8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

DISEÑO AERODINAMICO DE UNA CARROCERIA PARA UN AUTOMOVIL CON ENERGIA ALTERNATIVA PARA USO URBANO EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ Gómez Lozano I. D., Barrios Oscar, Forigua John *Universidad Libre - Colombia, Cra 70 # 53-40, Bogotá [email protected]

RESUMEN La investigación de materiales para el diseño de carrocerías con energía alternativa desde la perspectiva de la industria es dada por el punto de vista de un ingeniero investigador en materiales. El objetivo de la investigación de nuevos materiales en el diseño de carrocerías con energía alternativa es desarrollar un valor agregado, preferentemente diseños únicos. La investigación de nuevos materiales no esta solo dirigida a los materiales mismos, es frecuentemente conducida a la satisfacción final del cliente. En el caso de nuevas energías alternativas, hay que hacer un estudio de cual es la energía que nos va garantizar una solución al problema de contaminación ambiental en nuestra ciudad, en este caso Bogota D.C., y aumentar la eficiencia y rendimiento térmico de nuestro sistema de combustión. En el diseño aerodinámico de carrocerías se deben realizar bocetos, cálculos, simulaciones por medio de programas asistidos por computador; donde se debe tener en cuenta el coeficiente aerodinámico en x, y, z, el respectivo material utilizado para la simulación, y el peso total de la estructura que va hacer soportada por el chasis, todo lo anterior para ir acompñado de un diseño ergonómico y de potencia No contaminante como lo és el aire comprimido.

PALABRAS CLAVE: Energía Alternativa, Ergonomía, Simulación, Materiales, Aire comprimido.

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INTRODUCCION Este documento describe el procedimiento detallado de la ejecución del proyecto de investigación del diseño aerodinámico de una carrocería para un automóvil movido por energía alternativa, en este caso aire comprimido, para la ciudad de Bogota D.C. Se elaboro una investigación acerca de la contaminación actual de la ciudad de Bogota D.C, arrojando resultados de contaminación atmosférica muy elevados, las fuentes móviles contribuyen aproximadamente al 70%; esto debido a la mala calidad de combustibles como diesel y el mal mantenimiento que se le hace a los vehículos. Por esta razón se presento una propuesta para cambiar los combustibles actuales por medios alternativos; en este caso aire comprimido. Se diseño una estructura de carrocería, adecuada al medio y a las circunstancias de la ciudad de Bogota D.C, y que por medio de diseños 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 carrocería. Para esta simulación se tuvo en cuenta variables como densidad del aire en Bogota D.C, presión atmosférica, velocidad máxima del vehiculo, presiones relativas y otros parámetros que arrojaran resultados mas exactos. II DISEÑO DE CARROCERIA A. Materiales para el diseño Se realizo el respectivo estudio de materiales y se obtuvo que el material que más se acomoda a las circunstancias de diseño es la fibra de vidrio. La fibra de vidrio es el material que se esta utilizando actualmente en la construcción de carrocerías para automóviles con energía alternativa; debido a sus características de densidad, parámetros aerodinámicos 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 contaminación menor. Los diseñadores coinciden que con el empleo de la fibra de vidrio se obtiene un 45% de reducción de peso con respecto a una carrocería similar de acero, a la vez que supera su rigidez y seguridad. Para la elaboración 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 parámetros de diseño. Por esta razón se procedió 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. Básicamente se utiliza los materiales plásticos en la construcción de carrocerías, en busca de confort, reducción de peso y de ruidos. Después de haber obtenido el molde en arcilla según planos elaborados y detallados en Solid Edge se procede a la fabricación del premolde en fibra de vidrio. Para la elaboración del premolde en fibra de vidrio, se contó con materiales químicos para su respectiva ejecución; materiales como resina, mec, alcohol desmoldante, cera desmoldante, talco, matt brasilero; en porcentajes adecuados para su compactación.

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

Luego de obtener los porcentajes de mezclas de materiales necesarios par la ejecución 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 mínimo 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 dañar 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 servirá como modelo a escala para pruebas aerodinámicas en un túnel 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 ahí se partirá a la elaboración de un molde a escala 1:1. B. Energías alternativas. Los carros híbridos están siendo diseñados, y mostrados en ferias internacionales por grandes empresas en Alemania, pero como proyectos de fabricación a largo plazo; en cambio las empresas japonesas como la toyota, que marcha a la cabeza de estos diseños desde hace varios años cautiva a países como los Estados Unidos, y otros países de Europa. Esta competencia que se pretende dar dentro de unos años es por el motivo de que con un automóvil que trabaje con una energía híbrida, el ahorro de combustible oscila entre el 10 y el 15 por ciento, según construcción y especificaciones técnicas, el único inconveniente que encuentran los ingenieros y diseñadores es que su producción es poco eficaz y demasiado cara en su desarrollo. Por esta razón hoy en día los investigadores hacen modificaciones a esta tecnología para que los automóviles incrementen su eficiencia energética en un paso intermedio para llegar a la economía del hidrogeno. Como investigadores en el área de ingeniería mecánica es fundamental conocer el funcionamiento de dicho proceso de combustión, que nos de el conocimiento suficiente para entender un proceso con energía alternativa. Primero es hacernos una pregunta, como y donde producirlo; la metodología debe estar encaminada a no producir CO2, por eso el metanol es la mejor opción actual; por que nos reduciría en un 25% la producción de CO2. Sin embargo si pensamos en otros medios de obtención, encontramos que a partir del gas natural se rebajaría en un 40%, o mejor aun si se piensa producirlo utilizando el gas metano generado como biogás de las plantas, la producción de CO2 seria neutra. Los investigadores han hecho pruebas de que el hidrogeno puede obtenerse también del agua, sin someterla a un proceso de hidrólisis. Esto nos da entender que hay que investigar nuevos métodos de obtención de hidrogeno. Segundo es como almacenarlo; seria un inconveniente ya que necesitaríamos un estanque aproximadamente 3000 veces más grande que para un tanque de gasolina con un mismo poder energético. Para su transporte se debe realizar en forma liquida a unos 2530C. Tercero es como debe ser el uso; para esto se están utilizan celdas de combustible, que son alimentadas por el hidrogeno. Estos son dispositivos electroquímicos, 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 energía se introduce el hidrogeno en estado gaseoso a través del ánodo y el oxigeno a través del cátodo, esta estructura es la que permite que se produzca la reacción electroquímica equivalente a una combustión, pero en la celda no hay llama. Son los electrones liberados los que generan la corriente que mueve el motor del automóvil. 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 también tenido en cuenta. Esta compuesto principalmente por metano. Su más importante ventaja es que se obtiene de los yacimientos directamente, sin depender para nada del petróleo, por lo que para muchos es la energía 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 ventilación es muy fácil. Una característica que, según la zona geográfica, puede ser una ventaja o un inconveniente es que la distribución se realiza por gasoductos y red doméstica 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 presión ambiente esta en estado gaseoso, por que para almacenarlo en un vehiculo, y que este tenga una autonomía adecuada, es necesario comprimir este gas a presiones muy elevadas, de unos200 bar, lo que hace que los depósitos sean grandes y pesados y la operación de llenado, muy lenta. La pila de combustible se trata de un motor eléctrico con la facilidad de almacenaje de una gran cantidad de energía en forma de combustible en un tanque. La electricidad no se almacena en baterías; se genera en el propio vehículo gracias a una reacción química llamada combustión fría. La pila de combustible es la opción con mayor futuro dentro de los sistemas de impulsión alternativos. De hecho, protagoniza un programa de ensayo práctico de autobuses con pilas de combustible, el experimento más ambicioso que existe sobre energías alternativas para la automoción. 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 opción de energía alternativa que puede haber en la ciudad de Bogota D.C, y por las diferentes características de diseño que va a tener el vehiculo en cuestión. C. Diseño aerodinámico El término diseño procede del vocablo italiano 'disegno'. Como estudiantes de ingeniería mecánica es la representación gráfica, de acuerdo con una idea creativa previa, de un objeto artístico o funcional, de un dispositivo mecánico, o la descripción de funcionamiento de un sistema o proceso. El procedimiento que se llevo a cabo para la ejecución del proyecto fue el siguiente; primero se elaboraron una cantidad de propuestas de bocetos en SolidEdge para escoger la mejor opción de diseño.

Figura 3. Modelo de propuesta de carrocería Para llevar a cabo el proceso de diseño de esta carrocería para un automóvil con motor de aire comprimido, se especifico las propiedades y las cualidades que debía tener dicha carrocería; dimensiones; alto ancho, largo, espacio para el motor, espacio para los pasajeros, espacio para el baúl, radio dinámico 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 elaboración del molde en arcilla se le hicieron modificaciones a la propuesta, con el objetivo de acercarnos lo más posible a resultados exactos en el CAE, Tercero se rediseño la propuesta para efectos de simulación. Lo siguiente que se hizo fue una simulación estática a la carrocería para determinar los esfuerzos máximos, y mínimos. Esta simulación se hizo en el Programa ANSYS WORKBENCH. Se tuvo en cuenta la variable de la gravedad estándar de 9.8 m/s2.

Figura 4. Esfuerzo equivalente von-Mises. Después de avalar estáticamente la carrocería, se procedió a la ejecución de la simulación aerodinámica. Para la simulación aerodinámica; lo primero que se hizo en el programa SolidEdge fue una operación boleana; la cual tiene como objetivo insertar el carro en un túnel de viento; este túnel de viento se diseño a una escala 5:1 con relación a las dimensiones finales de la carrocería. 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 geometría del modelo, para efectos de simulación de elementos finitos.

Figura 5. Geometría enmallada. Luego se importa la geometría enmallada al programa ANSYS CFX, para determinar variables de simulación; la primera variable es a la entrada del túnel 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 túnel de viento y se denomina OUTLET, donde se tiene en cuenta un valor de presión estática relativa de 0.

Figura 6. Variable OUTLET. La tercera variable que se genero fue las condiciones de la carrocería, esta variable se denomina Wall. Luego de determinar todas las variables de entrada; se pasa al proceso del solución del programa generando los resultados finales de la simulación aerodinámica.

Figura 7. Resultaos de presión en la carrocería. Se obtuvo los resultados gráficos de diseño; el valor de presión más alto en la carrocería que se obtuvo es de 143 Pa y el más bajo es de -226 Pa.

Figura 8. Resultados de presión túnel y carrocería Se obtuvo el valor de presión total dentro del túnel de viento y en la carrocería; observando presiones altas hasta de 155 Pa, y presiones bajas de un valor de -228 Pa.

Figura 9. Resultados de presión total. El valor de presión máxima total en la carrocería que se obtuvo fue de 155 Pa, y el valor mas bajo de presión total fue de -288 Pa; como se observa no varían las presiones totales del resultado de presiones dentro del túnel de viento. Se obtuvo los resultados gráficos de diseño; el valor de temperatura total en la carrocería 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 gráficos de diseño; el valor del esfuerzo cortante máximo en la superficie de la carrocería 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 carrocería Las velocidades más altas en el túnel de viento y en la carrocería encontradas no varían mucho con respecto a la velocidad encontrada solamente en la carrocería; sin embargo se puede observar el choque del aire contra la carrocería en el cambio de color y en la tabla de resultados. REFERENCIAS 1 2 3 4 5

David Hart. Fuelling the Future. New Scientist, Junio 16, 2001.141 Inside Science. García Jiménez, José Luís. 2004. Automoción, Elementos amovibles y fijos no estructurales. Ed. Thompson Paraninto. Mc Beath, Simón.2000. Aerodinámica del automóvil de competición. Ed. Grupo editorial ediciones CEAC S.A. Pág. 247. Ordóñez Romero, Carlos. Aerodinámica. Ed. Hispano Americana, primera edición. Vol 1. Pág. 188. García Jiménez, José Luís. 2004. Automoción, Estructuras del Vehiculo. Ed. Thompson Paraninto.