego se recorrió por la calle Mariscal Sucre hacia Av.
Ajaví. Efectuándose posteriormente el regreso hacia la Av. Manuel Córdova
Galarza a la altura del Km 4 ½.
Fue una rutina estricta realizada por 7 días procediendo a terminar así los
12.42 galones del vehículo.
FIGURA 40. Trayectoria para medición de combustible.
(Google maps, 2014)
53
4. ANÁLISIS Y RESULTADOS
4.1 SELECCIÓN DE MATERIALES
Como el dispositivo se basa en la transferencia del calor, por radiación,
aprovecharemos el calor que se concentra en la salida del múltiple de
escape, el cual puede llegar hasta 700ºC internamente y 260ºC
externamente dependiendo del punto cual se tome como referencia.
Pudiendo calentar de esta manera sin ninguna dificultad el combustible por
medio del dispositivo, para esto necesitamos encontrar el metal apropiado,
para que no exista problema con la transferencia del calor y tampoco se
corroa con la presencia de gasolina en su interior.
Antes de revisar las características de los metales que podría usar en la
elaboración del dispositivo, me gustaría acotar que los metales que son
puramente inoxidables son el oro y el platino, siendo casi imposible utilizar
estos metales en la construcción del dispositivo, primero porque son escasos
y difíciles de encontrar, segundo por su costo.
A continuación se detalla las características principales de los metales que
se podrían utilizar en la elaboración del dispositivo.
4.1.1 ACERO INOXIDABLE
Es un material sólido y no un revestimiento especial aplicado al acero común
para darle características inoxidables. El acero inoxidable es un acero de
elevada resistencia a la corrosión, gracias al cromo, y otros metales con los
que se realizan aleaciones como pueden ser el níquel y el molibdeno ya que
estos poseen gran afinidad por el oxígeno reaccionando con dicho elemento
y formando una capa protectora, evitando así la corrosión del hierro.
Sin embargo, esta capa puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar
a que el hierro sea atacado y oxidado.
54
Como todos los tipos de aceros, el acero inoxidable es un material simple.
Lo que tienen en común todos los aceros es que el principal componente es
el hierro, al que se añade una pequeña cantidad de carbono. El acero
inoxidable fue inventado a principios del siglo XX cuando se descubrió que
una pequeña cantidad de cromo añadido al acero común, le daba un
aspecto brillante y lo hacía altamente resistente a la suciedad y a la
oxidación. Es indispensable saber que el mínimo para conseguir
propiedades inoxidables es del 12 % de cromo en la aleación.
FIGURA 41. Ficha técnica Acero Inoxidable.
(www.emac.es, 2012)
Usos.- se utilizan principalmente en cuatro tipos de mercados:
Electrodomésticos: grandes electrodomésticos y pequeños aparatos para el
hogar.
Automotriz: especialmente tubos de escape.
Construcción: edificios y mobiliario urbano (fachadas y material).
Industria: alimentación, productos químicos y petróleo.
Industria médica: debido a la resistencia a la corrosión, por sus propiedades
higiénicas y sus propiedades estéticas.
55
Aceros inoxidables comerciales.- los aceros inoxidables comerciales más
comunes son:
Acero inoxidable extra suave: contiene un 13 % de Cr y un 0,15 % de C.
Se utiliza en la fabricación de: elementos de máquinas, álabes de turbinas,
válvulas, etc. Tiene una resistencia mecánica de 80 kg/mm² y una dureza de
175-205 HB.
Acero inoxidable 16Cr-2Ni: tiene de 0,20 % de C, 16 % de Cr y 2 % de Ni;
resistencia mecánica de 95 kg/mm² y una dureza de 275-300 HB. Se suelda
con dificultad, y se utiliza para la construcción de álabes de turbinas, ejes de
bombas, utensilios de cocina, cuchillería, etc.
Acero inoxidable al cromo níquel 18-8: tiene un 0,18 % de C, un 18 % de
Cr y un 8 % de Ni Tiene una resistencia mecánica de 60 kg/mm² y una
dureza de 175-200Hb, Es un acero inoxidable muy utilizado porque resiste
bien el calor hasta 400 °C
Acero inoxidable al Cr- Mn: tiene un 0,14 % de C, un 11 % de Cr y un 18 %
de Mn. Alcanza una resistencia mecánica de 65 kg/mm² y una dureza de
175-200HB. Es soldable y resiste bien altas temperaturas. Es amagnético.
Se utiliza en colectores de escape.
4.1.2 ALUMINIO
Es un metal muy liviano, su densidad es de 2.7 veces mayor que la del agua,
su punto de fusión es bajo a los 660 ºC, con un color blanco y brillante.
Posee una buena conductividad eléctrica que se encuentra entre los (34 y 38
m/
mm^2), así también como gran conductividad térmica (de 80 a 230 W/
m.K). Es resistente a la corrosión, gracias a la capa protectora formada por
el óxido de aluminio resistente a los productos químicos pudiendo estar
expuesto a la intemperie, al mar sin corroerse. Es el tercer elemento en
abundancia en la tierra después del oxígeno y silicio. Es un material
fácilmente reciclable.
56
FIGURA 42. Ficha técnica Aluminio.
(www.emac.es, 2012)
Características químicas.- debido a que tiene un alto grado de oxidación al
contacto con el aire, rápidamente se forma una capa de óxido de color gris,
pero esta capa es protectora, proporcionándole resistencia y durabilidad.
Características mecánicas y físicas.- es un metal bastante maleable y
blando, fácilmente soldadle, generalmente se lo mezcla con otros metales
para fabricar estructuras y así mejorar sus propiedades mecánicas.
El uso del aluminio en la industria es altísimo, solamente superado por el
hierro y el acero. En la industria automotriz se utiliza el aluminio en cañerías,
carrocerías, recubrimientos de partes automotrices.
57
4.1.3 ZINC
Es un metal no férreo, blanco-azulado, con brillo metálico siendo en su forma
natural sólido. Es quebradizo a temperatura ambiente, pero entre 100 y
150ºC es fácilmente maleable, llega a pulverizarse a los 250ºC. Es un buen
conductor de la electricidad y del calor. Permanece inalterable en el aire
seco, porque en el húmedo se cubre de una capa de carbonato básico de
zinc hidratado que protege el resto de la masa de la corrosión. Los mayores
yacimientos de zinc se encuentran en Australia, Asia y los Estados Unidos.
Conductividad eléctrica a 20ºC: 16,5 m/Ohm.mm2.
Resistividad eléctrica a 20ºC: 5,916 m ohms cm2 /cm.
Conductividad calorífica a 0ºC: 0,268 cal/cm x s ºC.
4.1.3.1 Usos del zinc
Se utiliza en el proceso de galvanización la cual es el recubrimiento de otros
metales con hierro o acero. Aproximadamente la mitad del zinc que se usa
en el mundo es para galvanización. La galvanización se utiliza para fabricar
tela metálica, barandillas, puentes colgantes, postes de luz, techos de metal,
intercambiadores de calor y carrocerías de automóviles. En pilas de zinc y
carbono se utiliza una lámina de este metal.
El zinc es aleado con cobre para crear latón. El latón se utiliza una amplia
variedad de productos tales como tuberías, instrumentos, equipos de
comunicaciones, herramientas y válvulas de agua. También se utiliza en
aleaciones con elementos como el níquel, el aluminio (para soldar) y el
bronce. En algunos países, tales como los Estados Unidos, el zinc se utiliza
para fabricar monedas.
58
El zinc se utiliza con el cobre, el magnesio y el aluminio en la industria
automotriz para hacer herramientas. El óxido de zinc se utiliza también en el
caucho para protegerlo de la radiación UV. El cloruro de zinc se utiliza en la
madera como retardante del fuego y para conservarla.
El sulfuro de zinc se utiliza como pintura luminiscente de las superficies de
los relojes, rayos X, pantallas de televisión y pinturas que brillan en la
oscuridad. El zinc también se utiliza en los suplementos dietéticos. Es de
gran ayuda en la curación de heridas, la reducción de la duración y
severidad de los resfriados y tiene propiedades antimicrobianas que ayudan
a aliviar los síntomas de la gastroenteritis.
4.1.4 COBRE
FIGURA 43. Ficha técnica del cobre.
(http://www.zinciberica.es/El%20cobre%20ficha%20tecnica.pdf, 2014)
Es uno de los metales más antiguos y de mayor uso, de color rojizo, con
este metal el hombre construyo las primeras herramientas. Es uno de los
pocos metales que puede encontrarse en estado puro.
59
Tiene la ventaja de poder ser reutilizado indefinidamente porque no pierde
sus propiedades físicas o químicas en el reciclaje. Se lo puede encontrar en
estado nativo en pequeñas proporciones en rocas. Básicamente se halla en
la lava basáltica en toda la tierra, estando el mayor depósito en la zona
cordillerana de Chile, (aproximadamente el 25 % de las reservas mundiales).
4.1.4.1 Propiedades físicas y usos
Es el segundo mejor conductor después de la plata con la ventaja que tiene
un bajo costo. Tiene buena resistencia a la corrosión y extraordinaria
ductilidad lo que permite transformarlo en alambres de hasta 0,025 mm. Se
utiliza en cables y líneas de alta tensión exteriores, en el cableado eléctrico
en interiores, enchufes y maquinaria eléctrica en general, generadores,
motores, reguladores, equipos de señalización, aparatos electromagnéticos
y sistemas de comunicaciones.
Es también el mejor conductor del calor lo que explica su uso en situaciones
en las que se desee calentar o enfriar rápidamente como refrigerantes,
intercambiadores de calor, pailas, utensilios de cocina, etc. No tiene
propiedades magnéticas (amagnético) lo que permite su uso en construcción
eléctrica, electrónica, armamentos, relojería, etc.
4.1.4.2 Propiedades químicas
Es un metal muy resistente, integra el grupo de los metales nobles con la
plata, el oro y el platino. Resiste la exposición atmosférica, el agua y algunos
ácidos, no se corroe en situaciones normales. El ácido cítrico disuelve el
óxido de cobre, por lo que se aplica para limpiar superficies de cobre.
4.1.4.3 Importancia biológica
El cobre ayuda a la formación de la hemoglobina por lo que debe ser
ingerido diariamente en muy pequeñas cantidades.
60
Sus compuestos tienen efecto bactericida y evitan la proliferación de algas,
es por eso que se agregan a las piscinas y estanques. Las aleaciones más
conocidas son el bronce (cobre – estaño) y el latón (cobre – cinc). También
se usa en aleaciones con el oro, la plata o el níquel.
A
continuación
se
realizará
cuadro
comparativo
para
analizar
la
conductibilidad térmica de los materiales estudiados anteriormente y así
determinar cuál es el mejor material para la construcción del calentador de
combustible.
Usando la tabla detallada a continuación se realizará el cuadro comparativo:
FIGURA 44. Conductividad térmica.
(http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/tb03_conductividad.php, 2007)
61
TABLA 4. Cuadro comparativo conductividad térmica.
Material
Acero Inoxidable
Aluminio
Zinc
Cobre
Conductividad Térmica
58
209,3
140
385,2
Debido a todas las características que nos ofrece el cobre como la excelente
conductividad, maleabilidad, resistencia, y la facilidad de adquisición, se
utiliza el cobre como principal elemento para la construcción del dispositivo.
4.2 DISEÑO DEL CALENTADOR DE COMBUSTIBLE
4.2.1 TOMA DE DATOS REALES
Antes de la construcción del dispositivo se necesita saber: el diseño que va a
tener el dispositivo, la ubicación exacta en la cual se va a encontrar en el
vehículo y bajo que parámetros va a trabajar el dispositivo.
Para esto se tomó varias medidas como fue la presión de la bomba, la
temperatura a la cual se encuentra el tubo de escape en el punto en donde
se montará el dispositivo y la temperatura a la cual se encuentra la gasolina
antes de entrar al riel de inyección.
4.2.1.1 Presión
Primero se colocó el manómetro de presión en la entrada del combustible
del riel de inyección, procediéndose a iniciar la toma de medidas.
62
FIGURA 45. Presión de la bomba 1.
FÓRMULA 3. Fórmula de Presión.
(http://www.belt.es/expertos/experto.asp?id=2024, 2004)
FÓRMULA 4. Fórmula del Caudal.
(http://www.belt.es/expertos/experto.asp?id=2024, 2004)
63
FIGURA 46. Presión de la bomba 2.
FIGURA 47. Presión de bomba 3.
64
Luego de realizar la medición de la presión de la bomba, pudimos verificar
que no existe ninguna fuga de presión lo cual nos indica que la bomba está
en buen estado y trabajando normalmente. La presión que marcó fue de 35
PSI.
4.2.1.2 Temperatura
Segundo se tomó la temperatura externa a la cual se encuentra trabajando
el tubo de escape luego que el vehículo llegara a su temperatura optima de
trabajo.
La temperatura medida en el múltiple de escape, fue la mayor temperatura
que se puede encontrar en el sistema de escape del vehículo, e iba
disminuyendo mientras el tubo se alejaba del múltiple y acercaba a la salida
final de los gases.
FIGURA 48. Temperatura medida en el múltiple de escape.
65
FIGURA 49. Temperatura medida en sito de instalación del dispositivo
La temperatura en el múltiple de escape fue de 259.6°C, y en el punto donde
se va a instalar el calentador de combustible la temperatura fue de 135.8°C.
4.3 FORMAS DEL CALENTADOR DE COMBUSTIBLE
Tratando de aprovechar de mejor manera la temperatura que encontramos
en el tubo de escape del vehículo, se procedió a realizar varios diseños.
4.3.1 Forma tipo radiador
El primer diseño era un tipo serpentín en forma de radiador.
FIGURA 50. Serpentín Tipo Radiador.
Serpentín Tipo Radiador. (2013). Recuperado de http://www.clasf.co.ve/serpentin-oradiador-caja-automatica-cherokee-en-maracay-1355812/
66
Este diseño lo descarte ya que el diámetro del tubo de escape es de 53mm,
siendo una distancia muy pequeña para colocar el serpentín tipo radiador en
forma vertical, el cual toda su superficie no iba a estar con el tubo de escape,
pudiendo esto provocar pérdida de temperatura en el dispositivo. Sin
mencionar que hubiera existido problemas de sujeción del dispositivo al tubo
de escape, quedando este inestable.
4.3.2 Forma tipo sepertín
El segundo diseño es un tipo serpentín enroscado al tubo de escape.
FIGURA 51. Serpentín enroscado al tubo de escape
Se decidió por este diseño, primero porque al momento de ser un serpentín
tipo enroscable siempre una cara del tubo de cobre va a estar en contacto
con el tubo de escape, evitando de esta manera pérdidas de calor, y
segundo porque al estar el tubo de cobre enroscado al tubo de escape no es
necesario ningún sistema para sujetar el diseño al tubo de escape, teniendo
en cuenta que este queda sujeto perfectamente ya que no existe ninguna
diferencia de diámetro entre el tubo de escape y el tubo de cobre.
67
4.4
CÁLCULOS
PREVIOS
AL
DESARROLLO
DEL
DISPOSITIVO
Una vez seleccionado el material y el diseño con el cual se va a desarrollar
el dispositivo que es un calentador de combustible, se procedió a realizar
varios cálculos como fueron, el volumen del tubo de cobre, el coeficiente de
dilatación lineal del cobre, coeficiente de dilatación volumétrica del cobre.
Cabe recalcar que al momento de realizar los cálculos, los parámetros de
referencia fueron los de un sistema estático.
V=
* r2 * h
FÓRMULA 5. Fórmula Cálculo del Volumen.
TABLA 5. Volumen del cobre
Datos
Transformaciones
Diámetro tubo de cobre: 3/8
(3/8) * 2.54 = 0.9525 cm
pulgada
0.9525 / 100 = 0.009525 m
Distancia tubo de cobre: 3 metros
1 Pulgada equivale = 2.54 cm
Desarrollo
2*
V= *r h
V=
* (0.0047625)2m * (3)m
V = 2.13 x 10-4 m3
V = 2.13 cm3
V = 21.300 mm3
Coeficiente de dilatación lineal del cobre
L=
* Li * T
FÓRMULA 6. Coeficiente de dilatación lineal del cobre.
68
Coeficiente de dilatación volumétrica del cobre
V=
v
* Vi *
T
FÓRMULA 7. Coeficiente de dilatación volumétrica del cobre.
Al momento tratar de resolver la ecuación de dilatación lineal y volumétrica
del cobre, encontramos que no tenemos un dato importante, el cual es la
temperatura final con la que sale el combustible del tubo de cobre.
Para eso se utilizó un programa-simulador de flujo de líquidos, llamado
ANSYS en su versión 14.5, el cual nos ayudo a determinar la temperatura de
la gasolina por cada vuelta en espiral que da el tubo de cobre al tubo de
escape.
4.5 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES DEL DISPOSITIVO
Se procedió a buscar las propiedades de los materiales que van a
interactuar en el simulador, ya que para poder correr una simulación, se
necesita saber con exactitud varios datos de los materiales con los cuales se
está trabajando, como la densidad, calor específico, la masa molar y
viscosidad, del Cobre, del Acero Inoxidable con una aleación 18% Cromo,
12% Níquel y de la gasolina de 87 Octanos (Gasolina tipo Extra en el
Ecuador).
Propiedades del Acero Inoxidable 18% como 12% níquel.
Densidad: 8.0 g/cm3
Calor Específico: 500 J/(Kg*K)
Masa Molar: 55.7 g/mol
69
Cálculos de la masa molar:
Fe
55.85 * 0.7 =
39.095
Cr
52.81 * 0.18 =
9.51
Ni
58.71 * 0.12 =
7.05
pm = 55.66 g/mol
Punto de Fusión: 1454 ºC
Propiedades del Cobre.
Densidad: 8933 kg/m3 ; 8.96 g/cm3 a 20 ºC
Calor Específico: 3.85 x 102 J/(Kg*K)
Masa Molar: 63.55 kg/mol
Punto de Fusión: 1083 ºC
Punto de Ebullición: 2595 ºC
Propiedades de la Gasolina 87 octanos.
Densidad: 0.68 g/cm3 ; 680 kg/m3
Calor Específico: 2220 J/(Kg*K)
Masa Molar: 117.5 g/mol
Cálculos de la masa molar:
114 * 0.87 =
99.18
141 * 0.13 =
18.33
pm = 117.5 g/mol
Viscosidad: a 20 ºC es 2.9 x 10-4 (N*s/m2)
70
Punto de Inflamación: puede comenzar desde los 50ºC hasta los
200ºC.
4.6 CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO EN SOLID WORKS
Antes de comenzar con la explicación del Programa ANSYS, se debió
trabajar con otro programa de computación llamado Solid Works, en el cual
se procedió a realizar en forma volumétrica las diferentes partes del
dispositivo, como fueron:
El tubo de escape con 2 vueltas del tubo de cobre.
FIGURA 52. El tubo de escape con 2 vueltas del tubo de cobre
El tubo de escape con 3 vueltas del tubo de cobre.
FIGURA 53. El tubo de escape con 3 vueltas del tubo de cobre
El tubo de escape con 4 vueltas del tubo de cobre.
71
FIGURA 54. El tubo de escape con 4 vueltas del tubo de cobre
El tubo de escape con 5 vueltas del tubo de cobre.
FIGURA 55. El tubo de escape con 5 vueltas del tubo de cobre
Se diseño el dispositivo en programa SOLIDWORKS, porque antes de
comenzar con la carga del dispositivo al programa ANSYS, se debe tener
construido el mismo en un pro una forma sólida con todas sus partes, las
cuales son tubo de escape y tubo de cobre por donde circulará el
combustible.
4.7 SIMULACIÓN DEL DISPOSITIVO EN EL PROGRAMA
ANSYS
Con la ayuda del programa ANSYS se pretende calcular el número de
vueltas que tiene que dar el tubo de cobre alrededor del tubo de escape para
lograr calentar el combustible a una temperatura no mayor a los 50 grados
centígrados.
72
Para poder correr una simulación en el programa ANSYS, se deben seguir 5
pasos. Los cuales son: Geometry, Mesh, Setup, Solution, Results.
FIGURA 56. Pasos del programa ansys de simulacion de flujo
4.7.1 GEOMETRY
El primer paso es cargar en el programa ANSYS el diseño del dispositivo
que fue creado con anterioridad en el programa Solid Works.
Lo importante en este punto es que una vez cargado el diseño en ANSYS se
puedan observar por separado las diferentes partes del dispositivo, como
podemos ver a continuación.
FIGURA 57. Tubo de cobre. Cargado en programa ansys
73
FIGURA 58. Tubo de escape, tipo serpentín. Cargado en programa Ansys
4.7.2 MESH
En este paso procedemos a separar por mallas las diferentes piezas del
dispositivo referenciando la entrada-salida de combustible, la entrada-salida
de los gases, las regiones de contacto del tubo de escape con el tubo de
cobre, las paredes del fluido por donde pasará la gasolina.
Esto sirve para que el programa reconozca que se está trabajando con
piezas separadas y de diferentes propiedades tanto físicas como químicas.
FIGURA 59. Mallas del dispositivo en el programa Ansys
74
4.7.3 SETUP
Después de haber consultado todas las propiedades de los materiales
requeridos por el programa ANSYS, se procedió a crear los materiales con
los que vamos a trabajar, cuales son el acero inoxidable, el cobre y la
gasolina tipo extra de 87 Octanos, ingresando la información de las
propiedades antes consultadas. En el caso del cobre solo se hizo una
comparación con los datos consultados ya que este programa tiene
materiales pre-cargados y uno de estos era el cobre.
FIGURA 60. Creación de los materiales. Programa ansys.
75
FIGURA 61. Propiedades del acero inoxidable. Programa Ansys
Como podemos ver en la gráfica anterior se ingresaron las propiedades
fisicas y quimicas de cada uno de los materiales con los que se trabajará,
para que la simulación se desarrolle de una manera real es necesario
completar toda la informacion requerida por el programa, como son el calor
específico , la dilatación lineal, masa molar, densidad, punto de fusión.
76
Luego de haber creado los matreriales con los que se va a trabajar, se
procedio a distinguir de que materiales estan compuestos las diferentes
partes del dispositivo. Siendo el tubo de escape de Acero Inoxidable y el
calentador de combustible de Cobre.
Después de haber distinguido de qué materiales están construidos las
diferentes partes del dispositivo, nos aparecerá la gráfica mallada.
Entendiéndose que el programa reconoció las diferentes partes del
dispositivo y cada una de ellas actuará bajo sus propias propiedades.
FIGURA 62. Dispositivo con mallas
En esta parte del proceso de simulación también se le insertan instrucciones
como el tiempo de simulación, iniciándose con diez minutos, dándole
también la orden de que cada 0.05 segundos vaya recopilando información
del comportamiento de la gasolina. Como podemos ver en la gráfica
siguiente.
77
FIGURA 63. Tiempo de simulación. Programa ansys
Siguiente paso fue ingresar la presión a la cual esta trabajando la bomba de
gasolina.
FIGURA 64. Presión de la bomba. Programa Ansys
78
Si faltara algun dato o algun parámetro el programa ANSYS, no permite
seguir con el siguiente paso que es la solución. Se deberá corregir los
parametros o condiciones que aparecen en la parte inferior.
FIGURA 65. Errores de la simulación. Programa Ansys
4.7.4 SOLUTION
Una vez que llegamos a la solución es cuestión de dejar al programa
arrancar con la simulación. El tiempo estimado que tomó el programa
ANSYS por resultados de diez minutos de simulación fue de 20 horas
aproximadamente. En una computadora con procesador Core i5, y memoria
RAM de 8GB.
Si durante el proceso de simulación el programa detecta un error, el proceso
se detiene he informa el error, cuando pasa este inconveniente se debe
regresar al paso tres el cual es Setup y corregir el error desde ese punto.
Cuando el proceso ha culminado con éxito aparece “Simulation Completed
Successfully”.
79
FIGURA 66. Resultados de la simulación
4.7.5 RESULTS
Finalmente en este paso podremos ver los resultados de la simulación.
Para un mejor entendimiento coloque en la parte superior derecha una tabla
con valores de temperatura que oscilan desde los 20 grados centígrados
hasta los 170 grados centígrados, diferenciados por colores. Como
apreciamos a continuación.
FIGURA 67. Gráfica de resultados. Programa Ansys
80
Antes de comenzar con el análisis de temperatura de cada uno de los
espirales, hay que diferenciar cual de los colores que se presentan en la
gráfica, corresponde al tubo de cobre y cual a la gasolina.
Para ello nos ayudarán las mallas que construimos en el paso dos, ya que
se puede sólo señalar la malla que existe entre la gasolina y el tubo de
cobre, obteniendo así el espacio que ocupa solo la gasolina.
FIGURA 68. Gráfica de resultados con el flujo solo de gasolina. Programa
Ansys
Como podemos observar en la gráfica, he puesto de color azul el volumen
que ocupa la gasolina, viéndose también que queda un contorno de color
amarillento, perteneciendo este al espacio ocupado por el tubo de cobre.
Entonces una vez ya diferenciado cual es el espacio que ocupa la gasolina
procedemos con el análisis de temperatura del espiral uno al cinco.
81
FIGURA 69. Gráfica de resultados con número de espirales. Programa
Ansys
4.7.5.1 Espiral número 1.
Para determinar la temperatura de la gasolina en el espiral número uno se
tomo diez puntos de referencia con una herramienta llamada probeta, la cual
ayuda a informar a que temperatura se encuentra el punto señalado.
Las temperaturas medidas en grados Kelvin fueron:
1.
314.11 °K
2.
315.55 °K
3.
318.14 °K
4.
320.44 °K
5.
326.35 °K
6.
319.66 °K
7.
317.76 °K
8.
316.03 °K
9.
314.72 °K
10. 313.82 °K
82
El promedio de temperatura fue de 317.66 °K, equivalente a
44,51 °C.
FIGURA 70. Toma de medidas de temperatura espiral uno. Programa Ansys
4.7.5.2 Espiral número 2.
Para determinar la temperatura de la gasolina en el espiral número dos se
tomó diez puntos de referencia con la herramienta llamada probeta.
Las temperaturas medidas en grados Kelvin fueron:
1. 315.71 °K
2. 316.86 °K
3.
318.75 °K
4.
319.77 °K
5.
321.89 °K
6.
321.95 °K
7.
318.67 °K
8.
317.16 °K
83
9.
316.88 °K
10. 315.76 °K
El promedio de temperatura fue de 318.34 °K, equivalente a
45.19 °C.
4.7.5.3 Espiral número 3.
Para determinar la temperatura de la gasolina en el espiral número tres se
tomó diez puntos de referencia con la herramienta llamada probeta.
Las temperaturas medidas en grados Kelvin fueron:
1.
325.27 °K
2.
324.84 °K
3.
321.86 °K
4.
318,46 °K
5.
314.80 °K
6.
314.14 °K
7.
315.44 °K
8.
318.01 °K
9.
321.62 °K
10. 323.71 °K
El promedio de temperatura fue de 319.82 °K, equivalente a
46.67 °C.
4.7.5.4 Espiral número 4.
Para determinar la temperatura de la gasolina en el espiral número cuatro se
tomo diez puntos de referencia con la herramienta llamada probeta.
Las temperaturas medidas en grados Kelvin fueron:
84
1.
325.95°K
2.
322.54 °K
3.
321.20 °K
4.
314.83 °K
5.
313.91 °K
6.
315.66 °K
7.
321.45 °K
8.
322.46 °K
9.
324,09 °K
10. 326.11 °K
El promedio de temperatura fue de 320.82 °K, equivalente a
47.67 °C.
4.7.5.5 Espiral número 5.
Para determinar la temperatura de la gasolina en el espiral número cinco se
tomó diez puntos de referencia con la herramienta llamada probeta.
Las temperaturas medidas en grados Kelvin fueron:
1.
330.75 °K
2.
326.07 °K
3.
321.55 °K
4.
317,46 °K
5.
315,98 °K
6.
313.51 °K
7.
315.24 °K
8.
320.88 °K
9.
326.38 °K
10. 330.30 °K
85
El promedio de temperatura fue de 321.81 °K, equivalente a
48.66 °C.
La temperatura ideal para que calentar el combustible, no tiene que ser
mayor a 50 grados centígrados, ya que si se sobrepasa esta temperatura la
gasolina puede inflamarse, pudiendo provocando un gran incendio y
exposición de todo el combustible almacenado en el automóvil.
4.8 CONSTRUCCIÓN DEL CALENTADOR DE COMBUSTIBLE
Para la construcción del calentador del combustible se necesitaron varios
elementos como fueron:
-
Tres metros de cañería de cobre de tres octavos de pulgada.
-
2 Pitones de bronce de 3/8.
-
1 Neplo de 3/8 a 3/8.
-
1 Unión de 3/8 a 3/8.
-
Un reductor de caudal.
-
Teflón.
-
Abrazaderas de 5/8.
Primero se procedió a desarmar el tubo de escape en el cual se montará el
dispositivo.
FIGURA 71. Desarmando el tubo de escape
86
FIGURA 72. Desarmando el tubo de escape 2.
En este punto se aflojaron los 3 pernos que unen al tubo de escape con el
catalizador, y los 3 pernos que unen el tubo de escape con el múltiple de
escape.
FIGURA 73. Tubo de escape
87
Cuando el tubo de escape estuvo desarmado, se procedió a instalar el
calentador de combustible. El cual tenía que dar cinco vueltas al tubo de
escape sin ninguna holgura entre ellos y con una separación de 32mm entre
espiral. Quedando de esta manera.
FIGURA 74. Tubo de escape con el calentador de combustible
Después que ya se tenía instalado el calentador de combustible en el tubo
de escape, se procedió a montar el tubo de escape nuevamente al vehículo,
para que no exista ninguna fuga de gases se cambio el empaque que está
ubicado entre el tubo de escape y el múltiple de escape.
88
FIGURA 75. Empaque del sistema de escape
Una vez que se volvió armar el tubo de escape, señalice al reductor de
caudal en 3 puntos, al 25%, 50% y 75% de reducción, este dispositivo se
instaló como seguridad para reducir el caudal, solo si la presión aumentaba
al momento de calentar el combustible.
Y como dispositivo de seguridad para cortar el paso de combustible en
alguna emergencia.
FIGURA 76. Reductor de caudal
89
Con todas las partes del sistema listas se procedió armar el calentador de
combustible, siempre teniendo la precaución de colocar teflón en las uniones
de cada pieza del sistema, y ajustar adecuadamente cada abrazadera para
así evitar posibles fugas y pérdidas de presión.
Quedando armado el sistema de esta manera.
FIGURA 77. Calentador de combustible armado
Una vez que ya el sistema se armó y se comprobó que no existía ninguna
fuga de combustible, se procedió a realizar varias mediciones al vehículo
como el
consumo de combustible, medición de gases y presión de la
bomba.
4.9 MEDICIONES DE GASES EN EL VEHÍCULO CON EL
DISPOSITIVO
4.9.1 PRESIÓN DE LA BOMBA DE COMBUSTIBLE
Lo primero que se procedió a medir fue la presión a la cual está trabajando
el sistema de inyección del vehículo. Como observamos a continuación.
90
FIGURA 78. Presión en el sistema de inyección con el calentador de
combustible
4.9.2 CONSUMO DE COMBUSTIBLE
Para realizar las mediciones de consumo de combustible se procedió a
llenar el tanque de gasolina con combustible tipo extra de 87 Octanos, para
que la media sea lo más exacta posible se lo realizó en la misma estación de
servicio.
El recorrido que se realizó con el dispositivo ya instalado fue el mismo que
se lo realizó sin el dispositivo instalado, detallado anteriormente.
Esta medida de combustible se la tomó con una reducción del caudal del
25%.
91
FIGURA 79. Medición del consumo de combustible con el dispositivo 1.
La figura anterior fue tomada 18,7 Kilómetros después de haber llenado el
tanque de combustible con gasolina tipo extra de 87 Octanos, esto quiere
decir que el conteo comenzó a los 100165 kilómetros.
FIGURA 80. Medición del consumo de combustible con el dispositivo 2.
92
La fotografía anterior fue tomada cuando el testigo de combustible se
comenzó a encender, dándonos un recorrido de 100590 kilómetros,
obteniendo por diferencia un recorrido de 425 kilómetros.
Las pruebas al 50% y 75% de reducción no se las realizaron, porque al
momento de trabajar con estas reducciones el vehículo no se encontraba
estable, además de que la presión en el sistema aumentaba haciendo que
las uniones y acoples no resistan, provocando fugas de combustible y
pérdida de presión.
4.9.3 MEDICIONES DE GASES
Una vez que el dispositivo se encontraba instalado y funcionando
correctamente, se procedió a realizar las mediciones de gases del vehículo,
de la misma manera que se realizó sin el dispositivo y sabiendo que esta es
la segunda oportunidad que se tiene para aprobar el vehículo, se procedió al
chequeo de la revisión técnica vehicular.
Obteniendo los siguientes resultados:
FIGURA 81. Medición de gases en ralentí, segunda oportunidad.
93
FIGURA 82. Medición de gases a 2500 rpm, segunda oportunidad.
TABLA 6. Tabla de mediciones de gases de escape, segunda oportunidad.
TABLA
COMPARATIVA
DE EMISIONES
DE GASES
SEGUNDA
OPORTUNIDAD
En ralentí
A 2500
rpm
Hidrocarburos
(HC)
115 (ppm)
108
(ppm)
Oxígeno (O2)
0.59 (%)
0.61 (%)
Monóxido de
Carbono (CO)
0.50 (%)
Límites
Permitidos en
ralentí
Límites
Permitidos a
2500 rpm
0.00<=x<159.99
0.00<=x<159.99
(ppm)
(ppm)
0%<=x<3%
0%<=x<3%
(%)
(%)
0.00%<=x<0.59%
0.00%<=x<0.59%
(%)
(%)
0.57 (%)
94
Luego de las mediciones de gases que se realizaron con el dispositivo
instalado, se puede observar que tanto los niveles de Hidrocarburos,
Oxigeno y Monóxido de carbono bajaron considerablemente quedando el
vehículo listo para pasar la revisión técnica vehicular y sin modificar el
rendimiento del motor ni afectando su funcionamiento.
TABLA 7. Tabla comparativa de las mediciones de los gases de escape
Primera y segunda oportunidad
TABLA
COMPARATIVA
DE EMISIONES
DE GASES
PRIMERA Y
SEGUNDA
OPORTUNIDAD
En ralentí
En ralentí
A 2500 rpm
A 2500 rpm
Segunda
Primera
Primera
Segunda
Oportunidad
Oportunidad
Oportunidad
Oportunidad
(SIN
(CON
(SIN
(CON
DISPOSITIVO
DISPOSITIVO
DISPOSITIVO) DISPOSITIVO)
)
)
Hidrocarburos
(HC)
208 (ppm)
115 (ppm)
147 (ppm)
108 (ppm)
Oxígeno (O2)
1.08 (%)
0.59 (%)
1.22 (%)
0.61 (%)
Monóxido de
Carbono (CO)
0.67 (%)
0.50 (%)
1.07 (%)
0.57 (%)
En la tabla comparativa de emisiones de los gases de escape, primera y
segunda oportunidad, podemos observar una considerable disminución de
los niveles de gases emanados por el vehículo.
En los hidrocarburos en ralentí observamos que bajaron de 208 ppm a 115
ppm, y los hidrocarburos a 2500 rpm bajaron de 147 ppm a 108 ppm.
El monóxido de carbono en ralentí bajo de 0.67% a 0.50% y el monóxido de
carbono a 2500 rpm bajaron de 1.07% a 0.57%.
95
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES
-
Se diseñó e implementó un dispositivo el cual calienta la gasolina antes
de ingresar al riel de inyección del motor del vehículo aprovechando el
calor que se genera en el sistema de escape de gases del mismo.
-
Con el dispositivo instalado se observó una disminución importante de los
gases tóxicos emanados por el vehículo, obteniendo como conclusión
que el dispositivo si funciona y cumple con el objetivo de reducir los
gases tóxicos.
TABLA 8. Tabla comparativa de las mediciones de los gases de escape
Primera y segunda oportunidad en Ralentí.
TABLA COMPARATIVA DE
EMISIONES DE GASES
PRIMERA Y SEGUNDA
OPORTUNIDAD
Hidrocarburos (HC)
Oxígeno (O2)
Monóxido de Carbono (CO)
En ralentí
En ralentí
Primera
Oportunidad
Segunda
Oportunidad
(SIN
DISPOSITIVO)
208 (ppm)
1.08 (%)
(CON
DISPOSITIVO)
115 (ppm)
0.59 (%)
0.67 (%)
0.50 (%)
EN RELANTÍ
COMPARACIÓN
(DISMINUCION)
93
0,49
0,17
TABLA 9. Tabla comparativa de las mediciones de los gases de escape
Primera y segunda oportunidad a 2500 RPM.
TABLA COMPARATIVA DE
EMISIONES DE GASES
PRIMERA Y SEGUNDA
OPORTUNIDAD
Hidrocarburos (HC)
Oxígeno (O2)
Monóxido de Carbono (CO)
A 2500 rpm
A 2500 rpm
Primera
Oportunidad
Segunda
Oportunidad
(SIN
DISPOSITIVO)
147 (ppm)
1.22 (%)
(CON
DISPOSITIVO)
108 (ppm)
0.61 (%)
1.07 (%)
0.57 (%)
A 2500 RPM
COMPARACIÓN
(DISMINUCION)
39
0,61
0,5
96
-
El dispositivo debe tener 5 vueltas en espiral, ya que a la temperatura
que trabaja el dispositivo, en el espiral número cinco es de 48.66°C,
siendo esta la temperatura ideal de trabajo de la gasolina debido a que
esta puede llegar a un proceso de inflamación desde los 50°C hasta los
200°C, siendo este un dato no definido.
-
Consumo de combustible con el dispositivo fue 425 kilómetros por 12
litros de combustible y sin el dispositivo el consumo de combustible fue
399 kilómetros, aumentando su eficiencia en un 6% en consumo de
combustible.
-
El dispositivo puede ser utilizado de forma permanente en el vehículo sin
que esto afecte su rendimiento y siendo la solución para la reducción de
gases contaminantes que emite el vehículo.
97
5.2 RECOMENDACIONES
- Se recomienda hacer un estudio y cálculo previo para cada marca y
modelo de vehículo antes de instalar el dispositivo, ya que la temperatura
en el sistema de escape y presión de combustible varía de un modelo a
otro.
-
Después de instalar el dispositivo se recomienda, revisar y reajustar las
conexiones de combustible, ya que una fuga provoca pérdida de presión,
por ende mal funcionamiento y también con una fuga puede existir
inflamación de combustible la cual puede ser peligroso.
-
Después de construir el dispositivo y antes de instalar sobre el sistema
de escape, se recomienda limpiar con abundante agua a presión el
interior del dispositivo, eliminando de esta manera cualquier limalla o
impureza que se hubiera depositado en el dispositivo al momento de la
construcción, de esta manera evitamos que cualquier impureza llegue al
riel de inyección y hasta el inyector.
-
Utilizar acoples de la misma medida al diámetro de la línea de
combustible, evitando de esta manera la sobrepresión al utilizar acoples
más pequeños o la pérdida de presión al utilizar acoples más grandes a
su diámetro.
98
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