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_ 69 7000, 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.
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
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.
. 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
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
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
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
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 0. 03 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 0. 05 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 70. 35 J Grafica 5 La constante de resorte es: atm. A kresorte 5 π (.035 0 ) 0. k resorte 0.9 N k resorte 0 m
La presión en e.m.s. será: + atm.. 0. 9 n. 5 0.05 + 0.9.035 0 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.
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