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© 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”
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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 N2( ) *f x x 43=D e m o
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GENERACIÓN DE LOS DIBUJOS 3D DE LOS COLECTORESCOLECTOR N3( ) *f x x 44=D e m o
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GENERACIÓN DE LOS DIBUJOS 3D DE LOS COLECTORESCOLECTOR N4( ) *f x x 45=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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VERIFICACIÓN DE MALLA
COLECTOR N2
Descripción Valor
Jacobian Ratio 0.92549
Tamaño del elemento
1mm
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VERIFICACIÓN DE MALLA
COLECTOR N3
Descripción Valor
Jacobian Ratio 0.93043
Tamaño del elemento
0,8mm
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VERIFICACIÓN DE MALLA
COLECTOR N4
Descripción Valor
Jacobian Ratio 0.92823
Tamaño del elemento
0,8mm
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VERIFICACIÓN DE MALLA
COLECTOR N5
Descripción Valor
Jacobian Ratio 0.92377
Tamaño del elemento
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
Resultados Colector N1
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
Resultados Colector N2
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
Resultados Colector N2
Temperatura Max. 18890K (1615.90C)Min. 12070K (933.90C)
Densidad Max. 0.7975 Kg/m3 Min. 0.1957 Kg/m3
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POST PROCESO
Resultados Colector N3
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
Resultados Colector N3
Temperatura Max. 19710K (1697.90C)Min. 867.5K (594.40C)
Densidad Max. 0.8491 Kg/m3 Min. 0.08693 Kg/m3
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POST PROCESO
Resultados Colector N4
Velocidad Max. 1501 m/s Min. 8.918 m/s Presión Max. 3.811 bar Min. -0.8009 bar
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POST PROCESO
Resultados Colector N4
Temperatura Max. 19510K (1677.90C)Min. 867.9K (594.8)
Densidad Max. 0.8852 Kg/m3 Min. 0.07741 Kg/m3
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POST PROCESO
Resultados Colector N5
Velocidad Max. 1255 m/s Min. 409.7 m/s Presión Max. 3.404 bar Min. -0.1884 bar
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POST PROCESO
Resultados Colector N5
Temperatura Max. 19000K (1626.90C)Min. 12860K (1012.90C)
Densidad Max. 0.8405 Kg/m3 Min. 0.2174 Kg/m3
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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
P
OOOOOOOOO
N
P
OOOOOOOOO
N
P
OOOOOOOOO
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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CONSTRUCCIÓN DEL MULTIPLE DE ESCAPE DE ALTO RENDIMIENTO
Medición Posterioralasgeometríaspropuestasseobtuvomedidaspara el modelamiento y construcción de acuerdo alespaciofísicodelmotorydelescapeoriginal.
Trazado Serealizódiferentestrazoseneltuboenfuncióndelascurvaturasobtenidas,yenlaplanchadeacerosegúnlasbridasdeuniónoriginalesyelempaque.
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CONSTRUCCIÓN DEL MULTIPLE DE ESCAPE DE ALTO RENDIMIENTO
CorteSe corto según los diferentes trazos realizados en el tubo,asícomotambiénenlasbridasdeunión.
DobladoSe realizo dobleces solo en secciones que lascurvaturasnoseantancomplejasparalamáquinayla matriz.
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CONSTRUCCIÓN DEL MULTIPLE DE ESCAPE DE ALTO RENDIMIENTO
Unión de partes Severificoquecadacolectornoseaproximedemasiadoa sistemas que puedan ser afectados por el calor emitido.
SoldaduraEstablecidaslasunionesdeloscolectoressesoldocadapartequeformaelmúltipledeescape.Sedebeevitarquelasueldapenetredemasiadoyocasioneperturbacionesenelflujodegases
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CONSTRUCCIÓN DEL MULTIPLE DE ESCAPE DE ALTO RENDIMIENTO
AcabadosSe elimina residuos de soldadura que se presenten en cadacolectorysepuleobteniendounmejoracabadosuperficialdelsistemaenconjunto.
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CONSTRUCCIÓN DEL MULTIPLE DE ESCAPE DE ALTO RENDIMIENTO
Enlasfigurasseobservanlosdistintosmultiplesconstruidoylistosparasumontajeenelmotor
Múltiple Colector N1 MúltipleColectorN4 MúltipleColectorN5
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CONSTRUCCIÓN DEL MULTIPLE DE ESCAPE DE ALTO RENDIMIENTO
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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ENSAYOS DE TORQUE Y POTENCIAColector N4
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ENSAYOS DE TORQUE Y POTENCIAColector N5
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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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ANÁLISIS DE RESULTADOS Resultadosobtenidosenelbancodinamométrico
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ANÁLISIS DE RESULTADOS Resultadosobtenidosenelbancodinamométrico
Colector Original Colector N1
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ANÁLISIS DE RESULTADOS Resultadosobtenidosenelbancodinamométrico
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.