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METODOLOGÍA PARA LA SELECCIÓN DE UN MOTOR PARA UN
VEHÍCULO TODO-TERRENO Y EVALUACIÓN DE LA VIABILIDAD DE
INSTALACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS DE MOTORES DE
COMBUSTIÓN INTERNA DE LA UNIVERSIDAD
DANIEL FRANCISCO GONZÁLEZ RAMÍREZ
Asesor
LUIS ERNESTO MUÑOZ CAMARGO
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
FACULTAD DE INGENIERÍA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
BOGOTÁ D.C.
2011
2
METODOLOGÍA PARA LA SELECCIÓN DE UN MOTOR PARA UN
VEHÍCULO TODO-TERRENO Y EVALUACIÓN DE LA VIABILIDAD DE
INSTALACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS DE MOTORES DE
COMBUSTIÓN INTERNA DE LA UNIVERSIDAD
DOCUMENTO PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO PARCIAL DE LOS
REQUISITOS PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO
DANIEL FRANCISCO GONZÁLEZ RAMÍREZ
Asesor
LUIS ERNESTO MUÑOZ CAMARGO
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
FACULTAD DE INGENIERÍA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
BOGOTÁ D.C.
2011
3
A mis padres,
por su incondicional apoyo.
Esto es de, para y por ustedes.
A mi familia que siempre estuvo pendiente.
A todas las personas que me acompañaron de una manera u otra durante la carrera
y que me enriquecieron con su consejo y apoyo.
4
AGRADECIMIENTOS
A Luis Ernesto Muñoz, por su confianza en mí y por la orientación y el apoyo brindados.
5
Tabla de contenido
I. Lista de Figuras ........................................................................................................ 7
II. Lista de Tablas .......................................................................................................... 8
1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 9
1.1 Objetivo General ........................................................................................................ 10
1.2 Objetivos Específicos ................................................................................................ 10
1.3 Alcance ....................................................................................................................... 11
2. ESTADO DEL ARTE ................................................................................................ 12
2.1 Modelo Base............................................................................................................... 12
2.2 Investigación en el Mercado ..................................................................................... 13
3. METODOLOGÍA PARA LA SELECCIÓN DEL MOTOR .......................................... 15
3.1 Selección de la Tecnología del Motor ...................................................................... 15
3.1.1 Motores de Celdas de Combustible de Hidrógeno ......................................... 16
3.1.2 Motores eléctricos .............................................................................................. 17
3.1.3 Motores a Combustión Interna .......................................................................... 18
3.1.4 Comparativo de Tecnologías ............................................................................ 20
3.2 Desempeño Vehicular: El Rol del Motor .................................................................. 25
3.3 Variables de Diseño ................................................................................................... 26
4. METODOLOGÍA PARA LA SELECCIÓN DEL MOTOR .......................................... 28
4.1 Simulación MATLAB .................................................................................................. 28
4.2 Método de Ponderación ............................................................................................ 32
4.3 Conclusiones de la Selección ................................................................................... 34
5. EVALUACIÓN DE LA VIABILIDAD DEL BANCO DE PRUEBAS ........................... 37
5.1 Definición de un Banco de Pruebas ......................................................................... 37
5.1.1 Elementos de un Banco de Pruebas ................................................................ 37
5.1.2 Mediciones SAE ................................................................................................. 40
5.2 Evaluación de Elementos .......................................................................................... 40
5.2.1 Freno Hidráulico y Torre de Enfriamiento ........................................................ 41
5.2.2 Flujos de Aire y Combustible............................................................................. 42
6. CONCLUSIONES ..................................................................................................... 44
7. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 46
6
ANEXOS ......................................................................................................................... 48
Anexo A. Resultados de la Velocidad Estimada de la Simulación de MatLab........... 48
Anexo B. Fichas Técnicas de los motores ................................................................... 51
Anexo C. Ficha Técnica Freno Hidráulico .................................................................... 61
7
I. Lista de Figuras
Figura 1 - Celda de combustible a hidrógeno ......................................................................... 16
Figura 2 - Esquema de un motor eléctrico de inducción ....................................................... 17
Figura 3 - Las cuatro etapas de la combustión ...................................................................... 19
Figura 4 - Densidad energética de las baterías actuales y en desarrollo (Nexergy) .......... 21
Figura 5 - Tanques de almacenamiento de GNV ................................................................... 23
Figura 6 - Curvas características de potencia, torque y consumo específico en función de
la velocidad del motor para motores de gasolina y diesel (Gillespie, 1992) ........................ 23
Figura 7 - Diagrama de fuerzas de un carro en movimiento (Gillespie, 1992) .................... 25
Figura 8 - Velocidad del vehículo al ser implementado el motor Cummins QSB190 ......... 31
Figura 9 - Velocidad del vehículo al ser implementado el motor Detroit Diesel MBE-900A32
Figura 10 - Resultados totales de la ponderación .................................................................. 34
Figura 11 - Resultados de la ponderación para la variable de diseño POTENCIA ............. 35
Figura 12 - Resultados de la ponderación para la variable de diseño TORQUE ................ 36
Figura 13 - Resultados de la ponderación para la variable de diseño MASA ..................... 36
Figura 14 - Diagrama de una torre de enfriamiento de tiro mecánico forzado .................... 39
Figura 15 - Diagrama de flujos de un motor ........................................................................... 42
Figura 16 - Velocidad estimada del vehículo con el motor Detroit Diesel MBE-900B ........ 48
Figura 17 - Resultados simulación: Velocidad máxima estimada ........................................ 49
Figura 18 - Resultados simulación: Aceleración promedio estimada ................................... 49
8
II. Lista de Tablas
Tabla 1 - Especificaciones Hummer H1 y AM General M1152 HMMWV ............................ 13
Tabla 2 - Motorizaciones destacadas de la base de datos ................................................... 14
Tabla 3 - Motorizaciones encontradas en el mercado nacional e internacional .................. 15
Tabla 4 - Densidades volumétricas y energéticas de diferentes combustibles (Ortiz Mateo)
.................................................................................................................................................... 20
Tabla 5 - Tabla recapitulativa de tecnologías ......................................................................... 24
Tabla 6 - Fuerza ejerciendo sobre un vehículo en movimiento (Gillespie, 1992) ............... 25
Tabla 7 - Tabla recapitulativa de las variables de diseño...................................................... 28
Tabla 8 - Variables de la ecuación de desempeño vehicular ................................................ 29
Tabla 9 - Variables de diseño y su peso para esta aplicación .............................................. 34
Tabla 10 - Mediciones SAE J1349 .......................................................................................... 40
9
1. INTRODUCCIÓN
En el departamento de Ingeniería Mecánica se está trabajando en este momento en un
proyecto que tiene como objetivo diseñar un vehículo todo-terreno desde ceros. El
vehículo debe ser diseñado para ciertos requerimientos específicos. El primero de ellos es
que debe tener la capacidad de adaptarse a cualquier topología colombiana como
caminos montañosos con pendientes fuertes, atravesar ríos, pasar por desiertos son
algunos ejemplos de obstáculos. Así mismo, el vehículo debe tener las dimensiones
adecuadas para ser transportado por cualquier camino o vía colombiana. Los vehículos
que se han importado para estos dos requisitos cumplen por lo general solamente con
uno de los dos como por ejemplo el Humvee que es una buena alternativa para
sobrepasar obstáculos pero es una camioneta que tiene de ancho 2310mm (AM General)
lo cual comparado a una SUV como la Toyota Fortuner que tiene 1840mm de ancho
(Toyota), casi medio metro menos.
Dentro del proceso de desarrollo del modelo mencionado se encuentra este proyecto de
grado en el cual se va a trabajar en el área de la motorización del vehículo. En efecto, el
diseño de un modelo entero del vehículo se demora entre 2 a 5 años en las compañías
más grandes de automotores internacionales; además el desarrollo del modelo debe ser
dividido en los diferentes sub-componentes del automotor, nunca el mismo grupo de
diseñadores es responsable de todos y cada uno de los componentes del vehículo. Es por
eso que es necesario limitar el proyecto a resolver una de las tantas líneas de trabajo para
el diseño de un vehículo; en este caso particular entonces se va a trabajar, como ya se
mencionó, en la motorización de la camioneta.
En este proyecto de grado no se pretende tampoco esbozar pieza por pieza el diseño de
un motor nuevo. Lo que se busca realmente es cómo, a partir de características que
requiere el cliente en el producto final, se selecciona el motor más adecuado dentro de la
oferta existente en el mercado nacional e internacional. Para esta selección se quieren
realizar simulaciones que proporcionen información sobre las propiedades requeridas del
motor para cumplir con las características requeridas durante el uso del vehículo. Así
mismo se deben evaluar esas propiedades en las condiciones ambientales y viales de
Colombia. Para esta parte del trabajo se desearía realizar una caracterización del motor
en un banco de prueba de potencia para estimar cómo varían las propiedades como
potencia y torque entregados y consumo específico en condiciones ambientales locales.
10
Sin embargo, la Universidad de Los Andes no posee en sus instalaciones un banco de
prueba para caracterizar motores. Se tiene solamente un freno hidráulico que no ha sido
instalado en ningún tipo de montaje que permita realizar la prueba. Adicionalmente, un
banco de pruebas de potencia se compone de diferentes sistemas que deben cumplir con
estándares internacionales tales como los de la Society of Automobile Engineers (SAE) o
como los de la International Organization of Standardization (ISO). Por lo tanto, en la
segunda parte de este proyecto, se va a realizar la evaluación general de la viabilidad del
montaje del freno hidráulico que posee la Universidad de Los Andes en un banco de
pruebas estandarizado.
En resumen, este proyecto de grado busca desarrollar una metodología para la selección
del motor para el vehículo todo-terreno en desarrollo y evaluar la viabilidad del montaje
del freno hidráulico para la caracterización de motores. Se fijan los objetivos enunciados a
continuación encaminado a ello.
1.1 Objetivo General
Desarrollar una metodología para la selección del motor determinando las necesidades de
uso del vehículo todo-terreno y evaluar la viabilidad del montaje del freno hidráulico en un
banco de pruebas de potencia que permita caracterizar motores de una forma
estandarizada.
1.2 Objetivos Específicos
Determinar los parámetros del motor a escoger según lo que se encuentra en el
mercado nacional e internacional y por la generación de una metodología
cuantitativa y objetiva para realizar la selección.
Realizar una estimación del desempeño vehicular teniendo implementado todas
las posibles opciones de motores.
Investigar las normas y/o metodologías para realizar la caracterización de motores
determinando los requerimientos necesarios.
11
Determinar los conceptos básicos en la implementación de un banco de pruebas
con freno hidráulico.
Evaluar las instalaciones de la Universidad que han sido establecidas para el
montaje del freno hidráulico en un banco de potencia.
1.3 Alcance
La metodología desarrollada en este proyecto de grado busca seleccionar de la mejor
manera un motor en particular para una aplicación específica de vehículos todo-terreno.
Se hace en una segunda parte la evaluación de las capacidades de la Universidad para
montar un banco de prueba de potencia del cual se tengan caracterizaciones
estandarizadas de motores. Cabe resaltar que es una evaluación de los conceptos
generales de un banco de pruebas enfocado en determinar la viabilidad de dicho banco y
no el diseño de detalle del mismo.
12
2. ESTADO DEL ARTE
En este capítulo, se va a mostrar qué es lo que existe en este momento en el mercado
nacional e internacional que pueda servir para la selección del motor. Para eso se
construyó una base de datos de los vehículos que se consiguen en la actualidad en el
mercado internacional. Se requiere hacer especial énfasis en la motorización de cada uno
de estos vehículos para poder deducir si se observa alguna tendencia en cuanto al tipo y
tamaño de motores usados.
Por otro lado, dada la diversidad de vehículos ofrecidos en el mercado así como su gran
variedad de aplicaciones, es primordial tener un modelo o vehículo base con
características similares a las requeridas por el cliente. Esto es importante porque ayuda a
acotar la búsqueda en el mercado.
2.1 Modelo Base
Actualmente existen distintas maneras para atacar un problema de diseño. La primera
etapa es realizar un análisis exhaustivo del problema en donde se desarrolla una
definición detallada de la problemática en función de especificaciones, restricciones y
demás criterios relevantes que suelen ser ingenieriles y económicos. El siguiente paso es
la fase de investigación en donde se deducen posibles soluciones al problema de diseño.
Existen diferentes formas de llegar a una solución. La primera y más sencilla de todas, por
así decirlo, es la compra de tecnología ya existente y comercializarla con diferente
nombre. O por el contrario, también se puede innovar o inventar un producto totalmente
nuevo. Por último, se puede realizar una transferencia de tecnología. En este caso, lo que
se desea es seleccionar la mejor tecnología para cada sub-sistema del producto final.
Para el caso particular de este proyecto, el cliente ha entregado ciertas necesidades que
requiere solucionar y el diseño a desarrollar se va a realizar por transferencia de
tecnologías ya que no existe en el país fabricante para todas las partes de un automotor
como es el caso de los motores. Los requerimientos que debe tener la camioneta a
diseñar son una buena capacidad de carga, ser capaz de sobrepasar obstáculos
naturales como por ejemplo desiertos, y adaptarse a la malla vial nacional. Sin embargo,
como se puede observar, estas especificaciones no son técnicas ni detalladas, por lo cual
se necesitaría una participación un poco más activa del cliente. Sin embargo, como no se
ha podido definir apropiadamente el problema, el cliente ha detectado una solución que va
13
a ser la base de este proyecto. El vehículo de referencia es la Hummer H1 y su homólogo
militar que es el Humvee. Las especificaciones de estos modelos se muestran a
continuación:
1
Tabla 1 - Especificaciones Hummer H1 y AM General M1152 HMMWV
2.2 Investigación en el Mercado
Es esencial realizar esta investigación en el mercado para tener un punto de partida, a
parte del vehículo de referencia, de las características a buscar para la selección de la
motorización del vehículo a diseñar. En efecto, se deben tener vistas todas las diferentes
opciones que existen en el mercado. Esta investigación debe tener conclusiones
cualitativas y cuantitativas del tipo de motor a usar así como de la potencia, el torque
entregado y del consumo de combustible entre otras propiedades particulares al motor. La
1 http://www.motortrend.com/cars/2006/hummer/h1/alpha_utility/295/specifications/exterior.html
Vehículo Hummer H1 AM General M1152 HMMWV
Tipo 6.6L Turbocharged Diesel GEP 6.5L Turbocharged Diesel
Cilindros 5 en línea 8 en V
Potencia 300 hp @ 3000rpm 190 hp @ 3400rpm
Torque 705 Nm @ 1600rpm 515 Nm @ 1700rpm
Transmisión N/A GTP 4 vel Aut
Peso Vacío (GCW) (kg) 2130 2962
Capacidad de Carga (kg) 592 3162
GVW (kg) 2722 6124
Largo (mm) 4686 4930
Ancho (mm) 2197 2310
Alto (mm) 1956 1910
Wheelbase (mm) 3302 3300
Distancia al piso (mm) 406 442
Ángulo de Ataque 39° 48°
Ángulo de Salida 36.3° 38.2°
Breakover Angle 23.5° 25°
Grade Capability (GCW) 60% 40%
Side Slope Capability (GCW) 40% 30%
Coeficiente Aerodinámico 0.57 N/A
Velocidad Máxima N/A 113 km/h
MOTOR
DIMENSIONES
OTROS
14
investigación se realizó a nivel mundial con modelos manufacturados en todas partes del
mundo. La información recolectada se encuentra en el anexo A.
Cabe resaltar que la base de datos mostrada en el anexo A recopila información sobre
vehículos que tienen más de 2 ejes, vehículos que pesan más de 6 toneladas, vehículos
en general que no se aproximan a las especificaciones de la Hummer H1, considerado
como el vehículo con las propiedades buscadas. Por lo tanto, se debe tener en cuenta
solamente la información que tenga valores cercanos a los datos técnicos de la Hummer
H1 en términos de dimensiones, peso y propiedades del motor.
Tabla 2 - Motorizaciones destacadas de la base de datos
Se puede observar que los vehículos que cumplieron con los requisitos mencionados
anteriormente tienen una motorización que se encuentra en un rango de potencia entre
170 hp y 250 hp. Además, todos los motores menos uno son turbocargados diesel lo cual
indica una tendencia en el uso de este tipo de motores.
Paralelamente a esta investigación, se realizó también una búsqueda en el mercado local
de motores turbocargados diesel. En particular se miraron las opciones que ofrecen las
tres ensambladoras colombianas. Así mismo, se realizó una investigación de los
diferentes motores fabricados por proveedores internacionales que tengan características
similares a las mencionadas para de esta forma cuadrar una lista de las posibles
motorizaciones candidatas a ser seleccionadas para el modelo a diseñar. Los resultados
obtenidos se muestran a continuación.
Vehículo Motor Tipo Cilindros Potencia Torque
AM GENERAL OPTIMIZER 6500 NA-DIESEL V8 6.5L DIESEL 8 EN V 170 hp @ 3200 rpm 393 Nm @ 1800 rpm
AM GENERAL OPTIMIZER 6500 TURBOCHARGED V8 6.5L T.DIESEL 8 EN V 205 hp @ 3200 rpm 597 Nm @ 1800 rpm
OSHKOSH M-ATV CATERPILLAR C7 (7 Motores) 7.2L T.DIESEL 6 210-300 hp 705 Nm - 1166 Nm
OTT PUMA M26 CUMMINS 6BTA5.9 F1 5.9L T.DIESEL 6 208 hp @ 2100 rpm N/A
MOWAG EAGLE IV CUMMINS ISB Series (4 Motores) 6.7L T.DIESEL 6 200 - 250 hp 705 Nm - 895 Nm
MOWAG EAGLE IV CUMMINS QSB Series (14 Motores) 5.9L T.DIESEL 6 165 - 240 hp 719 Nm - 990 Nm
GDLS LAV DETROIT DIESEL 6V53T N/A N/A 275 hp N/A
MOWAG EAGLE IV CUMMINS QSB 173 A 5.9L T.DIESEL 6 173 hp @ 2200 RPM N/A
AMZ ZUBR FIAT POWERTRAIN N60 ENT V 5.9L T.DIESEL 6 218 hp @ 2700 rpm 680 Nm @ 1800 rpm
NAVISTAR MXT-MVU MAXXFORCE D6.0V8 6.0L T.DIESEL 8 EN V 210-255 hp @ 2300 rpm 759-895 Nm @ 1400 rpm
NAVISTAR MXT-MVU MAXXFORCE D7.6I6 7.6L T.DIESEL 6 EN V 300 hp @ 3000 rpm 719 Nm @ 1800 rpm
ENGESE JARARACA MERCEDES-BENZ OM 314 N/A N/A N/A N/A
AM GENERAL M1165A1,
M1167, COBRA
Motorizaciones de la Base de Datos Vehículos
15
2
Tabla 3 - Motorizaciones encontradas en el mercado nacional e internacional
3. METODOLOGÍA PARA LA SELECCIÓN DEL MOTOR
El motor es una pieza esencial dentro del conjunto de un vehículo en general. Es el
componente que le produce la propulsión necesaria al vehículo transformando una
energía de entrada, que puede ser química o eléctrica entre varias otras, a una energía
mecánica. La energía mecánica de salida se puede llegar a cuantificar con diferentes
tipos de pruebas dinamométricas de las cuales se puede concluir el desempeño dinámico
del vehículo. En este capítulo se va a realizar un estudio sobre las diferentes tecnologías
de motores que existen actualmente en el mundo y analizar cuál es la más conveniente
para el vehículo todo-terreno. A partir de este punto se estudiará el comportamiento
dinámico de un vehículo y cuál es el rol del motor dentro de este tema específico.
Finalmente se determinarán unas variables de diseño que serán posteriormente
analizadas y comparadas en la metodología de selección del motor.
3.1 Selección de la Tecnología del Motor
En el mundo existen actualmente distintas tecnologías para transformar esa energía de
entrada a una energía mecánica que permite el movimiento del vehículo. Se debe realizar
entonces una evaluación comparativa de cada una de las tecnologías y calificar
2 www.deutz.com, www.renault.com.co, www.chevrolet.com.co, www.perkins.com, www.toyota.com.co, www.maxxforce.com, www.detroitdiesel.com
CHEVROLET LUV D-MAX DURAMAX CD DIESEL 3L DIESEL 4 130 hp @ 3800 rpm 280 Nm @ 2000 rpm
ISUZU FSR Camión turbo ISUZU SERIE F 7.1L T.DIESEL 6 202.5 hp @ 2500 rpm 598 Nm @ 1500 rpm
ISUZU FTR Camión Turbo ISUZU SERIE F TURBO 7.1L T.DIESEL 6 227 hp @ 2500 rpm 667 Nm @ 1500 rpm
ISUZU SERIE N ISUZU 4HG1T 4.5L T.DIESEL 4 120 hp @ 2850 rpm 325 Nm @ 1800 rpm
RENAULT KOLEOS RENAULT KOLEOS 2L T.DIESEL 4 150 hp @ 4000 rpm 320 Nm @ 2000 rpm
TOYOTA FORTUNER, HILUX TOYOTA 1KD-FTV 3L T.DIESEL 4 161 hp @ 3400 rpm 343 Nm @ 1400-3200 rpm
N/A DETROIT DIESEL MBE 900 (4 Motores) 7.2L T.DIESEL 6 190 - 250 hp 706 Nm - 895 Nm
N/A DEUTZ BF6M 1013EC 7.1L T.DIESEL 6 174 hp @ 2300 rpm 854 Nm @ 1400 rpm
N/A DEUTZ BF6M 1013FC 7.1L T.DIESEL 6 210 hp @ 2300 rpm 1050 Nm @ 1400 rpm
N/A DEUTZ TCD2013 L4 4V 4.8L T.DIESEL 4 158 hp @ 2300 rpm 800 Nm @ 1200 rpm
N/A DEUTZ TCD2013 L6 6V 7.1L T.DIESEL 6 235 hp @ 2300 rpm 1200 Nm @ 1200 rpm
N/A MAXXFORCE D4.5V6 4.5L T.DIESEL 6 EN V 200 hp @ 2700 rpm 597 Nm @ 1800 rpm
N/A MERCEDES-BENZ OM 906 LA 6.4L DIESEL 6 231 hp @2250 rpm 810 Nm @ 1200-1600 rpm
N/A PERKINS 1106C-70TA 7L T.DIESEL 6 140 - 217 hp @ 2200 rpm 650 - 932 Nm @ 1400 rpm
N/A PERKINS 1106D-E66TA 6.6L T.DIESEL 6 119 - 250 hp @ 2200 rpm 545 - 1050 Nm @ 1400 rpm
N/A PERKINS 1204E-E44TA 4.4L T.DIESEL 4 173.5 hp @2200 rpm 750 Nm @ 1400 rpm
N/A PERKINS 1206E-E70TTA 7L T.DIESEL 6 188 - 250 hp @ 2200 rpm 890 - 1142 Nm @ 1400 rpm
Motorizaciones Diesel de las Tres Ensambladoras en Colombia
Motorizaciones Adicionales
16
cuantitativamente y cualitativamente cada una de ellas para justificar su elección como
motorización de este proyecto.
3.1.1 Motores de Celdas de Combustible de Hidrógeno
Este tipo de motores usa como combustible el hidrógeno. La energía contenida en el
hidrógeno no se convierte directamente en potencia mecánica. El gas es usado para
generar electricidad con ayuda de las celdas de combustible y esa energía eléctrica
creada es la que mueve el vehículo por medio de un motor eléctrico.
Las celdas de combustible son unos dispositivos que convierten energía química a
energía eléctrica (Hydrogen Program). Ellas generan energía eléctrica al combinar el
hidrógeno y el oxígeno con base en unos procesos químicos. Las celdas de combustible
están compuestas por tres componentes básicos, el ánodo (cargado negativamente), el
cátodo (cargado positivamente) y el electrolito o membrana electrolítica.
Figura 1 - Celda de combustible a hidrógeno3
Al pasar el hidrógeno por la placa cargada negativamente, unos electrones se desprenden
del gas y pasan por el electrolito hacia la placa cargada positivamente. Los electrones
atraídos por el cátodo y por el oxígeno generan electricidad al pasar por el electrolito. Esa
energía es la que se usa para alimentar al motor de inducción y propulsar el carro. Los
residuos de este proceso electroquímico son básicamente agua y calor (Nice &
Strickland), por lo tanto no genera ninguna polución al medio ambiente.
3 http://biodiesel.environmentalactiongroup.org/hydrogen.html
17
3.1.2 Motores eléctricos
Hoy en día se puede encontrar en el mercado mundial todo tipo de vehículos eléctricos
que van desde vehículos a tres ruedas en donde caben solamente dos personas, hasta
vehículos deportivos e incluso camionetas pick-up (Morrison, 2008) y vehículos de más de
dos ejes como los desarrollados por General Dynamics4. Los motores eléctricos están
cada vez más presentes en la industria automotriz y en un futuro, con el desarrollo de las
baterías, estos podrían jugar un papel más importante en la propulsión de los vehículos.
Actualmente, casi todas las multinacionales automotrices tienen en desarrollo un prototipo
eléctrico aunque muy pocas lo han empezado a vender (Addison, 2011).
La propulsión eléctrica, como lo dice su nombre, es basada en la producción de potencia
mecánica a partir de energía eléctrica. Existen diferentes tipos de motores eléctricos, los
motores síncronos, los asíncronos, los de una fase o los de triple fase (DC o AC), los de
velocidad constante, velocidad variable y ajustable5. La energía eléctrica está almacenada
en baterías y es transportada hasta el estator del motor. Este elemento, compuesto por
bobinas, crea un campo magnético al recibir corriente alterna. El campo magnético genera
en el rotor una corriente. En el rotor se encuentran igualmente magnetos o imanes que al
recibir esa corriente generada por el estator crean otro campo magnético. Como la
corriente que entra al estator es alterna, el campo magnético creado se mueve en función
de la frecuencia de la corriente de entrada y, por fuerzas electromagnéticas, el campo
creado por el rotor se moverá de la misma manera al estar interactuando con el campo
del estator (Catarina UDLAP).
6
Figura 2 - Esquema de un motor eléctrico de inducción
4 http://www.generaldynamics.uk.com/solutions-and-capabilities/fres-and-armoured-fighting-vehicles
5 http://www.brighthub.com/engineering/electrical/articles/41740.aspx 6 http://www.mimecanicapopular.com/vergral.php?n=180
18
La interacción de los dos campos crea un par en el rotor que es lo que finalmente produce
el movimiento mecánico deseado. La velocidad de rotación de los campos magnéticos
depende de la frecuencia de la corriente de entrada y de la cantidad de polos o de pares
de polos del motor. Existen motores sincrónicos en los cuales la velocidad angular del
campo y la velocidad del rotor son iguales y motores asincrónicos donde la velocidad
angular es diferente.
(1) (Catarina UDLAP)
Donde, f = frecuencia de la corriente de entrada [Hz]
n = cantidad de polos en el motor
Los motores de inducción tienen ciertas características que los hacen una buena
alternativa en la propulsión mecánica de los automotores. A diferencia de los motores a
combustión interna, los eléctricos tienen una eficiencia muy alta, del orden de 95% para
motores de 150 hp o más (Siemens). Adicionalmente, los motores eléctricos no emiten
ningún tipo de polución durante su operación porque no hay un proceso de combustión en
ningún momento limitando su huella ecológica al ciclo de vida de los componentes que lo
constituyen. Este aspecto es una ventaja muy grande del punto de vista ambiental con
respecto a los motores de combustión interna. Por otro lado, la eficiencia de estos
motores es del orden del 90% a 95% debido a su baja pérdida de energía por
calentamiento. Otra ventaja de este motor es lo silencioso que puede llegar a ser y
además trabaja a bajas temperaturas porque no necesita realizar ningún tipo de explosión
para generar potencia mecánica. Además, siendo una fuente de energía eléctrica, la
controlabilidad de estas máquinas es mucho mayor que la de una máquina térmica.
3.1.3 Motores a Combustión Interna
Por último, se pueden encontrar los motores a combustión interna. Estos motores son
utilizados por la gran mayoría del parque automotor mundial y se pueden usar con
diferentes tipos de combustible. Los principales combustibles son la gasolina (de octanaje
desde 85 hasta 93), la gasolina diesel y el gas natural. Existen también otros tipos de
combustible como por ejemplo el hidrógeno, el etanol y el bio-diesel; sin embargo estos
19
combustibles no gozan de la infraestructura necesaria para su utilización en el país. De
hecho, el único que tiene una producción importante es el etanol porque es mezclado con
la gasolina debido a reglamentaciones estatales. El combustible que se consigue en las
estaciones de servicio es denominado E10, que contiene 10% de etanol. En esta
evaluación se va a hacer una síntesis de los diferentes tipos de motores y sus
combustibles en términos de rendimientos energéticos.
El funcionamiento teórico de todos los motores a combustión interna es el mismo
básicamente. Estos dispositivos convierten la energía térmica recuperada por medio de la
combustión controlada del combustible a energía mecánica. La combustión, reflejada en
el ciclo más usado hoy en día en los vehículos el cual es el ciclo de 4 tiempos, se
compone de cuatro etapas básicas: admisión, compresión, expansión y escape.
7
Figura 3 - Las cuatro etapas de la combustión
En la etapa de admisión, como el recorrido del pistón es descendiente y la válvula de
admisión está abierta, se crea una diferencia de presiones que permite el ingreso de
combustible por la válvula para motores con gasolina. En la siguiente etapa, el pistón
tiene movimiento ascendente y comprime le mezcla de combustible con el aire. Por lo
general, cuando la mezcla se encuentra a mayor presión, es decir en el punto muerto
superior, se prende una chispa que inicia la combustión y produce el movimiento
descendiente del pistón. En el caso del motor diesel, el ingreso de combustible se
produce en la etapa de expansión. Finalmente solo queda la etapa de expulsión en la cual
la mezcla sale del sistema cilindro por la válvula de escape.
A pesar de tener un funcionamiento similar, los motores a combustión interna tienen un
rendimiento energético diferente lo cual equivale a decir un desempeño mecánico
7 http://www.tecnocoches.com/motor/funcionamiento-basico-de-un-motor-de-gasolina/
20
diferente, según el tipo de combustible que usan. En efecto, cada uno de los combustibles
tiene una densidad energética y una reacción química diferente. En la siguiente tabla se
pueden apreciar las diferentes características de los combustibles.
Tabla 4 - Densidades volumétricas y energéticas de diferentes combustibles (Ortiz Mateo)
Faltaría agregar la densidad del diesel que es igual a 42840 kJ/kg. Por otro lado, Los
combustibles también tienen otra propiedad que se llama el octanaje. El octanaje es un
valor que mide el retraso de la auto-ignición del combustible teniendo en cuenta la
cantidad de moléculas de octanos que tengan en su composición. Las gasolinas
corrientes tienen un octanaje de entre 85 a 95, el gas natural vehicular de 120 y el del
diesel es también del orden de 120 (Envirogas Colombia).
3.1.4 Comparativo de Tecnologías
Habiendo revisado ya los diferentes tipos de tecnologías que se pueden encontrar
actualmente para la propulsión de vehículos, se procede a realizar una selección según
criterios específicos al vehículo terrestre de reconocimiento militar. Existen también otros
tipos de criterio que no tienen relación con características del vehículo sino con
disponibilidad en el mercado, costos, infraestructura y desarrollo actual de la tecnología.
Teniendo en cuenta estos últimos criterios adicionales, se puede justificar la no elección
de motores de celdas de combustibles debido a varias razones. La primera y esencial es
que este tipo de motores se encuentra a penas en desarrollo e investigación para mejorar
sus características. En efecto, no existe actualmente alguna compañía automotriz que
tenga entre sus productos de venta un vehículo que funciona con este tipo de tecnología.
Por otro lado, se deben conectar una cierta cantidad de celdas a combustible para
producir la energía eléctrica necesaria requerida para alimentar el motor eléctrico. Al
21
necesitar una serie de celdas, el costo del vehículo se incrementa bastante (no se puede
encontrar un valor exacto porque se encuentra en investigación por laboratorios
particulares) pero la fabricación del plasma electrolítico es bastante costosa debido a las
propiedades que debe tener. Otra razón muy importante para descartar este tipo de
tecnología es que no existe infraestructura alguna en el país para el transporte, suministro
y almacenamiento de hidrógeno para este tipo de motores.
Para hablar ahora de los motores eléctricos, se debe comentar la fuente de energía de
estos motores. En efecto, la razón principal para descartar los motores eléctricos es la
fuente que les provee la energía, las baterías. La capacidad de almacenamiento de
energía por parte de las baterías es baja si se compara con otros combustibles como la
gasolina por ejemplo. Para poder comparar la capacidad de almacenar energía, se utiliza
un término denominado la densidad energética, el cual relaciona la cantidad de energía
que almacena un componente por unidad de peso del componente. Las baterías con
mayor capacidad hoy en día son las que trabajan con ion-litio y polímero-litio como se
muestra en la figura 4.
Figura 4 - Densidad energética de las baterías actuales y en desarrollo (Nexergy)
Las baterías de ion-litio y de polímero-litio alcanzan una densidad energética de 250
Wh/kg aproximadamente. Pero se espera que en un futuro con las nuevas tecnologías
esa densidad aumente considerablemente hasta llegar a 700Wh/kg. Sin embargo, existen
prototipos de baterías desarrolladas por PolyPlus Battery Company de hasta 11000
22
Wh/kg, equivalentes a 39600 kJ/kg8. Por lo cual el futuro del desarrollo de estas baterías y
de los motores eléctricos en general es prometedor. Las baterías poseen también otras
propiedades que destacar como la densidad de potencia y la capacidad de carga y de
descarga.
Los vehículos eléctricos actuales poseen baterías de ion-litio, como por ejemplo el Nissan
Leaf (Nissan USA) que ya salió al mercado de América del norte. Sus baterías se
descargan cada 100 millas o 160 km, por lo cual su autonomía es unas tres veces menor
que la de un automóvil con motor a combustión interna. Esta autonomía reduce el campo
de acción del vehículo a recorridos típicos urbanos porque las distancias para viajar de en
carretera de una ciudad a otra son por lo general más grandes. Con esta autonomía, el
viaje de Bogotá a Medellín se debería realizar en 4 recorridos y 3 recargas ya que las
ciudades están separadas de 410 km (Rutas Colombia), sin contar la disminución de
kilómetros por prender el aire y por la topología colombiana al tener que pasar por dos
cordilleras. Recargar este tipo de vehículos es otra desventaja. Una recarga completa de
la batería se demora para el Nissan Leaf 3,5 horas y no se puede realizar en cualquier
parte ya que requiere de adaptadores especiales que se instalan en la casa del cliente en
el momento de comprar el vehículo (Nissan USA). En cambio, la recarga de combustible
para un automotor de combustión interna se demora aproximadamente 5 minutos y se
puede encontrar en cualquier lado una estación de gasolina. Por lo tanto, es difícil
competir con una tasa de 90 km/min en la tanqueada de un automóvil a combustión
interna cuando la tasa del Nissan Leaf es de aproximadamente 0,76 km/min. El problema
entonces de los motores eléctricos es el límite de almacenamiento de energía que ofrecen
las baterías actuales y los tiempo de recarga. Sin embargo, la tecnología de las baterías
está en constante desarrollo por lo que se puede considerar la motorización eléctrica
como una alternativa para un futuro cercano, de aquí a 10 años. Parte de ese desarrollo
se refleja en la instalación de un sistema de frenado regenerativo que alimenta las
baterías y que está siendo usado actualmente por los vehículos de Formula 1.
Por lo tanto, solo quedan los motores a combustión interna con GNV, gasolina corriente y
diesel. Para empezar, los vehículos a los que se les ha instalado GNV en un motor de
gasolina se les reduce la potencia en un 20% (Agudelo Santamaría, Gutiérrez Ibarra,
González Romero, & Corredor, 2002) ya que necesitan una presión mayor que la que
dispone el motor diseñado para gasolina. Además, estos vehículos necesitan la
8 http://www.polyplus.com/technology.html
23
instalación de un tanque de gas para almacenar el combustible lo que puede producir
incomodidades como lo muestra la siguiente ilustración.
9
Figura 5 - Tanques de almacenamiento de GNV
Sin embargo, su costo es un factor muy atractivo en comparación con el diesel o acpm y
la gasolina corriente. El galón de gasolina tiene un costo hoy en día de $8300 COP en
promedio para Bogotá y el de a.c.p.m de $7140 COP. En cambio, el costo del gas natural
es aproximadamente de $1336 COP por cada metro cúbico. A pesar de tener buenas
características económicas, lo más importante para el diseño del vehículo terrestre son
las propiedades mecánicas dado que el vehículo debe ser capaz de responder a
condiciones extremas de uso en la topografía colombiana, además de tener una carga
adicional de peso como blindaje si es necesario.
Para los motores de combustión interna de diesel y gasolina corriente se tiene una
infraestructura desarrollada en el país, ambos permiten tramos largos de autonomía,
ambos tienen costos similares en cuanto al precio del galón y al precio de los motores y el
desempeño de cada uno puede suplir la capacidad requerida en condiciones extremas.
Sin embargo, estos motores tienen un desempeño vehicular un poco diferente.
Figura 6 - Curvas características de potencia, torque y consumo específico en función de la velocidad del motor para motores de gasolina y diesel (Gillespie, 1992)
9 http://www.conversiongnv.com/
24
Como se puede apreciar en la figura anterior que es una manera ilustrativa mas no
comparativa de explicar iertas diferencias entre motores a combustión con combustibles
diferentes, el motor de gasolina tiene una potencia mayor por lo general que el de diesel
pero un torque y un consumo específico menor. Esto se debe a que el diesel empieza la
ignición a presiones más altas que la gasolina normal y por lo tanto la mezcla explota con
una mayor energía de reacción lo cual genera más momento par en el brazo del cigüeñal
del motor. Dado que el vehículo está diseñado para ser tener alta capacidad de carga
como se ha dicho anteriormente, es más útil para esta aplicación que el motor tenga la
capacidad de mover toda la carga y no que tenga una velocidad de punta alta. Por lo
tanto, el motor que más favorece a la aplicación es el de combustión interna con diesel.
Tabla 5 - Tabla recapitulativa de tecnologías
Tipo de Motores Características Selección
Celdas de Combustible
.Combustible: hidrógeno,CO2
.Bueno para el medio ambiente en
cuanto a su funcionalidad pero no en
su manufactura
.Tecnología en desarrollo
.No hay infraestructura
NO:
.Tecnología en
desarrollo
.Costos muy
elevados
.Desempeño vehicular bueno
.Bueno para el medio ambiente
.Presencia de todo tipo de motores
eléctricos de diferentes potencias en
el mercado
.Alta controlabilidad, bajo nivel de
ruido y de vibraciones.
NO:
.Baja autonomía
.Tecnología de
baterías en
desarrollo
.No hay
infraestructura
necesaria
Eléctricos
NO:
.20% menos de
potencia y torque
que gasolina
.Incomodidades
para el
NO:
.Mejor
desempeño en
potencia que en
torque
SÍ:
.Mejor
desempeño en
torque que en
potencia
.Más bajo
.Infraestructura desarrollada
.Bajo costo de combustible
.Desempeño vehicular bueno
.Infraestructura desarrollada
.Desempeño vehicular alto
.Buena presencia en el mercado
(motores y repuestos)
.Infraestructura desarrollada
.Desempeño vehicular alto
.Buena presencia en el mercado
(motores y repuestos)
.Bajo conumo combustible
Gas Natural Vehicular
Gasolina
Diesel
25
3.2 Desempeño Vehicular: El Rol del Motor
En esta parte se va a estudiar el rol del motor en la dinámica del vehículo para saber su
influencia en el movimiento de la camioneta. En la siguiente figura se puede observar las
fuerzas que ejercen sobre el carro cuando se encuentra moviendo.
Figura 7 - Diagrama de fuerzas de un carro en movimiento (Gillespie, 1992)
Tabla 6 - Fuerza ejerciendo sobre un vehículo en movimiento (Gillespie, 1992)
El peso del vehículo actúa en el centro de gravedad del vehículo y puede tener
componentes seno y coseno si el vehículo está sobre una pendiente. La resistencia a la
rodadura es la fuerza que aplicada por la interacción entre las llantas y el piso que frena el
movimiento del vehículo. La fuerza de arrastre aerodinámico se opone al movimiento y es
relacionada directamente con la velocidad del carro y con el área frontal del mismo. La
fuerza de remolque no es nula cuando el vehículo se encuentra halando algún objeto.
La fuerza de tracción es entonces la única que está en la misma dirección y mismo
sentido que el movimiento; es la única que ayuda al movimiento del carro. Todas estas
fuerzas se representan en la siguiente ecuación que resulta de una aplicación cinemática
del vehículo.
(2)
W Peso del vehículo
Rx Resistencia a la rodadura
F Fuerza de tracción
Da Fuerza de arrastre aerodinámico
Rh Fuerza de remolque
26
Donde,
M = Masa del vehículo Mr = Masa equivalente de los elementos rotativos ax =Aceleración horizontal del vehículo Te = Torque entregado por el motor Ntf = Relación combinada de la caja de transmisión y del eje de transmisión de potencia ɳtf = Eficiencia combinada de la transmisión de potencia de la caja y del eje de potencia r = Radio de las llantas
En el lado derecho de la ecuación (2) (Gillespie, 1992) se encuentra la masa del vehículo
y la masa de los elementos rotativos multiplicadas por la aceleración horizontal del
vehículo. En este caso, se hace referencia a las leyes de Newton en donde la suma de
todas las fuerzas es igual al producto de la masa por la aceleración. En el otro lado de la
ecuación se observa la suma de todas las fuerzas ejercidas al vehículo. La fuerza de
arrastre aerodinámico (Da), la fuerza de rodadura (Rx), la de remolque (Rhx) y la
componente horizontal del peso en el caso de tener el carro en una pendiente (Wsinθ)
son todas fuerzas que frenan o van en sentido contrario al movimiento del vehículo. Por lo
tanto, la única fuerza que participa en el movimiento del carro es el torque entregado por
el motor (Te). El rol del motor es entonces muy importante en el desempeño vehicular ya
que es el único componente ejerce una fuerza que impulsa al carro. Por lo tanto las
propiedades del motor van a ser claves para saber el rendimiento de la camioneta.
3.3 Variables de Diseño
Ahora bien, entrando un poco más en la metodología para seleccionar el motor, se deben
determinar ciertas características del mismo para tomar decisiones con criterio ingenieril
para el diseño de la camioneta. Estas características se van a denominar variables de
diseño porque son las se deben seleccionar adecuadamente según las especificaciones
del cliente y las propiedades requeridas por la camioneta.
Poco a poco se han destacado ciertas propiedades del motor ya sea por su rol importante
en el desempeño vehicular o porque uno de los argumentos importantes para la selección
de tecnología fue su bajo consumo de combustible. Estos aspectos son los que en
definitiva se van a escoger como variables de diseño. Pero se debe determinar entonces
con qué criterio se escogen porque puede que su comportamiento resulte contradictorio
respecto a otra variable de diseño.
27
El torque y la potencia entregada por el motor deben ser las más altas posibles para así
obtener un mejor rendimiento del vehículo ya que estas son las propiedades que más
afectan el comportamiento dinámico de la camioneta. Sin embargo, por lo general, estas
dos propiedades son inversas, es decir que al tener más en valor una de ellas se tendrá
menos en la otra. En principio, o los motores tienen un alto torque y no tan alta potencia
como los motores diesel o tienen mucha potencia pero el torque disminuye. La potencia
de un motor afecta principalmente la velocidad máxima final del vehículo, en cambio el
torque afecta la aceleración del mismo. Igual para este caso, se busca maximizar ambas.
Otra característica definida como variable de diseño es el consumo específico de
combustible. En efecto, este es un aspecto interesante que observar porque para un
vehículo de reconocimiento terrestre es importante tener una autonomía alta para poder
recorrer una mayor distancia con un mismo consumo de combustible. Por otro lado, el
querer maximizar torque y potencia va a tener como resultado un tamaño más grande de
motor y en consecuencia si el motor es más grande, el consumo de combustible es
mayor. El consumo entonces se comporta inversamente al aumento de potencia y torque.
Otra variable de diseño de la cual poco se ha hablado es la masa del motor. El motor es
uno de los elementos más pesados y costosos de un vehículo, junto con el chasis. Su
peso alcanza a ser aproximadamente un 20% del total del vehículo. Por lo tanto, se busca
minimizar esta variable. No obstante, a la masa le ocurre lo mismo q al consumo
específico, a medida que se quiera maximizar la potencia y el torque, no se va a poder
minimizar la masa. Es de gran importancia entonces lograr una adecuada relación entre
cada una de esta variables.
Finalmente, se puede agregar una última variable que se debe tener siempre en cuenta,
el costo del motor. Este aspecto se quiere minimizar lógicamente. A continuación se
muestra una tabla recapitulativa.
28
Tabla 7 - Tabla recapitulativa de las variables de diseño
4. METODOLOGÍA PARA LA SELECCIÓN DEL MOTOR
Habiendo ya definido ciertas características principales del motor y las variables de diseño
a tener en cuenta para el modelo a desarrollar es tiempo de empezar a pensar cómo se
solucionaría esta problemática. En este capítulo se empieza por explicar una simulación
realizada en MATLAB en donde se logra comparar cuantitativamente una característica
de los motores que se encuentran en las tablas 2 y 3. Adicionalmente, se va a llegar a un
método de selección que permitirá relacionar cada una de las variables según su
importancia para este problema de diseño.
4.1 Simulación MATLAB
Como ya se mencionó anteriormente, una de las variables de diseño a evaluar es la
velocidad que puede alcanzar el vehículo a diseñar según el motor que se la va a
implementar. La estimación de la velocidad de la camioneta tiene como base el estudio
dinámico visto en el punto 3.2 en donde se explica el rol del motor en el desempeño
vehicular el cual se resume en la ecuación (2):
(2)
29
Cada una de las fuerzas representadas en la ecuación (2) está relacionada con de
alguna manera con la velocidad como se observa en la siguiente tabla:
Fuerza Función
Torque del motor
Arrastre aerodinámico
Resistencia a la rodadura
Peso
Sumatoria de Fuerzas
Fuerza de remolque
Tabla 8 - Variables de la ecuación de desempeño vehicular
La mayoría de las variables se pueden considerar como función de la velocidad. En
efecto, el torque del motor cambia según la apertura de la mariposa de la gasolina, la cual
se considera en este caso de apertura máxima o de 100% de acelerador, y de la
velocidad del motor, la cual está relacionada con la velocidad del vehículo al ser
multiplicada por la relación combinada de la caja de cambios y del eje de potencia a las
llantas y multiplicada adicionalmente por el radio de las llantas. Por otro lado, de las
fuerzas que frenan al vehículo solo la fuerza de arrastre aerodinámico depende de la
velocidad. Las otras fuerzas serán tomadas como constantes dentro de la ecuación. Por
último, se tiene la aceleración del vehículo la cual es la derivada de la velocidad respecto
al tiempo. Se puede deducir que la ecuación de desempeño vehicular es una ecuación
diferencial ordinaria de primer grado.
Habiendo aclarado lo anterior, se puede implementar una metodología que resuelva esta
ecuación según el torque entregado por cada uno de los motores. Teniendo en cuenta
que en la mayoría de las fichas técnicas Estos torques son representados en la curva de
torque de cada motor y se encuentran en función de la velocidad angular del eje de salida
del motor. A partir de estas curvas se realizó una base de datos de los torques. Para
continuar con la resolución de la ecuación, las variables faltantes como por ejemplo el
área frontal del vehículo, el coeficiente aerodinámico, el peso del vehículo fueron tomados
de la camioneta referencia para este proyecto, la Hummer H1. El siguiente paso fue
realizar unas funciones que con ayuda de la herramienta ODE45 de MatLab deducirían la
velocidad final del vehículo según el motor instalado. La primera función creada fue v.m
que tiene como parámetro de entrada el tiempo y la velocidad V del vehículo en el tiempo
t. En ese función se escribieron todas las constantes mencionadas anteriormente, se
30
calculan las fuerzas que frenan al vehículo con V si necesario y tiene como salida la
ecuación diferencial ordinaria (2). Adicionalmente, se creó también una función torquem.m
que calcula el torque del motor según la velocidad de rotación del eje del motor con los
datos de torque y de cada motor de la lista. Fue necesario realizar una interpolación ya
que se ingresaron siete puntos de la curva de torque. A continuación se muestran las
funciones creadas:
function dv=v(t,V)
%CONSTANTES %Masa vehículo m=3000; %Radio de la llanta r=16*0.0254; %Masa equivalente de los componentes giratorios mr=100; %Coef. arrastre Cd=0.57; %Coef. rodadura Cr=0.008; %Densidad aire @Bogotá rho=0.88; %Área frontal af=2.159*1.854; %Relación eje de transmisión ntf=3.75; %Eficiencia tren de potencia niu=0.8; %VARIABLES %Velocidad del motor omega=V/(ntf*r); %Torque del motor para un omega definido tor=torquem(omega); %FUERZAS %Fuerza de arrastre Rd=0.5*Cd*rho*af*V^2; %Fuerza de rodadura Rr=m*9.81*Cr; %ECUACIÓN DIFERENCIAL dv=(((tor*ntf*niu)/r)-Rd-Rr)/(m+mr); end
function torque=torquem(rpm_entrada) RPM2=rpm_entrada*60/2/pi; T=[759 759 759 752 732 630 617]; RPM=[1440 1600 1800 2000 2200 2400 2500]; torque=interp1(RPM,T,RPM2,'spline'); end
31
Por último, estas funciones son ingresadas en la ventana de comando de MatLab
siguiendo la expresión para utilizar la herramienta computacional ODE45:
En este caso, tiempo es un vector que guarda los tiempos en donde se realiza la
resolución de la ecuación y velocidad es otro vector que guarda los valores de
velocidad obtenidos en cada uno de los tiempo registrados en el vector tiempo. Se
puede observar que como parámetros para esta herramienta computacional se debe
colocar la función que registra la ecuación diferencial, el rango de tiempo que se va a
analizar tspan que en este caso es de 0 a 100 segundos con intervalo de 1 segundo
para cada punto, y el punto inicial de la variable a resolver que es la velocidad y que inicia
en cero. El siguiente paso es construir las gráficas con la función plot de MatLab. A
continuación se muestran dos gráficas obtenidas por medio de esta simulación:
Figura 8 - Velocidad del vehículo al ser implementado el motor Cummins QSB190
[tiempo,velocidad]=ODE45('v',tspan,0)
32
Figura 9 - Velocidad del vehículo al ser implementado el motor Detroit Diesel MBE-900A
Se puede observar en las gráficas que la camioneta alcanza distintas velocidades a
diferentes rangos de tiempo. Con el motor Cummins QSB190 la velocidad máxima
estimada es de 88 km/h aproximadamente la cual es alcanzada en unos 40 s. En cambio,
con el motor Detroit Diesel MBE-900A la camioneta alcanza una velocidad de
aproximadamente 118 km/h en unos 40 s.
Los resultados de esta simulación se encuentran en el anexo A del documento.
4.2 Método de Ponderación
Ahora bien, después de la simulación realizada, se procede a estudiar cada una de las
propiedades del motor para poder diferenciar cuál motor es la opción más óptima al
diseño de la camioneta. Las propiedades mencionadas son las que fueron escogidas
anteriormente como variables de diseño ya que son las que caracterizan a un motor. Se
debe entonces encontrar un método en donde se logre relacionar cada una de las
variables respecto a las otras según la relevancia dentro del diseño del vehículo.
Los motores que se van a relacionar son los que se encontraron en la investigación
mostrada en el punto 2.2. Viendo que la cantidad de motores no es muy grande como
para usar un método de optimización de Pareto por ejemplo, la forma más sencilla de
relacionar cada variable es realizando una suma ponderada en donde cada variable
33
tendrá un peso que cuantifique su relevancia respecto a las otras. La ecuación que se va
a utilizar es la siguiente:
Esta ecuación (Dieter, 2002) tiene la capacidad de mezclar las variables de diseño dentro
de una misma suma sin importar si se tiene que maximizar o minimizar la variable. El
parámetro Y ( corresponde al valor objetivo o de referencia al cual debería tender
la variable. El parámetro X ( corresponde al valor particular del motor en estudio.
Y el parámetro w ( corresponde al peso ponderado de la variable. Existen tres
formas diferentes de tratar las variables. La primera, que es la sumatoria del primer
corchete denominado l (viene de lower), sirve para las variables que se quieren minimizar,
como por ejemplo el consumo de combustible. La segunda, la sumatoria del segundo
corchete denominado u (viene de upper), es utilizada para maximizar las variables como
por ejemplo la potencia entregada. La tercera, la sumatoria del tercer corchete
denominado t, corresponde cuando se desea que la variable tienda hacia algún valor
específico. En los tres casos, el valor óptimo se da cuando el valor particular X es igual al
valor objetivo Y y la suma P alcance un valor mínimo.
Para determinar el peso de cada variable se debe verificar cuáles son los requerimientos
funcionales de la camioneta. En este caso, por más que se desee maximizar la velocidad
final del vehículo, es más importante desarrollar un torque alto para pasar los obstáculos
naturales como por ejemplo las vías sin pavimentar en una montaña o pendientes
extremas. Además, como se requiere una alta capacidad de carga, el torque que debe
desarrollar el vehículo debe ser alto. Por lo tanto, el torque desarrollado debería tener un
peso ponderado que la potencia. Cabe recordar que para este requerimiento se puede
ajustar también la relación de cambios de la caja de cambios, el diámetro de las llantas
entre otras variables más de la camioneta; pero como este proyecto se centra solamente
en la motorización, se va a suponer que ya se tienen optimizadas el resto de variables.
Los pesos ponderados correspondientes se muestran en la siguiente tabla. Sin embargo,
se debe recordar que como no se tienen las necesidades del cliente bien definidas, estos
pueden variar en un futuro cuando ya se tenga más información. Lo único que se debe
hacer es ajustar estos pesos determinados por orden de relevancia de las variables de
34
diseño además de organizarlos en una escala estandarizada. En este caso se escogió
una escala sobre 100.
Potencia Masa Torque Consumo Costo w 25 15 35 20 5
Y Y1 = 250 Y2 = mín global Y3 = máx global Y4 = mín global Y5 = mín global Tabla 9 - Variables de diseño y su peso para esta aplicación
4.3 Conclusiones de la Selección
Figura 10 - Resultados totales de la ponderación
De la figura 10 se puede evidenciar cuáles son los motores que más se ajustan a los
requerimientos mencionados en la definición del problema. Estos son los que obtienen
puntajes más bajos. En este caso, es el motor Caterpillar C7 configuración G que con 60
resulta ser el motor más adecuado para esta aplicación. Lo siguen de cerca el Cummins
QSB240 con 64.4, el Perkins 1206E-E70TTA con 64.71 y el Detroit Diesel MBE-900
94,89
83,61
74,9277,17
72,34
69,60
67,42
60,0089,73
88,96
79,59
82,48
75,45
75,2971,82
70,2070,12
64,40
86,74
81,20
64,71
88,8987,28
73,75
67,4287,54
71,25
76,96133,36
94,08
84,50
183,66
94,35 84,45
168,89
160,30149,50
73,92
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200MAXXFORCE D4.5V6
CATERPILLAR C7-a
CATERPILLAR C7-b
CATERPILLAR C7-c
CATERPILLAR C7-d
CATERPILLAR C7-e
CATERPILLAR C7-f
CATERPILLAR C7-g
CUMMINS QSB 165
CUMMINS QSB 173
CUMMINS QSB 180
CUMMINS QSB 185
CUMMINS QSB 190
CUMMINS QSB 205
CUMMINS QSB 215
CUMMINS QSB 220
CUMMINS QSB 230
CUMMINS QSB 240PERKINS 1204E-E44
PERKINS 1106C-70TAPERKINS 1206E-E70TTA
DETROIT DIESEL MBE-900A
DETROIT DIESEL MBE-900B
DETROIT DIESEL MBE-900C
DETROIT DIESEL MBE-900D
DEUTZ BF4M 1013EC EURO III
DEUTZ BF6M 1013EC EURO II
DEUTZ TCD2013 L4 4V EURO IV
AM GENERAL OPT 6500 DIESEL
AM GENERAL OPT 6500 T.DIESEL
FIAT POWERTRAIN N60 ENT V
GM DURAMAX CD DIESEL
ISUZU SERIE F
ISUZU SERIE F TURBO
ISUZU 4HG1T
RENAULT KOLEOS
TOYOTA 1KD-FTV
MERCEDES-BENZ OM 906 LA
35
configuración D con 67.42. Estos motores serían los primeros en ser evaluados como
posibles opciones para importación para la camioneta a diseñar.
Este método permite igualmente revisar por variable de diseño las mejores opciones de
motor. Sin embargo, debido a que la información de los motores no está completa, los
fabricantes no entreguen ninguna información sobre el consumo de combustible para así
no permitir la comparación en este aspecto con otros motores de otros fabricantes.
Adicionalmente, el costo del motor tampoco se consiguió a raíz de que era necesario
demostrar para los fabricantes internacionales un contacto con la empresa del cliente que
va a manufacturar la camioneta y esos permisos no se consiguieron. Por lo tanto, se
presenta a continuación las gráficas de potencia, torque y de masa de los motores.
Figura 11 - Resultados de la ponderación para la variable de diseño POTENCIA
31,2529,76
29,76
27,1727,17
27,17
25,00
25,0037,88
36,13
34,72
33,78
32,89
30,4929,07
28,4127,17
26,04
36,1332,22
27,7832,89
29,76
27,17
25,0033,30
26,80
29,51
36,76
30,49
28,67
48,08
30,86 27,53
52,08
41,6738,82
27,06
0
10
20
30
40
50
60MAXXFORCED4.5V6
CATERPILLAR C7-a
CATERPILLAR C7-b
CATERPILLAR C7-c
CATERPILLAR C7-d
CATERPILLAR C7-e
CATERPILLAR C7-f
CATERPILLAR C7-g
CUMMINS QSB 165
CUMMINS QSB 173
CUMMINS QSB 180
CUMMINS QSB 185
CUMMINS QSB 190
CUMMINS QSB 205
CUMMINS QSB 215
CUMMINS QSB 220
CUMMINS QSB 230
CUMMINS QSB 240PERKINS 1204E-E44
PERKINS 1106C-70TAPERKINS 1206E-E70TTA
DETROIT DIESEL MBE-900A
DETROIT DIESEL MBE-900B
DETROIT DIESEL MBE-900C
DETROIT DIESEL MBE-900D
DEUTZ BF4M 1013EC EURO III
DEUTZ BF6M 1013EC EURO II
DEUTZ TCD2013 L4 4V EURO IV
AM GENERAL OPT 6500 DIESEL
AM GENERAL OPT 6500 T.DIESEL
FIAT POWERTRAIN N60 ENT V
GM DURAMAX CD DIESEL
ISUZU SERIE F
ISUZU SERIE F TURBO
ISUZU 4HG1T
RENAULT KOLEOS
TOYOTA 1KD-FTV
MERCEDES-BENZ OM 906 LA
36
Figura 12 - Resultados de la ponderación para la variable de diseño TORQUE
Figura 13 - Resultados de la ponderación para la variable de diseño MASA
63,64
53,85
45,16
50,00
45,16
42,4242,42
35,0051,85
52,83
44,87
48,7042,55
44,8042,75
41,79
42,9438,36
50,6248,98
36,93
55,9957,52
46,58
42,4254,23
44,4547,4596,60
63,59
55,83
135,58
63,4856,92
116,81
118,63110,68
46,87
0
20
40
60
80
100
120
140MAXXFORCED4.5V6
CATERPILLAR C7-a
CATERPILLAR C7-b
CATERPILLAR C7-c
CATERPILLAR C7-d
CATERPILLAR C7-e
CATERPILLAR C7-f
CATERPILLAR C7-g
CUMMINS QSB 165
CUMMINS QSB 173
CUMMINS QSB 180
CUMMINS QSB 185
CUMMINS QSB 190
CUMMINS QSB 205
CUMMINS QSB 215
CUMMINS QSB 220
CUMMINS QSB 230
CUMMINS QSB 240PERKINS 1204E-E44
PERKINS 1106C-70TAPERKINS 1206E-E70TTA
DETROIT DIESEL MBE-900A
DETROIT DIESEL MBE-900B
DETROIT DIESEL MBE-900C
DETROIT DIESEL MBE-900D
DEUTZ BF4M 1013EC EURO III
DEUTZ BF6M 1013EC EURO II
DEUTZ TCD2013 L4 4V EURO IV
AM GENERAL OPT 6500 DIESEL
AM GENERAL OPT 6500 T.DIESEL
FIAT POWERTRAIN N60 ENT V
GM DURAMAX CD DIESEL
ISUZU SERIE F
ISUZU SERIE F TURBO
ISUZU 4HG1T
RENAULT KOLEOS
TOYOTA 1KD-FTV
MERCEDES-BENZ OM 906 LA
20,00
34,14
34,14
34,14
34,14
34,14
34,14
34,14
22,80
24,81
26,82
28,83
30,8432,85
34,8636,8738,89
40,90
22,1626,70
37,73
32,66
32,66
32,66
32,66 22,80
30,18 26,39
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45 MAXXFORCED4.5V6
CATERPILLAR C7-a
CATERPILLAR C7-b
CATERPILLAR C7-c
CATERPILLAR C7-d
CATERPILLAR C7-e
CATERPILLAR C7-f
CATERPILLAR C7-g
CUMMINS QSB 165
CUMMINS QSB 173
CUMMINS QSB 180
CUMMINS QSB 185
CUMMINS QSB 190
CUMMINS QSB 205CUMMINS QSB 215
CUMMINS QSB 220
CUMMINS QSB 230
CUMMINS QSB 240
PERKINS 1204E-E44
PERKINS 1106C-70TA
PERKINS 1206E-E70TTA
DETROIT DIESEL MBE-900A
DETROIT DIESEL MBE-900B
DETROIT DIESEL MBE-900C
DETROIT DIESEL MBE-900D
DEUTZ BF4M 1013EC EURO III
DEUTZ BF6M 1013EC EURO II
DEUTZ TCD2013 L4 4V EURO IV
37
Se puede observar que para las variables de diseño POTENCIA y TORQUE, se destacan
los mismos motores mencionados para la ponderación de los resultados completos. Pero
para la de la MASA, siendo el MAXXFORCE D4.5V6 el motor más liviano de todos es el
que obtiene el menor resultado por lo tanto el que se destaca en esta categoría.
Después de revisar estas variables de diseño y de tener una preselección de motores, se
debe proseguir a revisar propiedades adicionales como el mantenimiento del motor así
como la red de repuestos y la robustez del motor.
5. EVALUACIÓN DE LA VIABILIDAD DEL BANCO DE PRUEBAS
Habiendo terminado la parte de selección del motor, se prosigue con la evaluación de la
instalación de un banco de pruebas de potencia en la Universidad de los Andes. Estos
temas se conectan en este proyecto de grado porque es necesario realizar mediciones al
motor que se va a seleccionar para la camioneta con las condiciones ambientales del
país. De esta forma, se quiere confirmar los datos técnicos contenidos en la ficha técnica
del motor y por otro lado observar el comportamiento del motor según las condiciones
atmosféricas en que se tiene diseñado usar. Esto es un protocolo necesario para
garantizarle al cliente y posteriormente a la línea de producción el desempeño del motor
seleccionado.
Para realizar la evaluación de la instalación del banco de pruebas en la Universidad, se va
a explicar en un primer tiempo qué es un banco de pruebas y qué componentes o sub-
sistemas tiene; además, cuáles son las mediciones que se toman en un banco de
pruebas. Luego, en una segunda parte se realizará la evaluación de la instalación dividida
en cada uno de los diferentes componentes que integra el banco de pruebas. La idea es
sacar una conclusión sobre la viabilidad de la instalación en el laboratorio adjudicado para
el banco de pruebas.
5.1 Definición de un Banco de Pruebas
5.1.1 Elementos de un Banco de Pruebas
Un banco de pruebas de potencia es utilizado para medir directamente sobre el mismo
motor la potencia entregada, el torque entregado y el consumo específico de combustible.
38
Sin embargo, para poder realizar todas estas mediciones son necesarios diferentes
elementos que a primera vista no se tienen en cuenta.
El componente más importante, el que toma las mediciones de potencia y torque al fin y al
cabo, es el dinamómetro. Existen diferentes tipos de dinamómetros que son usados para
probar motores; están los dinamómetros de freno y los de inercia (Power Dynamometers).
Los de freno son caracterizados por aplicar cargas al eje de potencia de salida del motor y
de esta forma examinar el desempeño del motor; por otro lado están los de inercia que
miden el desempeño del motor examinando el requerimiento de potencia necesaria para
mover una masa inercial. Adicionalmente, dentro de los dinamómetros de freno que son
los más utilizados para probar motores directamente conectados, existen diferentes tipos
de principios de funcionamiento. Para probar motores, los más comunes son los de
corriente parásita y los hidráulicos debido a su buena capacidad de cambiar de carga
rápidamente durante la prueba. Los de corriente parásita están compuestos por un disco
de acero por lo general llamado núcleo el cual está unido el eje de rotación del motor. El
disco se encuentra rodeado de un campo magnético el cual es controlado de tal forma
que permite frenar el disco. Por otro lado, los frenos hidráulicos son bombas hidráulicas
funcionando en sentido contrario, es decir que se usa la energía del agua entrante a la
bomba para frenar el eje de potencia del motor por medio de fuerzas de fricción (Triana,
2010). Los frenos hidráulicos requieren adicionalmente estar instalados sobre una base
que soporte los momentos torsores del motor así como las vibraciones generadas por el
mismo. Por lo general, los frenos se encuentran sujetados por un bloque de cemento que
soporta estos dos fenómenos. Sin embargo, también existen frenos portátiles que no
necesitan este tipo de instalaciones porque se conectan directamente al volante del motor
y no requieren un cardán que los una.
Ambos tipos de dinamómetros requieren un sistema de refrigeración debido a la
disipación de calor al aplicar una carga contraria al movimiento rotativo del motor. Por lo
general, estos dinamómetros se refrigeran por medio de un flujo constante de agua. Si el
flujo se recircula en el sistema de refrigeración, se debe tener un sistema adicional que
permita el enfriamiento del agua. Este sistema se llama torre de enfriamiento. La
disminución de temperatura del agua caliente proveniente de la salida de los
dinamómetros se realiza por medio de la transferencia de calor y materia al aire
circulando al interior de la torre (Universidad del País Vasco). Existen diferentes tipos de
torres y se clasifican según el movimiento del aire; las de circulación natural que, como su
39
nombre lo indica, las corrientes de aire son atmosféricas y tienen un bajo rendimiento, y
las de tiro mecánico que proporcionan un control total sobre el flujo de aire. Este flujo
entra por la parte inferior de la torre y pasa a través de un panel evaporador en donde se
realiza la transferencia de calor. Se muestra en la figura 14 un diagrama del
funcionamiento de este tipo de torres.
10
Figura 14 - Diagrama de una torre de enfriamiento de tiro mecánico forzado
Otro elemento importante de un banco de pruebas es el sistema de extracción de gases
que debe tener implementado el sitio de prueba debido a la enorme cantidad de gases
que produce el motor. Se debe tener en caso de que el motor no venga con su propio
sistema de escape una herramienta que permita la adecuada extracción de gases fuera
del sitio de prueba. Por lo general, los sitios de prueba se ubican en instalaciones
exteriores en donde se minimiza el riesgo de estancamiento de estos gases peligrosos
para la salud. Es importante también hacer énfasis en la insonorización del lugar de
prueba ya que un motor a más de 5000 rpm es capaz de producir un nivel de ruido que
podría afectar la salud de los operarios presentes. Adicionalmente, el sitio de prueba debe
10
http://termodinamicatorin.blogspot.com/2011/04/torres-de-enfriamiento-cooling-tower.html
40
tener un sistema auxiliar de generación eléctrica en el caso de que el motor de prueba no
tenga alternador por ejemplo.
5.1.2 Mediciones SAE
A parte de todos los sistemas mencionados anteriormente, el banco de pruebas debe
tener toda la instrumentación adecuada para tomar todas las mediciones necesarias
mencionadas en la norma SAE J1349. Existe también la norma ISO 1585 que estandariza
este tipo de pruebas pero en la Universidad solo se tiene acceso a las SAE. Entre los
equipos destacan los termopares para medir temperatura, los transductores de presión y
los opacímetros para cuantificar los gases del exhosto. Se debe tener también un sistema
de recuperación de datos que permita digitalizar las mediciones de torque y potencia del
motor.
En la tabla siguiente se resumen todas las mediciones a realizar durante la prueba:
Tabla 10 - Mediciones SAE J1349
5.2 Evaluación de Elementos
Habiendo revisado los elementos que componen un banco de pruebas y las diferentes
mediciones que se deben realizar, se pasa a evaluar la viabilidad de instalación de cada
uno de los elementos en el espacio que se ha asignado para esto. Este espacio es un
Condiciones Atmosféricas: Patm, T°
Combustibles Comerciales (para Diesel):
o Densidad
o Viscosidad Dinámica
o T° Inlet
Calcular factores de corrección según combustible
Equipos del LAB:
o Sistema de Escape de Gases: exostos, convertidores catalíticos, resonadores
o Sistema de entrega de combustible: P y T° de entrada controlada
o Intercooler adicional
o Sistema auxiliar de generación eléctrica
Precisión de los instrumentos
Mediciones:
o Velocidad del motor
o Torque al freno observado
o Torque de fricción
o Tasa Aire/Combustible
o Adelantamiento de la chispa/ Tiempo de ignición
o T° y P Ambientales
o T° y P del aire de entrada
o P del vapor de agua en el aire de entrada
o Intake Manifold Air Temperature and Pressure (may be obtained from engine controller)
o Temperature of Fuel at Fuel Flow Meter
o Fuel Rail Temperature and Pressure
o Engine Coolant Inlet and Outlet Temperature (water cooled engines only)
o Oil Sump Temperature and Oil Gallery Pressure
o Exhaust Gas Temperature at the manifold outlet (Left & Right)
o Exhaust Pressure at the manifold outlet (Left & Right)
o Smoke (optional—CI engines only)
41
cuarto en el laboratorio de conversión de energía ubicado en el sótano 1 del edificio ML.
Se debe mencionar que este espacio tiene paredes aisladas para que al momento de la
prueba el sonido del motor no se propague a los alrededores del edificio.
5.2.1 Freno Hidráulico y Torre de Enfriamiento
El primer elemento a evaluar es el freno hidráulico que posee la universidad. El modelo de
freno es el Kanh Industries model 301-130 que según las especificaciones de fábrica
puede probar motores de hasta 450hp. Las especificaciones del freno hidráulico se
muestran en el anexo B. En este caso, como el motor va a ser máximo de 250hp, no hay
ningún problema. Por otro lado, la refrigeración del freno se debe hacer con un sistema de
bombeo de agua. Según las especificaciones, el agua debe entrar a una presión de 50
psig y 32°C. Adicionalmente, este sistema de bombeo debe cumplir con un flujo específico
de agua para poder refrigerar correctamente el freno. Las especificaciones del freno
explican que el flujo de agua debe ser de 20L/hora por cada KW de potencia del motor en
el caso de no ser recirculante el agua y de 30L/hora por cada KW de potencia del motor
en el caso de ser recirculante el agua.
En este momento no existe un sistema de bombeo de agua y tampoco hay una salida de
agua en el cuarto en donde se piensa instalar el banco de pruebas. Se optaría por lo tanto
a instalar un sistema recirculante para no desperdiciar tanta agua al realizar una prueba y
para resolver el problema de no tener una llave. En este caso entonces, si se prueba un
motor de 250hp de potencia, el flujo de agua es:
Existen bombas hoy en día capaces de administrar este flujo de agua sin ningún problema
aun conservando la cabeza requerida por el freno hidráulico. Viendo estos valores, se
necesita un gran volumen de agua para suplir a todo el sistema de bombeo.
Hablando ahora de la refrigeración del agua, el sistema más utilizado es la torre de
enfriamiento. Para implementar un sistema de este tipo es necesario tener una entrada
importante de aire y una superficie de intercambio de calor (panel evaporador) lo
suficientemente grande como para bajar la temperatura de agua. La entrada de aire no se
tiene porque el espacio reservado se encuentra en el sótano 1, en el centro del edificio.
Además, las torres de enfriamiento requieren de bastante espacio y son instaladas
42
generalmente en espacios exteriores. En este caso, si se quisiera buscar un lugar para
ubicarla, el más accesible sería el techo del edificio. Sin embargo, sigue siendo un lugar
difícil de conectar con el sótano 1. Además, para subir el agua desde este piso hasta el
techo del edificio, el recorrido son 8 pisos de altura, la instalación a realizar es bastante
complicada no solo por la altura sino por lo caliente de la línea de agua. Desde el sótano 1
hasta el techo del edificio hay 8 pisos y suponiendo que cada piso tiene una altura de 3m,
la altura total a la que se debería subir el agua del sistema de refrigeración es de 24m. La
cabeza hidráulica requerida sería entonces:
Adicionalmente a estos cálculos, habría que sumarle la potencia que Estos valores de
potencia requerida, de caudal requerido y de la altura del edificio hacen de este sistema
bastante inviable de construir.
5.2.2 Flujos de Aire y Combustible
La combustión interna de un motor se hace a base de dos componentes principales: el
aire y el combustible. Estos dos reactivos producen la explosión que permite el
movimiento del pistón y por ende del motor y el vehículo. Sin embargo, no se usa todo el
poder químico de la reacción ya que la mayoría se va en calor y no en potencia mecánica.
A continuación se muestra un diagrama de los flujos entrando y saliendo del motor:
Figura 15 - Diagrama de flujos de un motor
,
𝑏𝑢 𝑏 ,
, MOTOR
, 𝑢
Q
,
43
El combustible utilizado en este caso es el diesel que tiene una composición química
promedio que pertenece a la categoría de diesel ligero. Este combustible
reaccionando con el aire provoca la siguiente ecuación:
Esta es la combustión completa en un motor diesel. Resolviendo las cantidades
estequiométricas de la reacción se obtiene:
De esta reacción se puede deducir la relación aire/combustible que debe entrar al motor
para realizar la mezcla correctamente:
Asumiendo que se está probando un motor de 250hp, se infiere que teniendo una
eficiencia típica de 30% para los motores diesel, la potencia total generada es de 833,3hp
o 621,7kW. Se sabe por otro lado que el poder calorífico inferior del diesel ligero es de
43200 kJ/kg. Por lo tanto:
Teniendo el flujo másico del combustible entrando al motor, se puede calcular con la
relación AC el flujo másico del aire:
Sabiendo que la densidad del aire en Bogotá es de 0,89 kg/m3, el volumen de aire que
entra cada segundo al motor es de 0,237 m3. Teniendo las dimensiones del cuarto de
prueba que son 3m x 3.5m x 5.5m, se puede calcular en cuanto tiempo el motor usaría
todo el aire contenido en el cuarto:
44
El tiempo necesario para vaciar el cuarto, suponiendo que el cuarto esté totalmente
hermético es de 4 min y 3.4 s. Cabe recalcar que el cuarto no es totalmente hermético
pues el aire puede entrar por la puerta de entrada. Sin embargo, al realizar la prueba, esa
puerta se debe mantener cerrada para aislar el ruido proveniente del motor girando a
5000rpm. Por lo tanto, la entrada de aire es mínima y el tiempo en que se cree un vacío
en el cuarto no debe ser muy superior a este tiempo. Es entonces necesario tener un
sistema de entrada de aire al cuarto para realizar pruebas de este tipo.
Para concluir con la evaluación, debido a la gran cantidad de instalaciones que se deben
hacer y a lo complicadas que son debido a la necesidad de instalación de tubería larga,
de bombas y de ventiladores bastante potentes, el espacio que tiene reservado la
Universidad para esta pruebas no es adecuado totalmente. Se puede decir que no es
viable instalar el banco de pruebas en este espacio.
6. CONCLUSIONES
Por medio de una programación en MatLab y con ayuda de una ecuación
diferencial ordinaria de primer grado que relaciona cada una de las fuerzas
presentes en el movimiento del vehículo se logró estimar el desempeño vehicular
con cada uno de los motores de los cuales se tenía información sobre la curva de
torque característica. Es importante destacar en este aspecto que la estimación
dependía fuertemente de la información encontrada por lo que para ciertos
motores es posible que no se aproxime tanto a lo que realmente pueda pasar en la
realidad. En efecto, al tener solo una parte de la curva de torque, como por
ejemplo para el caso del motor Cummins C7 en todas sus diferentes
configuraciones del cual se tenía la información solamente desde el punto de
torque del motor hasta el punto de desboque, no se sabe precisamente cómo va a
reaccionar el vehículo desde el punto de ralentí hasta el punto de torque del motor.
A pesar de esto, se logró estimar adecuadamente la velocidad final del vehículo
así como el tiempo en alcanzarla porque los resultados obtenidos muestran
valores adecuados de velocidad estimada.
45
Se logró desarrollar una metodología que permite seleccionar un motor según los
requerimientos de la aplicación a diseñar. Esta metodología comprende en una
primera instancia la selección de variables que describan la relación entre las
propiedades del motor y el comportamiento vehicular de la camioneta a diseñar.
Luego, en una segunda instancia, se relacionaron cada una de esas variables
según la relevancia que tienen para cumplir los requerimientos de la camioneta. Y
finalmente se cuantificaron las variables y las relaciones entre ellas para poder
deducir la selección de un motor para el diseño a realizar. El resultado de esta
metodología es adecuado para los requerimientos exigidos por el diseño del
vehículo todo-terreno. Además, es una metodología flexible a estos requerimientos
porque se puede ajustar la selección según la relevancia de cada variable dentro
del proceso de diseño.
La norma investigada a profundidad fue la SAE J1349 y se recalcaron las
diferentes mediciones que se deben realizar para probar un motor en un banco de
pruebas de motores (o también llamado banco de pruebas de potencia). Estas
normas sirven en un principio para saber qué instrumentación es necesaria; de lo
cual se deduce cómo debe funcionar el motor y por consiguiente todas las
instalaciones requeridas para hacer funcionar el motor de forma estándar según la
norma.
Realizando nuevamente una investigación, se determinaron cuáles eran los
conceptos básicos del funcionamiento de un banco de pruebas. Estos conceptos
comprenden desde el correcto uso del motor y de los diferentes sistemas que lo
componen (refrigeración, sistema eléctrico, etc…), el correcto funcionamiento del
freno hidráulico y el sistema de refrigeración correspondiente, hasta los diferentes
flujos de masa y calor que afectan severamente el ambiente del espacio del banco
de pruebas.
Para la evaluación de las instalaciones de la universidad se prosiguió a evaluar
cada uno de los conceptos mencionados anteriormente en el espacio reservado
para la instalación del banco de pruebas. La conclusión de la evaluación es que si
se quiere realizar un banco que cumpla con estándares internacionales, se deben
implementar sistemas de extracción de calor y de admisión de aire. Debido a la
ubicación del laboratorio de sistemas de conversión de energía instalar estos
componentes es complejo. Esto conduce a que la instalación del banco no sea
viable en este espacio a pesar de tener ya ciertos componentes muy importantes
46
como las paredes aislantes de sonido y calor, y la extracción de los gases emitidos
por el motor.
El alcance del proyecto de diseño de la camioneta va mucho más allá que el de
este proyecto de grado. Cabe recordar que los motores eléctricos se han dejado
de lado para la selección del motor de esta camioneta debido a la baja autonomía
que tendría el vehículo, mas no por las características desarrolladas por este tipo
de motores. Se podría pensar que en un futuro, habiendo evolucionado el
desarrollo del almacenamiento de energía eléctrica, el motor a utilizar para esta
aplicación sería un motor eléctrico.
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48
ANEXOS
Anexo A. Resultados de la Velocidad Estimada de la Simulación de
MatLab
Las gráficas resultantes de la simulación calculan la velocidad estimada del vehículo en
función del tiempo. A continuación en la figura 16 se muestra un ejemplo.
Figura 16 - Velocidad estimada del vehículo con el motor Detroit Diesel MBE-900B
Se puede observar que para el caso del motor Detroit Diesel MBE-900B, la velocidad
máxima estimada es de 100 km/h y es alcanzada en un tiempo de 40s aproximadamente.
Se puede calcular una aceleración promedio dividiendo esa velocidad máxima estimada
por el tiempo. En este caso, la aceleración promedio sería de 0,55 m/s2. A continuación en
la figura 17 se muestra una gráfica comparativa para todos los motores a los que se les
realizó la simulación.
49
Figura 17 - Resultados simulación: Velocidad máxima estimada
Figura 18 - Resultados simulación: Aceleración promedio estimada
0
20
40
60
80
100
120
Ve
loci
dad
Máx
ima
Esti
mad
a [k
m/h
]
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
Ace
lera
ció
n P
rom
ed
io E
stim
ada
[m/s
^2
]
50
Se puede observar en las figuras 17 y 18 que se destacan principalmente dos motores, el
Cummins QSB165 y el Detroit Diesel MBE-900A. Ambos tienen las aceleraciones
promedio más altas y la velocidad máxima estimada más alta. Estos motores no son los
que mejor calificados salieron de la ponderación debido a que la potencia es
respectivamente de 165hp y 190hp. Sin embargo, según la simulación, son los motores
que mejor se acoplarían a las condiciones vehiculares como la relación de transmisión y
las dimensiones de las llantas.
51
Anexo B. Fichas Técnicas de los motores
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
Anexo C. Ficha Técnica Freno Hidráulico
76
77