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PROYECTO DE INVESTIGACIÓN:
ARRANQUE NEUMÁTICO DE VEHÍCULOS
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Estructura del proyecto
1. DATOS NOMINALES DEL PROYECTO
1.1. Título del Proyecto
Arranque neumático de vehículos.
1.2. Área en la que se Inscribe
Este proyecto se inscribe dentro del área de tecnología automotriz. Como
palabras claves para tipificar el mismo se tienen: Sistema de arranque,
arranque neumático.
1.3. Responsable del Proyecto
Ronald Lipa Condori.
1.4. Fecha
Mayo del 2013.
2. ANTECEDENTES
2.1. Marco Conceptual
Los arrancadores neumáticos están destinados a la puesta en marcha
de motores de combustión interna y turbinas de gas.
Los arrancadores neumáticos se caracterizan por su elevado par de
arrastre, alta velocidad, gran potencia en proporción a su peso y
volumen, reducido consumo y bajo mantenimiento.
Los arrancadores neumáticos trabajan en un margen de presiones dehasta 30 bares (3 Mpa) como máximo. La presión mínima de función,
depende de las condiciones de cada instalación. La inmediata
respuesta y el alto régimen de los arrancadores neumáticos, hace que
el motor alcance en pocos instantes su velocidad de ignición, lo que
aumenta la eficacia de la operación de puesta en marcha.
Los arrancadores neumáticos no necesitan ninguna lubricación
externa, eliminando así la necesidad de instalación de lubricadores
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adicionales resultando una instalación más limpia, más ecológica y de
menor mantenimiento.
Los arrancadores neumáticos se caracterizan por su insensibilidad a la
humedad, al ambiente salino, a las vibraciones y condiciones
climáticas adversas.
Los arrancadores neumáticos vienen empleándose con éxito para
motores marinos, motores Diesel en general instalados en
locomotoras, camiones cisterna, carretillas elevadoras, grupos
electrógenos, grupos motocompresores, etc., y para turbinas de gas.
Igualmente son sumamente adecuados para motores destinados a
regiones árticas, plataformas de perforación, máquinas quitanieves,
vehículos en industrias petroquímicas y otros ambientes con peligro de
explosión o incendio.
Los arrancadores neumáticos son empleados satisfactoriamente por la
gran mayoría de fabricantes de motores Diesel tales como: Caterpillar,
Cummins, Deutz, HHI, KHI, MAN, M.T.U, Pielstick, Rolls Royce, Volvo,
Wartsila, etc.
2.2. Antecedentes Locales
3. FUNDAMENTACIÓN DEL PROYECTO
3.1. Definición del Problema
En la actualidad, el arranque neumático no es muy utilizado en vehículos que
comúnmente vemos por las calles autos, camionetas, camiones de bajo
tonelaje y alto tonelaje, buses, etc. En primera instancia, el proyecto de
arranque neumático de vehículos no está dirigido a vehículos de baja
potencia tales como autos y camionetas, pues no cuentan con un sistema
neumático incorporado. Este proyecto va dirigido a vehículos de mediana y
alta potencia, pues la mayoría de ellos cuenta con un sistema neumático
incorporado, entonces de desea reemplazar el arranque eléctrico por el
arranque neumático, dado que para una potencia determinada el peso y
volumen de un arrancador neumático es mucho menor que en un arrancador
eléctrico, además de la insensibilidad a la humedad y ambiente salino del
arrancador neumático.
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3.2. Objetivos del Proyecto
Diseñar un sistema neumático de arranque para vehículos.
Evaluar matemáticamente el ahorro de combustible, debido a la
disminución en el peso y volumen del arrancador.
Hacer una comparación entre costos de mantenimiento de un sistema
de arranque neumático y de un sistema de arranque eléctrico.
3.3. Hipótesis
El consumo de combustible de un vehículo viene dado por la potencia
que genera el motor de combustión interna, la potencia generada es
directamente proporcional a la potencia requerida por el vehículo para
transportar una cantidad de masa. Al reducir la masa del vehículo, se
reduce entonces el consumo de combustible.
Los costos referidos al mantenimiento de un sistema neumático, son
mucho menores a los costos de mantenimiento de un sistema
eléctrico.
3.4. Justificación del Proyecto Justificación Técnica
En la actualidad, se puede observar que la mayoría de los vehículos
de mediana y alta potencia, llámese camiones medianos y camiones
pesados, cuentan con un sistema neumático incorporado de fábrica,
entonces porque no aprovechar la energía neumática producida para
accionar al motor de arranque.
Justificación Económica
La disminución en masa y por ende del peso del motor que acciona al
motor de combustión interna, permite un ahorro de combustible. La
disminución en el mantenimiento del motor, permite ahorros en el tema
de costos por mantenimiento.
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Figura 1 Motor de arranque eléctrico. (Fuente:Internet)
Figura 2 Motor neumático. (Fuente: Internet)
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Figura 3 Motor neumático: funcionamiento.(Fuente: Internet)
Justificación Social
El aumento de potencia aprovechable, el ahorro de combustible y el
ahorro en mantenimiento, permite a los clientes que el arranque
neumático sea mejor opción que el arranque eléctrico. Con el cambio
del tipo de utilización de energía, se tienen menos riesgos eléctricos,
riesgos de incendio, etc.
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3.5. Productos del proyecto
Como resultado de este proyecto, se habrá logrado diseñar un sistema
neumático para el accionamiento del motor de combustión interna, el cual
utiliza la energía neumática almacenada en los tanques de aire del vehículo.
Los resultados de este proyecto tendrían una inmediata aplicación en el
parque automotor de mediana y alta potencia.
3.6. Alcances de la innovación
Debido a cuestiones económicas del grupo de trabajo, no se va a implantar el
sistema de arranque neumático en el vehículo.
4. METODOLOGÍA
4.1. Contexto o Restricciones
Como se indicó en la sección 3.6, debido a la falta de un fondo económico no
se va a implantar físicamente el sistema neumático de arranque de vehículos.
4.2. Variables
La elección del correcto arrancador neumático, implica un cálculo donde
intervienen las siguientes variables: potencia necesaria para poder poner en
marcha el conjunto del motor, velocidad a la cual enciende el motor de
combustión interna, presión del aire comprimido de los tanques de
almacenamiento que alimentara al arrancador neumático, caudal de
alimentación del arrancador neumático. La potencia del arrancador neumático
será la misma que el de un arrancador eléctrico, con la única diferencia que el
arrancador neumático es de poco peso y de poco volumen.
4.3. Procedimientos
Los motores neumáticos pueden trabajar entre 3 y 7 bar, aunque la presión
normal de trabajo es de 6 bar. Los motores están diseñados para dar sus
mejores características a esta presión.
El rendimiento de un motor neumático depende de la presión de entrada. A
una presión de entrada constante, los motores neumáticos muestran una
relación lineal característica de par/velocidad. Sin embargo, regulando el
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suministro de aire, a través de las técnicas de estrangulación o regulación de
presión, se puede modificar la potencia de un motor neumático.
La velocidad se sitúa sobre el eje horizontal, mientras que la potencia y el par
lo hacen en el eje vertical. En la figura 4 se ve que la potencia es cero para
velocidad cero y que va incrementándose cuando se incrementa la velocidad
hasta un máximo que corresponde con la mitad de las revoluciones libres del
motor. A partir de este punto si se incrementa la velocidad, la potencia
disminuye hasta cero cuando el motor gira a las máximas revoluciones
(revoluciones libres).
Figura 4 Curva de potencia de un motor neumático. (Fuente: Internet)
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Figura 5 Circuito neumático principal del sistemade arranque. (Fuente: Propia)
4.4. Planificación de la experimentación
El elemento fundamental en cuanto a la puesta en marcha del motor de
combustión interna es el motor neumático. Se va a definir un motor
neumático posteriormente de concretar las características que debe disponer.
El motor neumático con respecto al eléctrico tiene la ventaja de necesitar un
menor peso y volumen para tener la misma potencia, normalmente trabajan
entre 3 y 7 bares de presión, a más presión más desgaste y consumo pero
también más potencia, par y velocidad. Actualmente se están desarrollando
motores neumáticos muy competitivos en empresas dedicadas a esta
tecnología como la empresa EngineAir Research & Development o la
empresa automovilística MDI donde se diseñan motores neumáticos para
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utilizar en vehículos ecológicos, pero el objeto de este proyecto no es el de
diseñar un motor, sino acoplar este a un vehículo con motor de combustión
interna, por ello haremos la selección del motor entre los que se
comercializan en el mercado actual de motores neumáticos. Comienza ahora
el trabajo de selección del motor para lo cual investigamos sobre la tecnología
de los motores neumáticos y concluimos que lo primero a saber para
seleccionar un motor neumático es la velocidad a la que a de trabajar el motor
y el par a esa velocidad, esto nos dará la potencia. Lo más eficaz es que el
motor funcione a la velocidad de máxima potencia, elegiremos un motor cuyo
punto de trabajo este lo más cerca del de potencia máxima con ello
obtenemos un menor consumo. Analizamos también las características que
disponen los motores eléctricos de los actuales vehículos de mediana y alta
potencia y que nos servirán de referencia para seleccionar un motor de aire
comprimido capaz de realizar una labor semejante. Las características
medias obtenidas son en cuanto a potencia 3 kW, velocidad 2800 r.p.m. y par
10 N.m, estas serán las características medias con las que buscar un motor
trabajando a máxima potencia. Posteriormente consultamos en diversos
catálogos y empresas hasta encontrar el más eficaz posible y que se
aproxime más a las características buscadas. En la figura 4 se muestra la
curva de potencia característica de los motores neumáticos, en ella se
observa que la potencia máxima se genera en torno al 50% de la velocidad en
vacío. Con todos los datos cerciorados realizamos una labor de búsqueda del
motor consultando catálogos de diferentes empresas como Neumac o Atlas
Copco donde los motores tipo CR, NR o LZL se ajustan bastante a lo exigido.
Finalmente seleccionamos el motor LZL25 de Atlas Copco (tema desarrollado
en el apartado Selección del motor) que consta de las siguientes
características:
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Figura 6 Características del motor neumático dearranque. (Fuente: Internet)
5. IMPLEMENTACIÓN
5.1. Actividades Principales
TABLA DE ACTIVIDADES
CODIGO DESCRIPCION DURACION(Semanas)1 Revisión Bibliográfica 2
2 Formulación de Marco Conceptual 2
3 Revisión de Estrategia Experimental 1
4 Ejecución de Experimentación 1
5 Ordenamiento de Resultados 2
6 Análisis de Resultados 2
7 Proponer un Diseño de Sistema de Arranque Neumático 1
8 Redactar el Informe Final 2
TABLA 1
5.2. Interdependencia de Actividades
1 2 3 4 5 6 7 8
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5.3. Cronogramación de Actividades
ACTIVIDADESSEMANAS
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 131
2
3
4
5
6
7
8
5.4. Duración Total del Proyecto
El proyecto tiene una duración total de 13 semanas.
6. RECURSOS PARA EL PROYECTO
Debido a la falta de recursos humanos el proyecto quedara como un diseño, para
que pueda ser implantado en un vehículo de mediana o alta potencia, cuando se
disponga de los mismos.
7. EVALUACIÓN DEL PROYECTO
7.1. Indicadores
El proyecto se evaluara en base al cumplimiento del cronograma de
actividades.
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8. BIBLIOGRAFíA
Deppert, W. Aplicaciones de la neumática. Marcombo, 1977.
Guillén Salvador, Antonio Introducción a la neumática. Marcombo, 1988.
http://www.atlascopco.com
http://www.neumac.es
Catálogo de Atlas Copco.