DISEÑO DE UN PROTOTIPO COMERCIAL IMPULSADO POR AIRE COMPRIMIDO

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1 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL DISEÑO DE UN PROTOTIPO COMERCIAL IMPULSADO POR AIRE COMPRIMIDO Director: Luis Manuel Mochón Castro Madrid Agosto 2013

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7 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL DISEÑO DE UN PROTOTIPO COMERCIAL IMPULSADO POR AIRE COMPRIMIDO Director: Luis Manuel Mochón Castro Madrid Agosto 2013

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13 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Capítulo1:Objetivosdeesteproyecto Enoctubredelaño2011dosalumnosdelaUniversidadPontificiaComillasseplantean la idea de la creación de una empresa española que fabrique y comercialice una tecnología hasta ahora no explotada por el mercado de la automoción. La idea consistíaenmoverlosvehículosconlaenergíadelairecomprimido.paraellobasan sus estudios económicos y ecológicos en datos de una empresa existente que ya investigaenesteproducto. EstosalumnossonCarlosTorresanoGómezyLuisdelaOrdenambosestudiantesde IngenieríaIndustrial.ElpresentedocumentoesportantoelProyectofinaldeCarrera deluisdelaordenfresno. Laideadeambosesclarasentarlasbasesparalacreacióndeunanuevavariantede industria en automoción. Tras desarrollar dos planes de empresas vistos desde distintospuntosypresentarlosenvariosconcursosdeemprendimientoyrondasde inversoresesteproyectoescomercialmenteconocidocomoairtractycuyologotipoes eldelafigurasiguiente: Figura:1 Lasideasinnovadorasylaformadeorganizarlaempresahacequeelproyectosevea galardonadoconelpremiomastercadalnegocioresponsableobtenidoenlacámara decomerciodemadridyquedefinalistaenelprogramadelacomunidaddemadrid Comprometidos. Director: Luis Manuel Mochón Castro 1

14 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Figura:2 Figura:3 Trasestoséxitoscomoemprendedoresensupropuestadenegociohacenqueambos autorespiensencomodarlecontinuidadasuempresa.enestepuntoluisdelaorden Fresno, quien afronta en el grupo el papel de director tecnológico, indaga sobre el estado del arte de esta tecnología. Esta información y sus conclusiones pueden ser consultadas en el capítulo segundo de estado del arte de este mismo documento. Como conclusión se observa que efectivamente lo que ambos proponen ya se ha intentado llevar a cabo, sin embargo, no ha tenido demasiado éxito. Esto se debe principalmente a que en ningún momento se ha tratado de desarrollar un vehículo desdecerosinoqueloquesehaestadohaciendoesadaptarelfuncionamientodeun motorconvencionalaunsistemadeairecomprimido. PortantoelobjetivodeesteProyectoeseldiseñoydesarrollodeunmotorquepueda sercomercialparaunvehículodecaracterísticasutilitariasquefuncioneconlaenergía almacenada en unos tanques de aire comprimido. Tanques que además deberán lógicamenteirinstaladosenelcoche. Además el proyecto buscará soluciones tecnológicas desde cero y las analizará no tratará en ningún momento de mejorar o evolucionar ninguno de los vehículos descritosenelcapítulodeestadodelarte. Como principales Hitos, el proyecto desea conseguir un propulsor integrable en un vehículodecaracterísticasutilitariascomolos delassiguientesfiguras,cadaunoen Director: Luis Manuel Mochón Castro 2

15 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido sus cuota de mercado, con una autonomía de unos 200 km y par necesario para desplazarelvehículo. Figura:4 Figura:5 Como se puede observar el proyecto se centrará en obtener una tecnología no contaminanteparatransporteinterurbanooengrandesinstalacionesdepersonaso pequeñasmercancías. Director: Luis Manuel Mochón Castro 3

16 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Director: Luis Manuel Mochón Castro 4

17 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Capítulo2:EstadodelArte: La tecnología neumática es un invento muy utilizado en la industriaactualmente en aplicaciones para accionamientos y partes móviles en maquinaria sobre todo para aquellasquenorequierengrandesfuerzasperosigranvelocidadyprecisión. Elairecomprimidocomovectorenergéticonohatenidogranexpansiónensuuso,si cabe actualmente se está usando como almacenamiento de energía mediante el llenadodecavernasprofundasagranpresiónqueposteriormenteseexpandeenuna especiedeturbinadegas. Enelámbitodeltransportetambiénhanexistidoaplicacionesaunquenoesunmedio energético usado en la actualidad. A finales del siglo XIX ya existían primeras aproximaciones a lo que podría llegar a ser un día un vehículo propulsado por aire comprimido,conlallegadadelasprimeraslocomotorasneumáticas.inclusodossiglos antes,denisepapinalpareceryatuvolaideadeusarelairecomprimido(royalsociety London,1687) ElprimervehículodeairecomprimidoenFranciafueconstruidoporlosfranceses AndraudyTessiedeMotayen1838.Uncochecorriósobreunapistadepruebasen Chaillotel9deJuliode1840,funcionóbien,peronocontinuaronconlaidea. En1872elmotordeaireMekarskifueusadoparaeltránsitourbano,enformadeun pistóndeunasolafase.representóunavanceimportantísimoenlosmotores neumáticosporelusovanguardistadelatermodinámicaqueproponíael calentamientodelaireatravésdetanquesdeaguahirviendo,aumentandosurango deautonomíaentrelascargas.sefabricaronnumerosaslocomotoraseinclusose abrieronvariaslíneasregulares(laprimeraennantes1879). LaslíneasMekarskitambiénfueronconstruidasenotrasciudadesdeFrancia:Vichy (1895),AixlesBains(1896),LaRochelle(1899),ySaintQuentin(1901). En1890LaH.K.PorterCompanydePittsburg,queyafabricabalocomotorasdesde 1866,produceunalocomotoraquefuncionabaconairecomprimido,comoyahemos vistoporternoeslaprimerempresaqueproduceestaslocomotoras,perosíque fueronlosprimerosenaplicarestatecnologíaparalaindustriaminerayquímicaporla seguridadqueestemétododepropulsiónrepresentabaparasususos,porejemploen 1896enVivian,W.V.,enNuevaOrleansyparalaWesternRailroad(paracamposde algodón). EnelmismoañoPortertambiénproveyódiezcochesdeairecomprimidoal Director: Luis Manuel Mochón Castro 5

18 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido EckingtonSysteminWashington,D.C.;paraellocolocaronuntanquedelantedelmotor quesepodíarecargar. Desde1890hasta1902enBern/Suizacircularon10tranvíasquefuncionabanconaire comprimido. En1892,RobertHardieintrodujounnuevométododecalentamientoqueaumentaba almismotiempolaautonomíadelmotor. Huboqueesperarhasta1896cuandoHoadleyKnightintrodujolaprimeralocomotora detransporteurbano.secentróenelprincipiodequecuantomásseaguantaelaire enelmotor,mástiempotienequeabsorberelcalor,queincrementalaautonomía. Porestemotivoseintrodujoelmotordedosfases. ACharlesB.Hodgesselerecordarásiempreporserelverdaderopadredelconcepto delairecomprimidoaplicadoauncoche.fuelaprimerapersonaquenoúnicamente inventóuncocheconunmotordeairecomprimidosinoqueencimatuvoun considerableéxitocomercial. Mástarde,en1912elmétododelestadounidensefuemejoradoporloseuropeos añadiendounanuevafasedeexpansiónalmotor(3fases). En1925ydespuésdeañostrabajandoenunsistemaparaconducirunautomóvil propulsadoporairecomprimidolouisc.kiser,de77añosprocedentededecatur (E.E.U.U.)consiguióconvertirunmotordegasolinaenunsistemadeairecomprimido. Kiserquitóelcircuitodelagasolina,laculata,elsistemaderefrigeraciónporaguayel sistemadearranque,substituyéndoloporunaculataespecialyuntanquedeaire comprimido. En1926LeeBartonWilliamsdePittsburg(EEUU)presentósuinvento:unautomóvil quefuncionabaconaire.elmotorarrancabacongasolina,perodespuésdehaber alcanzadounavelocidaddediezmillasporhora(aprox.16km/h)lafuentedegasolina seapagabaycomenzabaatrabajarelaire.enlaprimerapruebadesuinventologró unavelocidadde62millasporhora(aprox.100km/h). LaprimeralocomotorahíbridadeDieselyAireComprimidollegóen1930enAlemania. Laspresionesdelaindustriadelpetróleoenelsectordeltransporteerancadavezmás grandesylociertoesqueconsiguieronbloquearlainvestigaciónenestecampo. Director: Luis Manuel Mochón Castro 6

19 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido EnEnerode1932sepublicóloquepareceserelprimerartículoperiodísticodedicado auncochequefuncionaconairecomprimido. En1934JohannesWardenier,de21años,anuncióeldesarrollódelprimerautomóvil sincombustibledelmundo.durantesemanaslosperiódicosholandesesdivulgaronla increíbleinvenciónquecambiaríaelmundoparasiempre.pocodespuésdela divulgacióndelanoticia,johannesfuemisteriosamenteencarceladoenunainstitución mental,eldiseñodelmotorfuerobadoyélfuepuestobajovigilanciaconstantesin permitirlevernuncaanadie. Tiempodespués,cuandosuideadeunmotorquefuncionabaconaireyahabíasido olvidada,johannesesenviadoauncampodeconcentracióndondepermanehasta pocotiempoantesdesumuerte. Segúnsudiseñoelairecalienteerapresionadoenunmotorqueconteníaunnúmero decilindros,lamitaddeloscualesbajabancuandolosotrosselevantaban.comoen unmotorordinario,elcigüeñalforzabaunmovimientorotativo.ladiferenciaprincipal eraqueelairedespuésdehaberpasadoatravésdeloscilindros,volvíaapasarotra vezmedianteuncompresorenellado,causandounacirculacióncontinuaygenerando unmovimientoperpetuodurantetresmeses. TraslaIIGuerraMundialeltérmino"motordeaire"nuncasevolvióausarenloslibros detextodeairecomprimidoylocomotorasneumáticasy,sisemencionabasedecía queeranmotorespocoválidosoeficientes. Enlosaños70JoséP.Troyandiseñóunvolanteaccionadoporairequepodría propulsarunautomóvilusandoelprincipiodela"amplificacióndelcocientedel movimientoenunsistemacerrado."el AirMobile detroyan(patenteno de EEUU)fueunidofácilmentealosgeneradoreseléctricosparacrearunsistemaviable deenergíanocontaminante. Miinventosimplementeutilizalafuerzamásgrandede lanaturaleza:lapresióndelaire comentótroyan. En1970WillardTruittpresentósuinvenciónenlasMcKeesRocks(EEUU).Perodebidoa quenodisponíadelosmediosfinancierosparadesarrollarsucochedeaire,cediólos derechosdesuinventoalanasayalejércitodeloseeuuen1982. Despuésdeverlasbombasdevaporenlasrefinerías,RusselR.BrowndeTejas comenzóapensarenlaideadeunmotoraccionadoporaire.veinteañosmástarde, en1974,suinvenciónfueacabada.browndeclaróquesumotornopodríafuncionar solamenteconaireperopodríasersupropiafuentedeenergía. Lacontaminaciónes Director: Luis Manuel Mochón Castro 7

20 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido algoquenosmolesta,peromimotornohacemásdañoalairequesiustedinflaun neumáticoylosueltaotravez,comentababrown. Enenerode1975Sorgato,enItalia,propusoelmotordeairecomprimidocomouna fuenteviableyunaalternativaalcocheeléctricoparausoindustrialyurbano.el primermodeloexperimentalteníanuevebotellasdeairecargadasa2840psiporun compresorexterno.lavelocidadmáximadeestesilenciosoynocontaminante vehículofuede50km/h.conunaautonomíadeaproximadamentedoshoras. En1976RayStarbarddeVacaville,California,desarrollóuncamiónaccionadoporaire comprimido.raysentíaquehabíainventadoelsistemadeenergíadelfuturo,un sistemaquerevolucionaríalaautomociónanivelmundial.'eselcochedelfuturo,no tengoningunadudacomentabastarbardytododebidoalregalomáspurodela madrenaturaleza:elaire. En1979,TerryMillerdeterminóqueelairecomprimidoeraelmediode almacenamientodeenergíaperfecto.desarrollóelaircaronequeconstruyópor $1500ylopatentó.LosmotoresdeTerrydemostraronqueerafactibleconstruirun cochequefuncionaraconairecomprimidoypatentósumétodoen1983(us ). En1980CarlLeisslerdesarrollóunmotorquepodíafuncionarconaire.Estehorticultor jubiladohabíaestadotrabajandoensugaraje,enhollywood,durantemásde15años. Decíaqueparausarsumotorenuncochesedebíausarunapequeñafuenteeléctrica odegasparaayudaralcompresordeaire. Debemossercapacesderecorrer2000 millasconungalón(3.200km.con5litrosaprox.),yaqueelaireesenergíaensi mismo,decíaleissler. BajolasmiradascuriosasClaudMeadcondujosucochedeairecomprimidoatravésde lascalles.elobjetivodeestecocheeraahorraralosmotoristasamericanoslos infortuniosdelagasolina.laversióngrandedelcochepodríarecorrerconeltanque llenohasta1.300km. ElinventorAustralianoDesHillhabíaestadotrabajandoenunmotordeaire comprimidodurantetreintaaños.elcompresordeairequetrabajabacuandoelmotor funcionaba,seaseguraríadequeelcilindrofuerallenadotodoeltiempo.asíelmotor dehillrealizaríaelprincipiodelmovimientoperpetuo. Director: Luis Manuel Mochón Castro 8

21 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido GeorgeMillerdijoqueelcochedeairequeélhabíainventadoen1984funcionaría parasiempre.millerprevióquesuinventopodíaserlasoluciónallosproblemasdel combustibleylacontaminación,asícomoelfinaldelaguerraenorientemedio.este mineroyalbañiljubiladode58años,procedentedejohnstown(eeuu),utilizóun motordetamañomedio(4cilindros)deunviejoopelde12años. Losmotoresdearranquedelaviónjetqueusabanelairecomprimidocomo combustibleproporcionaronlaúnicaenergíaparaestecochedecarrerasexperimental dephoenix,e.e.u.u.,quecubrióen9segundoselrango cuartodemilla (aprox. MedioKm). Enmayode1987unartículofuepublicadosobreelinventorRicardoPerezPomarde Miami.Elviejoingenieroneumáticode61años,originariodeCubaanuncióhaber desarrolladounmotorquecontinuamenteseiríarellenandodelairequeusapara funcionar. Estamáquinapuedeestarenfuncionamientototaldurantemesesymesesantesde quehayaquerellenareltanquedemaneraartificial",prometíapérez. Hastaelaño1987laempresaArnoldJungLokomotivenfabrikGmbH/Alemaniaprodujo locomotorasdeairecomprimidoparaelusoenminas/pozos.enlosaños80delsiglo 20laempresatodavíavendíayrenovabalocomotoras. ActualmentelaasociacióndetranvíasdeBern(BTG)construyeunalocomotorasegún losplanesantiguos;supuestamenteestarálistaen2010. EnlaactualidadElrevolucionariomodeloMDIAIRPodfuepresentadoenpúblicoen Franciaysegúnsuscreadoresescapazderecorrerhasta125millasconunasolacarga deairecomprimidoauncostonosuperiorde$2porcarga.elmdiairpodtiene capacidadparacuatropasajerosypuedealcanzarunavelocidadmáximade45millas porhora,másquesuficienteparaelusotípicoenlamayoríadelasgrandesciudades delmundo. Director: Luis Manuel Mochón Castro 9

22 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Figura:6 Mismascaracterísticastécnicasperodistintosmodelos: Figura:7 Estosvehículoscuentanconladesventajadeusarunmotordepistonessimilaralde unvehículodegasolina.esteproyectoloquepretendeeseldiseñocompletodeun modeloquepuedasercomercializableymejoreelrendimientoylasprestacionesde esteautomóvilmedianteelempleodeunmotordecilindradavariable. Director: Luis Manuel Mochón Castro 10

23 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Capítulo:3 Necesidadesytecnologíadepartida.Estudiopreviodediversos: Tecnológicamente el esquema del prototipo a implantar en un vehículo de las característicasdelapartadoanterioreselsiguiente: Figura8 Losepretendeescontarconunosdepósitos,enprincipiocincosegúnlanormativa explicadaenelapartadodedepósitos,cargadosaunapresióninicialde350bares.en elmotorseproduciráunaexpansióndelairedesdelos350baresaunapresióninferior lomáspróximaalaatmosféricaposible.v1,v2,v3,v4yv5sonportantoválvulasde controlquecomunicancadadepósitoconelmotor.elsentidodeestesistemaestener posteriormente la opción de trabajar con un sistema de frenado regenerativo. La autonomíadeldepósitoyelmododetrabajodelmotorserápensadoparaqueelpar seaconstantedurantetodasuautonomíaindependientedelapresióndeldepósitodel queseestéalimentando.portantoelmotordebecumplirlossiguientesrequisitos: Ser capaz de admitir 350 bares de presión con el correspondiente dimensionamientoqueestoconlleva. Ser capaz de autoregularse con el fin de ofrecerle al cliente las mismas prestaciones de Par y por tanto de potencia independiente de la presión Director: Luis Manuel Mochón Castro 11

24 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido instantánea de los depósitos. Lo que nos hace casi inevitable diseñar una geometríavariable. Simplicidad del mecanismo, cuanto más simple sea más económico será fabricarloyserámásrobusto. Elfluidodetrabajoescompresible,portantonecesitamosundiseñoquesea capaz de admitir volúmenes de aire determinados a presión y emplear el trabajoproducidoporlaexpansióndeestegasparamoverelmotor. Por supuesto dado la naturaleza de la tecnología debemos pensar en un sistemadefrenadoregenerativo. Motoresestudiadosparalaadaptacióncomomotorneumático. Motoralternativodepistón(MCIA): EstaeslatendenciaquehastadondesehapodidoinvestigarsiguelaempresaMDIen lafabricacióndesuvehículoneumático.lógicamenteesposiblelaadaptaciónyel dimensionamientoparaconseguirmoverlospistonesconpresióndeaireynoconla combustión. Sin embargo este método presenta inconvenientes por los que descartaremoselmotor. Necesidad de una válvula reductora de presión que regule la presión de entradaalmotor,conlacorrespondienteliberacióndeenergíaenlaválvula. Importantescomplicacionesparaconseguirqueelmotorlleneunvolumende admisión y posteriormente con este cerrado y fijo, inicie la carrera de expansiónporquedenoserasíestaríamostirandoalaatmósferaaireaalta presión. Complicaciones para conseguir la cilindrada variable y hasta ahora ningún sistemadelosexistentesescapazderegulardesdecilindradacerohastala máximo, siempre obtenemos un valor mínimo alto para nuestro funcionamiento. ElesquemadeestatecnologíamontadoporlaempresaMDIeselsiguiente: Director: Luis Manuel Mochón Castro 12

25 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Figura9 Además las prestaciones publicadas por este fabricante requieren de un calentamiento previo del aire, calentamiento que requiere un aporte extra de algúntipodecombustible,porloestatecnologíaválidaono,noeselhitoque sigue este proyecto de construcción de un vehículo autónomo mediante aire comprimido.por otro lado noconsideramos laopciónde calentarelaire para expandirlo,yaqueañadircaloralsistemasuponeunainevitablepérdidadeenergía yaquecomoestablecelatermodinámica,paradelcalorañadidoseconvierteen trabajoperoesinevitablecederpartedeestealfocotérmico. MotorRadMax: En principio diseñado como motor de combustión interna también es posible su aplicacióncomobombaocomocompresor.elmotorpresentalasiguienteapariencia: Figura:10 Director: Luis Manuel Mochón Castro 13

26 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Básicamenteesunmotorde4tiemposyafechadehoyesunprototipodelaempresa Reg Technologies Inc. / Regi U.S. In. Ya que aun no están definidos elementos básicos como ciertos materiales de los cierres y sistemas de refrigeración posibles. Su esquema de trabajo es el siguiente: Figura:11 Brevementeelfuncionamientodelmotor sellevaacaboporlasexpansionesque tienenlugarentrelaspaletasdelrotorgraciasalasvariacionesdevolumenproducidas porlosdosplatosdelevasrojosmientrasgiraeleje.losmotivosporlosquenose tomaestemotorcomotecnologíadepartidadetrabajosonbásicamentelosmismo queelanteriordegasolina,pornohablardetratarseendefinitivadeunmotordetipo experimental. Quasiturbina: Comoelanteriorseencuentraaúnendesarrollo.LaQuasiturbinaseempleadehecho comomotorneumáticoenaplicacionesdemenorpotenciacomopuedeserunamoto sierraodemásmaquinariadecampo.suesquemaeselsiguiente: Director: Luis Manuel Mochón Castro 14

27 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Figura12 Enestecasosedescartaporqueesunmotordeflujoconstanteyporlascondiciones denuestroproblemanovamosapodertenerflujocontanteenningúnmomento.la únicasoluciónposible paralaadaptacióndeestemotoreseldiseñodeuna pre cámara que adapte las condiciones de entrada del fluido. Sin embargo esto en la prácticaconllevaeldesperdiciodeenergíayaquesuponeunapreexpansióndelgas delaquenopodemosaprovecharningúntipodetrabajo. RoundEngine: Es un motor constituido por dos pistones rotativos. En principio pensado para un motordecombustiónenprecámarayaqueestanoseencuentradirectamentedentro deltoroidedelqueestacompuestoelnúcleodelmotorsegúnlafigura13. Director: Luis Manuel Mochón Castro 15

28 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Figura:13 Comoenloscasosanterioresvemoslaimposibilidaddeadaptarelparmotorala presión que tengamos en el depósito en cada instante y que se irá reduciendo a medidaqueelvehículovayahaciendorecorrido.laúnicamaneracomoenelcaso anterior sería ir adaptando el volumen de la precámara de combustión lo que produciríacomoenlaquasiturbinaunaimportantepérdidadetrabajodeexpansión. MotorHidráulicodepistonesaxiales: Hastaelmomentocomoyasehaidocomentandoenestetrabajolaindustriaaoptado porintentaradaptarelmotortípicodecombustióninternaalfuncionamientoporaire comprimido. En principio esta metodología de trabajo presenta las limitaciones descritas anteriormente. Por ello en este proyecto final de carrera se tomará la alternativadecentrarnosenlatecnologíaneumáticayoleohidráulicaadaptandoesta alaautomoción.paraellonosvamosacentrarenmodificarunmotoryaexistente,el motordepistonesaxiales,paraquetengaunfuncionamientoenvezabasedepresión deaceite,abasedepresióndeaire. Lógicamentesetratarádeunmotordepistonesaxialesconlainclinacióndelplato variableyaquenecesitamoscilindradavariable. Elmotorpresentaundiseñocomoeldelafigura8,quehasidodibujadousandoel software comercial SolidWorks, software que se empleará para todos losdiseños mecánicos. Director: Luis Manuel Mochón Castro 16

29 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Figura:14 Figura:15 Constructivamente el motor de pistones axiales está compuesto por una serie de pistonesqueapoyansobreunplantoinclinadoquedandocolocadoenformadecírculo yalojadosenelinteriordeunbloquequegiraconellos.algirareleje,yconelloel bloquedepistonesalqueessolidario,lospistonesentranysalendelbloquehaciendo variarelvolumendelascámaras.cuandoelbloquedepistonesgiramediavueltay arrastraunpistóndesdelaposiciónsuperioralainferiormostradaenlafigura,su correspondiente cámara volumétrica aumenta,lo que exige que todas las cámaras volumétricasquerecorrenesetrayectorealicenunaentradadefluido.estoesposible graciasalamediacióndeunadelasranurasarriñonadasdelplatodistribuidor,lacual Director: Luis Manuel Mochón Castro 17

30 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido estáconectadaalatuberíadeentradadelamáquina.laotraranuraarriñonadadel platodistribuidorestáconectadaalconductodesalidayestohaceposibleelflujode salidadelascámarasvolumétricascuandosereducesuvolumendurantelaotramitad delgirodelbloquedelospistones.dadoquelascámarasvolumétricassiempreestán permanentemente variando su volumen, latransición de la comunicación entre las ranurasarriñonadasdebeserinstantáneo,loqueexigequeladistanciaentredichas ranurascoincidaconeldiámetroddelospistones.elesquemamecánicogeneralesel siguiente: Figura:16 Este mecanismo inicialmente desarrollado como bomba hidráulica puede trabajar perfectamentecomomotorcomosedemostraráahora. Parajustificarlosometeremoslamáquinaaunapresióndiferencialycomprobaremos queseproduceelgirodelbloquedepistonesenelsentidocompatibleconelprincipio dedesplazamientopositivo,estoes,aquelenelquelascámarassometidasalamayor presión(++)delaentradaaumentandetamañoylasdemenorpresión(+)disminuyen devolumen,estandoéstascomunicadasconlasalida.porsimplicidadconsideraremos una máquina constituida sólo por dos pistones en posiciones diametralmente opuestas, pero fuera de los puntos donde las cámaras volumétricas son máximas ymínimas, pues ahí la máquina es irreversible cinemáticamente. En ausencia de rozamientoentrelospistonesyelplatodistribuidor,lafuerzadeinteracciónplato pistónesperpendicularaambassuperficiesy,portanto,perpendicularalplato.la componentehorizontaldedichafuerzaestádadaporelproductodelapresiónenla cámara(p++óp+)poreláreaadelpistón,estoespa.lafuerzatotaldeinteracción será pa/cos a y su componente vertical, y por tanto perpendicular al eje (pa/cosa)sena=patana. Director: Luis Manuel Mochón Castro 18

31 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Figura:17 a) Fuerzatotaldelospistonessobreelplato. b) Componentesyfuerzatotaldelospistonessobreelplato. c) Fuerzasdelplatosobrelospistones. Estemotorpresentalassiguientesventajasquehanhechoquehayasidoelegidocomo baseparaeldesarrollodelatecnología: Escapazdetrabajarconpresionessuperioresa350bares. Presentagraciasaunsistemadeinclinaciónvariabledelplatolaposibilidadde regularelvolumendeadmisiónyportantolacilindradadelmotorencada punto. Lo que conseguiremos haciendo esto es, lograr mantener un par constanteylograrqueelusuariopuedaacelerarydecelerarelmotorcomosi setratadeunvehículodecombustión. Setratadeunageometríanodemasiadocomplicada Setratadeunmecanismoyaconstruidoyprobadoennumerosasaplicaciones delaindustria. A pesar de todas estas ventajas que presenta el motor de pistones axiales, será necesarioadaptarytenerencuentaimportantesmodificaciones. Elmotorinicialmenteestádiseñadoparatrabajarconaceitequeesunfluido incompresible,sinembargo,esnecesariollevaracabounprofundoestudiode Director: Luis Manuel Mochón Castro 19

32 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido latermodinámicadeexpansióndelaireydelarelacióndevolúmenesnecesaria paraqueelaprovechamientoenergéticosealomejorposible. Debemosrediseñarelplatodistribuidordelmotor,debidoaqueenelcasode trabajoconaireapresiónlaadmisióndelmotornopuedeestarconectada constantementeconelmotorporqueloqueestaríamoshaciendoseríatirar airecomprimidoapresióndeldepósito. Director: Luis Manuel Mochón Castro 20

33 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Capítulo4:Recargadelvehículo,Compresor Comoyahasidocomentadoenesteinforme,elfuncionamientodelvehículoestá basadoenelaprovechamientodelaenergíaalmacenadaentanquesodepósitosde aireapresión.estostanquestendránunvolumende250litros.paraelloserequiere delempleodeuncompresorqueseacapazdesuministraraireaunapresiónde350 bares. Con estas características tendremos varias opciones las cuales se elegirán dependiendodelasnecesidades.paraesteestudio,sehaelegidoelfabricantealemán decompresoresbauer. Figura:18 Porlapresióndetrabajoylascaracterísticasnecesariasdecompresiónsenecesitaun compresorporetapasdepistón.aproximadamenteestaremoshablandodeunostres etapas.porsupuestodispondremosdeenfriamientodelfluidoentreetapasconelfin demejorarelbalanceenergéticodelacompresión.elfindeestosmecanismoses conseguirunacompresiónlomásisotermaposible. Una vez comentados los detalles pasaremos a analizar los modelos de Bauer que puedenserútilesparaelproyecto. PROPUESTA:BAUERS30 Lascaracterísticaspublicadasporelfabricantesonlassiguientes: Modelo Motor Presión de trabajo S30 Corriente alterna Director: Luis Manuel Mochón Castro 21 Potencia Medidas(mm) Bar kw A H L kg 200/350 1, Comopodemoscomprobarsetratadeuncompresormonofásicoidealpararecargaen domiciliosprivados. Peso neto, aprox.

34 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Figura:19 Ademásestecompresorescuentanconlassiguientescaracterísticas: Respetoalmedioambiente Graciasaunsistemaderefrigeraciónaltamenteefectivo,elcompresorS30 operasinagentesrefrigerantescontaminantes. Operaciónsegura Laválvuladeseguridad,homologadadeacuerdoalasexigenciasdelserviciode inspeccióntécnicaalemántüv,garantizaunaseguridadtotalenelproceso.el sellogscertificaesteestándardealtacalidad Estecompresorcomosehamencionadoesidealparausosdomésticosparticulares.El problemaseplanteaeneltiempoderecarga,queseprolongadurantevariashoras.de hechoelcompresorestápensadopararecargararmasdeairecomprimido,porloque escapazdetrabajarconlaspresionesqueserequierensinproblemasypodríacargar el coche, pero sin embargo no desarrolla altos caudales por lo que el tiempo de recarga sería altísimo. Sin embargo se ha decidido presentarlo para plantear la posibilidaddeunsistemamonofásicoinclusiveconposibilidaddeserincorporadoen elvehículoyaquepesaúnicamente37kg. Director: Luis Manuel Mochón Castro 22

35 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Comosecomentaenelapartadodelplandeempresayenlosobjetivosdelproyecto estatecnologíasediseñaprincipalmenteparagrandesflotasdevehículos,porloque notienedemasiadosentidorealizarcálculosconcompresores domésticos enestos centros no es extraño disponer de grandes compresores industriales y equipos industrialesdetratamientodeaire.ademássecompruebaqueamedidaqueesmayor elcompresormejorasurendimientoporloquemejoraráelrendimientoglobaldel conjunto. Porelloseestudiarámásenprofundidadlascaracterísticastécnicasylasprestaciones deotromodelodebauer,eli Figura:20 Director: Luis Manuel Mochón Castro 23

36 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Cuyoesquemaycortelopodemosverenlafigurasiguiente: Figura:21 Lafichatécnicaeslasiguiente: CaudaldeaireLibre: Presiónmáximadetrabajo: PotenciadeMotor: Potenciaconsumidaalapresión máxima: Tipo NºEtapas. EnfriamientoIntermedio 420l/min 350bar 11kW 9,6Kw Pistón 3 Sí. Contodoestoserealizanlossiguientescálculosobteniéndosediversosresultadosque serán empleados aposteriori en elcálculodelrendimiento totaldelciclo de esta novedosatecnología. Director: Luis Manuel Mochón Castro 24

37 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Q Q P Densidad Gasto Másico Masade llenado Tiemporecarga compresor Tiempo W_compresor l/min m3/s kw kg/m3 kg/s kg s h Julios 420 0, ,6 1,2 0, ,4 5,0,E+07 Detallesatenerencuentaenloscálculosdelatablaanterior: Lamasadellenadoesde44kgdebidoaqueelmotorhasidopensadopara llevarlosdepósitosinicialmentecargadoa350ytenerautonomíahastaquela presión se situe en 200 bares, por lo que la recarga habitual del vehículo exceptuandolaprimeradesuvidaútillógicamenteserádesde200baresa350. Eltiempoderecargasesituaen1,4horas.Sinembargodisponiendodeun depósitoadecuadolarecargapodríadurarminutos,obien,existemodeloscon potenciademotorsuperioresquenospermitiríanrealizarlarecargaenun tiempomuyinferior. Debido a la baja temperatura que alcanza el aire en el motor cuando se descomprime,esnecesarioincorporarunequipodesecadodelaireparano tenerproblemasproducidosporlaaparicióndehieloenlasalidadelmotor. Costesoperativosydeoperación: Costederecargaactualmente=13,44KW.h*0, /KW.h=2 Fuentedecostesenergéticos: Figura22 Director: Luis Manuel Mochón Castro 25

38 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Director: Luis Manuel Mochón Castro 26

39 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Capítulo5: Necesidadesdeparypotenciaparavehículourbanoyanálisisdelas hipótesisdeestudioasumidas Enestecapítuloprocederemosaunanálisisdinámicodenuestrovehículoejemplode estudio,eltoyotayarísdelafiguraenunascondicionesdetrabajoquesupondremos seránalasqueseenfrentenuestroprototipo. Figura23 Lahipótesisinicialdetrabajoalaquenosenfrentamosesqueunvehículodeestas dimensionesasumiendosumismocoeficientedepenetracióndelairec x yreduciendo lamasaportratarsedeunvehículomássimpledelos1055kgquetoyotadicetenerel Yaríscomerciala900Kg. Otra hipótesis asumida es el desarrollo de 60 Km/h con una pendiente del 3% prestaciones que parecen más que suficientes para un vehículo Urbano o de desplazamiento en el interior de grandes instalaciones tales como aeropuertos, grandesindustriasovigilanciadeparquesyparkins. Resumiendolosdatosdepartidason: - Pendientedeun3% - Velocidadmáximade60Km/h Director: Luis Manuel Mochón Castro 27

40 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido - CarroceríaToyotaYarís(VerFoto)Cx=0,30 - masa=900kg Como cualquier problema físico en el que tenemos un vehículo rodando el diagramadecuerpolibrequepresentaeseldelafigura12: Fdrag Froz Neumáticos Peso Figura24 Como podemos observar tenemos el peso que se descompone en dos componentes,paralelaalplanoinclinadoyperpendicularalmismo,lafuerzade rozamientodelosneumáticosyporúltimoeldragocoeficientederesistenciacon elaire. Secalcularáelvalordeestasfuerzasparanuestrocasoparticular. - Pesodelvehículo: P=m.gtomandog=9,81 Descomponiendoenverticalyhorizontaltenemosque: P x =m.g.sen() P y =m.g.cos() Siendo x elejeparaleloalplanoe y elperpendicular Director: Luis Manuel Mochón Castro 28

41 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido - Fuerzadrag: Lafuerzadefrenadoproducidaporelrozamientodelaireenunacarroceríatienepor expresión: Paraloscálculossupondremosque ysudensidad 1,169Kg/m 3 Respectoaladefinicióndeáreaproyectaquedaexplicadaenlafigura13: - Figura25 Ennuestrocasoporfaltadedatos,tomaremoscomoareaproyectadalacalculada enlafigura14,siendosuvalorde0,00259m 2 Figura26 - Fuerzaderozamientodelosneumáticosconlacarretera: Elrozamientodeunosneumáticostípicosempleadosenautomoción(neumáticosin cámararellenodeaire)siguelasiguienteexpresión: m=masadelvehículo. g=constantedegravedad. =Coeficientedefricciónindependientedelavelocidad. =Coeficientedefriccióndependientedelavelocidad. =Velocidaddelvehículo. =Ángulodeinclinacióndelterreno. Director: Luis Manuel Mochón Castro 29

42 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Tambiénobtenemoslasiguienterelación: Kesunvalorconstantequedependedeltipodeneumáticoydelavelocidadsegún lagráficadelafigura15: Figura27 EnnuestrocasoelegimosunvalortípicodeK=0,017paraunneumáticodiagonal. Esteeselcasodeunterrenoasfaltadoenseco. - DeduccióndelParapartirdelasfuerzas: Fr= Ri=Relacióndetransmisiónenlamarcha i =RendimientoTotaldelaTransmisión Partiendoqueelprototipoinicialnotienecambio,luegolarelaciónes1:1tenemos quelaexpresióndelpares: Director: Luis Manuel Mochón Castro 30

43 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Resultadosyconclusiones: Fviento 126,32 N Fruedas 149,87 N Fpeso 263,46 N Farrastretotal 539,65 N YenconclusiónhastadondenosotrosnosinteresaelParmotornecesarioseríade: Me 107,87 N Director: Luis Manuel Mochón Castro 31

44 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Director: Luis Manuel Mochón Castro 32

45 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Capítulo6:Cálculosdelprototipoprimero.Análisisdeprestaciones Segúnlasconclusionesdelcapítulotercerodeesteproyectoelprimeraversióndel diseñodelmotoressimplementehacerfuncionarelmotordepistonesaxialesconaire comprimido.elmotorelegidoquepodemosverloenlafigura16,queesunmotorde pistonesaxialesconelplatoinclinadoconlaposibilidadderegulardichainclinación. Figura28 Elfuncionamientonormaldeestemotorestáresumidoenlaseccióndenominada motordepistonesaxiales delcapítulotercero. Comoyasehacomentadodichomotorpresentaunplatodistribuidorqueseparala entradadelaceiteaaltapresiónconlasalidadeesteabajapresión(enelcasode funcionamientocomomotor).esteplatodistribuidorpresentaelaspectodelafigura 17yvacolocadojustodefrentealospistones.Estediseñoesnecesariomodificarlo porquenosotrosnopodemospermitirnostenerentradaconstantedefluidoalmotor. Director: Luis Manuel Mochón Castro 33

46 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Figura29 Necesitamos el motor admita al pistón un volumen determinado de aire que lo expresaremosenmm 3 cierrelacámaradeadmisiónyeltrabajolohagaenbasea expandir dicho aire. Por ello la admisión debe ser puntual en principio como la máquinahidráulicaenelpuntomuertosuperiora=0º Dimensionaremoselmotoratendiendoadiversoscriterios.Enprincipiocomoexpresa laecuacióndelafigura10delcapítulo necesidadesytecnologíadepartida sabemos quelafuerzaconlaqueelpistónempujaráelplatoyportantoproducirápardepende delapresiónydeláreadelpistón.lapresiónsabemosqueinicialmenteseráde350 bares,portantolasiguientevariableeselárea.lógicamenteparaunapresióndadaa mayoráreamayorfuerzayportantomayorperosinembargo,amayoráreamayor volumen de admisión para la misma carrera y menor autonomía. Por tanto es necesarioalcanzaruncompromiso.almismotiempolaexpansióndelaireenelmotor seconsideraráadiabáticayaquealserunaexpansiónrápidanodatiempoenelmotor aqueentrecalordelentornoalgas.sinembargolaexpansiónquetienelugarenel depósitoseconsideraráisotermayaqueesunaexpansiónquetienelugarduranteun tiempolargo,ademásqueeldepósitonocuentaconningúntipodeaislantequehaga quehagaquenofluyacalorhaciasuinterior,dehechonosinteresaquefluyaesecalor yaqueasíconseguimosextraerunmínimodeenergíadelambiente. Portantolasleyesquevanagobernarlaexpansiónquetienelugarenelmotor,serán siguiendounapolitrópicadeexponente=1,4yestasson: Director: Luis Manuel Mochón Castro 34

47 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Siendo: =Temperaturadesalidadelmotor. =Temperaturadeentradaalmotor,consideradaconstanteeigualaladeldepósito porlascondicionesanteriormenteexplicadas. Volumendeadmisióndelmotor. =Volumenfinaldeldepósito. Presióndeentradaalmotor,presióninstantáneadelcalderín. =Presióndesalidadelmotor,seoptimizaráparaquesealomásbajaposible. Porotrapartetenemoslaley mecánicaquegobierna elpar del motor para cada pistón: Siendo, Medidadelradioformadoporelcírculodepistones. Ánguloenelqueseencuentraelpistónrespectodelavertical. =Ángulodeinclinacióndelplatodondeapoyanlospistones. D=Diámetrodelpistón. Portantosetienen lassiguientesvariablesanteriores enelproblemaalahorade dimensionar el motor. Algunas de ellas se las ha asignado valores y otras han sido calculadas en función del resto. Después se han hecho varias simulaciones de los parámetrosutilizandoparaelloelprogramaees : Director: Luis Manuel Mochón Castro 35

48 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Figura30 LaeleccióndeestesoftwareendetrimentodeotroscomoMatlab esquevienecongran cantidad de funciones termodinámicas implementadas para el estudio de gases y de fluidos, y en el caso de este problema nos interesa todo el paquete de funciones relacionadasconelaire,yaquenospermitecomputacionalmentellevaracabocálculos conmodelosrealesdelaire,idealesoperfectos. Lasasignacionesdevariablesylassuposicionessonlassiguientes: Variable 22,5º Comohemosvistoelpardependedelatangentedeporloquenosinteresaqueestaseal máximaposible.sin embargonopodemossuperarunvalormáximopor lubricaciónyaqueproduciríaqueelpistónsequedaseclavado. (Verfigura19yexplicaciónposterior) d 15mm Eldiámetrodelpistónseelijede15mmyaquealtenerunapresiónelevadapreferimo tenerunáreapequeñaparaqueelvolumendeadmisiónencadaemboladasealomínim posibleyyportantoconseguirtenerlaautonomíamayorposible. 200mm Elradioquedescribeelcírculodepistonesesbásicamenteunavariablequemultiplica valordelparcomohemospodidoverensuexpresión.lógicamentecuantomásgrandese este mayor par dará el mismo motor. Sin embargo el parámetro está directament relacionadoconlasdimensionesdelmotorporloquenecesitaremosqueesteentreen capodeunvehículo tipotoyotayaris.porloqueseelevaelvalora200mm.deradio. 1cm 3 Esteparámetroseasignainicialmenteviendolaposiblesabiendoqueesposiblesu construcciónparaquelarelaciónentrelacarreradecargaylacarreradeexpansiónhaga posiblequesetrabajeconlapresiónmáximadeldepósitoyelairesalgaporencimadela presiónatmosféricaatansolounodosbares.,paraquesefavorezcaelvaciadodelmotor. Nosehantenido enestepuntoencuentadetallesrelacionadosconla autonomía.posteriormenteobservaremosquedebemos bajarestevolumencomosea. P1 200bar Lapresióndeldepósitoesvariableenduranteel funcionamientodelvehículosinembargoenesteprimer cálculo,consideraremospresiónconstante=200bares.paranosotroseldepósitoestar llenocuandoestecargadoa350bares.yestará vació ynecesitarádeunarecargacuand esteéstea200bares,yaqueatratarsedeunmotorvolumétricoencuantodescendemosd dichapresiónelparcaedeunamaneramuyfuerte. Director: Luis Manuel Mochón Castro 36

49 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Explicaciónadicionalalparámetro Reacción Contra el plato Reacción Contra el cilindro Reacción Contra el cilindro Figura:31 Comopodemosvereneldiagramadecuerpolibredelafiguradeladerechasiaumentamosmuchola inclinacióndelplatomásverticalsehacelafuerzallamada reacciónconelplato porlotantoparaqueel sumatoriodefuerzasenverticalsea ceromayoresseránlasotrasreacciones.estasreacciónhacenquelafricciónaumentellegandoalextremo degripaje.porelloelánguloalphanodebesuperarlos22,5º. Con todos los parámetros anteriores hemos procedido a programar y simular los parámetrosenunavueltacompletadelmotorcalculandoelparmediodelos z pistones quetengaelmotor.solofaltaprecisamenteelegirelnúmerodepistoneszyaqueala horadecalcularlaautonomíayelparmedioafectatenermáspistonesomenos.los pistonesloquesisabemosporestudiosquesehallevadoacaboenmotoreshidráulicos debesernúmeroimparparaqueelparsealomásconstanteposible.asíloestableceel autorl.mochónensulibrooleohidráulicayneumáticaindustrialdedondesehansacado lassiguientesgráficasquelodemuestran.lasgráficassonlasdelafigura20yenellas podemosobservarcomolapulsaciónesmenorenelcasodenuevepistones(impar)que eneldelos10.enelmaterialmencionadoanteriormentevieneundesarrollocompleto avalandoquenoesuncasoparticularpara9y10pistonessinoquesecumplesiempre paraparoimpar.lógicamentecuantosmáspistonestengamosmásconstanteeselpar, perotambiénmenosautonomíatenemosyaqueconsumimosmásaireporvueltadel motor. Presión producida Por el aire. Director: Luis Manuel Mochón Castro 37

50 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Figura32 Como se ha comentado anteriormente también tenemos un nuevo diseño del plato distribuidor. Este será conforme a la figura 20, una pequeña ranura de carga (no especificadaenestepuntodeldiseñolasdimensionessecalcularácomosilaentradade airefuerainstantáneapara =0ºylaexpansióncomenzaráen =1º).Elrestodela ranuraquetenemosdesde=180ºhastaunos340ºesparacomunicarelmotorconla atmósfera en su carrera de compresión y así evitar un trabajo no aprovechable de compresióndeaireresidualenlacarreradecompresióndelpistón. Figura33 Director: Luis Manuel Mochón Castro 38

51 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Acontinuaciónsemuestranlosdatosdeparmedioparaz=5,7,9,11,13,15,17. Nótese que lógicamente el par medio aumenta según aumentamos el número de pistones, pero nótese también que como se ha mencionado anteriormente disminuimoslaautonomíayaqueaumentamoselnúmerodeemboladasporvuelta delmotor,porloquedisminuiremoslaautonomía.losresultadossonlospublicados enlatablasiguiente.enelanexoi(cálculosdelprimerprototipo)sepuedeverlatabla completadedatosdeestemotor,comosalidadeleesyelcódigoempleadoenla simulación. RESULTADOS: NúmerodePistones z ParMedio 5 33N.m 7 46,21N.m 9 59,40N.m 11 72,61N.m 13 85,82N.m N.m ,23N.m Comopodemosobservarelúnicomotorqueseaproximaalparrequeridocalculadoen elcapítuloanterioreseldez=17pistones.enestecasoestudiaremosminuciosamente lascondicionesdeautonomíayaqueelevamosbastanteelnúmerodepistones. Bajoestascondicionesseharáunaprimerasimulaciónparaelcálculodelaautonomía quetendráelvehículoaplenacarga.laaproximaciónseharádelasiguienteforma, admitiremos 176 mm 3 de cilindrada fija haciendo la presión del tanque lo menor posibleiguala200bares.serecuerdaquelascondicionesdefuncionamientoson, cargareltanquea350baresytenerautonomíamientraslapresiónnobajede200 bares. LaautonomíasalesimuladaconelEES,cuyocódigoseadjuntaenelAnexoI(cálculos delprimerprototipo),deunos50kmlocualhacequeestealejadadenuestroobjetivo de200km. Director: Luis Manuel Mochón Castro 39

52 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Conclusionesyestudiodefallos: Sianalizamoslacaídadelapresióndelaireenunaexpansiónobtenemosunagráfica comoladelafigura21 Figura34(GráficoEES) Comopodemosobservarlacaídadelapresiónesbastanterápida.Tambiénsabemos porlascaracterísticasconstructivasdenuestromotorquenotodoslosángulosdanel mismoparaunquelapresiónenlacámaradelpistónfueralamisma.enconcretosi nosfijamosenlafigura21podemosobservarqueelmáximoparloentregarácuando elparestáenlaposiciónde=90º.yaquesegúnlaexpresióndelparescuandomás palancaharemossobreelplatohaciéndoseelsenouno. Director: Luis Manuel Mochón Castro 40

53 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido =90º Figura35 EsteeselprincipalmotivoporelcualsirepresentamoselParquedacadapistónpor ejemploenelcasodez=5tienelaformadelafigura22. Figura36 Comopodemosobservarelpardepiconoesmuyaltocontandoconquetenemos200 baressobrelacabezadelpistónademásvemosquerápidamenteencuantopasamos los35ºdegiroelparcae.estoseexplicaporlacombinacióndeambosefectosqueson Director: Luis Manuel Mochón Castro 41

54 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido larápidacaídadepresiónyquecuandotenemospresiónyportantofuerzaelbrazode palancasobreelplatoesmuypequeño. Deestamanerasepodráalcanzarelmismoparconmenosnúmerodepistonesypor tantoconseguiremosunaautonomíamuchomayor. Director: Luis Manuel Mochón Castro 42

55 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Capítulo:7Cálculosdelprototiposegundo.Análisisdeprestaciones A partir del análisis del capítulo anterior calcularemos un nuevo motor en el que básicamenteloqueharemosseráintroducirelaireapresiónenvezdeen =0ºlo haremosentornoa90º(posteriormentesecalcularáelóptimo) Conestamodificaciónloquesepretendeesconseguirmásparconmenospistonesy portanto,mejorarlaautonomía. Pormotivosgeométricosloprimeroquenosencontramosalhacerestamodificación eslavariacióndelvolumendeadmisiónsiendoestemuchísimomásgrande,loque hacequenonosinterese.paraundiámetrodepistónde15mm,loidealseríauna admisiónde176mm 3.Esteproblemaseexplicaenlafigura23. Figura37 Como podemos observar el volumen V es considerablemente más grande que el volumenvo.portantonospodemosencontrarqueaunquelamáquinageneremás parlaexcesivacantidaddeaireadmitidaenelpistónproduciríaquelaautonomía fuera menor. Por otro lado la salida si no modificamos nada se produciría a una presión considerablemente alta. Por lo que este debe ser unos de los primeros problemasquedebemossolucionar. Por tanto lo que se ha estudiado para solucionar este problema es modificar la geometríadelaadmisióndelpistónparaquesigalasiguienteformamostradaenla figura24: Director: Luis Manuel Mochón Castro 43

56 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Figura38 Deestamaneragarantizamosunvolumendeadmisiónmínimoparaunánguloen torno a los 90º. En estas condiciones se volverá a calcular la expresión del par. Tambiénevaluaremoselnuevoconceptodevolumendeadmisiónconstante. Conestanuevageometríatendremosunnuevovolumendeadmisiónde548mm 3 lo quehacequeconlasmismassuposicionesanterioreslaautonomíacrezcahastalos68 km,contandoconunmotordecincopistones. Lanuevaexpresióndelpareslasiguiente: Siendo: Director: Luis Manuel Mochón Castro 44

57 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Medidadelradioformadoporelcírculodepistones. Ánguloenelqueseencuentraelpistónrespectodelavertical. =Ángulodeinclinacióndelplatodondeapoyanlospistones. d=diámetrodelpistón. Sinembargo,altenercincopistonesylamismadiferenciaentreelvolumeninicialyfinal queenelmotornormalobtenemosunparmediotanbajoquenosehacontinuado evolucionandoesteprototipoysepasaaldiseñodelprototipotercero. Director: Luis Manuel Mochón Castro 45

58 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Capítulo:8CálculosdelprototipoTercero.Análisisdeprestaciones Otramodificacióninteresantequellevaremosacabo,eslamostradaenlafigura Figura39 Como podemos observar lo que hacemos es reducir el volumen de la cámara de admisiónporlotantoaumentarlaautonomía.almismotiempoconseguimosuna descompresiónmásprogresivaconsiguiendoasímantenerlapresiónalolargodel motor.esimportanteapreciarqueentodomomento 1 debeserdistintode 2 para que de esta forma el gas pueda expandirse y realizar trabajo. Con esta nueva geometría se tomarán los valores siguientes, algunos de ellos compartidos por anterioresprototipos. Variable ValorAsignado Motivo 22,5º Comohemosvistoelpardependedelatangentedeporloquenosinteresaqu estasealomáximaposible.sin embargonopodemossuperarunvalormáximopor lubricaciónyaqueproduciríaqueelpistónsequedaseclavado. (Verfigura19yexplicaciónposterior) d 15mm Eldiámetrodelpistónseelijede15mmyaquealtenerunapresiónelevada preferimostenerunáreapequeñaparaqueelvolumendeadmisiónencada emboladasealomínimoposibleyyportantoconseguirtenerlaautonomíamayo posible. Director: Luis Manuel Mochón Castro 46

59 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido 200mm Elradioquedescribeelcírculodepistonesesbásicamenteunavariableque multiplicaelvalordelparcomohemospodidoverensuexpresión.lógicamente cuantomásgrandeseaestemayorpardaráelmismomotor.sinembargoel parámetroestádirectamenterelacionadoconlasdimensionesdelmotorporlo quenecesitaremosqueesteentreenelcapodeunvehículo tipotoyotayaris.porloqueseelevaelvalora200mm.deradio. 1cm 3 Esteparámetroseasignainicialmenteviendolaposiblesabiendoqueesposibles construcciónparaquelarelaciónentrelacarreradecargaylacarrerade expansiónhagaposiblequesetrabajeconlapresiónmáximadeldepósitoyelaire salgaporencimadelapresiónatmosféricaatansolounodosbares.,paraquese favorezcaelvaciadodelmotor.nosehantenido enestepuntoencuentadetallesrelacionadosconla autonomía.posteriormenteobservaremosquedebemos bajarestevolumencomosea. P1 200bar Lapresióndeldepósitoesvariableenduranteel funcionamientodelvehículosinembargoenesteprimer cálculo,consideraremospresiónconstante=200bares.paranosotroseldepósit estarállenocuandoestecargadoa350bares.yestará vació ynecesitarádeun recargacuandoesteéstea200bares,yaqueatratarsedeunmotorvolumétric encuantodescendemosdedichapresiónelparcaedeunamaneramuyfuerte. Paraesteprototipolaexpresióndelpareslasiguiente: Siendo: Medidadelradioformadoporelcírculodepistones. Ánguloenelqueseencuentraelpistónrespectodelavertical. =Ángulodeinclinacióndelplatodondeapoyanlospistones. d=diámetrodelpistón. Director: Luis Manuel Mochón Castro 47

60 Diseñodeunprototipocomercialdevehículoimpulsadoporairecomprimido Comoenlosanteriorescasos,lanuevaexpresiónhasidoprogramadaysimuladaconel EES. Para esta geometría lo primero que se ha hecho es calcular mediante simulaciones sucesivaselánguloóptimodeentradadelairealmotor.seobtienenlossiguientesdatos: Figura40 Comosepuedecomprobartenemosqueelóptimoestáen=82º.Portantoseráeste nuestro punto de diseño e introduciremos el aire en dicho punto. En conclusión obtenemosenestemodelounparmediode5pistones: Parmedio 142,20N.m Acontinuaciónprocederemosalcálculode querecordemosqueesunángulofijoy cuyamisiónesreducirelvolumendelacámaradeadmisiónyconseguirunaqueelgasse vaya expandiendo progresivamente. Este ángulo está limitado ya lo que se quiere conseguiresqueelmotorautoregulesuvelocidaddegiroyportanto,suparenfunción de porloqueesteúltimooscilarácomohemosdichoentre0ºy22.5º.porotraparte Director: Luis Manuel Mochón Castro 48