concepcion para el diseño de un motor de aire comprimido para

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS
E.A.P. INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS
Ciudad universitaria: Av. Venezuela cuadra 34/ Av. Universitaria - Lima 1
Central Telefonica_ 619 7000, Fax 3819, E – mail: [email protected]
“CONCEPCION PARA EL DISEÑO DE UN MOTOR DE AIRE
COMPRIMIDO PARA VEHICULOS MENORES”
AUTORES
ANCAJIMA JIMENEZ, FELIPE CARLOS
CUBAS CUBAS, JHOAN
PINEDO TAQUIA, JAIRO
MARCOS ROSAS, LUIS MIGUEL
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
ASESOR
Ph. D ING. MIGUEL ANGEL ORMEÑO VALERIANO,
[email protected]
RESUMEN
Actualmente nuestro mundo esta viviendo un continuo cambio tecnológico, debido a los
avances científicos que se vienen dando en los últimos tiempos, que va acompañado de una
política de conservación del medio ambiente. El presente estudio esta enfocado en el sector
automotriz, pues los vehículos son una fuente principal de contaminación del medio ambiente,
debido a que la mayoría de estos funcionan con motores de combustión interna, los cuales
emiten gases tóxicos causantes del efecto invernadero, por esto surge la necesidad utilizar
fuentes de energías no contaminantes. El desarrollo del presente proyecto tiene como objetivo
la concepción del futuro diseño de un motor para vehículos menores que funcione con aire
comprimido. El motor constará de un cilindro, un pistón, una biela y demás componentes que
puede esperarse de una mecánica convencional, con la novedad que a la cámara del cilindro
ingresará aire comprimido, cabe resaltar que el aire es un recurso renovable. La fuerza de
expansión del aire comprimido moverá el pistón dentro del cilindro y con ello se conseguirá la
energía mecánica de rotación para el desplazamiento del vehículo.
ABSTRACT
Today our world is experiencing a continuous technological change, due to scientific
advances that have been evolving in recent times, which is accompanied by a policy of
environmental conservation. This study is focused on the automotive sector, since vehicles are
a major source of environmental pollution, because a lot of these operate with internal
combustion engines, which emit toxic gases causing the greenhouse effect, for it arises the
need to use non-polluting energy sources. The development of this project aims at designing
the future design of a motor vehicle under that works with compressed air. The engine
consists of a cylinder, a piston, a crank and other components that may be expected from a
conventional mechanical, with the news that the camera will enter the cylinder compressed
air; it is worth noting that the air is a renewable resource. The force of expansion of the
compressed air moves the piston within the cylinder and thereby gets the mechanical energy
of rotation for the movement of the vehicle.
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, en todas partes del mundo
se están viviendo los efectos del impacto
ambiental causados por el avance
tecnológico que originan diferentes fuentes
contaminantes que afectan la salud, el
rendimiento laboral y académico de las
personas.
Estas fuentes contaminantes causan uno de
los problemas mas graves que tiene el
mundo en estos momentos, que es el
calentamiento del planeta, provocado
principalmente por la emanación de CO2
de los vehículos convencionales que
funcionan con motores de combustión
interna. Lo que se plantea en el presente
proyecto es la concepción de los
parámetros necesarios para la autonomía
de vehículos menores que utilicen como
combustible
el
aire
previamente
comprimido en un deposito .El estudio se
realiza adaptando un sistema cilindropistón al conjunto en la rueda de un
velocípedo para el impulso. Al llegar a
una cierta distancia la carrera del pistón, es
decir el punto muerto superior, un resorte
ejercerá la fuerza necesaria para trasladarla
al punto muerto inferior y así se repetirá el
ciclo nuevamente.
Los resultados de este proyecto se
mostraran a través de gráficos, que se
expondrán, donde mostraran la presión
necesaria que necesitara tener el aire para
poder mover el pistón.
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
El estudio se realiza en las siguientes
etapas:
Etapa 1 Determinar las condiciones para
el funcionamiento autónomo del vehículo.
Estableciendo si la concepción del diseño
se realizara en estado estacionario o no
estacionario.
Etapa 2 Definir las medidas del sistema,
especificando la carrera, diámetro del
pistón, diámetro de catalina, etc.
Etapa 3 Cálculo teórico de la presión
necesaria para la autonomía del vehículo.
La cual se hallará haciendo un análisis de
las fuerzas que actúan sobre el sistema.
Etapa 4 Elaboración de los diagramas
indicadores del motor: diagrama de
desplazamiento de pistón y diagrama de
presión.
FORMULACION DE OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Hallar los parámetros necesarios para la
concepción del motor.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Obtener la presión necesaria para
autonomía del vehiculo.
Obtener el
detallado.
esquema
del
sistema
Realizar los diagrama de indicadores.
FORMULACION DE HIPÒTESIS
HIPOTESIS GENERAL
Teniendo en un deposito cerrado, aire
comprimido a una alta presión, este al
liberarse dentro de un cilindro y entrar en
contacto con el pistón, ejercerá la fuerza
necesaria para el movimiento autónomo
del vehículo.
FUNDAMENTO TEORICO
2.1 Definiciones previas
Para una mejor comprensión del presente
proyecto se procederá a explicar algunos
términos necesarios utilizados en el
desarrollo del presente:
a) Cilindro: Es el recinto por donde se
desplaza un pistón. Su nombre proviene de
su forma, aproximadamente un cilindro
geométrico.
b) Pistón: Se un émbolo que se ajusta al
interior de las paredes del cilindro
mediante
aros
flexibles
llamados
segmentos o anillos efectuando un
movimiento alternativo, obligando al
fluido que ocupa el cilindro a modificar su
presión y volumen o transformando en
movimiento el cambio de presión y
volumen del fluido.
Segunda ley de newton
c) Momento de inercia: Es una magnitud
escalar que refleja la distribución de masas
de un cuerpo o un sistema de partículas en
rotación, respecto al eje de giro.
Wext = ∫ Fres dx
d) Constante de elasticidad: Constante
que nos muestra la fuerza necesaria para
que desplazar, un metro.
∑F
sistema
= m.a
(3)
Ecuación del trabajo
(4)
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL
PROYECTO
VENTAJAS:
e) Punto muerto superior: El punto
muerto superior se refiere a la posición que
alcanza el pistón al final de una carrera
ascendente, en el cual no existe fuerza que
actúe sobre él y sólo se encuentra
moviéndose gracias a su inercia, en este
instante ha finalizado su carrera ascendente
y comienza su carrera descendente.
1. En el diseño del motor que se
plantea no existirá combustión, por
lo tanto la contaminación será nula.
f) Punto muerto inferior: Es el punto más
bajo que alcanza el pistón en su
movimiento alternativo dentro del cilindro.
Antes de llegar a ese punto, el pistón
reduce su velocidad, se para, e inicia un
nuevo recorrido en sentido contrario en
constante aceleración hasta que alcanza su
velocidad lineal máxima.
3. Los cálculos realizados en el
presente proyecto, para lograr la
autonomía del vehículo, pueden
servir como base para otros
proyectos que deseen trabajar en el
mismo tema.
2.2 Ecuaciones fundamentales a utilizar
Momento de inercia
I=
1
m.r 2
2
(1)
Conservación de energía
Einicial − E final = ∆Wexterno
(2)
recurso
utilizado
como
2. El
combustible, aire, es ilimitado por
lo tanto el costo de operación del
vehículo será nulo.
DESVENTAJA:
1. Los cálculos realizados logran la
autonomía del vehículo solamente
en estado estacionario, en la
practica tiene que vencer otras
fuerzas como fricción con el piso,
resistencia de aire, etc.
2. La velocidad a la cual se moverá el
vehículo es baja en comparación a
los vehículos de combustión interna
tradicionales.
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE
LA PRESION DE ADMISION
1. El criterio tomado para el
desarrollo del presente proyecto, es que
el sistema funciones como un motor para
el vehiculo en estado estacionario.
2. Los datos que conocemos para
obtener la autonomía del vehículo
son:
Datos de la rueda
rcat = Radio de la catalina
mcat = masa de la catalina
w = velocidad angular
Datos del pistón
Este trabajo nos permitirá mover a la
rueda.
Donde la energía cinética es dependiente
del momento de inercia.
4. Ahora asumiremos la catalina del
velocípedo como un disco de masa y
radio m y r respectivamente, la energía
necesaria para hacerla girar esta dada por
la siguiente expresión:
1
I .w 2
2
1
2
Donde: I = mcat .rcat
2
Ecin =
l = carrera del pistón
m piston = masa del piston
D piston = Diametro de pìston
Entonces la expresión se convierte en:
3. Haciendo el análisis en la catalina,
como muestra la siguiente figura:
Nos muestra que la energía necesaria
para mover la rueda es igual al trabajo
efectuado sobre esta:
Ecin = Wext
Donde el trabajo externo realizado sobre la
rueda, es igual a la siguiente expresión:
11
1
2 
2
2
2
E cin =  mcat .rcat
.w = mcat .rcat .w
22
4

El trabajo necesario para poder vencer esta
energía esta dado por las fuerzas presentes
en el sistema rueda-pistón, de las cuales se
hallará la fuerza resultante, donde solo se
analizará el D.C.L del lado izquierdo (en
la catalina):
Ecin = Fres × l
Grafica 2
∑F
x
=0
Fres − F piston + Froz + Fresorte = 0
Grafica 1
Donde:
Fres = F piston − Froz − Fresorte
Fres = Ppiston × A piston − m piston .g .µ est − k resorte .x
Ecin : Energia cinetica para poner en movimiento Ahora teniendo el concepto de que:
la rueda
W : Trabajo a realizar sobre la catalina
Wext = ∫ Fres dx
Proseguiremos
necesario:
a
hallar
el
trabajo
l
Wext = ∫ (Ppiston × Apiston − m piston .g.µ est − k resorte .x )dx
0
Wext = Padm . A piston l . − m piston .g .µ est .l − k resorte .
l2
2
5. Reemplazando estos valor en la
ecuación de la energía cinética
mencionada
anteriormente
podemos hallar la presión de
admisión mínima para que el
vehiculo tenga autonomía y por
ende movimiento.
l2 1
2
Padm.Apistonl. − mpiston.g.µest.l − kresorte. = mrueda.rrueda
.w2
2 4
Obtenemos la presión de admisión:
1
l2
2
mcat .rcat
.w2 + kresorte. + mpiston.g.µest .l
2
Padm = 4
π 2
Dpistonl
4
es la presión mínima
Donde Padm
necesaria para poder mover el sistema
rueda-pistón.
Considerando la presión final igual a la
presión atmosférica:
∑F
x
=0
Patm . A piston = k resorte .l
k resorte =
Patm . Apiston
l
7. Hallaremos la presión en el punto
1, por medio de la siguiente
ecuación:
P1 .V1n = P2 .V2n
Siendo P2 = Patm , entonces:
P1 (Apiston .l1 ) = Patm .(Apiston .(l1 + l ))
n
n
 l +l 
P1 = Patm . . 1 
 l1 
n
6. Pero eso no es la fuerza con la que
trabajaremos, esta es una presión de
referencia a la cual la presión de
que ingresa al pistón deberá ser
mayor.
Ahora analizamos las fuerzas en el punto
muerto inferior:
Grafica 4
DIAGRAMA DE INDICADORES
Los diagramas indicadores tendrán la
siguiente tendencia:
Grafica 3
PRESION VS ANGULO DE GIRO DE
CATALINA
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
DEL MOTOR DE AIRE
COMPRIMIDO
La grafica se muestra a continuación:
Lo que se trata de presentar en el siguiente
esquema es el funcionamiento básico de un
motor a aire comprimido.
Grafica 4
Recordar que la presión P2 es igual a la
atmosférica.
DESPLAZAMIENTO DEL PISTON VS
ANGULO
El sistema cuenta con un pistón
inicialmente en el punto inferior, el cual
recibe aire a muy alta presión de un
depósito mediante una válvula de
admisión. El pistón empieza a expandirse a
lo largo de todo el cilindro hasta llegar al
punto superior. A medida que el aire se
expande, va perdiendo presión hasta llegar
al equivalente de una atmósfera, en este
recorrido el aire comprimido ejerce una
fuerza, el cual es aprovechado para tirar o
jalar de la cadena que va en contacto a una
catalina y unido a un resorte en su parte
final, este resorte queda estirado y
haciendo fuerza para cuando se libera el
aire por la otra válvula (válvula de escape).
El pistón vuelve a su punto de origen este
proceso se repite varias veces completando
su ciclo.
Grafica 6
Grafica 5
ESQUEMA CAD
A continuación se muestra un esquema
CAD en 3 dimensiones de cómo será el
esquema general del diseño sistema.
ESQUEMA GENERAL
Grafica 10
Grafica 7
VISTA ISOMETRICA DEL ESQUEMA
GENERAL
Grafica 11
DETALLES DEL ESQUEMA GENERAL
Grafica 8
VISTA DE PLANTA
Grafica 9
Grafica 12
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
CALCULOS PREVIOS DEL DISEÑO
Antes de entrar al diseño del motor
propuesto en el presente proyecto, se
realizara algunos cálculos como los
mostrados a continuación:
DATOS
Grafica 13
Radio de la catalina = 0.03 m
Vel. angular ( w) = 250 rad / s
Diametro pistón = 0.1 m
Masa de la rueda = 5 kg
Masa del piston = 0.2 kg
µ cin = 0.5
Long . del volumen muerto = 0.05 m
SOLUCION
Grafica 14
Teniendo el radio de la catalina, podremos
hallar la carrera del pistón de la siguiente
manera:
l = 2πrcat = 19 cm
La energía cinética necesaria para mover la
rueda es:
1
2
E cin = mrueda .rcat
.w 2
4
1
E cin = (5).(0.03) 2 .(250) 2
4
E cin = 70.3125 J
Grafica 15
La constante del resorte es:
Patm . Apiston
k resorte =
l
π

1.01325 × 10 5  × 0.12 
4

k resorte =
0.19
N
k resorte = 4220
m
(
)
CONCLUSIONES
La presión en el P.M.S. será:
 l +l 
P1 = Patm . . 1 
 l1 
n
 0.05 + 0.19 
P1 = 1.01325 × 10 5 

 0.05 
P1 = 0.9 MPa
1.4
La presión de admisión mínima para
iniciar el movimiento del vehículo es:
1
l2
2
.w2 + kresorte. + m piston.g.µest .l
mrueda.rcat
2
Padm = 4
π 2
Dpistonl
4
2
1
(5)(0.03)2 .(250)2 + (4220). 0.19 + (0.2)(9.81)(0.5)(0.19)
Padm = 4
2
π
4
Padm = 0.1 MPa
1. Se
hallaron
los
parámetros
necesarios para la concepción del
diseño en estado estacionario.
2. Para perder la inercia en el sistema
en una primera aproximación, se
requiere de una presión mínima de
admisión de 0.1 MPa.
3. La constante del resorte en una
primera aproximación es de 4220
N/m.
4. Se construyo la grafica Presión vs.
Angulo de rotación de la catalina y
también de Presión vs. Volumen
del pistón.
2
(0.1) (0.19)
5. Se despreciaron algunos efectos de
rozamientos, puesto que estos son
relativamente pequeños frente a las
fuerzas tomadas en consideración.
RECOMENDACIONES
1. Realizar los cálculos para que el
velocípedo funcione en estado no
estacionario.
2. Para la etapa del diseño, ubicar las
válvulas (admisión y escape), para
una mejor eficiencia del motor.
3. Dimensionar las partes del sistema
rueda-pistón.
BIBLIOGRAFIA
El material bibliográfico que se utilizo
hasta el momento fueron:
1.
Libro: FISICA UNIVERSITARIA
VOL1
Autor: SEARS – YOUNG –
ZEMANSKY
Edición: UNDECIMA
2.
Libro: MECANICA VECTORIAL
PARA INGENIEROS
Autor: RUSSELL JOHNSTON JR.
Edición: SEPTIMA
3.
Libro: MECANICA DE FLUIDOS
Y TERMODINAMICA DE
TURBOMAQUINAS
Autor: S.L. DIXON
Edición: QUINTA
4.
Libro:
MOTOR
AUTOMOVILES
Autor:
JOVAJ
DE