8 CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA

Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

DISEO AERODINAMICO DE UNA CARROCERIA PARA UN AUTOMOVIL CON ENERGIA ALTERNATIVA

PARA USO URBANO EN LA CIUDAD DE BOGOT

Gmez Lozano I. D., Barrios Oscar, Forigua John

*Universidad Libre - Colombia, Cra 70 # 53-40, Bogot ivangomezl@yahoo.es

RESUMEN La investigacin de materiales para el diseo de carroceras con energa alternativa desde la perspectiva de la industria es dada por el punto de vista de un ingeniero investigador en materiales. El objetivo de la investigacin de nuevos materiales en el diseo de carroceras con energa alternativa es desarrollar un valor agregado, preferentemente diseos nicos. La investigacin de nuevos materiales no esta solo dirigida a los materiales mismos, es frecuentemente conducida a la satisfaccin final del cliente. En el caso de nuevas energas alternativas, hay que hacer un estudio de cual es la energa que nos va garantizar una solucin al problema de contaminacin ambiental en nuestra ciudad, en este caso Bogota D.C., y aumentar la eficiencia y rendimiento trmico de nuestro sistema de combustin. En el diseo aerodinmico de carroceras se deben realizar bocetos, clculos, simulaciones por medio de programas asistidos por computador; donde se debe tener en cuenta el coeficiente aerodinmico en x, y, z, el respectivo material utilizado para la simulacin, y el peso total de la estructura que va hacer soportada por el chasis, todo lo anterior para ir acompado de un diseo ergonmico y de potencia No contaminante como lo s el aire comprimido. PALABRAS CLAVE: Energa Alternativa, Ergonoma, Simulacin, Materiales, Aire comprimido. 34

INTRODUCCION

Este documento describe el procedimiento detallado de la ejecucin del proyecto de investigacin del diseo aerodinmico de una carrocera para un automvil movido por energa alternativa, en este caso aire comprimido, para la ciudad de Bogota D.C.

Se elaboro una investigacin acerca de la contaminacin actual de la ciudad de Bogota D.C, arrojando resultados de contaminacin atmosfrica muy elevados, las fuentes mviles contribuyen aproximadamente al 70%; esto debido a la mala calidad de combustibles como diesel y el mal mantenimiento que se le hace a los vehculos. Por esta razn se presento una propuesta para cambiar los combustibles actuales por medios alternativos; en este caso aire comprimido.

Se diseo una estructura de carrocera, adecuada al medio y a las circunstancias de la ciudad de Bogota D.C, y que por medio de diseos asistidos por computador, SOLID EDGE, ANSYS WORKBENCH; ANSYS CFX, se simulo obteniendo resultados de presiones, presiones totales, velocidades, temperaturas a lo largo de la superficie de la carrocera. Para esta simulacin se tuvo en cuenta variables como densidad del aire en Bogota D.C, presin atmosfrica, velocidad mxima del vehiculo, presiones relativas y otros parmetros que arrojaran resultados mas exactos.

II DISEO DE CARROCERIA A. Materiales para el diseo Se realizo el respectivo estudio de materiales y se obtuvo que el material que ms se acomoda a las circunstancias

de diseo es la fibra de vidrio. La fibra de vidrio es el material que se esta utilizando actualmente en la construccin de carroceras para automviles con energa alternativa; debido a sus caractersticas de densidad, parmetros aerodinmicos y a su costo moderado. Otro factor importante de la fibra de vidrio es el bajo peso debido a su densidad; Al reducir peso se ahorra en combustible y se obtiene un grado de contaminacin menor. Los diseadores coinciden que con el empleo de la fibra de vidrio se obtiene un 45% de reduccin de peso con respecto a una carrocera similar de acero, a la vez que supera su rigidez y seguridad.

Para la elaboracin de un molde de fibra de vidrio final a una escala 1:1, se deben hacer pruebas a escalas muy inferiores, ya que se deben mejorar las inconsistencias y detallar parmetros de diseo. Por esta razn se procedi a elaborar un molde a escala 1:10 en arcilla, con el objetivo de sacar un promolde en fibra de vidrio y luego sacar un molde final en fibra de vidrio.

Bsicamente se utiliza los materiales plsticos en la construccin de carroceras, en busca de confort, reduccin de peso y de ruidos. Despus de haber obtenido el molde en arcilla segn planos elaborados y detallados en Solid Edge se procede a la fabricacin del premolde en fibra de vidrio. Para la elaboracin del premolde en fibra de vidrio, se cont con materiales qumicos para su respectiva ejecucin; materiales como resina, mec, alcohol desmoldante, cera desmoldante, talco, matt brasilero; en porcentajes adecuados para su compactacin.

Figura 1. Procedimiento para elaboracin del premolde de fibra de vidrio.

Luego de obtener los porcentajes de mezclas de materiales necesarios par la ejecucin de la fibra de vidrio; se procede a impregnar el molde de arcilla con capas de mezclas lo mas compacta posible, y con espesores iguales, para obtener un mnimo de burbujas, concentradores de aire.

Figura 2. Premolde en fibra de vidrio Se obtiene como resultado final un premolde en fibra de vidrio divido en dos partes; el objetivo de hacerlo por

partes es no daar el molde de arcilla. Lo que realmente se busco fue obtener de este premolde la superficie interior, ya que de ella se obtuvo el molde final de fibra de vidrio.

Al final se obtuvo el molde final de fibra de vidrio, que servir como modelo a escala para pruebas aerodinmicas en un tnel de viento a escala; que arrojara resultados de presiones, presiones totales, velocidades, temperaturas; que se compararan con los resultados obtenidos en el simulamiento de elementos finitos. De ah se partir a la elaboracin de un molde a escala 1:1.

B. Energas alternativas. Los carros hbridos estn siendo diseados, y mostrados en ferias internacionales por grandes empresas en

Alemania, pero como proyectos de fabricacin a largo plazo; en cambio las empresas japonesas como la toyota, que marcha a la cabeza de estos diseos desde hace varios aos cautiva a pases como los Estados Unidos, y otros pases de Europa. Esta competencia que se pretende dar dentro de unos aos es por el motivo de que con un automvil que trabaje con una energa hbrida, el ahorro de combustible oscila entre el 10 y el 15 por ciento, segn construccin y especificaciones tcnicas, el nico inconveniente que encuentran los ingenieros y diseadores es que su produccin es poco eficaz y demasiado cara en su desarrollo. Por esta razn hoy en da los investigadores hacen modificaciones a esta tecnologa para que los automviles incrementen su eficiencia energtica en un paso intermedio para llegar a la economa del hidrogeno. Como investigadores en el rea de ingeniera mecnica es fundamental conocer el funcionamiento de dicho proceso de combustin, que nos de el conocimiento suficiente para entender un proceso con energa alternativa. Primero es hacernos una pregunta, como y donde producirlo; la metodologa debe estar encaminada a no producir CO2, por eso el metanol es la mejor opcin actual; por que nos reducira en un 25% la produccin de CO2. Sin embargo si pensamos en otros medios de obtencin, encontramos que a partir del gas natural se rebajara en un 40%, o mejor aun si se piensa producirlo utilizando el gas metano generado como biogs de las plantas, la produccin de CO2 seria neutra. Los investigadores han hecho pruebas de que el hidrogeno puede obtenerse tambin del agua, sin someterla a un proceso de hidrlisis. Esto nos da entender que hay que investigar nuevos mtodos de obtencin de hidrogeno. Segundo es como almacenarlo; seria un inconveniente ya que necesitaramos un estanque aproximadamente 3000 veces ms grande que para un tanque de gasolina con un mismo poder energtico. Para su transporte se debe realizar en forma liquida a unos 2530C. Tercero es como debe ser el uso; para esto se estn utilizan celdas de combustible, que son alimentadas por el hidrogeno.

Estos son dispositivos electroqumicos, que en lugar de separar el hidrogeno y el oxigeno del agua, los combinan para producir electricidad. Consiste en dos electrodos separados por un electrolito y un catalizador de platino que cubre el electrolito. Para que la celda produzca

energa se introduce el hidrogeno en estado gaseoso a travs del nodo y el oxigeno a travs del ctodo, esta estructura es la que permite que se produzca la reaccin electroqumica equivalente a una combustin, pero en la celda no hay llama. Son los electrones liberados los que generan la corriente que mueve el motor del automvil. Una sola celda genera 0.7 volts, por lo que debe asociarse todo un paquete de celdas para generar la corriente necesaria.

El Gas Natural Comprimido (GNC), debe ser tambin tenido en cuenta. Esta compuesto principalmente por metano. Su ms importante ventaja es que se obtiene de los yacimientos directamente, sin depender para nada del petrleo, por lo que para muchos es la energa del siglo XXV, al ser una alternativa real. Su mezcla es perfecta con el aire como combustible. En materia de seguridad no plantea problemas, ya que al ser un gas mas ligero que el aire, en caso de escape, su tendencia es a desplazarse hacia arriba, con lo que la ventilacin es muy fcil.

Una caracterstica que, segn la zona geogrfica, puede ser una ventaja o un inconveniente es que la distribucin se realiza por gasoductos y red domstica con lo que su consumo es muy sencillo en las zonas en que esta red esta mas desarrollada. Su principal inconveniente es que a temperatura y presin ambiente esta en estado gaseoso, por que para almacenarlo en un vehiculo, y que este tenga una autonoma adecuada, es necesario comprimir este gas a presiones muy elevadas, de unos200 bar, lo que hace que los depsitos sean grandes y pesados y la operacin de llenado, muy lenta.

La pila de combustible se trata de un motor elctrico con la facilidad de almacenaje de una gran cantidad de energa en forma de combustible en un tanque. La electricidad no se almacena en bateras; se genera en el

propio vehculo gracias a una reaccin qumica llamada combustin fra. La pila de combustible es la opcin con mayor futuro dentro de los sistemas de impulsin alternativos. De hecho,

protagoniza un programa de ensayo prctico de autobuses con pilas de combustible, el experimento ms ambicioso que existe sobre energas alternativas para la automocin. El precio de uno de estos autocares puede ser ocho veces superior al de un modelo diesel habitual. Obtuvieron resultados los cuales arrojaron que el aire comprimido es la mejor opcin de energa alternativa que puede haber en la ciudad de Bogota D.C, y por las diferentes caractersticas de diseo que va a tener el vehiculo en cuestin.

C. Diseo aerodinmico El trmino diseo procede del vocablo italiano 'disegno'. Como estudiantes de ingeniera mecnica es la

representacin grfica, de acuerdo con una idea creativa previa, de un objeto artstico o funcional, de un dispositivo mecnico, o la descripcin de funcionamiento de un sistema o proceso.

El procedimiento que se llevo a cabo para la ejecucin del proyecto fue el siguiente; primero se elaboraron una cantidad de propuestas de bocetos en SolidEdge para escoger la mejor opcin de diseo.

Figura 3. Modelo de propuesta de carrocera Para llevar a cabo el proceso de diseo de esta carrocera para un automvil con motor de aire comprimido, se

especifico las propiedades y las cualidades que deba tener dicha carrocera; dimensiones; alto ancho, largo, espacio para el motor, espacio para los pasajeros, espacio para el bal, radio dinmico de las llantas, peso bruto etc. Segundo, se genero una cantidad de planos para documentar las otras etapas del proyecto, y para generar moldes en fibra de vidrio. De los resultados que genero la elaboracin del molde en arcilla se le hicieron modificaciones a la propuesta, con el objetivo de acercarnos lo ms posible a resultados exactos en el CAE, Tercero se rediseo la propuesta para efectos de simulacin. Lo siguiente que se hizo fue una simulacin esttica a la carrocera para determinar los esfuerzos mximos, y mnimos. Esta simulacin se hizo en el Programa ANSYS WORKBENCH. Se tuvo en cuenta la variable de la gravedad estndar de 9.8 m/s2.

Figura 4. Esfuerzo equivalente von-Mises. Despus de avalar estticamente la carrocera, se procedi a la ejecucin de la simulacin aerodinmica. Para la

simulacin aerodinmica; lo primero que se hizo en el programa SolidEdge fue una operacin boleana; la cual tiene como objetivo insertar el carro en un tnel de viento; este tnel de viento se diseo a una escala 5:1 con relacin a las dimensiones finales de la carrocera. El siguiente paso fue importar el modelo boleano, al modulo de ANSYS CFX MESH, de ANSYS WORKBENCH, este paso se realizo con el objetivo de enmallar la geometra del modelo, para efectos de simulacin de elementos finitos.

Figura 5. Geometra enmallada. Luego se importa la geometra enmallada al programa ANSYS CFX, para determinar variables de simulacin; la

primera variable es a la entrada del tnel de viento y se denomina INLET, la cual se le dan valores, velocidad del viento 15m/s, modelo de turbulencia Eddy, valor 0.1m, La segunda variable es ala salida del tnel de viento y se denomina OUTLET, donde se tiene en cuenta un valor de presin esttica relativa de 0.

Figura 6. Variable OUTLET. La tercera variable que se genero fue las condiciones de la carrocera, esta variable se denomina Wall. Luego de

determinar todas las variables de entrada; se pasa al proceso del solucin del programa generando los resultados finales de la simulacin aerodinmica.

Figura 7. Resultaos de presin en la carrocera. Se obtuvo los resultados grficos de diseo; el valor de presin ms alto en la carrocera que se obtuvo es de 143

Pa y el ms bajo es de -226 Pa.

Figura 8. Resultados de presin tnel y carrocera Se obtuvo el valor de presin total dentro del tnel de viento y en la carrocera; observando presiones altas hasta

de 155 Pa, y presiones bajas de un valor de -228 Pa.

Figura 9. Resultados de presin total.

El valor de presin mxima total en la carrocera que se obtuvo fue de 155 Pa, y el valor mas bajo de presin total fue de -288 Pa; como se observa no varan las presiones totales del resultado de presiones dentro del tnel de viento.

Se obtuvo los resultados grficos de diseo; el valor de temperatura total en la carrocera en grados Kelvin. Este resultado es constante y es de 287k. Puesto que esta variable de temperatura es la de la ciudad de Bogota D.C. Se obtuvo los resultados grficos de diseo; el valor del esfuerzo cortante mximo en la superficie de la carrocera que se observa es de 1.234 Pa. El esfuerzo cortante mas bajo es de -0.19 Pa.

Figura 10. Resultados de Velocidad en la carrocera

Las velocidades ms altas en el tnel de viento y en la carrocera encontradas no varan mucho con respecto a la velocidad encontrada solamente en la carrocera; sin embargo se puede observar el choque del aire contra la carrocera en el cambio de color y en la tabla de resultados.

REFERENCIAS

1 David Hart. Fuelling the Future. New Scientist, Junio 16, 2001.141 Inside Science. 2 Garca Jimnez, Jos Lus. 2004. Automocin, Elementos amovibles y fijos no estructurales. Ed.

Thompson Paraninto. 3 Mc Beath, Simn.2000. Aerodinmica del automvil de competicin. Ed. Grupo editorial ediciones CEAC

S.A. Pg. 247. 4 Ordez Romero, Carlos. Aerodinmica. Ed. Hispano Americana, primera edicin. Vol 1. Pg. 188. 5 Garca Jimnez, Jos Lus. 2004. Automocin, Estructuras del Vehiculo. Ed. Thompson Paraninto.