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Diseño preliminar de un motor a
pistón para un vehículo urbano
empleado en la competencia
Shell Eco-Marathon*
Preliminary Design of a Piston Engine for an Urban Vehicle
Used in the Competition Shell Eco-Marathon
- Artículo de investigación, producto derivado del proyecto de investigación: Diseño de un vehículo concepto urbano aplicado a la competencia Shell Eco-Marathon, realizado en el grupo AEROTHEC de la Universidad de San Buenaventura, sede Bogotá, llevado a cabo desde el 2014. ** Ph. D. en Ingeniería Aeroespacial, Universidad Politécnica de Varsovia; Universidad de San Buenaventura sede Bogotá. E-mail: rcerpa@usbbog.edu.co *** Ph. D. en Ingeniería Aeroespacial, Universidad Politécnica de Valencia; Universidad de San Buenaventura, sede Bogotá. E-mail: lmonico@usbbog.edu.co **** Ingeniero Aeronáutico, Universidad de San Buenaventura. sede Bogotá. E-mail: mmesa@academia.usbbog.edu.co ***** Ingeniero Aeronáutico, Universidad de San Buenaventura, sede Bogotá. E-mail: sbernal@academia.usbbog.edu.co ****** Estudiante de Ingeniería Aeronáutica, Universidad de San Buenaventura, sede Bogotá. E-mail: jmbermudez@academia.usbbog.edu.co
Rafael Mauricio Cerpa Bernal ** Luisa Fernanda Mónico Muñoz *** Michael Daniel Mesa Robledo**** Sebastián Bernal Castillo***** José María Bermúdez******
Para citar este artículo: R. Cerpa, L. Mónico, M. Mesa, S. Bernal y J. Bermúdez «Diseño preliminar de un motor a pistón para un vehículo urbano empleado en la competencia Shell Eco-Marathon», Ingenium, vol. 17, n.° 34, pp. 61-75, mayo, 2016.
Resumen
Actualmente, el mundo se enfrenta a un gran problema de degradación ambiental.
Las proyecciones futuras indican que el empleo de vehículos y en consecuencia el uso de
combustibles fósiles y los niveles de emisiones contaminantes aumentará excesivamente
convirtiéndose en un problema aún más grave. Esto, ha llevado a que importantes empresas,
como lo es la compañía Shell, creen competencias en las cuales, ingenieros, colegios y
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Revista de la Facultad de Ingeniería • Año 17 • n.° 34, J ulio - Diciembre de 2016
universidades de todo el mundo puedan desarrollar vehículos de gran eficiencia que recorran
el mayor número de kilómetros consumiendo la menor cantidad de combustible posible. La
competencia Shell Eco-Marathon patrocinada por la compañía petrolera se desarrolla en un
ambiente ingenieril y deportivo. Sus escenarios han tenido lugar en diferentes países como
por ejemplo, Estados Unidos, España y Alemania. En estas competencias se han conseguido
grandes logros como lo es recorrer más de 3500 km con un litro de combustible. En los últimos 5
años, se han alcanzado importantes avances en la implementación de energías renovables, uso
de combustibles alternativos, mejora de los motores de combustión interna y optimización del
consumo y rendimiento de los motores para cumplir con el objetivo principal de la competencia.
Palabras clave
Cuatro tiempos, motor, cálculos geométricos, rendimiento.
Abstract
Currently, the world is facing a big problem of environmental degradation. Future
projections indicate that the use of vehicles and therefore the use of fossil fuels and emissions
levels increase excessively becoming an even more serious problem. This has led to major
companies, as it is the company Shell, create competitions in which engineers, colleges and
universities around the world to develop vehicles highly efficient traveling on the most mileage
consuming the least amount of fuel possible. The Shell Eco-Marathon competition sponsored
by the oil company is developed in an engineering and sport environment. Its scenes have
taken place in different countries such as United States, Spain, Germany, among others.
These skills have made great achievements as it is traveling over 3500 km with one liter of
fuel. In the past 5 years, significant advances have been achieved in the implementation
of renewable energy, alternative fuels, improved internal combustion engines, optimized
consumption and engine performance to meet the main objective of the competition.
Keywords
Four strokes, engine, geometric calculations, performance.
Introducción
El grupo de investigación AEROTECH de la Universidad de San Buenaventura ha
centrado su interés en la investigación y desarrollo de la planta motriz de un vehículo que
participe en la competencia Shell Eco-Marathon. El diseño y construcción del vehículo en
su totalidad, cuenta con la ayuda de otras divisiones, las cuales están encargadas de la
aerodinámica, estructura y componentes de este.
El objetivo del presente artículo es dar a conocer las características fundamentales del
diseño preliminar de un motor de combustión interna que cumpla con los requerimientos
necesarios del vehículo para poder competir en la competencia Shell Eco Maratón. Di-
chos parámetros se encuentran en el capítulo 1, parte 4B, artículos 59, 60, 61, 62 de la
normatividad de la competencia [1].
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Los motores de combustión interna poseen varios componentes fundamentales para su
buen desempeño y funcionamiento, cumpliendo cada pieza una tarea específica. En la figura 1
se presenta el esquema de un motor de combustión interna con sus principales componentes.
Figura 1. Componentes del motor de combustión interna [2]
2. Caracterización del motor
A pesar de los avances que han tenido los motores de combustión interna, estos
conservan sus características fundamentales. Los métodos de diseño para realizar la
caracterización inicial de un motor siguen conservándose. El motor diseñado no será la
fuente de impulso del vehículo, sino que será el encargado de proveer de energía mecánica
a un alternador para luego suplir al sistema encargado de propulsar los ejes de tracción
del vehículo con energía eléctrica. Para la competencia se requirió diseñar un motor que
consuma la menor cantidad de combustible posible operando a 3000 rpm (revoluciones
requeridas por el alternador) y que cumpla con la normatividad de la competencia.
Cálculos geométricos
En la figura 2 se observan los parámetros geométricos del motor que se tuvieron en
cuenta como punto de partida para el proceso de diseño.
Diseño preliminar de un motor a pistón para un vehículo urbano empleado en la competencia Shell Eco-Marathon • pp. 61- Investigación
Figura 2. Parámetros geométricos del motor: volumen de la cámara de combustión
( ), diámetro del cilindro ( ), carrera (S), volumen desplazado ( ), posición del pistón
(S), diámetro del cigüeñal (a) y largo de la biela ( ).
Como punto de partida y por simplicidad de los cálculos, se estableció que el motor
sería cuadrado, es decir, que el diámetro del cilindro (B) será igual a la carrera del pistón
(S). El largo de la biela ( ) es un parámetro que está en función del diámetro del cigüeñal
(a). Dependiendo del diámetro de este se calcula la longitud de la biela, que por su parte
proporciona la medida longitudinal que alcanzará el sistema entre el PMI y el PMS. Una
vez obtenidos estos valores fue posible realizar el cálculo del volumen de la cámara de
combustión y el volumen desplazado por el pistón.
En la tabla 1, se muestran los resultados de los parámetros geométricos del motor
PARÁMETRO VALOR UNIDADES Volumen desplazado 8.6859x10-5^ m^3 Cilindrada 86.8 cm^3 Volumen de la cámara 1.158x10-5^ m^3 a 0.024 m r 0.084 m s 0.067 m
Tabla 1. Parámetros geométricos del motor
Cálculos termodinámicos
Para iniciar los cálculos térmicos y de dinámica de gases es importante definir cada
uno de los puntos que se evaluarán en el diagrama presión-volumen, como los mostrados
en la figura 3.
Figura 3. Ciclo motor de 4 tiempos
el punto 0 al 1: proceso de admisión. Se aumenta el volumen de la cámara para generar el efecto e succión que permite absorber el aire del exterior y así dar inicio a las siguientes fases del ciclo
érmico.
Figura 3. Ciclo motor de 4 tiempos
Diseño preliminar de un motor a pistón para un vehículo urbano empleado en la competencia Shell Eco-Marathon • pp. 61- Investigación
Y por último se obtiene el volumen en el punto 2
del punto 2 al 3. Se inició con el cálculo de la presión ( utilizando la siguiente ecuación: (7) Posteriormente se determinó la temperatura : (8) Y por último se obtiene el volumen en el punto 2 ( ): (9) � Del punto 3 al 4: proceso de expansión isotrópico. Está dado por la siguiente relación. En esta fase el sistema entrega trabajo. La presión, temperatura y volumen se hallan mediante las siguientes ecuaciones: (10)
Donde (kJ/kg.K) Teniendo en cuenta que el proceso se realiza a volumen constante se tiene que el volumen ( es: (12) � Del punto 4 al 1: proceso reversible a volumen constante (enfriamiento) trasmisión de calor del sistema al medio ambiente. Los cálculos para hallar la presión, temperatura y volumen en esta etapa del proceso se realizaron siguiendo las siguientes ecuaciones: (13)
(7)
ormente se determinó la temperatura : (8) ltimo se obtiene el volumen en el punto 2 ( ): (9) punto 3 al 4: proceso de expansión isotrópico. Está dado por la siguiente relación. En esta el sistema entrega trabajo. La presión, temperatura y volumen se hallan mediante las siguientes ciones: (10) (11) (kJ/kg.K) do en cuenta que el proceso se realiza a volumen constante se tiene que el volumen ( es: (12) punto 4 al 1: proceso reversible a volumen constante (enfriamiento) trasmisión de calor del ma al medio ambiente. Los cálculos para hallar la presión, temperatura y volumen en esta etapa roceso se realizaron siguiendo las siguientes ecuaciones: (13) (14) (15)
- Del punto 3 al 4: proceso de expansión isotrópico. Está dado por la siguiente relación
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En esta fase el sistema entrega trabajo. La presión, temperatura y volumen se hallan
mediante las siguientes ecuaciones:
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Donde (kJ/kg.K) Teniendo en cuenta que el proceso se realiza a volumen constante se tiene que el volumen ( es: (12) � Del punto 4 al 1: proceso reversible a volumen constante (enfriamiento) trasmisión de calor del sistema al medio ambiente. Los cálculos para hallar la presión, temperatura y volumen en esta etapa del proceso se realizaron siguiendo las siguientes ecuaciones: (13)
(kJ/kg.K)
Teniendo en cuenta que el proceso se realiza a volumen constante se tiene que el vo- lumen
los térmicos y de dinámica de gases do la siguiente ecuación: (7)
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- Del punto 4 al 1: proceso reversible a volumen constante (enfriamiento) trasmisión de
calor del sistema al medio ambiente. Los cálculos para hallar la presión, temperatura y
volumen en esta etapa del proceso se realizaron siguiendo las siguientes ecuaciones:
vez realizados dichos cálculos se procedió a realizar los cálculos térmicos y de dinámica de gases unto 2 al 3. Se inició con el cálculo de la presión ( utilizando la siguiente ecuación: (7) eriormente se determinó la temperatura : (8) r último se obtiene el volumen en el punto 2 ( ): (9) el punto 3 al 4: proceso de expansión isotrópico. Está dado por la siguiente relación. En esta se el sistema entrega trabajo. La presión, temperatura y volumen se hallan mediante las siguientes cuaciones: (10)
de (kJ/kg.K) endo en cuenta que el proceso se realiza a volumen constante se tiene que el volumen ( es: (12) el punto 4 al 1: proceso reversible a volumen constante (enfriamiento) trasmisión de calor del stema al medio ambiente. Los cálculos para hallar la presión, temperatura y volumen en esta etapa el proceso se realizaron siguiendo las siguientes ecuaciones: (13)
El volumen 4 (V 1 ) y el volumen 1 (V 1 ) deben tener el mismo valor numérico. De esta
manera se ratifica que el proceso se está realizando a volumen constante. En la figura 4 se muestra el diagrama presión- volumen del motor.
Figura 4. Presión vs. Volumen
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En la tabla 2 se resumen todos los parámetros térmicos y de dinámica de gases.
PARÁMETRO VALOR UNIDADES P 1 1.01 bar T 1 15.01 ºC V 1 9.84x10-5^ m^3 P 2 18.62 bar T 2 34.48 ºC V 2 1.24x10-5^ m^3 P 3 65.00 bar T3 1203.78 ºC V 3 1.24x10-5^ m^3 P 4 3.537 bar T 4 523.97 ºC V 4 9.99x10-5^ m^3
Tabla 2. Parámetros térmicos y de dinámica de gases
Cálculos básicos de operación y desempeño
Para analizar si la geometría establecida para este motor cumple con los requerimientos del
vehículo urbano fue necesario realizar los cálculos de operación y desempeño. Los parámetros a
destacar en esta etapa del proyecto fueron: el trabajo de compresión y de expansión, el trabajo
neto, la potencia indicada, el torque real y el consumo específico de combustible. Los resultados
obtenidos evidenciaron que la geometría planteada al inicio del diseño era la correcta y que
podría cumplir con las exigencias requeridas por el vehículo urbano si se llegara a construir. Por
otra parte, los resultados muestran cuáles parámetros deben optimizarse en un futuro para
poder obtener un motor mucho más competitivo y eficiente para la competencia. En la tabla
3 se muestra un resumen de todos los parámetros básicos de desempeño.
PARÁMETRO VALOR UNIDADES Trabajo neto 21.06 J Gasto másico de combustible 8.4x10-4^ kg/s BSFC 7.82x10-5^ kg/kWs Torque 3.01 N.m Trabajo de expansión 28.08 J Trabajo de compresión 7.025 J Potencia indicada 1263,6 W
Tabla 3. Parámetros básicos de desempeño.
Eficiencias
Estos parámetros permitieron evidenciar cuan eficiente era el motor durante su
operación a 3000 rpm. Los parámetros que se calcularon principalmente fueron: la eficiencia
térmica, la eficiencia térmica al freno, la eficiencia mecánica y la eficiencia volumétrica.
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Por su parte, para la manufactura del bulón se debe tener en cuenta que el material
usado posea suficiente solidez y resistencia al desgaste. Por este motivo, el material más
adecuado es el acero 45 de refinación selectiva, ya que garantiza que la pieza sufrirá poco
desgaste por fricción con otras piezas, esto gracias a las propiedades físicas que posee.
De igual forma, este acero le proporciona alta resistencia a los esfuerzos cortantes, lo
cual permite que el bulón no sufra daños debido a los esfuerzos a los que será sometido
[6]. En la figura 7 se aprecia el bulón.
Figura 6. Pistón: a) plano y b) esquema
Por su parte, para la manufactura del bulón se debe tener en cuenta que el material usado posea
suficiente solidez y resistencia al desgaste. Por este motivo, el material más adecuado es el acero 45 de
refinación selectiva, ya que garantiza que la pieza sufrirá poco desgaste por fricción con otras piezas,
esto gracias a las propiedades físicas que posee. De igual forma, este acero le proporciona alta
resistencia a los esfuerzos cortantes, lo cual permite que el bulón no sufra daños debido a los esfuerzos
a los que será sometido [ 6 ]. En la figura 7 se aprecia el bulón.
a) b)
Figura 7. Bulón: a) plano y b) esquema
Para el diseño de la biela, se tienen en cuenta los esfuerzos y reacciones que esta pieza debe soportar a
causa del movimiento del pistón. La biela se construirá en aluminio 2024-T4 debido a sus propiedades
Figura 7. Bulón: a) plano y b) esquema
Para el diseño de la biela, se tienen en cuenta los esfuerzos y reacciones que esta
pieza debe soportar a causa del movimiento del pistón. La biela se construirá en alu-
minio 2024-T4 debido a sus propiedades y a los esfuerzos requeridos por esta, por ser
una aleación liviana y por los procesos de fabricación a los cuales normalmente está
sometido. Adicionalmente, es indispensable hacer la selección de un rodamiento que
soporte las cargas requeridas por la biela y el pistón. En relación a esto, se determina
que el rodamiento más adecuado es el de una hilera de agujas debido a su capacidad
de carga, bajo peso, rendimiento y su mínima sección transversal [7]. En la figura 8 se
muestra la biela con el rodamiento.
y a los esfuerzos requeridos por esta, por ser una aleación liviana y por los procesos de fabricación a los
cuales normalmente está sometido. Adicionalmente, es indispensable hacer la selección de un
rodamiento que soporte las cargas requeridas por la biela y el pistón. En relación a esto, se determina
que el rodamiento más adecuado es el de una hilera de agujas debido a su capacidad de carga, bajo
peso, rendimiento y su mínima sección transversal [ 7 ]. En la figura 8 se muestra la biela con el
rodamiento.
a) b)
Figura 8. Biela: a) plano y b) esquema.
Para el diseño del cigüeñal se hizo un cálculo de equilibrio estático y dinámico, con el fin de disminuir
las vibraciones causadas por las fuerzas y momentos que puedan existir en el cigüeñal y en el motor. El
cigüeñal, se muestra en la figura 9. El material seleccionado para su fabricación es acero al carbono
1070 debido a los esfuerzos mecánicos que soporta, altas temperaturas y excelente calidad para los
acabados [ 8 ].
a) b)
Figura 8. Biela: a) plano y b) esquema.
Para el diseño del cigüeñal se hizo un cálculo de equilibrio estático y dinámico, con el fin
de disminuir las vibraciones causadas por las fuerzas y momentos que puedan existir en el
cigüeñal y en el motor. El cigüeñal, se muestra en la figura 9. El material seleccionado para
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su fabricación es acero al carbono 1070 debido a los esfuerzos mecánicos que soporta,
altas temperaturas y excelente calidad para los acabados [8].
Figura 8. Biela: a) plano y b) esquema.
Para el diseño del cigüeñal se hizo un cálculo de equilibrio estático y dinámico, con el fin de disminuir
las vibraciones causadas por las fuerzas y momentos que puedan existir en el cigüeñal y en el motor. El
cigüeñal, se muestra en la figura 9. El material seleccionado para su fabricación es acero al carbono
1070 debido a los esfuerzos mecánicos que soporta, altas temperaturas y excelente calidad para los
acabados [ 8 ].
a) b)
Figura 9. Cigüeñal: a) plano y b) esquema^ Figura 9.^ Cigüeñal:^ a) plano y^ b) esquema
El cárter se diseña teniendo en cuenta el volumen del cigüeñal y el volumen de la sección
de la biela que se encuentra al interior de esta pieza. Adicionalmente, se considera que en
el cárter se va a depositar y recircular el aceite encargado de lubricar las piezas móviles
del motor. Conforme a esto, el cárter será de tres partes unidas al bloque o cilindro del
motor, sirviendo de carcasa para las ruedas dentadas, y fijadas entre sí por un sello que
impida la salida del líquido hidráulico y la entrada de impurezas como agua, polvo y toda
contaminación posible. El material seleccionado para el diseño del cárter es magnesio,
debido a que es bastante ligero, fuerte y tiene buenas propiedades mecánicas [8]. El cárter
se muestra en la figura 10.
Figura 10. Cárter
Finalmente, basados en los cálculos, parámetros y diseño de componentes realizados,
fue posible efectuar el ensamble de todos los mecanismos, piezas y demás elementos
que conforman el motor, para lo cual fue necesario hacer la selección de algunas piezas y
modelarlas. El ensamble del motor se muestra en la figura 11.
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4. Sistemas auxiliares
Se considera como sistema auxiliar a aquellos elementos de vital importancia para el
funcionamiento del motor, que existen en la industria, que pueden ser seleccionados y
acoplados al motor diseñado.
El tanque es proporcionado por la competencia con el fin de asegurar que todos los
vehículos participantes tengan con las mismas condiciones. Para las líneas de combusti-
ble, se seleccionó la manguera EM 260 (figura 12) por su mayor presión de trabajo, radio
mínimo de curvatura, protección antiestática y porque se ajusta al diámetro requerido para
la conexión con el carburador.
Figura 12. Manguera EM 260
Para la selección del carburador, se tuvieron en cuenta factores como el sistema de
dosificación, la bomba de combustible, el peso, el sistema de arranque, las dimensiones
generales y que satisfaga las necesidades de motores con una cilindrada menor o igual
a 100 cc. El carburador seleccionado fue el Walbro WJ, el cual se muestra en la figura
13 [10].
Figura 13. Carburador Walbro WJ
La selección del sistema de encendido del motor, se llevó a cabo mediante un análisis
de los sistemas existentes en la industria, donde se consideró que el fabricado por la
compañía Walbro el más óptimo, ya que este sistema está compuesto por una bobina, la
cual va conectada a la bujía, con un interruptor de control solenoide que a su vez se une
al carburador y a una batería que le proporciona energía (figura 14) [11].
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Figura 14. Sistema de encendido
El sistema de lubricación está encargado de crear una capa de aceite en los componentes
metálicos que presentan un mayor desgaste debido a la fricción y temperaturas existen-
tes en el funcionamiento del motor. Adicionalmente, disminuye el ruido del motor, extrae
suciedades y limaduras metálicas que se producen durante la operación del motor [12].
El sistema de lubricación del motor está conformado por el cárter de aceite, el cigüeñal,
una bomba de aceite y un filtro que permite retirar las partículas de suciedad existentes
en el motor.
Finalmente, la bomba es un componente mecánico que sirve para poner en circulación
el aceite. La mayoría de las bombas reciben su movimiento del árbol de levas, sin embargo,
por la geometría y del volumen de la bomba de aceite de este motor, su movimiento lo
transmitirá el cigüeñal. Teniendo en cuenta lo anterior, la bomba que se recomienda usar
es de engranajes internos como la que se muestra en la figura 15 [13].
Figura 15. Bomba de engranajes internos
CONCLUSIONES
Del análisis geométrico realizado para el dimensionamiento inicial del motor y los
valores obtenidos al finalizar este trabajo de investigación, se concluye que las medidas
