Diseño, análisis y comparación de un motor Stirling y un motor de cuatro tiempos

1 Departamento de Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Autor: Jorge Sayago Tinoco Tutores: María Gloria del Rio Cidoncha Juan Martínez Palacios Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial “DISEÑO, ANÁLISIS Y COMPARACIÓN DE UN MOTOR STIRLING Y UN MOTOR DE CUATRO TIEMPOS" 2 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial “Diseño, análisis y comparación de un motor Stirling y un motor de cuatro tiempos” Autor: Jorge Sayago Tinoco Tutor: María Gloria del Rio Cidoncha Juan Martínez Palacios Departamento de Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 4 5 Trabajo Fin de Grado: “Diseño, análisis y comparación de un motor Stirling y un motor de cuatro tiempos” Autor: Jorge Sayago Tinoco Tutor: María Gloria del Rio Cidoncha y Juan Martínez Palacios El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: 6 7 Agradecimientos En primer lugar, quiero agradecerle a mis tutores, María Gloria del Rio Cidoncha y Juan Martínez Palacios, el haberme dado la oportunidad de realizar este trabajo junto a ellos, así como por toda la ayuda y los consejos que me han proporcionado a cada paso del camino, y por toda la paciencia que han tenido conmigo. También, por supuesto, quiero darle las gracias a mi familia. A mis padres, por su apoyo incondicional que me han brindado, no solo durante la carrera, sino en todos los aspectos de la vida. Han sido el pilar fundamental que me ha sujetado todos estos años, y la principal razón para no rendirme frente a las adversidades y haber seguido adelante hasta el final Y especialmente quiero darle las gracias a mi hermano Manuel, que ha seguido mis pasos en la ingeniería, y que es, con diferencia, la persona de la que más orgulloso me siento. Mi mayor objetivo en la vida ha sido siempre aspirar ser un referente y un ejemplo a seguir para él, para que también pueda decir que se siente orgulloso de su hermano mayor. Finalmente quiero darle también las gracias a Jesús, Carlos y Antonio, a mis amigas Elena y Maribel, y a mis compañeros Álvaro y Damián, por haber compartido este arduo camino conmigo, y, sobre todo, por haberme brindado su amistad. A todas estas personas que me han apoyado incondicionalmente, gracias de corazón. Solo espero poder devolverles todo el cariño que me han ofrecido en igual medida, y hacer que se sientan orgullosas y felices de que esté en sus vidas. Jorge Sayago Tinoco 8 9 RESUMEN En el presente Trabajo de Fin de Grado se pretende realizar el diseño y análisis de un motor de tipo Stirling y de un motor de combustión interna de cuatro tiempos, el motor Webster. En este texto se persigue, por tanto, un doble objetivo: en primer lugar, mostrar las potentes características de los programas de diseño asistido por ordenador, en este caso, el software CATIA, en su versión V5R19, siendo justamente el apartado de diseño el principal enfoque del trabajo; en segundo lugar, como objetivo principal, este Trabajo aspira a funcionar como un repositorio de las principales características de los motores anteriormente mencionados. En ese sentido, se procurará ofrecer una información extensa y completa acerca de estas máquinas, no sólo ateniéndose a su diseño estructural, sino también a su desarrollo histórico, funcionamiento, termodinámica y aplicaciones. La elección de estos dos motores se ha basado, primero, en ofrecer una comparativa interesante entre dos máquinas que, si bien pertenecen al mismo campo de la ingeniería y aspiran a desempeñar las mismas funciones, son sustancialmente diferentes en su funcionamiento y capacidades, lo que permitirá poner fácilmente de manifiesto sus fortalezas y debilidades al compararlas entre ellas. En segundo lugar, un motivo de gran interés para seleccionar esta pareja de motores ha consistido en el hecho de que ambos utilizan gas como principal fluido de funcionamiento; esto es algo revolucionario en la industria del motor, y abre la puerta a un desarrollo más sostenible de este sector, un objetivo que se ha venido buscando desde hace mucho tiempo, siempre opacado por el dominio de los combustibles fósiles. Así pues, para la realización de esta tesis, se procederá a desarrollar una reseña histórica de ambos motores, tras lo cual se hará una introducción a los programas de diseño por ordenador que se emplearán para su modelado (CATIA y Keyshot). A continuación, se mostrará el propio modelado, que ejercerá como la parte central de este Trabajo, para posteriormente desgranar el funcionamiento de ambos motores, así como la termodinámica que siguen. El texto concluirá con un apartado de conclusiones, que enumerará las ventajas y desventajas de cada motor, y establecerá una comparativa entre sus capacidades y características. 16 2. - RESEÑA HISTÓRICA En el presente apartado se procederá a realizar una reseña histórica de los motores sobre los que versa este Trabajo. Se ha considerado que es procedente realizar este estudio, puesto que nos permitirá alcanzar una mejor comprensión de estos motores, al conocer así sus antecedentes y las motivaciones de su creación, así como las posibilidades que ofrecen y el futuro que se les presenta. 2.1. - Reseña histórica del Motor Stirling El motor Stirling fue inventado y patentado por el reverendo e ingeniero Robert Stirling en 1816 [1]. La idea de su creación surgió como una continuación de anteriores intentos, en su mayoría infructuosos, por crear un motor impulsado por aire. Los principales casos anteriores registrados por crear un motor de esta metodología fueron los intentos, en primer lugar, de Guillaume Amontons, siendo el primero en crear un motor de aire caliente funcional, en 1699 [2]. Este motor sería un precursor de los trabajos de Robert Stirling, siguiendo unas pautas cercanas a lo que más tarde el reverendo escocés definiría como el propio ciclo Stirling [3]. Este motor original utilizaba un sistema de agua como sustituto del sistema de pistón que incorporaría Stirling, y se basaba en una rueda rotatoria, sin introducir aun el movimiento de avance alternativo que caracteriza a nuestro motor bajo estudio. Si bien este motor, al parecer, podía alcanzar unas potencias no desdeñables para la época, la dificultad de su diseño, así como el escaso rango de aplicaciones a las que podía incorporarse, hizo que no supusiera una revolución en sí mismo. Ilustración 2.1: Guillaume Amontons (izda) [4] y diseño de su primer motor de aire caliente (dcha) [2] 17 El trabajo de Amontons en este campo fue continuado en 1807 por George Cayley, que también creo un sucedáneo del motor de aire caliente. Aunque solucionaba varias de las problemáticas del modelo de Amontons, aún distaba de ser un diseño al que se le pudiera encontrar utilidad práctica, y con algunas fallas que no lo hacían competitivo. Una de estas características negativas consistía en que el aire debía ser aportado continuamente desde el exterior para ser quemado y expandido en grandes cantidades, necesarias para mantener la combustión [5]. El diseño de Stirling solucionaría ampliamente este escollo, al tratarse de un motor en ciclo cerrado, con una cantidad de aire interna que se mantendría constante, sin necesidad de aportaciones posteriores para mantener el funcionamiento. Sin embargo, la llegada del motor Stirling si fue revolucionaria, al ser el primero de este tipo de motores en encontrar aplicaciones prácticas; está registrado su primer uso oficial en 1818, cuando fue utilizado para bombear agua en las instalaciones de una cantera [3]. La capacidad del motor, con su capacidad generadora de energía, así como el alto aprovechamiento del trabajo producido lo popularizó rápidamente. Ilustración 2.2: George Caley (izda) [6] y su motor de aire caliente (dcha) [7] Ilustración 2.3: Robert Stirling (izda) [8] y Planos preliminares del motor Stirling (dcha) [9] 18 Desde su primer diseño, Robert Stirling, apoyado por su hermano e ingeniero James Stirling, continúo sacando patentes para el motor, con sucesivas mejoras y nuevas configuraciones para el motor. Dos de las principales motivaciones de los ingenieros a la hora de desarrollar este motor consistían, por un lado, en el evidente ahorro de combustible que se obtiene al sustituir los carburantes convencionales por aire; pero también, y principalmente, por la extraordinaria reducción en el riesgo de accidentes, y en el caso de ocurrir estos, en la menor gravedad de los daños acaecidos [10]. Esto presentaba una ventaja sustancial frente a los motores de vapor que poblaban la mayoría de las industrias de la época, y de los que no resultaba raro la noticia de que alguno hubiera explotado, con aparatosas consecuencias. Para 1843, se tiene constancia de que los motores Stirling han sido ampliamente adoptados en muchas factorías, siendo un ejemplo registrado las fundiciones de hierro en Dundee, Escocia [11]. Sin embargo, y como se verá más adelante en el presente Trabajo, los motores Stirling deben trabajar a altísimas temperaturas; esto podía ser extremadamente limitante para los materiales de fabricación de la época, que en muchos casos no eran capaces de resistir de manera continuada el excesivo desgaste que esto suponía. Los motores Stirling anteriormente mencionados de las fundiciones de Dundee fueron reemplazados por motores de vapor al cabo de varios años, después de que los Stirling se quebraran en más de una ocasión [12]. A pesar de que seguía siendo una certeza la mayor seguridad de estos, ya que, en el caso de fallo, las consecuencias eran menores, el alto coste añadido del mantenimiento acabó por hacerlo prohibitivos. Después del contratiempo de los motores de Dundee, no hay registros de que los hermanos Stirling continuaran con un desarrollo avezado de los motores patentados, los cuales además se vieron cada vez más arrinconados por los motores de vapor, los cuales se estaban volviendo más seguros y eficientes; las dos principales categorías en las que habían tratado de competir los motores Stirling originalmente. Sin embargo, se tiene constancia de que alrededor de 1860 estos pudieron volver a encontrarse en cantidades sustanciales, utilizados en aplicaciones que requirieran una potencia media-baja, como el bombeo de agua a baja escala [12]. En este tipo de operaciones trabajaban a temperaturas bastante más bajas de aquellas para las que habían sido ideadas en un principio; esto permitía que el desgaste que incurría sobre las piezas fuese mucho más bajo, aunque ciertamente trabajaban muy por debajo de su eficiencia ideal, solo alcanzable a altas temperaturas. El gran atractivo que mostraron para el público consistió en su alta seguridad, combinado con el hecho de que podían ser operados por cualquiera, incluso sin una formación sólida, ya que simplemente requerían un aporte de calor, fuese cual fuese la fuente [12]. Después de este breve auge, los motores Stirling volvieron a caer progresivamente en desuso, con pocos tipos en producción, y sin ningún desarrollo digno de mención, aparte de alguna mejora mecánica puntual, por lo que su diseño quedó estancado. Esto se acrecentó con la llegada de los motores 19 eléctricos y los motores de combustión interna, que acabaron por relegar completamente a los motores Stirling [12]. Sin embargo, en torno a 1930, la compañía Philips cobra interés por este tipo de motores, dentro de una campaña para expandir sus ventas a partes del mundo donde la electricidad y otras fuentes de energía modernas fueran un bien escaso. Tras un estudio por parte de los ingenieros de la compañía, el motor Stirling se reveló como la gran opción para lanzar esta campaña, destacando sus bajos niveles de ruido e interferencias, ya fueran de radio o eléctricas, y, sobre todo, su versátil capacidad para funcionar con cualquier tipo de fuente de calor externa. Esto permitía que incluso en partes del mundo menos desarrolladas, hacer funcionar un motor Stirling fuera una tarea sencilla, pudiéndose quemar cualquier tipo de combustible barato [13]. Además, un gran punto a favor consistió en que el motor Stirling apenas había tenido desarrollo desde sus últimas iteraciones, por lo que se esperaba que, aplicando las nuevas técnicas y materiales disponibles de la época, podría conseguirse un salto extraordinario en sus capacidades y eficiencia [14]. Esto permitió, por lo tanto, un avance sustancial en el desarrollo del motor Stirling. Se crearon numerosos modelos con capacidades de generación de energía mejoradas, y muchos fueron derivados a universidades, donde empezaron a estudiarse las bondades de este motor. Una de las aplicaciones más interesantes encontradas fue la de un motor Stirling reverso con capacidad de criogenización. Este nuevo auge se mantuvo hasta la década de 1970, momento hasta el cual mantuvieron una fuerte presencia, aunque posteriormente, durante los siguientes 20 años aproximadamente, volvieron a cobrar un papel más discreto [13]. Sin embargo, vuelven a encontrar un resurgimiento sorpresivo en 1996, cuando la armada sueca fabrica tres submarinos de clase Gotland, los cuales, aunque trabajan con motores diésel mientras permanecen en la superficie, pasan a funcionar con motores Stirling en el momento de la inmersión, quemando combustible diésel alimentado con oxígeno líquido [16]. Más tarde Suecia volvió a utilizarlos para sus submarinos de clase Södermanland, y viendo el tremendo potencial que representan para esta aplicación, Japón también solicitó la incorporación de estos motores en todos sus nuevos submarinos. Ilustración 2.5: Submarino clase Gotland [97] Ilustración 2.4: Motor Philips MP1002CA Stirling [15] 20 Finalmente, y en consonancia con las características de escasa contaminación que representa el motor Stirling, en los últimos años una de sus mayores incorporaciones ha sido en la industria de la producción de energía por alimentación solar, siendo la United Sun Systems una de las compañías que mayores avances ha logrado en la incorporación de estos motores en sus sistemas de alimentación [17]. 2.2. - Reseña histórica del Motor de Combustión Interna Procederemos a continuación con la reseña histórica del motor Webster, enfocada principalmente sobre el desarrollo de los motores de combustión interna dentro de los cuales se clasifica este. Hay que reseñar que, mientras el motor Stirling fue más autocontenido, pues se basó en una idea más atípica y revolucionaria, los motores de combustión interna tienen una historia larga y profunda, con un enorme número de avances e inventores conformando una idea que se desarrolló durante siglos. Efectivamente, aún de forma anecdótica, se pueden encontrar primeros ejemplos de aprovechamiento de la combustión para el movimiento de maquinaria incluso en la antigüedad; uno de los ejemplos más claros consistiendo en las primeras aplicaciones de la pólvora desarrollados en la antigua China [19]. Sin embargo, no encontramos un desarrollo especifico de la técnica orientada a ser incorporada en máquinas motor hasta el siglo XVII, momento el que Christiaan Huygens desarrolla una suerte de primer motor, empleando la combustión de pólvora en un contenedor cerrado para bombear agua [21]. Esta sería la primera aparición de una aproximación a la idea de un motor de combustión interna. Ilustración 2.6: Motor Stirling de tipo disco solar [18] Ilustración 2.7: Primeras ilustraciones del uso de pólvora [20] 21 Ilustración 2.8: Christiaan Huygens (izda) [22] y una ilustración de su motor de pólvora (dcha) [23] Su trabajo sería continuado por Denis Papin, el cual introduciría un cambio primordial: sustituiría el aire generado en la combustión por vapor de agua, creando así lo que sería un precursor de la máquina de vapor [24]. Ilustración 2.9: Denis Papin (izda) y una ilustración de su motor de vapor de agua (dcha) [25] Durante los años posteriores se crearían un gran número de aproximaciones que girarían en torno a la idea de conseguir potencia mediante la quema de algún combustible en el interior de la maquinaria; también empezó a experimentarse con las ideas de válvulas y turbinas. No obstante, no es hasta 1807 cuando los hermanos Nicéphore y Claude Niépce inventaron el que podría considerarse como uno de los primeros motores oficiales de combustión interna. Utilizando una mezcla de residuos naturales, carbón y resina como combustible, idearon una máquina cuyo principio activo se basaba en la expansión de gas contenido en su interior para accionar sus piezas móviles, tras ser sometido a una explosión; idea básica que coincide en esencia con lo que se considera hoy día como un motor de combustión interna. Este primer motor fue bautizado como el “Pyréolophore” [26], y demostró su capacidad siendo capaz de hacer avanzar un pequeño barco por el rio Senna. Sin embargo, las dificultades que involucraba el 22 combustible utilizado, junto con problemas de eficiencia y las escasas aplicaciones que se le encontraron, hicieron que tuviera un éxito relativamente bajo. Ilustración 2.10: Nicéphore Niépce (izda) [27] y su invento, el Pyréolophore (dcha) [26] En 1823 encontramos el siguiente gran avance, de la mano de Samuel Brown, que fue posteriormente encumbrado como “el padre del motor de gas”, el cual creó el primer motor de clasificación de combustión interna que fue aplicado industrialmente. Este, acorde con el título que recibió su inventor, funcionaba mediante el impulso de aire, combinado con la creación de vacío [28]. Samuel Brown siguió desarrollando su motor en los años siguientes, aunque, a pesar de que se reconoció el éxito de su idea, los altos costes involucrados en el motor impidieron que este pudiera ser ampliamente adoptado. Ilustración 2.11: Samuel Brown (izda) y su motor de vacío (dcha) [29] 23 Debe reseñarse que, junto con la creación de nuevos motores, el estudio de la termodinámica que estos seguían discurría paralelo. Se establecía así una relación simbiótica entre los ingenieros desarrolladores y los científicos, en la que las aportaciones y descubrimientos de unos apoyaban, facilitaban, y en muchos casos, posibilitaban, las ideas del otro grupo. Es digno de mención la aportación de Sadi Carnot en 1824, que estableció el principio teórico de la termodinámica involucrada en los motores térmicos idealizados. Esto es especialmente relevante, pues fue de aquí de donde surgió el famoso ciclo de Carnot, que establece la eficiencia máxima que puede alcanzar un motor térmico. Durante los años siguientes se siguieron desarrollando nuevas ideas en este campo, aunque la mayoría se encontraban ante el muro insalvable de suponer costes demasiado elevados para una eficiencia muy reducida. Los trabajos de Carnot ya anunciaron en su momento que, para conseguir el aumento de eficiencia requerida, debía añadirse una fase de compresión al ciclo seguido por el motor; esta idea fue implementada con éxito por primera vez en 1838 por William Barnett, cuya creación es la primera que de forma oficial implementa una fase de compresión [30]. Esto supone un avance más hacia el motor de combustión interna por excelencia que se conoce hoy en día. Entre 1853 y 1857, los italianos Eugenio Barsanti y Felice Matteucci desarrollaron un nuevo motor de combustión interna, implementando numerosos avances conseguidos en los últimos años [31]. Si bien en el momento no tuvieron una repercusión extraordinaria, los registros aseveran que su creación se contó entre los primeros motores capaces de competir en potencia con los afamados motores de vapor de la época. Ilustración 2.12: Sadi Carnot [26] Ilustración 2.13: Motor de William Barnett [30] 24 Ilustración 2.14: Eugenio Barsanti y Felipe Matteucci (izda) y modelo de su motor conjunto (dcha) [31] En 1860 Jean Joseph Etienne Lenoir desarrolla el primer motor de combustión interna en ser considerado un éxito comercial, del cual se vendieron numerosas unidades, implementándose muchos de ellos en prototipos de automóviles [32]. Sin embargo, su escaso rendimiento impide su asentamiento generalizado. Ilustración 2.15: Jean Joseph Etienne Lenoir (izda) y su motor de combustión interna (dcha) [33] Sin embargo, encontramos otro gran salto cualitativo en 1861, cuando Alphonse Beau de Rochas enuncia por primera vez el principio de funcionamiento del sistema de cuatro tiempos que sería adoptado por los motores de combustión interna modernos, además de enfatizar la importancia de la fase de compresión que ya había empezado a vislumbrarse recientemente [32]. 25 Paralelamente a Rochas, aunque superando ampliamente el alcance las creaciones de este, nos encontramos con Nikolaus Otto, el cual desarrolló exitosamente un motor de combustión interna que sería el precursor oficial, casi de similares características, a los motores modernos de esa categoría. Inició su trabajo basándose en el motor creado por Etienne Lenoir, corrigiendo sus fallas, e introduciendo todas las mejoras que pudo considerar, incluyendo el sistema de cuatro tiempos, que desarrolló por su cuenta de forma independiente a Rochas [32], [35]. En definitiva, Nikolaus Otto creó el primer ejemplo absoluto de un motor de combustión interna de cuatro tiempos, como aquel sobre el que versa el presente Trabajo. Así mismo, su motor hizo oficial el ciclo de funcionamiento termodinámico sobre el que trabajan estos motores, y al que le cedió su nombre: el ampliamente conocido ciclo Otto, bautizado de forma oficial en 1876 [35]. El motor de Otto fue un éxito comercial, y en 1864, junto con Eugen Langen, fundan la primera compañía productora de motores de combustión interna, que cobraría el nombre de la Deutz Gasmotorenfabrik AG (The Deutz Gas Engine Manufacturing Company). Ilustración 2.17: Nikolaus Otto [36] Ilustración 2.16: Alphonse Beau de Rochas [34] 32 b. Menú de herramientas de visión o View Este menú de apoyo, localizado en la barra inferior, presenta diferentes opciones de visualización para la pieza en desarrollo. Las opciones más interesantes y utilizadas son las de Fit All In, que centra la visión en la pieza de forma óptima; Pan, que permite desplazarnos de forma isométrica con una vista panorámica; Rotate, que permite rotar la pieza; Zoom In y Zoom Out, herramientas básicas de zoom, e Isometric View, que permite acceder rápidamente a las vistas clásicas de perfil, alzado y planta de la pieza. c. Herramientas de medición Este menú presenta herramientas que ofrecen mediciones e información varia sobre la pieza en cuestión. Measure Between toma medidas entre dos referencias; Measure Item ofrece información y varias mediciones adaptadas al elemento que se analice (el radio de una circunferencia, la longitud de una línea o el área de una superficie). Measure Inertia ofrece medidas inerciales calculadas sobre un volumen seleccionado. d. Sketcher Esta es una de las herramientas fundamentales del entorno de diseño Part. Para hacer uso de esta opción, hay que seleccionar una superficie plana sobra la que se trabajará; puede ser desde una superficie plana ya generada en la pieza, o un plano genérico. Una vez se accede a esta herramienta, se abre una nueva interfaz en la que se diseña en un entorno 2D. Una vez realizado el boceto, se vuelve al área de diseño Part, donde se puede emplear para ejecutar alguna de las herramientas principales, que serán descritas a continuación. La herramienta Sketcher será analizada en profundidad más adelante en este texto. 33 e. Herramientas principales A continuación, se describen las principales herramientas de diseño en CATIA. Por lo general, para poder utilizar estas opciones se requiere un boceto previo, que se usará de guía. Un detalle importante a tener en cuenta es que, gracias a la facilidad de manejo de CATIA y su versatilidad, puede obtenerse el mismo resultado combinando y utilizando de formas diversas diferentes herramientas. Así mismo, es interesante denotar que muchas herramientas funcionan como “opuestas” de otras, trabajando en la dualidad de que unas añaden material, siguiendo unas especificaciones, y otras eliminan material siguiendo esas mismas especificaciones. La primera de las opciones es Pad, que permite alzar una pieza una altura determinada a partir de un boceto realizado con el comando Sketch. Esta es una de las herramientas más básicas y versátiles de construcción en CATIA. Con la opción secundaria Multi-Pad podemos seleccionar un boceto de varias celdas, a las que asignar diferentes alturas. La siguiente herramienta es Pocket, que, de hecho, funciona de forma inversa a Pad; en este caso, sustrae de la pieza un volumen definido por la forma creada en un boceto previo, sobre el que se añade la “altura” o profundidad del Pocket. Al igual que en el caso anterior, posee la sub-opción Multi-Pocket, que permite definir en una sola acción varias profundidades de substracción. Un caso particular de la herramienta Pocket, definida de forma más avanzada, es la opción Hole; esta se centra en elaborar agujeros en la pieza profundizando en características especiales; a efectos prácticos, esta herramienta simula un taladrado de la pieza, permitiendo definir como deseamos que sea el resultado final del fondo del agujero, así como su tratamiento en la misma superficie superior. Así, podemos especificar que el fondo del agujero tenga un determinado ángulo (resultando un fondo “cónico”) o que la parte más cercana a la superficie donde se ha realizado el taladrado presente un pequeño escalón u otras opciones similares. La herramienta Shaft permite seleccionar un perfil dado por un boceto, y un eje en torno al que hacer girar dicho perfil, generando así un volumen por revolución. Groove funciona de forma similar, pero en este caso eliminando de la pieza el perfil seleccionado al hacerlo revolucionar en torno al eje seleccionado. Rib funciona bajo el mismo principio que la herramienta anterior, solo que, en este caso, se selecciona el perfil y una curva que cumple la función de “guía”; así, se crea material haciendo que el perfil siga esa curva. La opción Slot tiene el mismo modus operandi, pero en este caso remueve el material que se encuentra en su camino. Finalmente, la herramienta Multi-sections Solid, que presenta una funcionalidad más compleja, pero también más versátil; con esta, se preparan varios perfiles, y se obliga al 34 programa a intentar generar un sólido que englobe de forma óptima dichos perfiles guía. También se pueden añadir líneas guía para restringir las formas y figuras que genere el problema. Como en casos anteriores, también existe la herramienta Removed Multisections Solid, que funciona de forma similar, pero eliminando material. Si bien existen algunas herramientas más y otras opciones en CATIA, estas son las principales y las que se han utilizado para el desarrollo del presente trabajo. Observandolas detenidamente se puede hacer una idea de la versatilidad anteriormente mencionada: a la hora de diseñar, por ejemplo, un cilindro con un radio y altura determinados puede dibujarse una circunferencia del radio deseado, y luego alzarla la altura especificada con la herramienta Pad. O bien, podría dibujarse un rectángulo, con una de sus dimensiones siendo la altura requerida, y la otra la, mitad del radio buscado; y a continuación, podría hacerse girar 360º este perfil, tomando como eje la misma línea del lado correspondiente a la altura, obteniéndose así el cilindro por revolución. Este es solo un ejemplo de la anotación realizada anteriormente, acerca de cómo CATIA nos permite obtener el mismo resultado por varios caminos. f. Herramientas de bordeado Este menú presenta diversas opciones centradas en el rebordeo de piezas ya construidas. La herramienta Edge Fillet, utilizada sobre un borde anguloso, permite crear un rebordeo para dicho borde; en este caso, crea un borde circular según ciertas especificaciones. Por contra, Chamfer también establece un rebordeo, en este caso un corte establecido con cierto ángulo o con cierta profundidad. Finalmente, la otra herramienta más utilizada es Shell, que, aplicada sobre una pieza a partir de alguna superficie de esta, “vacía” la pieza, eliminando todo el material interno y dejando un espesor especificado. 35 g. Opciones espaciales Las opciones presentadas en este menú permiten transformaciones en el espacio, aplicadas sobre algún constructo, sólido o efecto de alguna herramienta utilizada anteriormente. Es importante recalcar esta última especificación; estas herramientas no solo trasladan, modifican o reproducen elementos sólidos creados, sino que pueden ejecutarse sobre cualquier elemento del diseño, como pueden ser agujeros creados mediante la herramienta Pocket. La primera opción, Translation, es una herramienta sencilla que desplaza de forma isométrica un elemento. Tiene como opciones secundarias Rotate, que gira el elemento seleccionado sobre un eje, y Symmetry, que reproduce el objeto por simetría. Es importante denotar que estas herramientas trasladan el elemento original, no lo copian; por tanto, este abandona su disposición inicial tras aplicarse el cambio. Las opciones de trabajo restantes, que detallaremos a continuación, se caracterizan porque reproducen el elemento original, manteniéndolo intacto y creando copias de este según las especificaciones que se indiquen. La herramienta Mirror (no confundir con Symmetry) reproduce un elemento de diseño mediante una operación de simetría. Debe recordarse que con esta herramienta se mantiene el elemento original. Por otro lado, la siguiente herramienta, Pattern, viene en dos variantes, Rectangular y Circular. Esta, a efectos prácticos, reproduce un elemento u objeto siguiendo un patrón, orientado según coordenadas rectangulares o circulares, estableciendo distancias, grados en el caso circular y otras variables para determinar el resultado. h. Elementos gráficos Finalmente, haremos una breve mención a unas herramientas básicas del entorno Part, que no dan como resultado constructos como tales, sino que sirven de apoyo para el diseñado de estos y la utilización de algunas herramientas que necesitan ciertas referencias. Estas herramientas son Point, Line y Plane. Como resulta fácil de imaginar, estas opciones crean puntos, líneas y planos, que como se ha comentado, no forman parte como tal de la pieza en fabricación, sino que funcionan como apoyo o base para el uso de otras herramientas. Estos pueden establecerse de varias formas: indicando coordenadas, o con diversos tipos de medición referenciando otros elementos de la pieza que se está creando. 36 B. - SKETCH Ilustración 3.2: Entorno principal SKETCH En este apartado trataremos más en profundidad la herramienta y entorno Sketch, fundamental en el trabajo con CATIA. Accedida desde el entorno Part, con esta herramienta se pueden crear bocetos que luego serán utilizados en el estrato superior del programa, sirviendo de base o guía para el uso de las herramientas de diseño. Describiremos a continuación herramientas y características propias de este entorno. a. Sketch Tools Este menú ofrece diversas opciones para apoyar el trabajo en el entorno Sketch. La primera opción es Grid, que simplemente establece una cuadricula de coordenadas cartesianas, para facilitar la realización del boceto y calcular distancias. Esta herramienta puede activarse o desactivarse a gusto del diseñador. Debe hacerse notar también que la cuadricula como tal “existe” y está activa en todo momento, sirviendo esta opción para decidir si se quiere que esta resulte visible o no. La opción contigua, Snap to Point, que también puede activarse o desactivarse, fuerza al cursor a desplazarse siguiendo la cuadricula (sea esta visible o no, según si se ha activado la opción de visualizarla con Grid). Es una herramienta útil en el caso de que se esté trabajando mediante coordenadas prefijadas. 37 Finalmente, de este menú señalaremos la opción intercambiable de Construction/Estándar Element. Mientras esta opción esté activada, todas las líneas del boceto que se creen se tratarán como “elementos de construcción”; estas son líneas auxiliares, que no forman parte intrínseca del boceto, y que sirven de apoyo y ayuda al diseñador. Estas líneas se caracterizan por aparecer entrecortadas. En todo momento, cualquier línea trazada en este entorno puede seleccionarse, y activando esta opción mientras se mantiene seleccionada, puede cambiarse su naturaleza de línea de apoyo a línea estándar y viceversa. b. Herramientas de dibujo Estas son las herramientas básicas para la realización de un boceto en Sketch. Por lo general, se trata de opciones sencillas e intuitivas, que permiten diseñar formas varias, que luego serán utilizadas en el nivel superior del programa. Debe recordarse que para poder ejecutar el comando Sketch debemos seleccionar primero una superficie o plano, sobre la que se elaborará el boceto. La primera selección de opciones, siendo la prioritaria Rectangle, nos permite crear de forma directa varias formas geométricas cerradas a placer. En el caso concreto de la herramienta mencionada, no permitirá generar un rectángulo cuyos lados siguen los ejes cartesianos, seleccionando las posiciones inicial y final de sus esquinas opuestas. También tenemos opciones para crear rectángulos con sus lados siguiendo orientaciones arbitrarias, paralelogramos en general, estos últimos con los bordes redondeados, hexágonos, así como rectángulos o paralelogramos generales seleccionando el centro geométrico de estos. La siguiente selección de herramientas trata en cambio sobre la creación de curvas regulares, ya sean circunferencias completas o arcos, con varios modos de definición: seleccionando centro y radio, tres puntos para generar el arco que los une, o eligiendo los puntos de inicio y finalización. También tenemos herramientas como Spline, para la creación de curvas más personalizadas, o algunas más atípicas, como elipses, parábolas o hipérbolas. Finalmente, tenemos las herramientas de fácil comprensión Point y Line, para crear puntos y líneas. Si bien las herramientas básicas ofrecen alta versatilidad, existen opciones complementarias para definir estos elementos, como creación a partir de tangencias y otros. 38 c. Herramientas de operaciones Estas herramientas permiten la ejecución de ciertas operaciones realizadas respecto a parte de un boceto ya realizado. Las dos primeras, Corner y Chamfer, se enfocan en el rebordeo o ajuste de esquinas angulosas, y recuerdan a las herramientas anteriormente mencionadas del entorno Part de Edge Fillet, y la igualmente llamada Chamfer. La primera de estas permite rebordear una esquina con una curva, definiendo su radio, mientras que la segunda hace un corte añadido, con una longitud o ángulo dado. La tercera opción mostrada es Trim, una herramienta interesante que, tras seleccionar dos líneas que intersecten, elimina las continuaciones naturales de dichas líneas, actuando como una versátil herramienta de ajuste. Finalmente, se encuentran las conocidas herramientas de Mirror y Symmetry, que generan una imagen simétrica de los elementos seleccionados respecto a una línea escogida como eje. Debe recordarse que la opción Mirror mantiene los elementos originales además de generar los nuevos, mientras que Symmetry sí elimina los elementos originales. d. Restricciones Estas son unas herramientas clave y fundamentales para el trabajo en el entorno Sketch. Si bien en esta ventana se puede trabajar con cierta libertad, el programa, para asegurar su correcto funcionamiento y que no se genere ningún posible conflicto, habitúa a exigir que todo cuanto sea diseñado en la pestaña Sketch este plenamente definido; esto es, que se hayan restringido al 100% los grados de libertad de los elementos creados, quedando así estos fijados en el plano. Como se ha dicho, si bien esto no es imprescindible y se puede construir en el estrato Part con sketches que no estén completamente definidos, al hacerlo correctamente nos aseguramos, por un lado y como ya se ha dicho, de evitar cualquier posible incidencia en el caso de que el programa requiera alguna exigencia específica, y además, nos sirve para que, si se requiere examinar posteriormente el sketch, identificar rápidamente las medidas utilizadas y agilizar la introducción de cualquier cambio. De esta forma, la aplicación de estas restricciones convierte el boceto de forma efectiva en un plano de diseño. De hecho, se puede afirmar que esta información añadida a los elementos del sketch funciona literalmente como cotas, imprescindibles de añadir en cualquier trabajo ingenieril. Así, nos encontramos con dos opciones para añadir restricciones. La primera, más básica, es la herramienta Constraint, que, al seleccionar un elemento, nos permite 39 añadirle una cota básica estándar para cada tipo de trazado. Así, al activarla sobre una línea, nos permitirá establecer su longitud, o el radio si la ejecutamos sobre una curva. Esta también nos permite establecer interacciones entre distintos elementos: al seleccionar dos líneas paralelas, ejecutar Constraint nos permitirá establecer la distancia que separa esas dos líneas. Por el contrario, si seleccionamos dos líneas no paralelas, activar esta opción nos dejará establecer el ángulo que forman dichas líneas. Por lo tanto, la herramienta Constraint elige intuitivamente la medida, cota o restricción más plausible que se desee establecer para un elemento o un conjunto de ellos. Por otro lado, tenemos la opción Constraint Defined in Dialog Box. Esta herramienta, más avanzada que la anterior, nos permite elegir entre una gama más amplia de restricciones para nuestra selección de elementos. Dentro de esta selección, por supuesto, se incluye la que el programa habría incluido de forma automática con Constraint, pero ofrece además otras opciones menos intuitivas. Esta opción es especialmente útil para establecer restricciones y apoyar al diseño cuando se trata de relacionar varios elementos entre sí. Así, por ejemplo, si utilizamos esta opción mientras se tienen seleccionadas dos circunferencias, se nos desplegará un listado de posibles restricciones a establecer entre ellas, como especificar que sean concéntricas, que coincidan exactamente, establecer tangencias entre ellas, o especificar la distancia que separa sus centros, entre otras. Se revela así que esta opción es mucho más potente que la herramienta básica Constraint (aunque esta, al estar automatizada, es más rápida para hacer especificaciones sencillas). Debe reseñarse que, mientras se trabaja en la ventana de Sketch, cualquier línea del dibujo que no esté completamente definida, esto es, que aún le resten grados de libertad, aparecerá señalada en blanco. Una vez que un elemento esté completamente definido (o “restringido”), este aparecerá marcado en verde. Ilustración 3.3: Ejemplo de uso de la herramienta Constraint (aplicando longitud sobre línea) Ilustración 3.4: Figura en Sketch no definida 40 En la imagen anterior puede observarse un rectángulo cuyas líneas conformantes no están definidas. Así, aparece en blanco. Obsérvese, no obstante, que, a pesar de ello, sus lados sí presentan aplicadas las restricciones de horizontalidad y verticalidad (aunque no son suficientes para definir por completo el diseño). Ilustración 3.5: Figura en Sketch completamente definida En la imagen anterior, a diferencia de en la previa, el rectángulo al completo aparece marcado en verde: está definido y en situación óptima para trabajar con él en el entorno Part. Para ello, se ha hecho coincidir la esquina inferior izquierda con el origen de coordenadas, y sumado a las condiciones anteriormente mencionadas para mantener las líneas verticales y horizontales, se les han añadido las cotas que definen su longitud, cumpliendo así los requisitos necesarios para que el boceto quede completamente restringido en cuestiones de movimiento o deformación. 41 C. - PRODUCT En esta sección se comentará el último de los entornos de trabajo de importancia que han sido empleados para el desarrollo del presente Trabajo: la zona de trabajo Product. Ilustración 3.6: Entorno principal PRODUCT En la misma categoría que Part, Product es uno de los entornos de trabajo que se pueden seleccionar al iniciar un nuevo proyecto. Una vez se ha accedido a su pantalla principal, la metodología de trabajo consiste en importar las piezas individuales creadas como parts, y a continuación relacionarlas entre sí. Así, la pestaña Product funciona a efectos prácticos como un ensamblador, uniendo las piezas creadas con anterioridad y generando así el producto terminado. Así es como se ha desarrollado este Trabajo: se han creado las piezas individuales de ambos motores como Parts, que luego se han ensamblado como Products para obtener como resultado los motores terminados. Es necesario reseñar también que a la ventana Product es posible importar así mismo otros Products ensamblados previamente: estos se comportarán como un solido inalterable, como si fueran piezas solidas individuales. Esta opción es útil para no sobrecargar excesivamente un mismo Product, permitiendo crear el producto final por partes, una forma muy versátil de enfocar el trabajo, especialmente si se cuentan con secciones que incluyen piezas muy pequeñas o que configuran de forma evidente un módulo separado. A continuación, se explicarán sucintamente algunos de los elementos y herramientas encontradas en esta ventana: 48 b. Movimientos Las siguientes herramientas, que podemos encontrar en la barra superior, a grandes rasgos, permiten desplazar la pieza sobre la que se está trabajando de diversas formas, para facilitar el trabajo sobre esta y su visualización. a. Dolly Esta herramienta funciona a efectos prácticos como un zoom, permitiéndonos aproximarnos o alejarnos de la pieza. b. Desplazar Con esta opción podemos mover de forma isométrica la pieza, siguiendo una perspectiva panorámica. c. Agitar Empleando esta herramienta podemos girar la pieza con libertad con cualquier orientación. d. Herramienta de movimiento Esta última herramienta se revela como la más versátil de las diferentes opciones, puesto que a efectos prácticos incluye todas las anteriores. 49 Ilustración 3.8: Opciones de la herramienta de movimiento Como puede observarse en la imagen anterior, al aplicar esta opción sobre la pieza, se despliegan sobre esta todos los movimientos de rotación y traslación disponibles, tomando los ejes cartesianos como referencia. No obstante, como ya hemos visto anteriormente en otras herramientas habituales de este tipo de software, si bien ciertamente esta opción es la más potente y versátil, también añade pasos extra y un manejo más complejo. Así, se favorece el uso de las herramientas anteriores básicas si podemos obtener el posicionamiento buscado de forma sencilla con ellas, quedando esta reservada para aquellos momentos en los que sea más fácil tratar con la pieza usando ejes referenciados, o cuando no consigamos una aproximación exacta con las opciones primarias. 50 c. Proyecto Esta ventana, situada en la esquina superior derecha, nos ofrece información útil sobre el proyecto en curso, así como opciones de personalización para cada opción o herramienta aplicada sobre las piezas. La primera opción, Escena, nos muestra un listado con todas las piezas que han sido importadas para el presente proyecto, así como los materiales que han sido aplicados sobre cada una de ellas. También ofrece información técnica diversa. A continuación, la pestaña Material nos muestra todos los materiales que han sido empleados hasta el momento en las diversas piezas. Seleccionándolos, se nos ofrece información sobre estos, así como opciones para modificarlos y personalizarlos: color, texturas o rugosidad, entre otras. Del mismo modo, las siguientes ventanas nos ofrecen información sobre las opciones de iluminación y entorno que se han aplicado para el proyecto, así como la posibilidad de realizar ajustes sobre estas. Debe mencionarse que esta es una de las principales ventajas que hacen de Keyshot un programa de renderizado increíblemente potente y versátil; si bien el propio programa incluye una gama extremadamente amplia de opciones, todas ellas son modificables y personalizables, permitiendo así al usuario crear la opción justa para el trabajo que quiere desarrollar, si no consiguiera encontrar esta entre las que el programa ofrece. Además, todas estas modificaciones pueden guardarse y añadirse a la base de datos, para ser utilizadas en proyectos posteriores. 51 4. - MODELADO Una vez se ha realizado una explicación sobre el funcionamiento y las principales características y herramientas de los softwares de diseño y renderizado CATIA y Keyshot, empleados para el desarrollo de este trabajo, podemos pasar al siguiente punto de este. En esta sección se abordará el proceso de modelado de los motores sobre los que versa el presente Trabajo. El presente apartado se revela, por lo tanto, como el núcleo central de este Trabajo de Fin de Grado. A continuación, se presentará una sucinta descripción del proceso de modelado de ambos motores seleccionados, el motor Stirling y el motor Webster. Para ello, se mostrarán las piezas que los componen, acompañadas de breves comentarios sobre las características más distintivas de cada una, así como la utilización particular de algunas herramientas del programa CATIA que fueron necesarias para su elaboración. A las imágenes de las piezas terminadas se las acompañará también de fotografías de esas mismas piezas, una vez se ha realizado sobre ellas el proceso de renderizado en Keyshot, adjuntando así mismo algún comentario a este respecto. Por lo general, para favorecer el orden dentro del proceso de diseño, y para facilitar el entendimiento sobre cómo es el montaje de las piezas para conformar el motor terminado, se han organizado estas en diferentes subconjuntos o partes diferenciadas. Desgranando así los motores, nos resultará más sencillo enumerar las piezas que los conforman. Así mismo, debemos denotar que el presente apartado no muestra de forma expresa la totalidad de las piezas que conforman los motores. Para evitar un alargamiento innecesario del presente texto, se han omitido aquellas piezas que sean iguales o extremadamente parecidas a otras ya mostradas, puesto que carece de interés el volver a reincidir sobre su diseño. Así mismo, también se han excluido piezas que hayan sido consideradas extremadamente sencillas, como arandelas o cilindros simples. Insistimos, no obstante, en que esto solo se refiere a la visualización de estas piezas de forma particular en este apartado de la memoria; por supuesto, ninguna pieza ha sido omitida en el proceso de fabricación, y todas ellas aparecerán en las imágenes generales de las diferentes partes del motor o en las imágenes globales en las que estos sean representados en su totalidad. Del mismo modo, a la hora de realizar el renderizado, estas piezas han sido incluidas consecuentemente. Finalmente, denotamos como caso particular el de los tornillos, necesarios para mantener las diferentes piezas y partes de los motores unidos. En el presente trabajo han decidido omitirse, al tratarse de piezas genéricas que no están incluidas en los planos. No obstante, puede comprobarse en las siguientes imágenes que se han respetado los diferentes agujeros y taladrados orientados a la incorporación de estos tornillos. 52 4.1. – Motor Stirling Comenzamos pues el apartado en el que mostraremos el proceso de modelado de los motores. Iniciaremos el susodicho apartado por el motor Stirling. Como se ha comentado, se ha organizado el motor en diversas partes, que se irán enunciando para seguidamente, mostrar las diferentes piezas que las componen. Para todas las partes generales y piezas se mostrarán, por parejas, imágenes de las piezas terminadas mediante CATIA, acompañadas de estas mismas tras haberles aplicado el proceso de renderizado con Keyshot. 4.1.1. - BASE Ilustración 4.1: “Base”. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Esta parte del motor funciona como soporte básico para el resto de las piezas. Está organizada en dos niveles con plataformas de madera, sobre una serie de cuatro soportales. Si bien se entrará en mayor detalle al examinar de forma particular las piezas, puede observarse, como se comentó anteriormente, que se han utilizado el ajuste de fondo blanco para la sección de respaldo del renderizado. Aparte, se han buscado los ajustes de iluminación que favorezcan en mayor medida una visualización clara del conjunto. Ilustración 4.2: Lower Platform. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) 53 Ilustración 4.3: Upper Platform. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Las imágenes anteriores muestran las superficies de soporte. Realizadas en primera instancia con un Pad sencillo, fueron completadas con un slot, para realizar el reborde superior. Finalmente, se han realizado sobre ellas una serie de incisiones con la herramienta Hole, por las que pasarían los tornillos que fijarían los soportales y el resto de las piezas. Así mismo, se les ha realizado un renderizado sencillo, en madera de nogal. Ilustración 4.4: Platform Pillar. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Estas piezas actúan como soportales, que enlazan la base superior con la inferior. Su diseño se basa en la elaboración de una serie consecutiva de cilindros sólidos, creados unos sobre los otros, realizados mediante sketchs de círculos sobre los que se ha aplicado un pad de la longitud correspondiente. Así mismo, debe reseñarse que presentan un orificio en su parte inferior, para poder atornillarlas posteriormente a la base. Estos agujeros son realizados con la herramienta Hole, más versátil y que permite una simulación más certera de los efectos de un taladrado. 54 El renderizado se ha realizado en latón, siguiendo las indicaciones aportadas por el fabricante original de los planos. 4.1.2. - SOPORTE DE FUENTE DE CALOR Ilustración 4.5: “Soporte fuente de calor”. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Este componente tiene la función de soportar una fuente de calor, que aumentará la temperatura del gas contenido en la probeta de cristal, que mostraremos más adelante, y que está situada justo encima de esta pieza. Como veremos a continuación, esta pieza tiene un eje central encajado a presión, y el conjunto de las piezas, encajadas entre sí, pero no fijadas, permite ajustar la altura del soporte. En principio este está pensado para contener una vela, aunque esta fuente de calor es intercambiable a placer del usuario. A continuación, se muestran los componentes de este pilar. No se muestra el eje interno, pues se trata simplemente de un cilindro con los bordes redondeados. 55 Ilustración 4.6: Candle Pillar. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Esta pieza funciona como soporte y pilar principal. Tiene una incisión en la parte inferior para atornillarla a la base. Al igual que con los soportales anteriormente descritos, para hacer esta pieza se han construido una serie de cilindros unos sobre otros con pad. En este caso se han redordeado con chamfer los bordes, y se ha hecho un agujero central para el eje con pocket. Para el renderizado, como es habitual para muchas piezas de este motor, se ha utilizado latón amarillento. Ilustración 4.7: Candle Holder. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Para el recipiente de la vela o la fuente de calor a elegir se ha realizado un pad básico, y a continuación se han aplicado pockets para el vaciado principal y un agujero debajo, para encajar el eje. Sin embargo, lo más reseñable es el uso de la herramienta Circular Pattern, que se ha utilizado para reproducir un pocket alrededor de todo el cilindro inicial, para conseguir así ese borde dentado característico. La funcionalidad de este 56 borde se basa en facilitar al usuario desenroscar o enroscar manualmente este soporte, para ajustar a placer la altura de este. 4.1.3. - TORRE DE TRANSMISIÓN Ilustración 4.8: “Torre de transmisión”. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Esta se trata de una pieza fundamental en el motor, puesto que será la que transmita el movimiento alternativo entre el pistón y la pieza móvil contenida en la probeta de cristal, que será empujada con el gas calentado. Ilustración 4.9: Central Pillar. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) 57 Si bien el desarrollo de este pilar principal nos recuerda a varios de los que ya se han mostrado hasta el momento, con la construcción de varios cilindros consecutivos y los correspondientes chamfers en los bordes, llama la atención la elaboración de varios pockets transversales a diferentes alturas y de diversas formas, lo que nos habla de la versatilidad de esta herramienta. El renderizado, como es habitual, se ha realizado en latón. Ilustración 4.10: Tumbler Plate. Resultado CATIA (arriba) y tras renderizado (debajo) Si bien la pieza del balancín es sencilla a primera vista, un pad de escaso grosor sobre el que se han aplicado varios pockets, es interesante reseñar que, dado que la distribución de los agujeros es simétrica, solo se ha realizado la mitad de ellos, obteniendo los restantes mediante la herramienta mirror, ahorrándonos así un trabajo sustancial. En esta pieza, si observamos detenidamente el renderizado, es fácil distinguir la textura aplicada sobre el latón de brushed o “cepillado”. 64 Ilustración 4.20: Main Cylinder. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Una de las piezas más llamativas por su diseño. Para la elaboración del ranurado exterior, en contra de lo que pueda parecer, se realizaron en primer lugar dos pads, con las medidas mínimas y máximas de los cilindros menor y mayor, según aplicamos las medidas de las ranuras; y a continuación, se aplicó un Rectangular Pattern en una sola dirección, para replicar estos cilindros alternativos, consiguiéndose así el efecto de ranurado. También se le ha realizado un agujero lateral, como ya se ha explicado previamente, colocando un plano secundario generado a la altura del radio exterior, y aplicando un pocket transversal desde ese plano. Por dentro la pieza, una vez que se vació convenientemente mediante pockets, también presenta ranurados. Estos sí están realizados con pockets cilíndricos que cortan la pieza; no obstante, lo más interesante resulta que dichas ranuras han sido aprovechadas para colocar unos aros que sobresalen ligeramente de la superficie interior. El objetivo de estos aros es que, al introducir la probeta de cristal, esta quede encajada a presión; esto también permite el ajuste manual de la profundidad a la que quiere introducirse esta. 65 Ilustración 4.21: Power Cylinder. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Esta pieza, el cilindro de compresión dentro del cual se desplaza el pistón en un movimiento vertical alternativo, sigue el mismo proceso de fabricación que el descrito anteriormente para el cilindro principal, estableciendo con dos pads las medidas básicas de dos cilindros que luego se han reproducido con Rectangular Pattern para conseguir el efecto de ranurado deseado. Hay que denotar que este efecto también podría haberse conseguido con un cilindro macizo, sobre el que se hubiera aplicado un único pocket medido, que luego podría haberse reproducido; un nuevo ejemplo de la versatilidad de CATIA. Ilustración 4.22: Test Tube. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) La probeta de cristal se revela como una de las piezas más interesantes en su fabricación; podría hacerse fabricando el cilindro, junto con una cúpula semicircular maciza, que luego podríamos vaciar con Shell. Sin embargo, en nuestro caso hemos optado por definir en un sketch la mitad de su perfil, dibujando solo su espesor, y a continuación, revolucionarla sobre el eje central con Shaft, obteniendo así la pieza en un solo paso. 66 También es increíblemente interesante su renderizado, que ha sido realizado aplicando a la pieza el material “cristal” (uno básico dentro de la amplia selección de esta categoría). Este material ofrece la característica de transparencia; como podíamos observar en la imagen general de este apartado, podemos distinguir el desplazador de latón dentro de la probeta de cristal. Ilustración 4.23: Displacer. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Y precisamente con el desplazador que hemos mencionado previamente finalizamos esta sección. Si bien la construcción de la pieza se realiza exactamente igual a cómo se fabricó la probeta, ajustando las medidas, es interesante el contraste al elaborar el renderizado, en este caso aplicando latón. 4.1.6. - MOTOR STIRLING Ponemos punto final a este apartado mostrando en su totalidad el motor Stirling al completo, con todas sus piezas terminadas y convenientemente montadas en conjunto. Pueden observarse algunas piezas menores que han sido omitidas en los párrafos anteriores, por simpleza o por tener diseño similares o parecidos a otros ya descritos. 67 Ilustración 4.24: Motor Stirling; vista general. Resultado CATIA Ilustración 4.25: Motor Stirling; vista general. Tras renderizado 68 Ilustración 4.26: Motor Stirling; vista general (posterior). Tras renderizado 4.2. - Motor Webster Procedemos a continuación a mostrar el proceso de modelado de las piezas del motor Webster. Del mismo modo que se ha realizado con el motor Stirling, se ha dividido el motor en varias secciones o partes, para dotar de un cierto orden al proceso. Así mismo, tal y como se realizó anteriormente, se adjuntarán junto a las imágenes de los resultados en CATIA, esas mismas piezas tras habérseles aplicado el proceso de renderizado en Keyshot. Del mismo modo que se hizo en el apartado anterior, se han omitido aquellas piezas que resulten poco interesantes o sean repetitivas, aunque por supuesto, todas aparecerán en las imágenes generales del motor. 69 4.2.1. – BASE Ilustración 4.26: “Base”. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Esta parte básica del motor sirve como soporte para el resto de piezas principales, que se apoyarán sobre esta estructura. Ilustración 4.27: Base plate. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Ilustración 4.28: Side frame. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) 70 Ilustración 4.29: Crankshaft support. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Las tres piezas mostradas, correspondientes a la placa base y a los soportales verticales, se han elaborado con el mismo procedimiento: se han realizado pads a una serie de sketches (realizados inicialmente con todas las esquinas angulosas), para posteriormente aplicar la herramienta de Edge Fillet a las esquinas que lo requirieran, siguiendo los radios especificados. Los agujeros más grandes han sido realizados con pockets, mientras que los pequeños, pensados para tornillos, han sido creados con la herramienta Hole. Así mismo, muchos de estos últimos han sido reproducidos mediante un Rectangular Pattern, puesto las medidas estaban dadas referenciadas con respecto a otro de los agujeros, facilitando establecer las distancias desde estos. Para el renderizado, se ha decidido seguir las indicaciones estipuladas en los planos. Se ha imprimido aluminio como material para las tres piezas, con coloración negra para la base y azulada para los soportales, y es especialmente notable y visible el efecto de cepillado que se ha aplicado como textura a las superficies. 71 Ilustración 4.30: Main bearing. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) La pieza anterior es un elemento de ajuste que se ha introducido dentro de los agujeros más grandes de los soportales verticales. Por estos agujeros se hará pasar un eje transmisor, y estas piezas funcionan como un intermediario entre ambos elementos, permitiendo ajustar el diámetro a aquel del eje, sin transmitir rozamiento a las propias placas de los soportales. Así, en caso de desgaste, resulta mucho más sencillo cambiar solo estas piezas. Resulta interesante hacer mención del pequeño agujero lateral. En el resultado obtenido en CATIA, este agujero parece prismático, cuando en realidad es circular. Esto se debe a que, cuanto más pequeñas son las dimensiones de un elemento, más dificultades tiene este programa para representar curvatura, la cual, en última instancia, no son sino una serie de infinitas rectas. Al tratar en escala de milímetros, CATIA no es capaz de aplicar suficientes rectas, quedando así ese aspecto cuadrado. Sin embargo, al realizar sobre la pieza el renderizado, siendo Keyshot un programa orientado a la visualización mucho más potente, este problema queda subsanado. Esto denota una vez más la importancia que tiene el renderizado a la hora de presentar un resultado, especialmente en el ámbito ingenieril. Respecto a esta última especificación, este renderizado se ha realizado en bronce, facilitando su visualización con respecto a las piezas de soporte. 72 Ilustración 4.31: Crank Oilier Cup. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Esta última pieza que se ha añadido, si bien no conforma una parte intrínseca del motor, tiene una importancia capital: funciona como una copa en la que verter aceite, que fluye lentamente hacia juntas o partes del motor en las que se espera un elevado nivel de rozamiento entre piezas. Este aceite lubrica estas partes conflictivas, reduce el rozamiento, permite que el motor funcione de forma suave y eficaz, y disminuye el desgaste que sufren las piezas en conflicto. En esta pieza también puede verse de forma patente, en la abertura superior, el efecto de geometría que sufre CATIA en las curvas a escalas muy pequeñas. Se le ha realizado un renderizado sencillo, en latón. 4.2.2. - CILINDRO PRINCIPAL Ilustración 4.32: “Cilindro principal”. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) 73 Esta parte del motor incluye el cilindro de compresión dentro del cual realizará su movimiento alternativo el pistón. Así mismo, tal y como se comentaba anteriormente, este es un caso en el que se espera un gran rozamiento entre las piezas, por lo que se ha añadido una copa para introducir pequeñas cantidades de aceite dentro del sistema. Dado que este diseño es muy parecido al anterior, no se mostrará entre las piezas de referencia. Es cierto, no obstante, que en este caso la copa presenta un mecanismo de válvula y muelle, que permite un mayor control del aceite que se filtra a la pieza. Estas piezas no han sido examinadas en profundidad en esta sección, dado que más adelante se hablará de piezas de forma similar en otros sectores del motor. Ilustración 4.33: Cylinder Head Frame. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Esta pieza nos recuerda en su proceso de elaboración a las piezas iniciales de soporte, lo cual no es de extrañar, puesto que en última instancia se trata de una pieza de construcción con especificaciones para soportar el cilindro principal. No obstante, para ofrecer una pequeña diferenciación con estas piezas, especialmente al estar en contacto directo con una de ellas, a la hora de realizar el renderizado, también en aluminio, se le ha decidido eliminar el efecto de cepillado, ofreciendo una superficie más lisa y pulida. 80 Esta pieza se trata de la válvula que se coloca en las partes inferior y superior de la caja de válvulas. La parte inferior se desplaza dentro de la susodicha caja y bloquea o abre alternativamente las salidas y entradas internas. Aunque no se ha incluido en esta presentación, en la parte superior de la válvula se coloca un tope, al que se conectará el muelle, junto con un pequeño pasador cilíndrico para bloquearlo. Para el renderizado, se ha utilizado acero inoxidable. Ilustración 4.43: Muelle. Resultado CATIA (arriba) y tras renderizado (debajo) El motor Webster utiliza varios muelles, un tipo de pieza muy versátil por sus características elásticas y recuperadoras. Así, introduciendo muelles es sencillo conferir un movimiento cíclico de avance y retroceso a ciertas partes móviles, que se desplazan hasta comprimir al máximo el muelle, para que luego este vuelva a empujar la pieza en 81 sentido contrario al descomprimirse. Podemos encontrar en la caja de válvulas una pareja de muelles trabajando al unísono, comprimiéndose y expandiéndose alternativamente, acompañando (y provocando) el movimiento cíclico de las válvulas. Para la realización de estos muelles, CATIA nos ofrece una herramienta muy potente que hasta ahora no se había mencionado: la herramienta Helix. Hasta ahora, las herramientas descritas con las que se ha trabajado estaban dentro del entorno de CATIA de Part Design, que nos ofrecía libertad de creación para las diferentes formas que quisiéramos obtener. Sin embargo, al tratarse este de un diseño concreto preconcebido, de cierta complejidad, no encontraremos aquí una herramienta que nos permita diseñar este diseño directamente. Sí la encontraremos en el entorno Wireframe and Surface Design, que ofrece herramientas más avanzadas para la creación de superficies o líneas con formas más complejas. Si seleccionamos dentro de este entorno la opción Helix, se nos muestra el siguiente desplegable: Ilustración 4.44: Especificaciones de la herramienta Helix Introduciendo los parámetros deseados en la tabla anterior, esta nos generará de forma automática una hélice en el espacio, es decir, una figura geométrica lineal que se curva de forma cíclica según avanza siguiendo un eje. Según variemos los parámetros que 82 introduzcamos, conseguiremos hélices más o menos alargadas, con un mayor o menor número de vueltas. Nótese que el radio de apertura de la hélice queda determinado por la colocación del punto de inicio de esta y la distancia de este al eje guía. Esta línea generada con el comando Helix nos servirá de guía para la realización de nuestro muelle. Efectivamente, una vez se ha generado esta curva, solo tenemos que diseñar el sketch de un pequeño círculo perpendicular a la línea de la hélice, a la altura del punto de inicio y centrado en este. A continuación, solo tenemos que usar la herramienta rib para producir un sólido generado a partir de este círculo, según sigue la guía de la hélice que hemos preparado como generatriz. El grosor del muelle queda determinado por el diámetro de dicho círculo. Finalmente, volviendo al curso de nuestro trabajo, se le ha aplicado al muelle un renderizado metálico, para simular apariencia de alambre. Ilustración 4.45: Venturi. Resultado CATIA (arriba) y tras renderizado (debajo) 83 De esta pieza es especialmente reseñable que para la elaboración de la boquilla se ha utilizado la herramienta Multi-sections Solid. Dado que se contaba con la medida del radio decreciente de esta pieza para varios puntos, esta opción nos permite generar un volumen no trivial con relativa facilidad. Una vez realizado, dado que el resultado obtenido es macizo, se ha vaciado utilizando la herramienta Shell, que nos permite establecer un grosor y, partiendo de una de las caras de la pieza, vaciar el contenido del resto de la pieza respetando el grosor establecido. Finalmente se complementó con varios pockets para terminar de preparar el elemento según las especificaciones. Para esta pieza, así como para aquellas directamente conectadas, se ha realizado el renderizado en un latón amarillento, para distinguirlas mejor del conjunto general del motor. En el caso concreto de este elemento que nos ocupa, se le ha dado una impresión más pulida y brillante, al tratarse del segmento central, así como de una pieza atractiva visualmente. Ilustración 4.46: NV Seat. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) La pieza que cierra la parte inferior de la boquilla; la pieza superior es de características similares, aunque más sencilla (a efectos prácticos, un cilindro con un agujero que sirve de guía para una válvula). La principal característica que reseñar aquí es el renderizado, del que puede observarse que, si bien está realizado con el mismo material que el aplicado a la pieza anterior, esta tiene algo menos de lustre. 84 Ilustración 4.47: Needle Valve. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Esta pieza, designada como “válvula de aguja”, está pensada para introducirse por un espacio cilíndrico que le sirva de guía, en un movimiento alternativo vertical. Está acompañada de un muelle para conseguir este efecto. Ya pudimos ver un ejemplo de este mismo mecanismo en la copa proveedora de aceite acoplada al cilindro principal. La realización de esta pieza es casi trivial, habiendo dibujado en un sketch la mitad de esta, para luego revolucionarla con la herramienta Shaft, obteniendo directamente la pieza. Para su renderizado se le ha aplicado un metal más oscuro, para diferenciarla del resto de elementos cercanos. Ilustración 4.48: Exhaust Pipe. Resultado CATIA 85 Ilustración 4.49: Exhaust Pipe. Tras renderizado La última pieza de esta sección es el tubo de escape. En contra de lo que pudiera parecer, se trata de una pieza sencilla, obtenida a partir de varios pads, con pockets para vaciar la pieza y chamfers para los efectos de rebordeo. Lo más interesante resulta del corte final, hecho con un pocket con un ángulo determinado, para obtener la salida oblicua del tubo. Respecto al renderizado, es de reseñar que esta es una de las pocas piezas en las que se ha aplicado un material con una textura totalmente pulida, la cual le confiere a la pieza un efecto reflectante. Combinado esto con el diseño curvo de la pieza, lo cual provoca que obtengamos un espejo cóncavo, y el propio aspecto llamativo de la pieza, nos da como resultado una de las piezas más atractivas visualmente del motor. 86 4.2.5. - CONJUNTO DE RUEDA Y ENGRANAJES Ilustración 4.50: “Conjunto de ruedas y engranajes”. Resultado CATIA (arriba) y tras renderizado (abajo) A continuación, se presenta un conjunto de piezas que, si bien no forman un todo unificado, están intrínsecamente relacionadas entre sí. Encontraremos aquí el volante de inercia, adherido al eje del cigüeñal, al cual también están conectados los engranajes transmisores. 87 Ilustración 4.51: Crankshaft. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) El cigüeñal del motor, esta pieza actúa como un eje transmisor último del movimiento circular cíclico, del que se obtendrá el trabajo cinético buscado en el motor. Es importante hacer notar como esta pieza cambia su eje central en uno de sus extremos, trasladando y descentrando el movimiento. De esta forma, transforma el movimiento rectilíneo en circular y viceversa. Siguiendo las indicaciones de los planos, se le ha otorgado un laminado en acero. Ilustración 4.52: Flywheel. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) Siempre una de las piezas más vistosas y llamativas en este tipo de motores, el volante de inercia, sin embargo, no encierra un diseño excesivamente complejo. En este caso, se ha utilizado exactamente el mismo procedimiento que ya se describió en su momento para el volante de inercia del motor Stirling Recordemos que la rueda, al igual que otras piezas acopladas a un eje, tendría una pequeña pieza cilíndrica de ajuste, para no friccionar de forma directa con el eje del cigüeñal. Así mismo, para su renderizado ha vuelto a usarse acero, aunque con un menor nivel de brillo que el cigüeñal. 88 Ilustración 4.53: Engranajes; pequeño (arriba), grande (abajo). Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) A la hora de realizar el diseño de los engranajes, se ha realizado un estudio avezado de sus características. Esto se debe a que este es un diseño crítico, que debe estar realizado con gran precisión, para que los dientes sigan la misma proporción y, por tanto, encajen correctamente entre sí. De no estar correctamente medidos, los dientes de los engranajes podrían bloquearse, ocasionando un fallo crítico del motor. Se ilustrará a continuación una descripción del estudio realizado, adjuntando las principales características y variables de los engranajes. 89 Ilustración 4.54: Conexión entre engranajes. [54] Ilustración 4.55: Desgranado de las características y parámetros del engranaje. [54] 96 Ilustración 4.62: Motor Webster; vista posterior. Tras renderizado Ilustración 4.63: Motor Webster; vista lateral. Resultado CATIA 97 Ilustración 4.64: Motor Webster; vista lateral. Tras renderizado 98 5. – FUNCIONAMIENTO Y CICLOS En el presente apartado se procederá a realizar un análisis técnico de ambos motores, en el que se explicará sucintamente las bases y principios de su funcionamiento. Esto incluirá una descripción de las propias maniobras que realiza el motor, explicando el mecanismo y movimiento de sus piezas, y a continuación, se hablará sobre los ciclos termodinámicos por los que se rigen ambos motores, y que nos permitirán hacernos una idea de su capacidad de producción de energía y de su eficiencia. Si bien este Trabajo está orientado como una labor de diseño, siendo el modelado con CATIA, mostrado en el apartado anterior, el principal objetivo y motivación del presente texto, se ha considerado que en cualquier manuscrito que verse sobre motores es imprescindible realizar esta sección, para ofrecer una información que nos permita distinguir de las propiedades y bondades de estos motores que estamos analizando, y añadir así una capa más de utilidad a este Trabajo. 5.1. - Motor Stirling 5.1.1. - DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO El motor Stirling se trata de un motor térmico. Su funcionamiento básico se basa en la expansión y contracción de un gas que se mantiene dentro del conjunto de maquinaría del motor, en un proceso cíclico. La especificación de que el gas se mantiene permanentemente dentro del motor es de supina importancia, pues permite definir el motor como uno de ciclo cerrado [15]. Los motores Stirling, como se ha comentado, se basa en la contracción y expansión de un gas dentro de un circuito cerrado; dicho gas tendrá dos estados o consideraciones: gas frío y gas caliente. Si bien existen varios tipos de motores Stirling, con varias configuraciones, todos trabajan aplicando ciclos de contracción y expansión a los gases en las zonas fría y caliente de forma alternativa, aprovechando así la influencia intrínseca que tiene la temperatura en la presión que ejerce el gas, y que trabaja como impulsor del movimiento de las piezas del motor. Como se ha mencionado, existen varios tipos de motores Stirling, y varias configuraciones y regímenes de trabajo. En el caso particular del motor que se ha diseñado para el presente trabajo, tenemos un motor Stiling de tipo gamma. No obstante, para la explicación del funcionamiento de este, describiremos en primer lugar como trabaja un motor de tipo beta, pues el gamma no es sino un caso particular de este último [15]. 99 Así, ejemplificando y buscando la máxima simplicidad, se ilustrará un motor Stirling de tipo beta de la siguiente forma: Un motor Stirling de tipo beta, a grandes rasgos, presenta la configuración mostrada en la imagen anterior: posee un único pistón, que comparte cilindro de actuación con un desplazador. En la parte inferior del cilindro encontramos una fuente de calor, que aumentará la temperatura del gas que se encuentre en esa zona, mientras que en la parte superior actuará un enfriador. Debe denotarse que este “enfriador” puede ser algún tipo de máquina térmica que imprima este efecto de enfriamiento, o simplemente confiar en la propiedad disipativa de las propias paredes del cilindro y del material, en ausencia de una fuente de calor activa. Este es precisamente el caso en el motor que hemos diseñado para este Trabajo. También debe denotarse que las partes “frías” y “calientes” del motor están conectadas, ya que como puede observarse, el desplazador no está en contacto hermético con las paredes del cilindro, dejando pasar por tanto el fluido a su alrededor. Así pues, en lo que lo que respecta al funcionamiento del propio motor; comenzaremos considerando que el desplazador está alzado (lo que maximiza la superficie de la parte “calentadora” del cilindro en contacto con el gas interior) mientras que el pistón está bajado, y, por tanto, comprimiendo el gas entre el propio pistón y el desplazador alzado. Partiendo de esta situación inicial, tenemos, en la parte inferior del cilindro, una cantidad amplia de gas que está siendo calentado. Esto aumenta su energía y la presión que ejerce; así, el gas caliente se filtra alrededor del desplazador, y ejerce presión sobre el pistón, empujándolo hacia arriba. Ilustración 5.1: Motor Stirling tipo beta [56] 100 Este impulso del pistón provoca a su vez el giro de la rueda, lo cual implica que el desplazador descienda. Ahora hemos ampliado al máximo la zona de enfriamiento, mientras se comprime la zona de gas caliente. La inercia de la rueda provoca a continuación que el pistón vuelva a descender. El gas de la zona de enfriamiento comienza a comprimirse, y, por lo tanto, a filtrarse de vuelta a la zona de gas caliente. Una puntualización importante es que el proceso aquí descrito cuesta menos trabajo y energía que los primeros compases descritos del movimiento del motor, puesto que el gas de la zona de enfriamiento había empezado, precisamente, a enfriarse. Esto reduce su energía intrínseca, y, por lo tanto, hace más fácil que sea comprimido. Encontramos aquí, por lo tanto, la ganancia de energía del motor Stirling. Ahora que el gas está filtrándose de vuelta presionado a la zona caliente, este hecho, acompañado del movimiento cíclico de la rueda, hace que el desplazador vuelva a alzarse, volviendo así a la situación inicial del desplazador alzado, con la zona caliente maximizada, y cerrando, por tanto, el ciclo. Ilustración 5.2: Ciclo de funcionamiento del motor Stirling de tipo beta [56] Una vez se ha explicado el funcionamiento de este tipo de motor Stirling (que, a grandes rasgos, recoge los puntos esenciales de cualquier otro tipo de estos motores), enunciar el motor tipo gamma es sencillo: funciona exactamente igual que el presentado de tipo beta, con la diferencia de que el pistón y el desplazador no comparten cilindro. En cambio, cada elemento móvil funciona en un cilindro diferente, aunque conectados, habitualmente en esquema perpendicular [15]. Esta decisión amplia la zona de compresión, y, por lo tanto, reduce el ratio de compresión que alcanza el gas en su interior, lo cual implica una disminución de la eficiencia general del motor. No obstante, se ha encontrado que diseñar el motor con esta configuración hace más fácil la construcción y disminuye la complejidad de los diseños. Esto ha llevado a que los motores gamma sean mucho más populares y comunes que los de tipo beta. 101 Así pues, fijándonos en nuestro propio diseño, y después de haber descrito el funcionamiento general de estos motores, resulta sencillo distinguir el movimiento de sus elementos que siguen las maniobras mencionadas: Ilustración 5.3: Motor Stirling estudiado en el presente Trabajo Como sabemos, en el soporte colocado en la base inferior debemos incorporar una fuente de calor: un hornillo, vela, o algo similar. Una vez esta empiece a tener efecto, calentará el aire contenido dentro de la probeta de cristal colocada directamente encima. Observando la imagen, es fácil identificar los elementos del proceso general: El desplazador, que es la pieza que avanza dentro de la probeta, el propio cilindro principal, que actuará como enfriador, disipando calor por sus paredes, y el cilindro secundario (al tratarse de un motor tipo gamma) dentro del cual trabajará el pistón, en disposición perpendicular respecto al cilindro principal. Tanto el pistón como el desplazador están conectados al mismo sistema giratorio, en el cual encontramos el volante de inercia, que se convertirá en impulsor del movimiento una vez que este haya empezado a girar. Así, una vez que el aire de la probeta se haya calentado, este aumentará su energía y la presión que ejerce; se filtrará por los laterales del desplazador (que como podemos observar, no está en contacto con la propia probeta de cristal, y, por lo tanto, permite este desplazamiento). En este momento, ese aire subirá por el cilindro secundario y empujará hacia arriba el pistón. 102 Podemos ver como este movimiento se transmitirá por el sistema de ejes conectado al balancín, hasta hacer girar la leva y el volante de inercia. Llegado ese momento, el desplazador se habrá movido hasta el final de la probeta, y habiéndose maximizado la superficie de enfriamiento, el aire interno del cilindro habrá reducido su temperatura, reduciendo su resistencia a la compresión. Así, en un movimiento acompasado, el movimiento de la rueda acabará por hacer volver al pistón, que comprimirá con mayor facilidad el aire dentro del cilindro, el cual se filtrará por los bordes del desplazador. En esta etapa final, acompañada por el movimiento ya iniciado de la rueda, el desplazador volverá a retroceder, maximizando el volumen de aire que contiene la zona caliente; y así, el ciclo vuelve a comenzar. Es usual, a la hora de ver experimentos realizados con este motor a baja escala, que una vez que se ha calentado ligeramente el aire inicial de la probeta, se le otorgue un impulso manual, que luego continúa por inercia, apoyado por el aire ya calentado. Esto suele hacerse ya que es necesario que el aire acumule bastante energía para poder desplazarse y mover las piezas por sí mismo. Sin embargo, si el motor está correctamente construido y no hay fricción entre sus piezas, es de esperar que el movimiento se inicie tarde o temprano. 5.1.2. - CICLO STIRLING Describiremos a continuación el ciclo termodinámico por el que se rige el funcionamiento del motor Stirling. Como se comentaba al inicio del presente apartado, si bien esta sección dista de los objetivos básicos buscados en un Trabajo con una orientación al diseño, puesto que este texto versa sobre motores térmicos, es indispensable desgranar los sistemas de energía que los respaldan. Solo entonces podremos hacernos una idea completa de sus posibilidades. Así pues, el ciclo Stirling, nombrado de forma directa por el motor que nos ocupa, puesto que ambos, motor y ciclo que sigue, fueron ideados a la par por Robert Stirling [1], se trata de un ciclo termodinámico considerado “ideal” [57]. El ciclo Stirling, seguido por el motor del mismo nombre, destaca por su gran aproximación al ciclo ideal de Carnot, que está considerado el marco de referencia para la máxima eficiencia alcanzable por un motor. Otros ciclos ideales, como el Otto o el Diesel, no se consideran totalmente reversibles, puesto que sufren pérdidas de calor durante los procesos isocóricos o isóbaros que incluyen. La presencia de un factor de irreversibilidad implica siempre un estadio de eficiencia inferior al expuesto por el ciclo de Carnot. Sin embargo, es aquí donde brilla un motor Stirling; puesto que su proceso sí alcanza la condición de irreversible [58]. De hecho, el ciclo Stirling aparece como una derivación del propio ciclo de Carnot, el cual sustituya los procesos isentrópicos (a entropía constante) de este último por dos 103 procesos isocóricos (procesos en los que el volumen del fluido se mantiene constante) [58]. La calificación de reversibilidad es fundamental, puesto que implica que este motor puede obtener un rendimiento máximo de su funcionamiento, permitiéndole funcionar como una máquina térmica eficaz a máxima eficiencia. Así mismo, destaca por su versatilidad, puesto que, dado que en los procesos implicados en este ciclo existen puntos de adición o sustracción de calor (los procesos de calentamiento o enfriamiento), esto significa que el motor no solo permite obtener energía cinética de su movimiento, sino que también puede actuar como un calentador o enfriador activo (de ahí la consideración de máquina térmica anteriormente mencionada) [58]. Refiriéndonos al ciclo en sí, este presenta, como es habitual en otros ciclos de calor, cuatro procesos consecutivos: compresión, adición de calor, expansión y sustracción de calor. No obstante, debemos denotar que, aunque en las representaciones gráficas aparezcan como procesos independientes, consecutivos, unos a continuación de otros, en la realidad estos se solapan hasta cierto punto. Este hecho puede observarse con facilidad en la descripción que hemos realizado previamente sobre el movimiento y el funcionamiento del motor: recalcamos que varias de sus operaciones, como el avance y retroceso del pistón y el desplazador (y las consiguientes expansiones y compresiones) y la mayor actividad de las zonas caliente y fría, si bien ocurrían siguiendo un orden, en algunos momentos se daba simultaneidad [57]. 104 Ilustración 5.4: Ciclo Stirling [58] En la gráfica anterior podemos observar los cuatro procesos descritos: • 1-2: Expansión isotérmica del gas a alta temperatura. Este proceso se corresponde con el aumento de energía que sufre el gas de la probeta cuando ha sido calentado por la fuente de calor. Este se expande y aumenta su volumen, empujando el pistón. • 2-3: Cesión de una cantidad de calor a volumen constante (isocórico), disminuyendo la temperatura del fluido. Una vez que el gas se ha expandido, y ha ocupado la mayor parte de la zona de enfriamiento, empieza a disiparse el calor a través de las paredes. • 3-4: Compresión isotérmica del gas a la temperatura inferior. Este proceso se corresponde con la compresión del gas en la cámara del cilindro principal, al volver el pistón a su posición original, presionando el gas. Este, al permanecer en la sección de enfriamiento ha reducido su energía, y se comprime más fácilmente. • 4-1: Absorción de calor a volumen constante. El gas, ante la compresión sufrida, se filtra en la probeta, circulando alrededor del desplazador y accede a la zona caliente. Allí, la fuente calor eleva la temperatura del gas, 105 aumentando la presión que ejerce. Esto nos lleva al punto de partida, cuando el gas, habiéndose calentado, inicia su expansión isotérmica. Un dato muy importante que ya ha sido reseñado es que el proceso de compresión requiere menos trabajo intrínseco que el de expansión, al tener el gas menos energía, al estar a baja temperatura, y por tanto ofrecer menos presión y resistencia. Estas características hacen del motor Stirling, y del ciclo que sigue un proceso fundamentalmente eficiente, casi similar, al menos en entornos teóricos, a la eficiencia del ciclo de Carnot. 5.2. - Motor Webster 5.2.1. - DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO El motor Webster que se ha diseñado para el presente Trabajo se trata de un motor de combustión interna de cuatro tiempos. Un motor de combustión interna es un motor térmico en el cual la combustión del combustible ocurre al entrar en contacto con un oxidante (generalmente aire) en una cámara de combustión, que ocupa una parte integral del circuito por el que circula el fluido que mantiene en marcha el motor [59]. Dentro de esta cámara de combustión, la expansión de los gases a una alta temperatura y una consecuente alta presión implicará el desplazamiento de ciertas partes del motor, como válvulas, pistones y cigüeñales, que aprovecharán este movimiento para accionar, cerrar o abrir conductos, motivando el movimiento cíclico del motor, y a su vez, se obtendrá de este un movimiento rotatorio que será extraído y aprovechado; en definitiva, el objetivo último del motor es la transformación de la energía generada por la quema de ese combustible en un movimiento mecánico aprovechable. Así, en base a lo mencionado anteriormente, podemos distinguir ya una de las principales diferencias con el motor Stirling descrito en el apartado anterior: mientras que este último era un motor de combustión externa, donde la fuente de calor se utilizaba para el calentamiento de un fluido sin contaminar (aire) y que permanecía constante dentro del sistema, en el caso del motor Webster tendremos que al aire que se introduzca en el sistema se le añadirá un combustible, normalmente gasolina o combustible diésel, produciéndose la quema de ambos dentro del motor. Así mismo, esto implica que tanto el aire como el combustible deben ser renovados cíclicamente, por lo que, en este caso, ya no tenemos un sistema cerrado [59]. Los motores de combustión interna poseen varias clasificaciones, siendo el descernimiento más habitual la diferenciación entre motores de dos tiempos y motores de cuatro tiempos. Si bien existen otras clasificaciones y una mayor ramificación de estas, en el presente texto nos centraremos en ofrecer una explicación sucinta del motor 112 el propio aumento de la presión que ha ocurrido previamente. Esta combustión implica un rápido aumento de la presión del sistema. • 3-4: Expansión isentrópica. Al haber aumentado la presión que ejerce el gas después de la combustión, este desplaza el pistón, expandiéndose y aumentando su volumen. • 4-1: Proceso a volumen constante en el que el gas, habiendo empujado el pistón, cede trabajo y disminuye progresivamente la presión que ejerce. • 1-0: escape del gas resultado de la combustión en un proceso isobárico. Una vez se ha completado el ciclo, se abre la válvula de escape y el gas escapa fuera, empujado por el pistón, completándose así la renovación de fluido en el sistema. Como puede observarse, el proceso 1-2 requiere de una entrega de trabajo al sistema, mientras que en el 3-4 es el propio gas el que ejerce el trabajo. El ciclo Otto aquí descrito se revela como un sistema de obtención de trabajo bastante eficiente, pues este trabajo obtenido en el desarrollo del ciclo supera ampliamente el invertido; de ahí que estos motores sean ampliamente utilizados para mover máquinas de gran envergadura, como automóviles. Debe señalarse que el rendimiento particular de los motores que utilizan este ciclo viene definido principalmente por la relación de compresión, que es la proporción entre los volúmenes máximo y mínimo encontrados en la cámara de combustión, según el desplazamiento del pistón [68]. En el caso de nuestro motor, ideado para trabajar a baja escala, el ajuste del pistón dentro del cilindro principal no es extremo, amén del volumen extra proporcionado por la caja de válvulas. Esto hará que su relación de compresión no sea extremadamente eficiente, pero es suficiente para una generación de energía capaz de sostener máquinas pequeñas o mantener circuitos de baja intensidad. 113 6. - CONCLUSIONES Llegados a este punto del presente Trabajo, una vez que se ha suplido el objetivo principal enfocado en el diseño asistido por ordenador de los motores, y habiendo realizado un análisis exhaustivo de su funcionamiento y su termodinámica, lo cual nos ha permitido hacernos una idea global de las principales características y capacidades de estos motores, se procede a cumplir en este apartado otro de los objetivos de mayor interés de este Trabajo de Fin de Grado: se realizará una comparación sucinta entre ambos motores, lo cual nos permitirá resaltar sus mayores fortalezas, así como sus espectros de mejora. Para la realización de esta comparación, por sencillez, se enunciarán las principales ventajas y desventajas de ambos motores, tras lo cual nos resultará sencillo establecer las diferencias principales entre las dos máquinas; más allá, obviamente, de su funcionamiento intrínseco. 6.1. - Motor Stirling 6.1.1. - VENTAJAS • Los motores Stirling pueden funcionar utilizando cualquier tipo de fuente de calor, no necesariamente una combustión, como suele ser el caso de la mayoría de los motores [69]. • Así mismo, la aportación de calor aplicada a un motor Stirling suele ser habitualmente continua, sin interrupciones; esto representa una reducción de las emisiones contaminantes encontradas en los casos de aportaciones de calor cíclicas. • Presentan una mayor sencillez relativa en comparación con otros motores de características similares; carecen de válvulas, y los sistemas de combustión suelen ser más simples [70]. • Los motores Stirling, como ya se ha indicado en apartados anteriores, trabajan en un ciclo cerrado, utilizando gas como fluido. Este gas no cambia de estado en ningún momento, ni recibe añadidos de combustibles o similares en otras fases [15]. Esto aumenta la estabilidad general del motor, y en los momentos de alta compresión, reduce las posibilidades de que ocurra una explosión o algún tipo de fallo en el sistema. • Su encendido inicial es sencillo (aunque ciertamente lento) y funcionan de forma eficiente en condiciones ambientales frías. Esto ofrece un contraste con los motores de combustión interna, que, si bien inician bien su funcionamiento en ambientes cálidos, presentan problemas a bajas temperaturas. 114 • Los motores Stirling presentan una gran versatilidad, pudiendo ser utilizados como fuentes de calor y trabajo en invierno, y como enfriadores en fechas más cálidas [15]. • El calor residual sobrante producido por un motor Stirling es aprovechado fácilmente, especialmente en comparación con los motores de combustión interna. 6.1.2. - DESVENTAJAS • Los motores Stirling requieren intercambiadores de calor, debiendo tener en cuenta que las temperaturas alcanzadas por el fluido en el interior del circuito del motor pueden llegar a ser muy elevadas. Así mismo, estas piezas deben soportar correctamente la presión alcanzada por dicho fluido. Esta es proporcional al trabajo que está obteniendo el motor; por lo tanto, en motores Stirling de alta gama, se alcanzarán valores de presión muy altos. Esto nos conduce a que los materiales que compongan están piezas deben ser capaces de aguantar los efectos adversos de altas temperaturas y altas presiones a la vez. Esto invariablemente conduce a un aumento sustancial del coste del motor; los materiales de las piezas intercambiadoras de calor pueden llegar a suponer el 40% del coste total [13]. • Incidiendo sobre el último comentario, las altas temperaturas alcanzadas por el motor pueden exceder los límites soportables de los materiales, incluso con las consideraciones previas. Esto lleva a que un motor Stirling nunca podrá operar al máximo de su capacidad, según lo establecido por la teoría del ciclo Stirling. Recordemos que este era un ciclo ideal, y, por lo tanto, no es realista esperar una eficiencia máxima. Estas altas temperaturas de trabajo son una de las principales razones por lo que estos motores tienen un buen desempeño en climas fríos [15]. • Los motores Stirling suelen tener una mala proporción entre tamaño y trabajo; es decir, suelen bastante grandes para obtener cantidades de trabajo moderadas [71]. Esto se acentúa cuando el diferencial de temperatura sobre el que trabaja el motor es pequeño (como es el caso del motor diseñado en este Trabajo, el cual, si bien tiene pequeñas dimensiones, ciertamente el trabajo que produce es muy reducido). Esto es otra nota de contraste con los motores de combustión interna, que no presentan estos problemas [15]. • Un motor Stirling no puede arrancar de forma instantánea, requiriendo, literalmente, un “calentamiento” inicial. Si bien esto es aplicable a cualquier motor de combustión externa, en el caso de los motores Stirling es muy pronunciado, y es una de las grandes desventajas que presentan frente a los motores de combustión interna. • Por el método de funcionamiento que presentan los motores Stirling, la obtención de trabajo es continua y constante. El correcto aprovechamiento de 115 esta fuente de trabajo requiere un diseño exhaustivo y, en algunos casos, componentes adicionales. • En relación con el primer punto, que versaba sobre las altas temperaturas y presiones alcanzadas por el fluido en el interior del motor, esto nos lleva a que hay que hacer una cuidadosa consideración del gas a utilizar. El uso del aire, por ejemplo, como gas de trabajo, si bien reduce sustancialmente los costes, introduce oxígeno en un entorno de trabajo altamente presurizado, lo cual puede conducir a accidentes fatales [72]. En este sentido, se ha estudiado el helio como el gas más adecuado para los motores Stirling [13], [15]. 6.1.3. - APLICACIONES Y DESARROLLO FUTURO Las últimas aplicaciones encontradas para el motor Stirling demuestran que, en muchos casos, este motor es subestimado, en gran medida por el desconocimiento general que existe en torno a sus capacidades, y especialmente por la fuerte competencia de otros motores más conocidos. Sin embargo, se ha demostrado que pueden encontrarse nichos de mercado asegurados para este tipo de motor, amén de que presenta características que lo hace muy diferente a otros motores actuales, implicando esto la existencia de tareas en las que este tipo de motor puede mostrar su excelencia. Históricamente se ha aceptado que los motores Stirling no son adecuados para su incorporación en cuestiones de automovilística, debido a su ratio de trabajo frente a peso demasiado bajo, así como a las altas temperaturas a las que debe funcionar para trabajar a gran escala, por no mencionar sus largos tiempos de arranque. Sin embargo, en los últimos años se han examinado líneas de investigación que combinan el motor Stirling con motores de combustión interna, con resultados prometedores que podrían acabar derivando en la superación de las limitaciones consistentes en el bajo ratio de trabajo frente a peso anteriormente mencionado, así como de su lenta capacidad de aceleración [73]. Así mismo, en relación directa con el párrafo anterior, dado que sigue siendo difícil encontrar un compromiso entre las desventajas que presenta el motor Stirling con las exigencias básicas del automovilismo, se ha encontrado una nueva opción en los nuevos coches eléctricos. Los motores Stirling son excelentes generadores de energía, y aunque siguen presentando limitaciones graves, puede ser más sencillo examinar su incorporación en este nuevo mercado, puesto que en el tradicional siguen reinando los motores actuales de combustión interna [74]- [75]. Ilustración 6.1: Submarino clase Söryü [78] 116 Como se mencionó anteriormente, uno de los nichos más inesperados y exitosos del motor Stirling se ha encontrado en los motores enfocados a la navegación subacuática, habiéndose incorporado en los submarinos Gotland y Södermanland suecos, o los Söryü japoneses. En estas aplicaciones, los motores Stirling han demostrado capacidades de actuación a la par que las presentadas por submarinos alimentados por energía nuclear, siendo capaces de extender la autonomía de los submarinos donde se ha implementado de unos pocos días a varias semanas [76]-[77]. En cuestiones de generación de energía, los motores Stirling tienen una alta presencia como motores de cogeneración (motores CHP), esto es, motores que producen tanto energía mecánica como térmica a partir de su funcionamiento base [79]. Esto hace de estos motores un referente de versatilidad; mientras que lo habitual sería aprovechar la energía mecánica, como en las aplicaciones eléctricas, la capacidad de los motores Stirling para aprovechar también la energía térmica que desprenden los pone como punta de lanza en este sector [80]. Sin embargo, han encontrado un nicho de mercado más extenso aún en la industria de la energía solar, capaces de generar energía con una eficiencia igual o superior al de las células fotovoltaicas habituales [81]. También se han encontrado usos en la generación de energía nuclear, donde la incorporación de los motores Stirling podría incluso aumentar la eficiencia, y reducir enormemente la generación de residuos tóxicos. Finalmente, uno de los usos más popularizados del motor Stirling hoy en día es en sistemas de refrigeración y criogenización. Debe hacerse especial hincapié en esta aplicación, pues está definida a día de hoy como la más importante y con mayor futuro y potencial de todas las mencionadas. Si bien hay motores que pueden mostrarse competitivos con el Stirling a temperaturas de enfriamiento reducidas (hasta los C), un motor Stirling puede hacer descender la temperatura, sin suponer un problema de logística, hasta los C. Esto es una muestra extraordinaria de su potencia, que, combinada con otras características, como su ruido casi nulo, la ausencia de vibraciones, la capacidad para ser Ilustración 6.2: Motor Stirling solar en la Plataforma Solar de Almería (España) [82] Ilustración 6.3: Global Cooling Stirling Cooler expuesto en la universidad de Ohio [55] 117 fabricados en escalas muy reducidas y su mantenimiento sencillo, han hecho del motor Stirling líder en aquellas aplicaciones que requieran de estas funciones, como es por el ejemplo el enfriamiento de sensores electrónicos o microprocesadores. La mención de este tipo de sistemas, que no son sino opciones de futuro, nos muestra que podemos esperar la aparición del motor Stirling en tecnologías punteras de vanguardia [83]-[84]. 6.2. - Motor Webster 6.2.1. - VENTAJAS • Muchos de los motores de combustión interna queman algún combustible líquido, normalmente gasolina y sus derivados o similares [59], cuya combustión acarrea una gran cantidad elementos contaminantes. Su quema suele producir gases contaminantes, que pasan al ambiente, y, por otro lado, también se producen impurezas y otros restos sólidos. Algunos son expulsados al exterior del motor, pero la mayoría de estos permanecen en su interior, acumulándose sobre las válvulas o en los conductos, llegando a afectar severamente al trabajo del motor. En ese sentido el motor Webster, que utiliza fundamentalmente gas como fluido de combustión, es mucho más limpio, tanto para el medio ambiente como para el propio motor, sin que afecte a sus capacidades. • Debido, entre otros factores, al combustible gaseoso anteriormente mencionado, se ha comprobado que el motor Webster presenta unos costes muy reducidos. Efectivamente, este combustible es más barato de obtener, y en relación con el comentario anterior, su mantenimiento es más sencillo, abaratando de forma general los costes implicados. • Relacionado de forma directa con los apartados anteriores, en el sentido ecológico y económico, al tratarse de un motor de firma conocida, pero que utiliza un combustible que genera unos niveles de contaminación muy por debajo de otros motores más convencionales, su desarrollo suele contar con el beneplácito de las organizaciones gubernamentales que apoyan el desarrollo de una tecnología más ecológica y sostenible. Esto suele traducirse en ayudas, subvenciones e incentivos. • En cuestiones técnicas, a diferencia de los motores Stirling, un motor de combustión interna presenta un arranque mucho más cómodo y rápido, con tiempos de espera para que inicie su funcionamiento óptimo muy cortos. • Los motores de combustión interna, si bien presentan una eficiencia general moderada (puesto que el ciclo Otto que siguen queda lejos de un ciclo ideal cercano a Carnot, como sí es el caso del ciclo Stirling), tienen una relación de tamaño e inversión de energía frente al trabajo producido muy notable. Incluso 118 aunque un motor Stirling pudiera alcanzar mayor eficiencia en una situación dada, requeriría de una maquinaria mucho más grande y aparatosa que la que requeriría un motor de combustión interna como el Webster. Ante la misma inversión en materiales, este último podría generar mayor trabajo. 6.2.2. - DESVENTAJAS • A pesar de las ventajas anteriormente mencionadas acerca de usar gas como combustible principal, es cierto que este posee un poder energético mucho menor al de los combustibles convencionales, como la gasolina. Además, aunque han sido adaptados convenientemente, este tipo de motores están ideados para trabajar eficientemente con este último tipo de combustible. Todo ello hace que el motor Webster, esto es, un motor de combustión interna de gas, suponga un ligero retroceso en lo que a eficiencia y aprovechamiento se refiere. Una solución de compromiso que se suele alcanzar para mantener una buena eficiencia, sin perder las ventajas adquiridas por la incorporación del gas, es usar este para el encendido del motor y su funcionamiento a bajas revoluciones, pasando a gasolina si se requiere una generación de trabajo mayor. • En relación directa con lo mencionado anteriormente, para poder mantener niveles de funcionamiento óptimos, este tipo de motores requiere un influjo de carburante mucho mayor, es decir, un aumento del consumo del motor bastante considerable. • Un problema que puede pasar desapercibido es la escasa infraestructura que rodea a este tipo de motores, puesto que su aplicación efectiva es bastante reciente. Esto implica que la adquisición del combustible, su almacenamiento y su transporte son problemáticas. Así mismo, la legislación, así como un conocimiento general de la población y un uso extendido que permita introducirlo en el mercado, son apartados que aún están en fases tempranas de desarrollo. • A diferencia de los motores Stirling, que generan trabajo de forma continua y constante, el motor Webster se trata de un motor de combustión interna de cuatro tiempos; como su propio nombre indica, su funcionamiento se basa en una serie de ciclos o intervalos, lo cual implica que hay momentos durante los cuales el motor no está produciendo energía [63]. Esta es una de las razones por las que podemos considerar que pierden en el campo de la eficiencia frente a los motores Stirling. • Debido a sus características, este tipo de motores sufren en entornos gélidos, siendo en algunos casos extremadamente difícil conseguir un arrancado adecuado, o mantener posteriormente su correcto funcionamiento. • Como puede observarse de forma sucinta en los apartados de diseño de este mismo trabajo, los motores de combustión interna, como el caso del motor Webster que nos ocupa, presentan mayor complejidad en su diseño y 119 fabricación. La inclusión de piezas como válvulas, bujías, y sistemas de apertura y cierre, a diferencia del motor Stirling, que presenta una estructura cerrada más simple, hace que los motores de combustión interna requieran un esfuerzo mayor en su concepción y creación. 6.2.3. - APLICACIONES Y DESARROLLO FUTURO Los motores de combustión se han revelado como una de las invenciones más versátiles dentro de la ingeniería de la energía. Su desarrollo ha sido ampliamente estudiado, por lo que se tiene un gran conocimiento sobre estos, lo cual no es óbice para que cuenten con un gran margen de mejora. Hoy en día, los motores de combustión interna se cuentan entre las principales fuentes de energía para vehículos tanto terrestres como marinos. Su uso dentro del campo del automovilismo está más que aposentado, siendo uno de los motores clásicos con más recorrido en esta área. Históricamente han utilizado gasolina o gasoil como principales carburantes, lo cual ha provocado que siempre hayan estado bajo una visión crítica desde el punto de vista del ecologismo y el desarrollo sostenible. La llegada de los nuevos motores eléctricos podría suponer una amenaza obvia para estos motores; sin embargo, las nuevas líneas de investigación basadas en sustituir estos combustibles por gases han impulsado esperanzas de que estos motores sigan siendo líderes en el sector, puesto que así se supliría la problemática de la contaminación, amén de que estos motores, al menos de momento, siguen ofreciendo posibilidades de potencia mayores que los motores eléctricos. Además, hay que tener en cuenta que la mayor parte de la infraestructura de la industria automovilística está pensada para respaldar a los motores de combustión, por lo que, de ocurrir un cambio de gran extensión, este sería indudablemente lento. Por lo tanto, los motores de combustión interna tienen aún un largo recorrido por delante en esta área [85]- [87]. Fuera de la sección de transportes y automovilismo, el otro gran sector en el que reinan los motores de combustión Ilustración 6.4: Motor de combustión interna de cuatro tiempos adaptado para automóvil [88] Ilustración 6.5: Disposición interna del motor y transmisiones dentro de un automóvil [90] 120 interna es el de la generación de energía eléctrica. El propio movimiento rotatorio obtenido en la biela como consecuencia de la actuación del motor puede transmitirse y aprovecharse en sistemas que transformen la energía mecánica en energía eléctrica. Además, en el caso de motores que utilizan aire como combustible, como es el caso de nuestro motor Webster bajo estudio, la ganancia de energía frente al coste aumenta considerablemente. Efectivamente, la inversión que requiere usar combustibles fósiles para hacer funcionar los motores de diseños clásicos abría un debate sobre su rentabilidad a la hora de generar energía eléctrica (habida cuenta, por supuesto, del debate ecológico paralelo). Sin embargo, la incorporación del carburante gaseoso, mucho más barato, a la par que menos contaminante, soluciona ambos problemas y revela estos motores como una opción de futuro [89]. Además, se están estudiando actualmente métodos para el aprovechamiento de la energía térmica residual producida en el motor durante su funcionamiento, lo cual podría aumentar aún más su eficiencia y rentabilidad en este campo. Si bien se han mencionado las dos principales áreas de empleo de estos motores, con las consideraciones que siguen haciendo estos motores relevantes en el futuro, hay que tener en cuenta que los motores de combustión interna, dada su versatilidad, están ampliamente incorporados en multitud de tareas y áreas a pequeña escala, como bombas de propulsión de agua, una amplia gama de maquinaria doméstica, como cortacéspedes, radiales o motosierras, o como motores en vehículos de baja categorías como motos de baja cilindrada, motos acuáticas o de nieve. En definitiva, el motor de combustión interna de cuatro tiempos es un sistema con una historia rica y un desarrollo profundo y extenso, que a pesar del tiempo que se lleva empleado en optimizar su diseño, aún presenta opciones de futuro y mejora. 6.3. - Conclusiones Antes de iniciar el desarrollo de las conclusiones extraídas en el presente tratado, se muestra en la siguiente tabla un resumen de las principales características extraídas de cada motor: MOTOR STIRLING MOTOR WEBSTER Puede utilizar cualquier tipo de fuente de calor para su funcionamiento. Requiere determinados combustibles; aunque puede suplirse con la versatilidad del aire, este es menos eficiente en general. Muy poco contaminante. Históricamente más contaminante, aunque relativamente suplido con el uso de aire. Diseño sencillo. Mayor complejidad de diseño. 121 Mayor estabilidad y seguridad frente a accidentes. Históricamente más propenso a accidentes, aunque reducidos con la incorporación del gas. Inicio lento. Arranque muy rápido. Trabajan bien en frío. Sufren en entornos gélidos. Versatilidad tanto para producir calor como frío. Incapacidad para trabajar como enfriador. Aprovechamiento del calor residual. El calor residual no se aprovecha y puede resultar problemático. Altísima exigencia para los materiales de fabricación. Reduce la necesidad de materiales de alta gama. Singularmente más caro de fabricar y mantener. Comparativamente mucho más barato, tanto en su fabricación como mantenimiento. Pérdida de eficiencia al no poder trabajar en sus condiciones ideales de alta temperatura. Facilidad para trabajar en sus condiciones ideales de máxima eficiencia, menos problemas de sobrecalentamiento. Mal ratio de trabajo frente a tamaño. Relación de trabajo frente a tamaño extraordinariamente positiva. Relegado a aplicaciones nicho reducidas. Tremenda versatilidad con aplicaciones amplias en todos los campos. En contraste con los motores de combustión interna, los motores Stirling se revelan como una opción excelente para introducir el uso de sustancias y combustibles renovables y no contaminantes; como sabemos, nuestro motor Webster, incluso tratándose de un motor que introduce el aire como principal carburante, sigue requiriendo pequeñas aportaciones de combustible fósil para la combustión, con todas las desventajas que implican, aún reducidas. Así mismo, los motores Stirling son mucho más silenciosos, trabajan de forma más suave y tienen unos requerimientos y costes de mantenimiento muy por debajo de los de los motores de combustión interna. Sin embargo, debemos recordar que sus costes generales de materiales son muchísimo más elevados, debido a los altos requerimientos que tienen sus piezas, al estar sometidas a altos niveles de temperatura y presión. Así mismo, recordemos que su eficiencia con respecto al tamaño de la máquina era baja, por lo que estos motores suelen ser excesivamente grandes y aparatosos si se quiere obtener una cantidad de trabajo elevada. Es por ello por lo que estos motores son utilizados en situaciones en los que el trabajo que puedan aportar prima sobre el capital que haya que invertir en su desarrollo. También se introducen en instalaciones estáticas, donde su mayor tamaño y dificultad de movimiento no supone un problema para la ejecución de su funcionamiento. Sin embargo, no se pueden despreciar de forma tajante los motores de combustión interna de los que también estamos tratando. Un motor Stirling, enfrentado a un motor de este tipo con la misma capacidad de producción de trabajo, tendrá de forma casi segura un mayor coste, y como hemos comentado, será indudablemente más grande y pesado. Esto implica que existirán multitud de aplicaciones en las cuales el motor de 128 [64] “Ciclo de cuatro tiempos”, Wikipedia, 2021. [En línea]. Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_cuatro_tiempos [Acceso: 18-08-2021] [65] Wu, Chih (2004). Thermodynamic Cycles: Computer-aided Design and Optimization. New York: M. Dekker. [66] “Otto cycle”, Wikipedia, 2021. [En línea]. Disponible en: https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_cycle [Acceso: 18-08-2021] [67] Moran, Michael J., and Howard N. Shapiro (2008). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 6th ed. Hoboken, N.J [68] “Energy Conversion and Heat Engines”, Electropaedia, 2005. [En línea]. Disponible en: https://www.mpoweruk.com/heat_engines.htm [Acceso: 18-08- 2021] [69] Dudek, Jerzy et al. (2015). Landfill Gas Energy Technologies. Global Methane Initiative. Instytut Nafty i Gazu / US Environmental Protection Agency. [70] "Two Can Stirling Engine", MAKE: Magazine (2006). [En línea]. Disponible en: https://makezine.com/projects/two-can-stirling-engine/ [Acceso: 18-08-2021] [71] “The Stirling Engine”, Electropaedia, 2005. [En línea]. Disponible en: https://www.mpoweruk.com/stirling_engine.htm [Acceso: 18-08-2021] [72] A.J. Organ (2008). Why Air? Communicable Insight. [73] Hasci, James (2008). Modified Stirling Engine With Greater Power Density. National Aeronautics and Space Administration & SolidWorks. [74] "Solid Biofuel-Powered Vehicle Technology”, Precer Group, 2009. [En línea]. Disponible en: http://www.precer.com/Files/Precer_Data_Sheet_D.pdf [Acceso: 18-08-2021] [75] Wickham, S.K. (2008). "Kamen's Revolt". Union Leader. [76] Kockums (2011). "The Kockums Stirling AIP system – proven in operational service". [77] "First Improved Oyashio-class boat takes to the water", IHS, 2007. [En línea]. Disponible en: https://www.janes.com/error/500?aspxerrorpath=/products/janes/defence-security- report.aspx [Acceso: 18-08-2021] [78] “Soryu Class AIP submarine”, 3DExport, 2021. [En línea]. Disponible en: https://es.3dexport.com/3dmodel-soryu-class-aip-submarine-350773.htm [Acceso: 18-08-2021] 129 [79] "How Does Cogeneration Provide Heat and Power?", Scientific American, 2019. [En línea]. Disponible en: https://www.scientificamerican.com/article/how-does- cogeneration-provide-heat-power/ [Acceso: 18-08-2021] [80] "What is Microgeneration? And what is the most cost effective in terms of CO2 reduction", Claverton-energy.com, 2008. [En línea]. Disponible en: https://claverton-energy.com/what-is-microgeneration.html [Acceso: 18-08-2021] [81] Wilson, Alex (2010). Building Green's Product of the Week: Stirling SunCatcher with "Heat Engine" Technology. BuildingGreen. [82] “Point focus parabolic mirror with Stirling engine”, Wire Web Archive, 2006. [En línea]. Disponible en: https://web.archive.org/web/20060206085655if_/http://wire0.ises.org:80/wire/inde pendents/imagelibrary.nsf [Acceso: 18-08-2021] [83] Cairelli, J.E. "NASA Advanced Refrigerator/Freezer Technology Development Project Overview", en NASA. 8th International Cryocooler Conference sponsored by the ICC Conference Committee Vail, Colorado, 1994. [84] Berchowitz, David M. "Maximized Performance of Stirling Cycle Refrigerators", en 3rd Annual: IIF-IIR International Congress of Refrigeration, Oslo, Norway, 1998. [85] James, Fales (1996). Technology Today and Tomorrow. McGraw-Hill School Pub Co. [86] Armentrout, Patricia (1998). Extreme Machines on Land. Rourke Pub Group. [87] M. A. DeLuchi (1991). Emissions of Greenhouse Gases from the Use of Transportation Fuels and Electricity. Center for Transportation Research, Argonne National Laboratory. [88] “4 Stroke Car Engine”, Indiamart, 2003. [En línea]. Disponible en: https://www.indiamart.com/proddetail/4-stroke-car-engine-14834734497.html [Acceso: 18-08-2021] [89] Faiz, Asif; Weaver, Christopher S.; Walsh, Michael P. (1996). Air pollution from motor vehicles: Standards and Technologies for Controlling Emissions. World Bank Publications. [90] “Motor de ciclo Otto de cuatro tiempos”, mozaWeb, 2021. [En línea]. Disponible en: https://www.mozaweb.com/es/Extra-Escenas_3D- Motor_de_ciclo_Otto_de_cuatro_tiempos-4020 [Acceso: 18-08-2021] [91] “Plans for Stirling Engines”, Plans for Everything, 2021. [En línea]. Disponible en: http://www.plans-for-everything.com/hen_stirling_engine_plans.html [Acceso: 18-08-2021] 130 [92] “Plans for IC Engine Plans”, Plans for Everything, 2021. [En línea]. Disponible en: http://www.plans-for-everything.com/hen_ic_engine_plans.html [Acceso: 18- 08-2021] [93] “Webster Four Stroke Engine”, Autodesk, 2015. [En línea]. Disponible en: https://gallery.autodesk.com/projects/22523/webster-four-stroke-engine [Acceso: 18-08-2021] [94] “Tap Chart - UNC/UNF Threads”, Carbide Depot. [En línea]. Disponible en: http://www.carbidedepot.com/formulas-tap-standard.htm [Acceso: 18-08-2021] [95] “UNC and UNF - Unified Inch Screw Threads”, The Engineering Toolbox, 2011. [En línea]. Disponible en: https://www.engineeringtoolbox.com/unified-screw- threads-unc-unf-d_1809.html [Acceso: 18-08-2021] [96] “ANSI External Screw Threads Size & Tolerances Chart”, Engineers Edge, 2021. [En línea]. Disponible en: https://www.engineersedge.com/screw_threads_chart.htm [Acceso: 18-08-2021] [97] “Submarino RC HMS Gotland”, Cults, 2020. [En línea]. Disponible en: https://cults3d.com/es/modelo-3d/juegos/rc-submarine-hms-gotland-1-48 [Acceso: 18-08-2021] 131 7.2. - Índice de imágenes IMAGEN 1 2.1: Guillaume Amontons (izda) y diseño de su primer motor de aire caliente (dcha) IMAGEN 2 2.2: George Caley (izda) y su motor de aire caliente (dcha) IMAGEN 3 2.3: Robert Stirling (izda) y Planos preliminares del motor Stirling (dcha) IMAGEN 4 2.4: Motor Philips MP1002CA Stirling IMAGEN 5 2.5: Submarino clase Gotland IMAGEN 6 2.6: Motor Stirling de tipo disco solar IMAGEN 7 2.7: Primeras ilustraciones del uso de pólvora IMAGEN 8 2.8: Christiaan Huygens (izda) y una ilustración de su motor de pólvora (dcha) IMAGEN 9 2.9: Denis Papin (izda) y una ilustración de su motor de vapor de agua (dcha) IMAGEN 10 2.10: Nicéphore Niépce (izda) y su invento, el Pyréolophore (dcha) IMAGEN 11 2.11: Samuel Brown (izda) y su motor de vacío (dcha) IMAGEN 12 2.12: Sadi Carnot IMAGEN 13 2.13: Motor de William Barnett IMAGEN 14 2.14: Eugenio Barsanti y Felipe Matteucci (izda) y modelo de su motor conjunto (dcha) IMAGEN 15 2.15: Jean Joseph Etienne Lenoir (izda) y su motor de combustión interna (dcha) IMAGEN 16 2.16: Alphonse Beau de Rochas IMAGEN 17 2.17: Nikolaus Otto IMAGEN 18 2.18: Motor de combustión interna de cuatro tiempos de Otto IMAGEN 19 2.19: George Brayton (izda) y James Atkinson (dcha) IMAGEN 20 2.20: Karl Benz (izda) y su motor de cuatro tiempos (dcha) IMAGEN 21 2.21: Rudolf Diésel (izda) y su motor de combustión interna (dcha) IMAGEN 22 3.1: Entorno principal PART IMAGEN 23 3.2: Entorno principal SKETCH IMAGEN 24 3.3: Ejemplo de uso de la herramienta Constraint (aplicando longitud sobre línea) IMAGEN 25 3.4: Figura en Sketch no definida IMAGEN 26 3.5: Figura en Sketch completamente definida IMAGEN 27 3.6: Entorno principal PRODUCT IMAGEN 28 3.7: Interfaz principal de Keyshot IMAGEN 29 3.8: Opciones de la herramienta de movimiento IMAGEN 30 4.1: “Base”. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) 132 IMAGEN 31 4.2: Lower Platform. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 32 4.3: Upper Platform. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 33 4.4: Platform Pillar. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 34 4.5: “Soporte fuente de calor”. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 35 4.6: Candle Pillar. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 36 4.7: Candle Holder. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 37 4.8: “Torre de transmisión”. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 38 4.9: Central Pillar. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 39 4.10: Tumbler Plate. Resultado CATIA (arriba) y tras renderizado (debajo) IMAGEN 40 4.11: Long Connection Rod. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 41 4.12: Power Piston Connection Rod. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 42 4.13: Power piston. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 43 4.14: “Volante de inercia”. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 44 4.15: Main Shaft Support Pillar. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 45 4.16: Main shaft bearing housing. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 46 4.17: Flywheel. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 47 4.18: Crank. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 48 4.19: “Cilindro Principal”. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 49 4.20: Main Cylinder. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 50 4.21: Power Cylinder. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 51 4.22: Test Tube. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 52 4.23: Displacer. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 53 4.24: Motor Stirling; vista general. Resultado CATIA IMAGEN 54 4.25: Motor Stirling; vista general. Tras renderizado IMAGEN 55 4.26: Motor Stirling; vista general (posterior). Tras renderizado IMAGEN 56 4.26: “Base”. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 57 4.27: Base plate. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 58 4.28: Side frame. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 59 4.29: Crankshaft support. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 60 4.30: Main bearing. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 61 4.31: Crank Oilier Cup. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 62 4.32: “Cilindro principal”. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 63 4.33: Cylinder Head Frame. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) 133 IMAGEN 64 4.34: Cylinder. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 65 4.35: Head Gasket. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 66 4.36: “Pistón”. Resultados CATIA (dos vistas, arriba) y tras renderizado (debajo) IMAGEN 67 4.37: Piston. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 68 4.38: Connecting Rod. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 69 4.39: “Caja de válvulas”. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 70 4.40: Valve Block (arriba) y Exhaust / Intake Block (debajo). Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 71 4.41: Valve guide. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 72 4.42: Valve. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 73 4.43: Muelle. Resultado CATIA (arriba) y tras renderizado (debajo) IMAGEN 74 4.44: Especificaciones de la herramienta Helix IMAGEN 75 4.45: Venturi. Resultado CATIA (arriba) y tras renderizado (debajo) IMAGEN 76 4.46: NV Seat. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 77 4.47: Needle Valve. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 78 4.48: Exhaust Pipe. Resultado CATIA IMAGEN 79 4.49: Exhaust Pipe. Tras renderizado IMAGEN 80 4.50: “Conjunto de ruedas y engranajes”. Resultado CATIA (arriba) y tras renderizado (abajo) IMAGEN 81 4.51: Crankshaft. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 82 4.52: Flywheel. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 83 4.53: Engranajes; pequeño (arriba), grande (abajo). Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 84 4.54: Conexión entre engranajes. IMAGEN 85 4.55: Desgranado de las características y parámetros del engranaje IMAGEN 86 4.56: Exhaust Cam. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 87 4.57: Rocker arm. Resultado CATIA (arriba) y tras renderizado (debajo) IMAGEN 88 4.58: Rocker arm spring. Resultado CATIA (izda) y tras renderizado (dcha) IMAGEN 89 4.59: Motor Webster; vista general. Resultado CATIA IMAGEN 90 4.60: Motor Webster; vista general. Tras renderizado IMAGEN 91 4.61: Motor Webster; vista posterior. Resultado CATIA IMAGEN 92 4.62: Motor Webster; vista posterior. Tras renderizado IMAGEN 93 4.63: Motor Webster; vista lateral. Resultado CATIA IMAGEN 94 4.64: Motor Webster; vista lateral. Tras renderizado IMAGEN 95 5.1: Motor Stirling tipo beta IMAGEN 96 5.2: Ciclo de funcionamiento del motor Stirling de tipo beta 134 IMAGEN 97 5.3: Motor Stirling estudiado en el presente Trabajo IMAGEN 98 5.4: Ciclo Stirling IMAGEN 99 5.5: Esquema básico de un motor de combustión interna de cuatro tiempos IMAGEN 100 5.6: Ciclo de funcionamiento de un motor de combustión interna de cuatro tiempos IMAGEN 101 5.7: Motor de combustión interna de cuatro tiempos estudiado en este Trabajo (motor Webster) IMAGEN 102 5.8: Ciclo Otto IMAGEN 103 6.1: Submarino clase Söryü IMAGEN 104 6.2: Motor Stirling solar en la Plataforma Solar de Almería (España) IMAGEN 105 6.3: Global Cooling Stirling Cooler expuesto en la universidad de Ohio IMAGEN 106 6.4: Motor de combustión interna de cuatro tiempos adaptado para automóvil IMAGEN 107 6.5: Disposición interna del motor y transmisiones dentro de un automóvil 135 7.3. - Planos En el siguiente anexo se mostrarán los planos seguidos para el modelado de ambos motores. Las referencias para la obtención de estos planos se muestran de forma correspondiente en la bibliografía. 7.3.1. - MOTOR STIRLING La referencia para estos planos puede encontrarse en la bibliografía; ver [91]. 7.3.2. - MOTOR WEBSTER La referencia para estos planos puede encontrarse en la bibliografía; ver [92].