CONCEPCION PARA EL DISEÑO DE UN MOTOR DE AIRE COMPRIMIDO PARA VEHICULOS MENORES

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS E.A.. INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS Ciudad universitaria: Av. Venezuea cuadra 3/ Av. Universitaria - Lima Centra Teefonica_ , Fax 389, E mai: eapimf@unmsm.edu.pe CONCECION ARA EL DISEÑO DE UN MOTOR DE AIRE COMRIMIDO ARA VEHICULOS MENORES AUTORES ANCAJIMA JIMENEZ, FELIE CARLOS CUBAS CUBAS, JHOAN INEDO TAQUIA, JAIRO MARCOS ROSAS, LUIS MIGUEL feancajima@gmai.com micky_cub@hotmai.com jairocm0@hotmai.com mimark777@gmai.com ASESOR h. D ING. MIGUEL ANGEL ORMEÑO VALERIANO, miganorv@hotmai.com RESUMEN Actuamente nuestro mundo esta viviendo un continuo cambio tecnoógico, debido a os avances científicos que se vienen dando en os útimos tiempos, que va acompañado de una poítica de conservación de medio ambiente. E presente estudio esta enfocado en e sector automotriz, pues os vehícuos son una fuente principa de contaminación de medio ambiente, debido a que a mayoría de estos funcionan con motores de combustión interna, os cuaes emiten gases tóxicos causantes de efecto invernadero, por esto surge a necesidad utiizar fuentes de energías no contaminantes. E desarroo de presente proyecto tiene como objetivo a concepción de futuro diseño de un motor para vehícuos menores que funcione con aire comprimido. E motor constará de un ciindro, un pistón, una biea y demás componentes que puede esperarse de una mecánica convenciona, con a novedad que a a cámara de ciindro ingresará aire comprimido, cabe resatar que e aire es un recurso renovabe. La fuerza de expansión de aire comprimido moverá e pistón dentro de ciindro y con eo se conseguirá a energía mecánica de rotación para e despazamiento de vehícuo. ABSTRACT Today our word is experiencing a continuous technoogica change, due to scientific advances that have been evoving in recent times, which is accompanied by a poicy of environmenta conservation. This study is focused on the automotive sector, since vehices are a major source of environmenta poution, because a ot of these operate with interna combustion engines, which emit toxic gases causing the greenhouse effect, for it arises the need to use non-pouting energy sources. The deveopment of this project aims at designing the future design of a motor vehice under that works with compressed air. The engine consists of a cyinder, a, a crank and other components that may be expected from a conventiona mechanica, with the news that the camera wi enter the cyinder compressed air; it is worth noting that the air is a renewabe resource. The force of expansion of the compressed air moves the within the cyinder and thereby gets the mechanica energy of rotation for the movement of the vehice.

2 INTRODUCCIÓN En a actuaidad, en todas partes de mundo se están viviendo os efectos de impacto ambienta causados por e avance tecnoógico que originan diferentes fuentes contaminantes que afectan a saud, e rendimiento abora y académico de as personas. Estas fuentes contaminantes causan uno de os probemas mas graves que tiene e mundo en estos momentos, que es e caentamiento de paneta, provocado principamente por a emanación de CO de os vehícuos convencionaes que funcionan con motores de combustión interna. Lo que se pantea en e presente proyecto es a concepción de os parámetros necesarios para a autonomía de vehícuos menores que utiicen como combustibe e aire previamente comprimido en un deposito.e estudio se reaiza adaptando un sistema ciindropistón a conjunto en a rueda de un veocípedo para e impuso. A egar a una cierta distancia a carrera de pistón, es decir e punto muerto superior, un resorte ejercerá a fuerza necesaria para trasadara a punto muerto inferior y así se repetirá e cico nuevamente. Los resutados de este proyecto se mostraran a través de gráficos, que se expondrán, donde mostraran a presión necesaria que necesitara tener e aire para poder mover e pistón. LANTEAMIENTO DEL ESTUDIO E estudio se reaiza en as siguientes etapas: Etapa Determinar as condiciones para e funcionamiento autónomo de vehícuo. Estabeciendo si a concepción de diseño se reaizara en estado estacionario o no estacionario. Etapa Definir as medidas de sistema, especificando a carrera, diámetro de pistón, diámetro de cataina, etc. Etapa 3 Cácuo teórico de a presión necesaria para a autonomía de vehícuo. La cua se haará haciendo un anáisis de as fuerzas que actúan sobre e sistema. Etapa Eaboración de os diagramas indicadores de motor: diagrama de despazamiento de pistón y diagrama de presión. FORMULACION DE OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Haar os parámetros necesarios para a concepción de motor. OBJETIVOS ESECIFICOS Obtener a presión necesaria para autonomía de vehicuo. Obtener e esquema de sistema detaado. Reaizar os diagrama de indicadores. FORMULACION DE HIÒTESIS HIOTESIS GENERAL Teniendo en un deposito cerrado, aire comprimido a una ata presión, este a iberarse dentro de un ciindro y entrar en contacto con e pistón, ejercerá a fuerza necesaria para e movimiento autónomo de vehícuo. FUNDAMENTO TEORICO. Definiciones previas ara una mejor comprensión de presente proyecto se procederá a expicar agunos términos necesarios utiizados en e desarroo de presente: a) Ciindro: Es e recinto por donde se despaza un pistón. Su nombre proviene de su forma, aproximadamente un ciindro geométrico. b) istón: Se un émboo que se ajusta a interior de as paredes de ciindro mediante aros fexibes amados

3 segmentos o anios efectuando un movimiento aternativo, obigando a fuido que ocupa e ciindro a modificar su presión y voumen o transformando en movimiento e cambio de presión y voumen de fuido. Segunda ey de newton F sistema m.a Ecuación de trabajo (3) c) Momento de inercia: Es una magnitud escaar que refeja a distribución de masas de un cuerpo o un sistema de partícuas en rotación, respecto a eje de giro. d) Constante de easticidad: Constante que nos muestra a fuerza necesaria para que despazar, un metro. e) unto muerto superior: E punto muerto superior se refiere a a posición que acanza e pistón a fina de una carrera ascendente, en e cua no existe fuerza que actúe sobre é y sóo se encuentra moviéndose gracias a su inercia, en este instante ha finaizado su carrera ascendente y comienza su carrera descendente. f) unto muerto inferior: Es e punto más bajo que acanza e pistón en su movimiento aternativo dentro de ciindro. Antes de egar a ese punto, e pistón reduce su veocidad, se para, e inicia un nuevo recorrido en sentido contrario en constante aceeración hasta que acanza su veocidad inea máxima.. Ecuaciones fundamentaes a utiizar Momento de inercia I m. r Conservación de energía E inicia E fina W () externo () W ext VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ROYECTO VENTAJAS:. En e diseño de motor que se pantea no existirá combustión, por o tanto a contaminación será nua.. E recurso utiizado como combustibe, aire, es iimitado por o tanto e costo de operación de vehícuo será nuo. 3. Los cácuos reaizados en e presente proyecto, para ograr a autonomía de vehícuo, pueden servir como base para otros proyectos que deseen trabajar en e mismo tema. DESVENTAJA: F dx res (). Los cácuos reaizados ogran a autonomía de vehícuo soamente en estado estacionario, en a practica tiene que vencer otras fuerzas como fricción con e piso, resistencia de aire, etc.. La veocidad a a cua se moverá e vehícuo es baja en comparación a os vehícuos de combustión interna tradicionaes. ROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE LA RESION DE ADMISION. E criterio tomado para e desarroo de presente proyecto, es que e sistema funciones como un motor para e vehicuo en estado estacionario.

4 . Los datos que conocemos para obtener a autonomía de vehícuo son: Datos de a rueda r cat Radio dea cataina m cat masa de a cataina w veocidad anguar Datos de pistón carrera de pistón m masa de D Diametro de pìston 3. Haciendo e anáisis en a cataina, como muestra a siguiente figura: Nos muestra que a energía necesaria para mover a rueda es igua a trabajo efectuado sobre esta: E cin W ext Donde e trabajo externo reaizado sobre a rueda, es igua a a siguiente expresión: Este trabajo nos permitirá mover a a rueda. Donde a energía cinética es dependiente de momento de inercia.. Ahora asumiremos a cataina de veocípedo como un disco de masa y radio m y r respectivamente, a energía necesaria para hacera girar esta dada por a siguiente expresión: Ecin I. w Donde: I m cat. r cat Entonces a expresión se convierte en: E cin mcat. rcat. w m cat. r cat. w E trabajo necesario para poder vencer esta energía esta dado por as fuerzas presentes en e sistema rueda-pistón, de as cuaes se haará a fuerza resutante, donde soo se anaizará e D.C.L de ado izquierdo (en a cataina): Ecin Fres Grafica Donde: Grafica F x F F F res res 0 F F + F F roz roz + F F resorte resorte 0 A m. g. µ k res est resorte. x E cin : Energia cinetica para poner en movimiento a rueda W : Trabajo a reaizar sobrea cataina Ahora teniendo e concepto de que: W ext F dx res

5 roseguiremos a haar e trabajo necesario: W W ext ext ( A m. g. µ est kresorte. x) 0. A. m. g. µ adm est. k resorte. 5. Reempazando estos vaor en a ecuación de a energía cinética mencionada anteriormente podemos haar a presión de admisión mínima para que e vehicuo tenga autonomía y por ende movimiento.. A. m. g. µ est. kresorte. mrueda. rrueda. w adm Obtenemos a presión de admisión: mcat. rcat. w + kresorte. + m. g. µ est. adm π D Donde adm es a presión mínima necesaria para poder mover e sistema rueda-pistón. dx Considerando a presión fina igua a a presión atmosférica: F 0 x atm. A kresorte. atm. A kresorte 7. Haaremos a presión en e punto, por medio de a siguiente ecuación: n n. V. V Siendo, entonces: atm n ( A. ).( A ( ) ) n + atm. + atm.. n 6. ero eso no es a fuerza con a que trabajaremos, esta es una presión de referencia a a cua a presión de que ingresa a pistón deberá ser mayor. Ahora anaizamos as fuerzas en e punto muerto inferior: Grafica DIAGRAMA DE INDICADORES Los diagramas indicadores tendrán a siguiente tendencia: Grafica 3

6 RESION VS ANGULO DE GIRO DE CATALINA La grafica se muestra a continuación: Grafica Recordar que a presión es igua a a atmosférica. DESLAZAMIENTO DEL ISTON VS ANGULO RINCIIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE AIRE COMRIMIDO Lo que se trata de presentar en e siguiente esquema es e funcionamiento básico de un motor a aire comprimido. E sistema cuenta con un pistón iniciamente en e punto inferior, e cua recibe aire a muy ata presión de un depósito mediante una vávua de admisión. E pistón empieza a expandirse a o argo de todo e ciindro hasta egar a punto superior. A medida que e aire se expande, va perdiendo presión hasta egar a equivaente de una atmósfera, en este recorrido e aire comprimido ejerce una fuerza, e cua es aprovechado para tirar o jaar de a cadena que va en contacto a una cataina y unido a un resorte en su parte fina, este resorte queda estirado y haciendo fuerza para cuando se ibera e aire por a otra vávua (vávua de escape). E pistón vueve a su punto de origen este proceso se repite varias veces competando su cico. Grafica 6 Grafica 5

7 ESQUEMA CAD A continuación se muestra un esquema CAD en 3 dimensiones de cómo será e esquema genera de diseño sistema. ESQUEMA GENERAL Grafica 0 Grafica 7 VISTA ISOMETRICA DEL ESQUEMA GENERAL Grafica DETALLES DEL ESQUEMA GENERAL VISTA DE LANTA Grafica 8 Grafica 9 Grafica

8 RESULTADOS Y CONCLUSIONES CALCULOS REVIOS DEL DISEÑO Antes de entrar a diseño de motor propuesto en e presente proyecto, se reaizara agunos cácuos como os mostrados a continuación: Grafica 3 DATOS Radio de a cataina m Ve. anguar( w) 50 rad / s Diametro pistón 0. m Masa dea rueda 5 kg Masa de 0. kg µ cin 0.5 Long. de voumen muerto m SOLUCION Grafica Teniendo e radio de a cataina, podremos haar a carrera de pistón de a siguiente manera: π rcat 9 cm La energía cinética necesaria para mover a rueda es: E cin mrueda. rcat. w E cin ( 5 ).(0.03).(50) E cin J Grafica 5 La constante de resorte es: atm. A kresorte 5 π ( ) 0. k resorte 0.9 N k resorte 0 m

9 La presión en e.m.s. será: + atm n Ma 0.05 La presión de admisión mínima para iniciar e movimiento de vehícuo es: adm adm m. r rueda cat. w + k resorte π D. + m. g. µ. ( 5)( 0.03).( 50) + ( 0. ) + ( 0.)( 9.8)( 0.5)( 0.9) adm 0. Ma π (0.) 0.9 (0.9) est CONCLUSIONES. Se haaron os parámetros necesarios para a concepción de diseño en estado estacionario.. ara perder a inercia en e sistema en una primera aproximación, se requiere de una presión mínima de admisión de 0. Ma. 3. La constante de resorte en una primera aproximación es de 0 N/m.. Se construyo a grafica resión vs. Anguo de rotación de a cataina y también de resión vs. Voumen de pistón. 5. Se despreciaron agunos efectos de rozamientos, puesto que estos son reativamente pequeños frente a as fuerzas tomadas en consideración. RECOMENDACIONES. Reaizar os cácuos para que e veocípedo funcione en estado no estacionario.. ara a etapa de diseño, ubicar as vávuas (admisión y escape), para una mejor eficiencia de motor. 3. Dimensionar as partes de sistema rueda-pistón.

10 BIBLIOGRAFIA E materia bibiográfico que se utiizo hasta e momento fueron:. Libro: FISICA UNIVERSITARIA VOL Autor: SEARS YOUNG ZEMANSKY Edición: UNDECIMA. Libro: MECANICA VECTORIAL ARA INGENIEROS Autor: RUSSELL JOHNSTON JR. Edición: SETIMA 3. Libro: MECANICA DE FLUIDOS Y TERMODINAMICA DE TURBOMAQUINAS Autor: S.L. DIXON Edición: QUINTA. Libro: MOTOR DE AUTOMOVILES Autor: JOVAJ