“Investigación de la eficiencia mecánica al realizar

© Alex Checa Altuna Julio 2017

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA

TRABAJO DE TITULACIÓN, PREVIO A LA OBTECIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

AUTOR: Alex Fernando Checa AltunaDIRECTOR: Ing. Félix Manjarrés A. M.Sc.

Latacunga-Ecuador2017

“Investigación de la eficiencia mecánica al realizar modificaciones geométricas al colector de escape

en el motor Volkswagen de 1.8 litros”

© Alex Checa Altuna Junio 2017

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INTRODUCCIÓN

� Lademandapordesarrollarmotorescadavezmáseficientesyfiables,hallevadoalaindustriaautomotriz a investigar sistemas que produzcan una mejor sincronía en el funcionamiento del motor.

� EldesarrollodelcicloOttohasidoyesunafuncióndelflujodeaireydelacombustión. � LosColectoresdeescapedealtorendimiento,tienencomoobjetivolograrqueelmotorexpulselosgasesdeescapelomásrápidoposibleysinproducircontrapresiones.


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�Lograruncolectordeescapeequilibradoconllevaestudiosdelosdiferentesaspectosyparámetrosfísicoscomo:dimensiones,materialesygeometría.

� Diseños de colectores de escape de alto rendimiento han profundizado más los estudios al variar sus dimensiones que la geometría

� Alobtenerloscolectoresdeescape,conlasdimensionescorrectasperosinlageometríaidónea,noseestáaprovechandosueficiencia máxima.


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JUSTIFICACIÓN

� Pretendeincrementarlaeficienciamecánicadelmotor. � Conocimientocientíficosobreundiseñoingenierilennuestromedio. � Propone el análisis profundo del elemento, para determinar los parámetros que se involucran en el diseño de

múltiples de escape � Adaptabilidaddeunametodologíamatemáticaycomputacional


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OBJETIVO GENERAL Investigar la variación de torque y potencia al realizar modificaciones geométricas alcolector de escape en el motor Volkswagen de 1.8 litros.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Investigartodaslasvariablestermomecánicasqueconllevaeldiseñodeunmúltipledeescape.• Delimitar el espacio físico que se posee alrededor del motor para el

acoplamiento del nuevo sistema.• Diseñarydimensionarlosdiferentesprototiposdecolectoresdeescape.• Construir las distintas alternativas a ser analizadas.• Evaluaranalíticaycomputacionalmentelosdistintosprototiposdecolectores

de escape. • Analizarlosresultadosobtenidos.


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HIPÓTESIS

� La geometría del colector de escape incide en la curva característica de torque del motor. � La geometría del colector de escape incide en la curva característica de potencia del motor. � Alvariarlageometríadelcolectordeescapenovaríanlascurvascaracterísticasdetorqueypotencia

del motor.


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REFERENTES TEÓRICOSECUACIONES DE TRANSPORTE

� Paraanalizarelcomportamientodelflujoenelcolectordeescape,seempleanlasecuacionesgeneralesdeNavier Stokes

� EstemodelomatemáticodescribeelcomportamientodelflujoCompresible. � Realizaelestudiodelfluidomedianteunvolumendecontrol.


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REFERENTES TEÓRICOSECUACIONES DE TRANSPORTE

Conservación de la masa Estaecuaciónexpresaunbalancedeflujosmásicosenelvolumendecontrol.

: /: /: .:

dtd

dxd u

Densidad Kg mu Velocidad m st Tiempo Segx Coordenada m

0

3

t t

t

+ =` `j j

D e m o

Conservación de la cantidad de movimientoEstaecuaciónexpresaunbalancedelacantidaddemovimientolinealenelvolumendecontrol

: .: .*:::

cos

dtd u

dxd u u

dxd p

AD

p Presi n PaEsfuerzoVis o Pa s

D Di metromA rea m

Relaci nde presionesentreel cilindro yel conducto

0

ó

á

Áó

2

t t xr

x

r

+ + + =` ` _j j i

D e m o


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Conservación de la energía Representaunbalance,ahoraexpresadoporlaprimeraleydelatermodinámica.

:: /: /

int

dtd e

dxd uh u

dxd p

A xq

q Calor transferido por convecci n Wattse Energ a erna J kgh Entalp a J kg

0

ó

í

í

o o

o

o

t tD+ + + =

` a _j k i

D e m o


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GENERACIÓN DE LOS DIBUJOS 3D DE LOS COLECTORES

• Seproponecincotiposdiferentesdegeometría,cuatrodeellasdefinidasporlafunciónraízyunadeelladefinidaporlafuncióndelacircunferencia.

• Cadafunciónsedelimitaenundominiode0a10cmyenunrangomáximode0a15cmdeacuerdoalespaciofísicoalrededordelmotor,paralocualcadafunciónraízesmultiplicaporunvalorde4cm.


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GENERACIÓN DE LOS DIBUJOS 3D DE LOS COLECTORESCOLECTOR N1( ) *f x x 4=D e m o


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GENERACIÓN DE LOS DIBUJOS 3D DE LOS COLECTORESCOLECTOR N5( )x y5 252 2- + =D e m o


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DISEÑO DE MALLA

ANSYSCFX incorporaunmalladosemiautomáticocon locual resulta rápidogenerarunamallade tetraedrosyhexaedros.


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VERIFICACIÓN DE MALLA

• JacobianRatio(PuntosdeGauss)• Paradefinirlamétricadelmalladosedelimitapor-1(peor)y1(mejor).

COLECTOR N1

Descripción Valor

Jacobian Ratio 0.92359

Tamaño del elemento

0,8mm


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COLECTOR N2

Descripción Valor



1mm


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COLECTOR N3

Descripción Valor



0,8mm


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COLECTOR N4

Descripción Valor



0,8mm


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COLECTOR N5

Descripción Valor



0,8mm


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CONDICIONES DE BORDE Paradefinirlascondicionesdefronteraserealizaunaplantillatermodinámicasegúnlosdatosdelmotor,paraelanálisisdelcicloidealOttoserealizósegún(Blair,1999,pp.86-88)

ESPECIFICACIÓN VALOR

Relación de compresión

Cilindrada

Diámetro del cilindro

Carrera

10:1

1781cm3

81mm

86.4mm


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CONDICIONES DE BORDE Mediantelaplantillaseobtienelascondicionesdefrontera:

CONDICIÓN DE FRONTERA Valor

Presión de escape 4.4 bar

Temperatura de escape 1824,6°K (1551,5°C)

Presión Ambiente 1 atm

Temperatura Ambiente 300°K (26,9°C)


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POST PROCESO

Resultados Colector N1

Velocidad Max. 1080 m/s Min. 495.2 m/s Presión Max. 2.943 bar Min. 0.7841 bar


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POST PROCESO


Temperatura Max. 19530K (1679.90C)Min. 15200K (1246.90C)

Densidad Max. 0.7558 Kg/m3 Min. 0.372 Kg/m3


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POST PROCESO


Velocidad Max. 1328 m/s Min. 418.9 m/s Presión Max. 3.287 bar Min. -0.3135 bar


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POST PROCESO





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POST PROCESO


Velocidad Max. 1522 m/s Min. 2.588 m/s

Presión Max. 3.609 bar Min. -0.782 bar


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POST PROCESO


Temperatura Max. 19710K (1697.90C)Min. 867.5K (594.40C)



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POST PROCESO




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POST PROCESO


Temperatura Max. 19510K (1677.90C)Min. 867.9K (594.8)



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POST PROCESO




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POST PROCESO





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VERIFICACIÓN DE LA CONVERGENCIA DE RESULTADOS Ecuación de Densidad

P

tx uE uP

Ptx w uW uP

2

20 0

0 0 0

tt t

DDDD

=+ +

+ +J

L

KKKKKKKKK

J

L

KKKKKKKKK

N

P

OOOOOOOOO

N

P

OOOOOOOOO

R

T

SSSSSSSSSSSR

T

SSSSSSSSSSS

V

X

WWWWWWWWWWW

V

X

WWWWWWWWWWW

D e m o


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VERIFICACIÓN DE LA CONVERGENCIA DE RESULTADOS Ecuación de Velocidad

P

tx uE uP

Ptx w uW uPtx uE uP

pW pE mW uW uP mP tx

v

2

2

2

2 2

0 0

0 0 0

0 0

0 0 0 0 0

t t

DDDDDD

DD

=

+ +

+ +

+ +

- + + +J

L

KKKKKKKKK

J

L

KKKKKKKKK

J

L

KKKKKKKKK

J

L

KKKKKKKKK

J

L

KKKKKKKK

N

P

OOOOOOOOO

N

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N

P

OOOOOOOOO

N

P

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N

P

OOOOOOOO

R

T

SSSSSSSSSSS

R

T

SSSSSSSSSSS

R

T

SSSSSSSSSSS

R

T

SSSSSSSSSSS

V

X

WWWWWWWWWWW

V

X

WWWWWWWWWWW

V

X

WWWWWWWWWWW

V

X

WWWWWWWWWWW

D e m o


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VERIFICACIÓN DE LA CONVERGENCIA DE RESULTADOS Ecuación de Presión

* ( )pP h m1000001 1

2P

PP0 2

cc t

t= - -R

T

SSSSSSSSSS

V

X

WWWWWWWWWWD e m o


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CONSTRUCCIÓN DEL MULTIPLE DE ESCAPE DE ALTO RENDIMIENTO

• Seseleccionaloscolectores:colectorN1,colectorN4ycolectorN5.• Concadageometríadecolectorseconstruyeunmúltipledeescape.• Esnecesarioutilizarplanosimpresosaescalarealquefacilitencomprobarlasgeometríaspropuestas.

Nº De proceso Proceso

1 Medición

2 Trazado

3 Corte

4 Doblado

5 Unión de partes

6 Soldadura

7 Acabados

8 Montaje


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Medición Posterioralasgeometríaspropuestasseobtuvomedidaspara el modelamiento y construcción de acuerdo alespaciofísicodelmotorydelescapeoriginal.

Trazado Serealizódiferentestrazoseneltuboenfuncióndelascurvaturasobtenidas,yenlaplanchadeacerosegúnlasbridasdeuniónoriginalesyelempaque.


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CorteSe corto según los diferentes trazos realizados en el tubo,asícomotambiénenlasbridasdeunión.

DobladoSe realizo dobleces solo en secciones que lascurvaturasnoseantancomplejasparalamáquinayla matriz.


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Unión de partes Severificoquecadacolectornoseaproximedemasiadoa sistemas que puedan ser afectados por el calor emitido.

SoldaduraEstablecidaslasunionesdeloscolectoressesoldocadapartequeformaelmúltipledeescape.Sedebeevitarquelasueldapenetredemasiadoyocasioneperturbacionesenelflujodegases


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AcabadosSe elimina residuos de soldadura que se presenten en cadacolectorysepuleobteniendounmejoracabadosuperficialdelsistemaenconjunto.


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Enlasfigurasseobservanlosdistintosmultiplesconstruidoylistosparasumontajeenelmotor

Múltiple Colector N1 MúltipleColectorN4 MúltipleColectorN5


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Materiales empleados en la construcción de los colectores de escape de alto rendimiento

• TubodeaceroinoxidableAISI409• Esempleadoenlaindustriaautomotrizparalafabricacióndesistemasdeescape.• Altaresistenciaaelevadastemperaturas,altasoldabilidadyfacilidaddelimpieza.

Material Descripción Peso

Tubo redondo

acero Inox-409

40x1.5mm (1”1/2x1.5) 8.28kg/6m

Tubo redondo

acero Inox-409

50x1.5mm (2”x1.5) 11.16kg/6m

Plancha acero 10mm 203.2kg

Plancha acero 0.7mm 16.4kg


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ENSAYOS DE TORQUE Y POTENCIA

Vehículo Volkswagen Saveiro gasolina motor 1.8 litros

Datos medidos con el múltiple de escape original Torque 82,09 Libras-pie (DIN)Potencia 89,74 Hp (DIN)


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ENSAYOS DE TORQUE Y POTENCIAColector N1


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ANÁLISIS DE RESULTADOS Resultadosobtenidosdelasimulacióndelfluidoenlostrescolectoresconstruidos


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ANÁLISIS DE RESULTADOS Resultadosobtenidosdelasimulacióndelfluidoenlostrescolectoresconstruidos


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ANÁLISIS DE RESULTADOS Resultadosobtenidosenelbancodinamométrico


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Colector Original Colector N1


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ColectorN4 ColectorN5


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CONCLUSIONES

• Paradesarrollaranálisiseningenieríaenlamayoríadeloscasosserequiereunfundamentomatemáticoquesustentelaasuncioneseidealizacionesquelaaplicaciónrequiera,tantoesasíqueenelpresenteestudiosejustificólageometríadelaspropuestasdediseñoparaelestudiodeloscolectoresmediantegraficacióndefunciones matemáticas.

• Enelpresenteestudioseestableciólasvariablestermomecánicasquesirvendebaseyfundamentoparaeldesarrollodelmodelomatemáticoeidealizacionesquesustentanlasgeometríaspropuestasobtenidasycuyacomprobaciónyvalidaciónfuerealizadamediantelagraficacióndefuncionesmatemáticas.

• Seestablecieroncincotiposdiferentesdegeometríadecolectores,cuatrodefinidosporlafunciónraíz(N1,N2,N3yN4)yunadefinidaporlafuncióndelacircunferencia(N5)enundominiode0a10cmyenunrangomáximode0a15cmdeacuerdoalespaciofísicoalrededordelmotor.


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CONCLUSIONES

• Sehadesarrolladounmétododeanálisisparadeterminarlavariabilidadenelcomportamientodeunmotordecombustióninternacuandoexistediferentesgeometríasenlosductosdesalidadegasescombustionados.Fuerequeridocompararresultadosdeanálisiscomputacionalesversusensayosfísicosdeestamanerasehaconseguidoestablecerlavalidesdeesteproceso.

• Se desarrolló y aplicó un método de análisis euleriado para proyectar y determinar elcomportamientoyvariabilidadquesufrelapotencia,eltorqueylavelocidaddedescarga,en un motor de combustión interna al existir diferentes geometrías en los ductosde salida de gases combustionados, parámetros que fueron evaluados analítica ycomputacionalmente y validados al comparar con resultados obtenidos al realizarensayosfísicos.


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CONCLUSIONES

• Lasecuacionesdetransporteaplicadashanconstituidounamaneraanalíticaparadeterminarunasolucióncuandounflujodegasescombustionadosatraviesauncolector,mencionadaecuaciónhaservidoparaestablecerlaverificaciónycomparaciónderesultadosmediante laaplicacióncomputacionalbasadaenelmétododevolúmenesfinitos.

•Enbasealosanálisisrealizadossedeterminaque:cuandoenuncolectorelradiodedobles(arcogenerado)quepermitecaracterizarlageometríadelducto,sepresentamásabierto(conunmayorvalor)incideenelcomportamientodelmotordetalmaneraqueseincrementaenaproximadamenteun4%y5%eltorquey potencia del motor respectivamente. Esto permite concluir que se puede tomar control de ciertos parámetrosdelmotordecombustióninternasiseafectadirectamentelaformageométricadelcolector.

•Elmodelomatemáticoconsideraqueelflujorecorreunageometríarectaporlocuallosvaloresdelas ecuaciones de transporte se aproximan a la geometría N1.


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CONCLUSIONES

• Elmétododevolúmenesfinitospermiteanalizarconunaaceptableaproximaciónalosresultadosrealesdelfenómeno internoquesegeneraenuncolectordeescape,graciasa laconfiguraciónadecuadademalla(discretización),laquetuvounintervalodevolumenfinitoaproximadode1mm.

• LosresultadosobtenidosenlasimulacióndelcolectorN5noseaproximanalosresultadosfísicos,siendolaconfiguraciónquepresentalamayorvariaciónrespectoalanálisiscomputacional.

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