Tesis / 0054 / I.M. by MAOSABO

ANÁLISIS COMPARATIVO DE AUTOMOTORES ELÉCTRICOS RESPECTO A VEHÍCULOS DE AIRE COMPRIMIDO

CAMILO ANDRÉS DAZA TORRES HERWIN ALEJANDRO ORJUELA TIRANO

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA MECATRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA CIUDAD BOGOTÁ, COLOMBIA 2016

ANÁLISIS COMPARATIVO DE AUTOMOTORES ELÉCTRICOS RESPECTO A VEHÍCULOS DE AIRE COMPRIMIDO

CAMILO ANDRÉS DAZA TORRES HERWIN ALEJANDRO ORJUELA TIRANO

MONOGRAFÍA PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO

Director. VÍCTOR MANUEL GÓMEZ RAMÍREZ

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA MECATRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ, COLOMBIA 2016

Nota de Aceptaciรณn:

Presidente del Jurado

Jurado

Bogotรก (04, 11, 2016)

Dedicado a todos los instructores, compaĂąeros y familiares que hicieron posible la realizaciĂłn de este trabajo. Al ingeniero Guy Negre Q.E.P.D.

AGRADECIMIENTOS

A Dios que lo hace todo posible y nos dio todo lo necesario para salir adelante y cumplir nuestros sueños. A todos aquellos que apoyaron este proceso de formación desde el principio. Familiares, profesores y compañeros. A nuestro tutor Víctor Gómez por su acompañamiento y colaboración a lo largo de este trabajo. Especialmente a las personas que nos brindaron toda su colaboración en la elaboración de este trabajo y a la empresa Compresores Bogotá por su excelente asesoría.

CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 13 1. OBJETIVOS ................................................................................................................ 14 1.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................... 14 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................. 14 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................................... 15 2.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA .............................................................................. 15 2.2 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 15 3. EL AUTOMÓVIL .......................................................................................................... 16 3.1 ASPECTOS MÁS REPRESENTATIVOS DEL TRANSPORTE TERRESTRE ........ 18 3.2 EL TRANSPORTE TERRESTRE EN COLOMBIA.................................................. 18 3.3 EL AUTOMÓVIL DE AIRE COMPRIMIDO ............................................................. 19 3.4 EL AUTOMÓVIL ELÉCTRICO................................................................................ 19 4. COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS AUTOMÓVILES ........................................ 22 4.1 MOTOR.................................................................................................................. 22 4.2 SISTEMA DE FRENOS .......................................................................................... 22 4.3 TRANSMISIÓN ...................................................................................................... 25 4.3.1 Tipos de transmisión ........................................................................................ 25 4.3.2 Elementos de transmisión ................................................................................ 27 4.4 DIRECCIÓN ........................................................................................................... 29 4.5 CAJA AUTOMATICA .............................................................................................. 31 4.6 TRANSMSIÓN CONTINUA VARIABLE CVT .......................................................... 32 4.7 RUEDAS ................................................................................................................ 34 5. DESCRIPCIÓN DEL MOTOR DE ACUERDO A SU FUNCIONAMIENTO ................... 36 5.1. MOTOR DE AIRE COMPRIMIDO ......................................................................... 36 5.1.1 Motores neumáticos de aletas ......................................................................... 37

5.1.2 Motores reversibles de aletas .......................................................................... 39 5.1.3 Motores neumáticos de pistones...................................................................... 39 5.2 MOTOR ELÉCTRICO ............................................................................................ 42 5.2.1 Motor de corriente alterna (AC) ........................................................................ 43 5.2.2 Motor de corriente continua (DC) ..................................................................... 45 6. ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ............................................................................ 47 6.1 ALMACENAMIENTO DE LA ENERGÍA EN VEHÍCULOS DE AIRE COMPRIMIDO 47 6.2 ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA .................................................. 50 6.2.1 Baterías de grafeno ......................................................................................... 50 6.2.2 Baterías de iones de litio .................................................................................. 50 6.2.3 Baterías de ciclo profundo ............................................................................... 52 6.2.4 Baterías VRLA ................................................................................................. 52 6.2.5 Baterías de plomo acido .................................................................................. 53 7. TRANSMISIÓN ............................................................................................................ 54 8. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS ......................................................................... 58 8.1 VEHÍCULOS DE AIRE COMPRIMIDO ................................................................... 61 8.1.1 Ventajas y desventajas .................................................................................... 61 8.2 VEHÍCULOS DE ENERGÍA ELÉCTRICA ............................................................... 62 8.2.1 Ventajas y desventajas .................................................................................... 64 9. CONCLUSIONES ........................................................................................................ 65 ANEXOS ......................................................................................................................... 67 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 74

LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Automóvil de vapor ........................................................................................... 17 Figura 2. La obediente ..................................................................................................... 17 Figura 3. El Jamais Contente ........................................................................................... 20 Figura 4. Freno de disco .................................................................................................. 24 Figura 5. Motor delantero y de propulsión delantera ........................................................ 25 Figura 6. Motor delantero y de propulsión trasera ............................................................ 26 Figura 7. Transmisión 4x4 ............................................................................................... 27 Figura 8. Árbol de transmisión ......................................................................................... 28 Figura 9. Árbol de transmisión para suspensión independiente ....................................... 28 Figura 10. Tipos de dirección de tornillo sin fin ............................................................... 29 Figura 11. Mecanismo de dirección por cremallera .......................................................... 30 Figura 12. Dirección Hidráulica ........................................................................................ 31 Figura 13. Funcionamiento interno del convertidor de par ............................................... 32 Figura 14. Principio CVT .................................................................................................. 33 Figura 15. Elementos de una rueda ................................................................................. 35 Figura 16. Esquema interior de motor neumático de aletas ............................................. 37 Figura 17. Funcionamiento motor neumático de aletas .................................................... 38 Figura 18. Motor neumático de aletas reversible ............................................................. 39 Figura 19. Motor neumático de pistones radiales ............................................................. 40 Figura 20. Motor neumático de pistones axiales .............................................................. 41 Figura 21. Campo magnético giratorio creado por una corriente alterna trifásica ............. 43 Figura 22. Rotor de un motor jaula de ardilla ................................................................... 44 Figura 23. Rotor de un motor de anillos rozantes............................................................. 45 Figura 24. Flujo magnético y FEM de motor DC .............................................................. 45 Figura 25. Comparación tecnologías de tracción con recorrido 150km ............................ 49 Figura 26. Transmisión de un automóvil híbrido, aire y combustión ................................. 55 Figura 27. Transmisión y distribución general de un vehículo eléctrico ............................ 56 Figura 28. Airpod ............................................................................................................. 58 Figura 29. Emisiones de CO2 del pozo a la rueda ........................................................... 63 Figura 30. Ford Focus ..................................................................................................... 70

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Fuente: Autor, basado en información de “Compresores Bogotá ltda”.

Tabla 2. Fuente: HUERTA, Gabriel. Gestor de carga de baterías (BMS).

Tabla 3. Fuente: MDI, Air pod technical specifications. Ford direct.

Tabla 4. Evaluación comparativa de costos de consumo de energía

LISTA DE ANEXOS

pág.

Anexo A. Entrevista a Compresores Bogotá Ltda

Anexo B. Entrevista a experto en automoción

Anexo C. Tarifas de energía eléctrica Codensa

Anexo D. Ficha técnica compresor Bauker

GLOSARIO

BIELA: brazo que une al cigüeñal del pistón, transmite el movimiento rotacional desde una manivela a movimiento lineal. TRACCIÓN: es el esfuerzo al que se somete un objeto cuando hay dos fuerzas opuestas. CAC: carro de aire comprimido por sus siglas en inglés “Compressed Air Car”. BEV: vehículo eléctrico de batería por sus siglas en inglés “Battery Electric Vehicle”. KEVLAR: fibra artificial, de baja densidad, robusta, con gran resistencia al calor y al impacto; utilizada en la industria armamentística para la fabricación de chalecos antibalas. LUMBRERA: agujero en los cilindros del motor por donde entran y salen gases. BASTIDOR: armazón metálico que soporta la carrocería de un automóvil. MT: empresa dedicada a realizar proyectos en empresas eléctricas o industriales. CIGÜEÑAL: eje con codos que, mediante un juego de bielas, transforma en circular un movimiento rectilíneo alternativo o viceversa. CARROCERÍA: parte de los vehículos automóviles o ferroviarios que, asentada sobre el bastidor, reviste el motor y otros elementos, y en cuyo interior se acomodan los pasajeros o la carga. PAR MOTOR O TORQUE: momento de giro producido en un eje por un motor. INERCIA: resistencia de los cuerpos para cambiar su estado de reposo o de movimiento sin la intervención de alguna fuerza. PISTÓN: pieza de una bomba o del cilindro de un motor que se mueve hacia arriba o hacia abajo impulsando un fluido o bien recibiendo el impulso de él. FEM: fuerza electromotriz.

HOLGURA: es el espacio que hay entre dos piezas que han de encajar una de otra. CAT: tecnología de aire comprimido por sus siglas en inglés “Compressed Air Technology”. CHASIS: armazón que sostiene el motor y la carrocería de un vehículo.

INTRODUCCIÓN

La presente monografía está basada en el análisis comparativo de automotores eléctricos respecto a vehículos de aire comprimido, la cual pretende brindar al lector un panorama de tipos de energías alternativas (aire comprimido y eléctrica), que actualmente están en el mercado aplicadas a la industria automotriz, como sus ventajas y desventajas en el funcionamiento de cada una de ellas aplicadas a los vehículos. Se dará a conocer la historia del transporte terrestre y las tecnologías que durante los años han evolucionado en pro de la movilidad. La investigación abarca los diferentes tipos de motores en esta área, las diferentes fuentes y tipos de almacenamientos de la energía para los sistemas de transporte, finalmente se podrá tener una idea clara de la tecnología que por rendimiento, eficiencia y calidad ambiental brindaría mayores ventajas al país.

1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL Elaborar un estudio técnico comparativo entre las tecnologías en sistemas de automoción de aire comprimido y eléctrico.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Realizar una descripción de los motores de aire comprimido y eléctrico de acuerdo a sus partes y su respectivo funcionamiento.  Presentar una descripción del almacenamiento de la energía y de transmisión de movimiento en los vehículos eléctricos y de aire comprimido.  Evaluar el automóvil eléctrico al igual que el de aire comprimido bajo criterios de rendimiento mecánico, torque/velocidad, autonomía y costos.  Efectuar un análisis de los resultados obtenidos, relacionando las ventajas y desventajas que describe cada tecnología.

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

2.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA El derretimiento de los polos y el aumento considerable de temperatura en la corteza terrestre son evidencias claras del calentamiento global, que a su vez es causado generalmente por los gases de tipo invernadero producidos por los vehículos cuyo combustible es derivado del petróleo. Según Benavides y León1 el transporte es responsable de al menos la tercera parte de las emisiones de CO2 durante el siglo XX. Es preocupante el daño que se ha hecho al medio ambiente, con esta tecnología, por tal motivo es considerado de vital importancia implementar energías renovables disminuyendo el consumo de la energía convencional.

2.2 JUSTIFICACIÓN Con el fin de satisfacer las necesidades de movilidad actual disminuyendo las emisiones de gases de efecto invernadero, se evalúa la propuesta, con base al aire comprimido como fuente de alimentación para su desplazamiento, sin generar gran impacto en la funcionalidad y desempeño a la cual el usuario está habituado. La tecnología a investigar proporciona una fuente de energía renovable, libre de residuos en el motor del vehículo y emisiones de gases nocivos para el ser humano y el medio ambiente, adicionalmente se procura la integridad física del usuario. Se desea indagar en las características funcionales de varios tipos de vehículo que operen con esta fuente de energía para su desplazamiento y comparar los mejores resultados con un automotor de energía eléctrica para su tracción; de allí se evaluarán mediante criterios de: autonomía, potencia, velocidad, contaminación, entre otros, para así tener la certeza de definir esta como una alternativa que sea funcionalmente aplicable en un entorno urbano como Bogotá.

1BENAVIDES,

Henry.LEÓN, Gloria. IDEAM: Información técnica sobre gases de efecto invernadero y el cambio climático. Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales -. 2007. p. 5.

3. EL AUTOMÓVIL Según la real academia de la lengua española 2 el automóvil es la máquina que se mueve por sí misma (auto-móvil). Prior3 afirma que el automóvil se usa para el transporte de personas u objetos. Para lograrlo, sus sistemas cuentan con un motor para la propulsión y pueden ser guiados para marchar por una vía ordinaria sin necesidad de carriles. Por lo tanto, la transformación de energía que realiza un motor, se debe a una energía entrante ya sea eléctrica, neumática, hidráulica, entre otras. La cual sin importar la fuente, la convierte en energía mecánica rotacional produciendo un desplazamiento final del vehículo. A continuación, se presenta una breve reseña de la historia del automóvil. De acuerdo a Gustavo León4, la historia del automóvil empieza con el auto a vapor. Este fue propuesto por Nicholas Joseph Cugnot alrededor de 1769, al desarrollar un automóvil para mover carga de artillería. Poco después este mismo sistema, es propuesto con algunas modificaciones para el transporte de personas. Este primer vehículo se nombró “fardier” ó “fardier à vapeur” (vehículo pesado a vapor). Una de las principales características de este automóvil, es su estructura similar a la de un triciclo; ya que sobre su rueda delantera se aloja una caldera y un motor de dos cilindros verticales. El primer modelo pesaba 450 toneladas. Agüero5enuncia una línea de tiempo, la cual se presenta a continuación, con los acontecimientos más relevantes de la historia del automóvil: en 1770 se propone un segundo modelo con capacidad de arrastre de 4,5 toneladas a una velocidad de 4 km/h, un año después se propone la tercera versión conservada en el museo nacional de París como se ve en la Figura 1. En 1784 James Watt desarrolla la biela y el cigüeñal, elementos que mejoran el desempeño del motor a vapor transformando el vaivén del pistón en un movimiento circular. De acuerdo a Prior6, entre 1832 y 1839, Robert Anderson desarrolla un vehículo eléctrico empleando baterías no recargables. Por otro lado, según Ayala7, el primer motor a combustión interna es propuesto por Étienne Lenoir en 1860, este motor sólo tenía un pistón y funcionaba a un solo tiempo. La energía era tomada del gas de carbón mezclado con aire; este primer sistema poseía una eficiencia 2

Asociación de academias de la lengua española. Real academia española, Automóvil. 2014. http://dle.rae.es/?id=4Tpk0J8. 3PRIOR. Historia del automóvil. En: Los automóviles y su Funcionamiento. Huntington Beach CA, USA, Teachercreatedmaterials, 2005. 5 p. 4LEÓN, Gustavo. Historia del automóvil. Protocolo de investigación que para acreditar la materia Métodos de Investigación 1. Naucalpan edo. de México, 2010. 6 p. 5AGÜERO, Alba y HUGO L. Historia del automóvil. Los primeros vehículos a vapor, 1 ed. Peru: 2005. 49 p. 6PRIOR, Jennifer. Historia del automóvil. En: Los automóviles y su Funcionamiento. Huntington Beach CA, USA, Teachercreatedmaterials, 2005. 6 p. 7AYALA, Akram. Funciones en el sector del automóvil. El caso Dalmer-Benz y Chrysler: Grado en administración y dirección de empresas: Universidad de la rioja. España 2015 p. 28.

del 5%. El motor de pistón de un solo tiempo dio paso al primer automóvil propulsado por un motor de combustión interna en 1861.

Figura 1. Automóvil de vapor

HEIST, Heijs y BUESA, Mikel. Teoría del cambio tecnológico y sistemas nacionales de innovación Madrid.

Según Agüero8, el inventor Amédee Boleé en 1871 creó un vehículo llamado “L’Obeissante” “La obediente” (Figura 2), este se nombró así debido a que se dejaba conducir con facilidad por parte del operador. Y a si mismo sirvió como autobús, el cual podía transportar un máximo de 18 personas. Figura 2. La obediente

AGÜERO, Hugo. Historia del automóvil. Según Jara y Ordoñes9, después de varios aportes en la época de 1866, se da inicio con el primer motor a combustión interna por el alemán Gottlieb Daimler,

AGÜERO, Hugo. Historia del automóvil. Los primeros vehículos a vapor, 1 ed. Peru: 2005. 49 p. Santiago y ORDOÑES, Víctor. Trabajo de graduación a la obtención del título de ingeniero en mecánica automotriz. Ecuador: Universidad del Azuay, 2013. 3.p 9JARA,

pero es Karl Benz quien realiza avances tecnológicos para mejorar el prototipo en la época de 1885. El primer vehículo a combustión comercial según Huerta10, sale a la venta en 1888 por la empresa Karl Benz en Manheim (Alemania). En 1897 aparece el motor Diesel por parte de la empresa Sulzer Hermanos.

3.1 ASPECTOS MÁS REPRESENTATIVOS DEL TRANSPORTE TERRESTRE Según Agüero11, la necesidad de desplazarse o transportar cargas pesadas ha inducido en la invención de vehículos de transporte, ya sea con tracción animal o mecánica. Agüero12 afirma que entre los años 3500 a.c. y el 3000 a.c., se inventa la rueda en la antigua Mesopotamia, inicialmente la rueda no se usó para el transporte de mercancías, solo para mecanizar la alfarería en el riego, que, para años más tarde con ayuda del acarreo de mercancías, se den nuevas ideas para el transporte. De acuerdo a Franco13, en el siglo XIX la energía a vapor colaboró en diversos aportes científicos para el transporte terrestre; pero esta energía con el paso del tiempo sería solamente importante para ferrocarriles, barcos, entre otros.

3.2 EL TRANSPORTE TERRESTRE EN COLOMBIA Según Baquero14, las grandes vías reales coloniales, trochas y caminos trazados por indígenas, son las actuales carreteras. Alzate15 confirma lo dicho, exponiendo que no todos los caminos fueron empleados como vías férreas, y alrededor del año 1899 con la llegada de los primeros autos a combustión interna de gasolina, importados de Italia por Carlos Amador, se realizaron recorridos a través de 10

HUERTA, Gabriel. Gestor de carga de baterías (bms).Grado en electrónica industrial y automática. España: Universidad de Burgos.2014.17. p. 11AGÜERO, Hugo. Historia del automóvil. Los primeros vehículos a vapor, 1 ed. Perú: 2005.17.p 12AGÜERO, Hugo. Historia del automóvil. Los primeros vehículos a vapor, 1 ed. Perú: 2005.17.p 13FRANCO, David. Estudio integral de parámetros técnicos y socioeconómicos para el desarrollo de un automóvil hibrido para operar como taxi en la ciudad de México. Doctorado en ciencias en ingeniería mecánica. México: Instituto politécnico nacional, 2012.12. p. 14 BAQUERO, Ismael. Breve reseñas históricas de las vías en Colombia. EN:18 de enero del 2014 2.p 15 ALZATE Juan. Medios de transporte, accidentes de tránsito y legislación en Medellín (Colombia) durante las tres primeras décadas del siglo XX. Resumen. Vol 4.Antioquia: 209.p.pISSN: 2145132X

caminos, piedras y arena. Baquero16 afirma que, para la buena circulación de carruajes jalados por equinos, entre las diferentes poblaciones, se comenzó con la adecuación de las vías. Se ha encontrado que la primera carretera se comenzó a construir en el año 1905, mismo año en que se crea el ministerio de obras públicas de Colombia.

3.3 EL AUTOMÓVIL DE AIRE COMPRIMIDO Torres17, muestra como el auto de aire comprimido, (CAC) es un vehículo que se mueve por medio de un motor neumático. El CAC no es una propuesta reciente, sin embargo, ha tenido poco desarrollo debido al monopolio establecido por la industria petrolera a través del tiempo. A principios del siglo XIX se hicieron las primeras aproximaciones a lo que podría ser un auto de aire comprimido. Uno de los primeros vehículos de aire comprimido funcionales fue construido por Andraud y Tessie de Motay en 1838 en Francia, este vehículo corrió por las pistas Challiot el 9 de julio de 1840; aunque funcionó bien, no se persistió con su desarrollo. En años recientes se ha retomado la idea de los vehículos de aire comprimido tanto por la academia como por la industria.

3.4 EL AUTOMÓVIL ELÉCTRICO Los vehículos eléctricos de batería (BEV) según Lizcano18, generan el movimiento a través de un motor eléctrico alimentado por baterías. El sistema de generación y acumulación de energía constituye un elemento esencial para mover el vehículo. Lizcano19 expresa que el primer modelo fue diseñado entre los años 1832 y 1839, y fue creado por el escoses Robert Anderson. En esta misma época el profesor Sibrandus Stratingh de Groningen diseñó el primer auto eléctrico en los países bajos a una escala reducida. Los primeros vehículos utilitarios fueron construidos 16BAQUERO,

Ismael. Breve reseñas históricas de las vías en Colombia, enero 2014. 2.p Franco David: Estudio integral de parámetros técnicos y socioeconómicos para el desarrollo de un automóvil hibrido para operar como taxi en la ciudad de México. Doctorado en ciencia en ingeniería mecánica: Instituto politécnico nacional. Escuela superior de ingeniería mecánica y eléctrica unidad profesional Zacatenco. Sección de estudios de posgrado e investigación.2012. p.37 18LIZCANO, Alejandra Hennssey. Estrategias de mercadeo para impulsar la comercialización de carros eléctricos en bogotá. Especialización mercadeo de servicios .Bogotá DC: Universidad militar nueva granada.2014. 6.p 19LIZCANO, Alejandra Hennssey. Estrategias de mercadeo para impulsar la comercialización de carros eléctricos en bogotá. Especialización mercadeo de servicios. Bogotá DC: Universidad militar nueva granada.2014. 6. p. 17TORRES,

por Thomas Davenport y Robert David en 1842. A pesar de las intenciones por inventar el automotor eléctrico, no fue posible llegar a un modelo inalámbrico hasta el año 1881 que se inventaron las baterías recargables. El Observatorio Tecnológico de la Energía20 afirma que el primer vehículo fue sacado a luz pública el 31 de agosto de 1884; este vehículo pesaba más de dos toneladas debido a las baterías que tenían un peso superior a los 700 kg. Este automóvil eléctrico desarrollaba una velocidad máxima de 32 Km/h, y en general tenía bajo desempeño en el resto de sus características técnicas como la autonomía y el torque. Según menciona Valenzuela21 en 1890 William Morrinson creó el primer vehículo de cuatro ruedas; Los países que apoyaron este desarrollo generalizado en los vehículos eléctricos fueron Francia y gran Bretaña lo cual dio paso para crear el vehículo llamado “El Jamais Contente” (figura 3), construido por Camille Jenatzy, el cual rompió la barrera de los 100 km/h llegando a los 105.88 km/h, construido en forma de bólido con una carcasa de aleación ligera. Figura 3. El Jamais Contente

VALENZUELA, Francisco. Modelado, simulación y puesta en marcha de una bancada de máquinas de imanes permanentes.

20OBESERVATORIO

TECNOLOGICO DE ENERGIA. Mapa tecnológico movilidad eléctrica: Buenos aires, Observatorio tecnológico de la energía, 2012, 80 p. 21 VALENZUELA, Francisco José. Vehículos eléctricos (Modelado, simulación y puesta en marcha de una bancada de máquinas de imanes permanentes).Proyecto fin de carrera: ingeniería industrial. Sevilla: Universidad de Sevilla.2012.8p.

Según El Observatorio Tecnológico de la Energía 22, los autos eléctricos tuvieron un éxito efímero en los Estados Unidos, ya que estos eran únicamente reservados para las clases altas, vendidos a un precio elevado. Este desapareció en 1930, lo cual dio campo abierto para el monopolio de la industria petrolera en el transporte terrestre, dejando en el olvido a los carros eléctricos. En 1996 reaparece el vehículo eléctrico con el nombre “DV1”. Este vehículo fue construido por General Motors (GM), aprovechando la ley cero, la cual se implementó en la década de los 90 con fines ambientales.

22OBESERVATORIO

TECNOLOGICO DE ENERGIA. Mapa tecnológico movilidad eléctrica: Buenos aires, Observatorio tecnológico de la energía, 2012, 80 p.

4. COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS AUTOMÓVILES

4.1 MOTOR Llamuca23 define el motor como una máquina que transforma cualquier tipo de energía (aire comprimido, eléctrica, gasolina, etc.) en energía mecánica rotacional utilizable, capaz de realizar un trabajo. Para un vehículo, es la fuente de la potencia y movimiento del mismo. Está compuesto de un rotor que es la parte móvil y el estator que es la parte fija. 4.2 SISTEMA DE FRENOS Dicho por Viano24, el sistema de frenos es un componente esencial de todo automóvil, debido a que permite reducir la velocidad de desplazamiento en un corto periodo de tiempo o mantenerlo a una velocidad constante. De acuerdo con Valencia25, el principio de funcionamiento del sistema de frenado está constituido por un componente de mando, uno de transmisión y el mecanismo de fricción que se encarga de transformar la energía cinética en calor. Transmisión: es la unión de varios mecanismos con el objetivo de transportar una energía, ya sea; mecánica, eléctrica, hidráulica o combinada, hacia el mando y el sistema de frenado. Mando: es el encargado de poner en marcha o dar la señal para que actué la transmisión, controlando la energía necesaria aplicada al sistema de fricción en los frenos. Este puede ser accionado por:    

Un pedal o un accionamiento de mano. Automáticamente por el auto. Por inercia: por acoplamiento entre el remolque y el auto tractor. Por tracción: con un cable tensor entre el auto remolcado y el tractor.

Según Adrino26 el mecanismo de fricción se encarga de transformar la energía cinética a energía calórica, a través del rozamiento entre un elemento móvil adherido a la llanta y un elemento fijo acoplado al chasis del vehículo. 23LLAMUCA,

Juan Carlos. El Motor. El motor con sus funciones y partes. Tecnológico Carlos Cisneros. Riobamba Ecuador, 2015. 1 p. 24VIANO, Víctor. Frenos de tambor y de disco. EN: Los frenos en el automóvil.2 ed. España, Víctor Viano, 1996.103. 25VALENCIA, Jorge Hernández, Mantenimiento de los sistemas transmisión y frenado. Mecánica Automotriz. Biblos, 2010. 1 p.

En el texto de Adrino27, afirma que cuanto más peso y velocidad posea un auto será más difícil que este se detenga. Por esta razón es necesario compensarlo con una mayor presión, lo cual generará dispersión de calor y mayor desgaste de las superficies de contacto del freno. A continuación se describirá el freno de tambor y de disco. Freno de tambor: Según Cáceres y Ruiz28, es el sistema más antiguo que se usa actualmente y por lo general es aplicado a vehículos que transportan mercancías. Este sistema puede multiplicar la presión de frenado, pero su poca evacuación de calor es un inconveniente, ya que produce dilataciones y es más sensible al debilitamiento. Adrino29 expresa que el freno de tambor está constituido por un plato, esta es una pieza fija que va unida a la estructura del vehículo y contiene las zapatas de freno, el soporte de chapa, mecanismo de accionamiento, y elementos de regulación y fijación. El freno de tambor a su vez tiene un elemento móvil que va unido a la rueda y está diseñado para un adecuado acoplamiento de las zapatas. El freno funciona de la siguiente manera según Adrino30: al momento de accionar el pedal, activa un mecanismo que acciona las zapatas, las cuales se abren girando sobre los pivotes. Esto hace que los forros de las zapatas entren en contacto con el tambor del freno, disminuyendo la velocidad de giro. En el momento que se deja de accionar el pedal del muelle recuperador, vuelven las zapatas en su posición inicial.

26ADRINO,

Juan. Mecánica y entretenimiento simple del automóvil. Sistemas de frenado nuevas tecnologías, edición 2011.122.p. 27ADRINO, Juan. Mecánica y entretenimiento simple del automóvil. Sistemas de frenado nuevas tecnologías, edición 2011.122.p. 28CACERES Henry Patricio y RUIZ Roberto Carlos. Redimensionamiento, construcción e implementación de un sistema de frenos posteriores de disco con freno de mano hidráulico para un vehículo de rally”. ingeniero automotriz. Riobamba – ecuador: Escuela superior politécnica de Chimborazo. 2015.13p. 29ADRINO, Juan. Mecánica y entretenimiento simple del automóvil. Sistemas de frenado nuevas tecnologías, edición 2011.122.p. 30ADRINO, Juan. Mecánica y entretenimiento simple del automóvil. Sistemas de frenado nuevas tecnologías, edición 2011.122.p.

Freno de disco: Este mecanismo funciona por medio de un pistón hidráulico el cual, según Ayala y Vallejo31, es el que comprime la pastilla contra la superficie del disco del freno, estos discos generalmente son de hierro fundido y tienen que ser perfectamente redondos para evitar irregularidades en el frenado. El freno de disco (Figura 4), también contiene unas pastillas, las cuales contienen fibras metálicas y de resina. Con estas fibras se fabrica el material de fricción. Otra parte fundamental es el Caliper, el cual va montado sobre las ruedas, sin girar, su función es sostener las pastillas para el frenado. Según Cáceres y Ruiz32 al comparar estos dos frenos, de disco con los de tambor, se concluyó que los últimos tardan más tiempo en detener el vehículo y que los de disco son más eficientes debido a su buena refrigeración y dispersión de calor. A continuación se presenta el freno de disco ilustrado. Figura 4. Freno de disco

Cáceres y Ruiz. Sistema de frenos. En la figura 4 se muestran las partes del freno de disco que funciona al accionar el pedal, el circuito hidráulico genera una presión que empuja a los pistones contra las pastillas y a su vez ajustan la cara del disco para así disminuir la velocidad de las ruedas.

AYALA, Luis y VALLEJO Juan. Adaptación de un sistema de frenos abs a un vehículo fiat, para mejorar la seguridad del frenado. Trabajo de Grado previo a la obtención del título de Ingeniero en la Especialidad de Mantenimiento Automotriz. Ibarra – Ecuador: Universidad técnica del norte. 2011. 50p. 32CACERES Henry Patricio y RUIZ Roberto Carlos, “Redimensionamiento, construcción e implementación de un sistema de frenos posteriores de disco con freno de mano hidráulico para un vehículo de rally”. ingeniero automotriz. Riobamba – Ecuador: Escuela superior politécnica de Chimborazo. 2015.13p.

4.3 TRANSMISIÓN Según Adrino33, para que la potencia generada de un motor sea transmitida se necesita un conjunto de piezas, las cuales se denominan transmisión. Esta es la encargada de trasladar el movimiento de giro entre el cigüeñal y las ruedas, esto puede variar según la carga y la relación de transmisión.

4.3.1 Tipos de transmisión Para que un auto genere su propio movimiento según Ediciones Meta34, debe tener un conjunto de piezas que conforman una cadena cinemática encargada de transportar el movimiento del cigüeñal a las ruedas y dar como resultado el desplazamiento del vehículo. De esta cadena cinemática depende la caja de velocidades, debido a que el cigüeñal puede girar aumentar o disminuir las revoluciones o igualar la velocidad del motor. A continuación se presentan los diferentes tipos de transmisión para automotores:  Motor delantero y tracción: las ruedas delanteras son motrices y directrices y no tienen un árbol de transmisión. Este sistema es empleado en transmisiones de pequeña y mediana potencia como aparece en la figura 5. Figura 5. Motor delantero y de propulsión delantera

EDICIONES META. Transmisión caja de cambios.

33ADRINO,

Juan. Mecánica y entretenimiento simple del automóvil. Sistemas de frenado nuevas tecnologías, edición 2011.122.p. 34EDICIONES META. Transmisión. caja de cambios. Árbol de transmisión. Diferencial. Palieres. Embrague, sumisión. Celadores-conductores del sas volumen II temario parte específica. Volumen II. Meta: Ediciones meta, Volumen II. 356P. I.S.B.N. 84-8219-307-4

 Motor delantero y propulsión: dispone de un árbol de levas y sus ruedas motrices son las traseras como se muestra en la figura 6. Este sistema es muy utilizado en camiones o autos de grandes potencias. Figura 6. Motor delantero y de propulsión trasera

EDICIONES META. Transmisión caja de cambios. Según Ediciones meta35, los tipos transmisión de mayor complejidad son:  Motor trasero y propulsión: sus ruedas motrices son las traseras y no posee un árbol de transmisión. Este sistema apenas se emplea en la actualidad debido a sus problemas de refrigeración en el motor.  Propulsión doble: esta soportado por sus ruedas traseras y es usado en autos o camiones de gran tonelaje. Este sistema funciona colocando dos puentes traseros y motrices evitando así colocar un grupo cónico de grandes dimensiones. De esta manera el esfuerzo por transmitir cada grupo cónico se reduce a la mitad, disminuyendo las dimensiones del parcónico.  Transmisión 4X4: este sistema es más complejo, debido a que en estos vehículos hay tracción en las cuatro ruedas se necesita de otro árbol de transmisión para que las ruedas traseras giren a la par con las delanteras. A continuación se presenta una ilustración de la transmisión 4x4 (Figura 7).

35EDICIONES

META. Transmisión. caja de cambios. Árbol de transmisión. Diferencial. Palieres. Embrague, sumisión. Celadores-conductores del sas volumen II temario parte específica. Volumen II. Meta: Ediciones meta, Volumen II. 356P. I.S.B.N. 84-8219-307-4

Figura 7. Transmisión 4x4

EDICIONES META. Transmisión caja de cambios.

4.3.2 Elementos de transmisión

De acuerdo con Hormaetxe36, los elementos que conforman la transmisión son:  Embrague: es el encargado de separar el eje del cigüeñal de la caja de velocidades.  Caja de velocidades: es una caja de ejes y piñones la cual se interpone entre las ruedas y el motor, para así modificar el número de revoluciones o invertir el giro del auto. Esta caja actúa como convertidor de par mecánico o transformador de velocidad.  Árbol de transmisión: transmite el movimiento de la caja de velocidades al conjunto par cónico-diferencial. Este dispositivo conecta la transmisión diferencial al eje de tracción determinado, el cual está construido por una pieza alargada y cilíndrica. Estos árboles están diseñados especialmente con el propósito de soportar esfuerzos de torsión a altas velocidades.

HORMAETXE, Asier. Diseño de la transmisión de un automóvil. Grado en mecánica. Bilbao: Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial. 2015. 24p.

Figura 8. Árbol de transmisión

HORMAETXE. Transmisión caja de cambios.

Ediciones meta37 afirma que el árbol de transmisión contiene:  Diferencial: este mecanismo permite al auto describir su trayectoria al momento de tomar una curva, sin deslizamiento del mismo, también permite que las ruedas interiores recorran un menor radio al momento de tomar una curva.  Juntas cardan: las juntas se utilizan para unir elementos de transmisión y permitir variaciones de longitud y posición. Una clara descripción de una junta de transmisión se puede ver en la figura 9. Estas enlazan el árbol de transmisión con el diferencial trasero y la caja de cambios para que puedan transmitir desplazamientos angulares de hasta 15° y un gran par motor. Figura 9. Árbol de transmisión para suspensión independiente

EDICIONES META. Transmisión caja de cambios. 37EDICIONES

META. Celadores-conductores del sas volumen II temario parte específica. Transmisión. caja de cambios. Árbol de transmisión. Diferencial. Palieres. Embrague, sumisión. Volumen II. Meta: Ediciones meta, Volumen II. 356P. I.S.B.N. 84-8219-307-4

4.4 DIRECCIÓN Según Solis y Mejia38, este sistema es el encargado de dar dirección, maniobrar y guiar el vehículo por medio de una caja de mecanismos, la cual realiza una reducción de velocidad al giro del volante que le da trayectoria a los neumáticos. Estos sistemas de dirección cambian ampliamente, pero su función es muy similar, ya que permiten transformar el giro del volante en un movimiento que acciona el conductor a las llantas delanteras. Los tipos de direcciones son: Dirección mecánica con tornillo sin fin: De acuerdo a la tesis de Solis y Mejia39, esta transmisión consta de un tornillo sin fin que engrana con una rueda dentada o un rodillo. Este tornillo va directamente enlazado al volante, que al momento de girar, la rueda se mueve en cierto ángulo, esto depende de la reducción que se le tenga al volante. En la figura 10 se verán los diferentes tipos de dirección de tornillo sin fin. Figura 10. Tipos de dirección de tornillo sin fin

EDICIONES META. Transmisión caja de cambios. 38SOLIS,

Freire Eduardo y MEJIA, Guzmán Gabriela. Implementación de un software para proceso de reparación y mantenimiento preventivo en el parque automotor del ilustre municipio del cantón píllaro provincia de tungurahua. Ingeniero automotriz. Riobamba – Ecuador: Escuela superior politécnica de Chimborazo.2011.22 p. 39SOLIS, Freire Eduardo y MEJIA, Guzmán Gabriela. “Implementación de un software para proceso de reparación y mantenimiento preventivo en el parque automotor del ilustre municipio del cantón píllaro provincia de tungurahua”. Ingeniero automotriz. Riobamba – Ecuador: Escuela superior politécnica de Chimborazo.2011.22 p.

Dirección con cremallera: Esta dirección según Solis y Mejia40 va normalmente enlazada en automóviles de carreras, turismo y deportivos. Está conformada por una relación directa que exige pocas piezas entre la caja de dirección y las ruedas. Para este tipo de dirección, en su mecanismo usa un des multiplicador dado esto, su montaje es muy sencillo; ya que va acoplada a cada uno de sus extremos (Figura 11), este mecanismo usa una barra accionada por un piñón helicoidal montado al árbol del volante y gira engranando la cremallera. Figura 11. Mecanismo de dirección por cremallera

EDICIONES META. Transmisión caja de cambios. Dirección Hidráulica asistida: Este tipo de dirección (Figura 12), manifiesta Ediciones meta41, usa presión hidráulica para minimizar la fuerza de operación del volante, también sirve para absorber las vibraciones e impactos del terreno. Su funcionamiento consta de bombas de paleta y válvulas de control de flujo, para mantener la presión necesaria y un cilindro que genera fuerza para un soporte de dirección.

40SOLIS,

Freire Eduardo y MEJIA, Guzmán Gabriela. Implementación de un software para proceso de reparación y mantenimiento preventivo en el parque automotor del ilustre municipio del cantón píllaro provincia de tungurahua. Ingeniero automotriz. Riobamba – Ecuador: Escuela superior politécnica de Chimborazo.2011.23 p. 41EDICIONES META. Celadores-conductores del sas volumen II temario parte específica. Transmisión. caja de cambios. Árbol de transmisión. Diferencial. Palieres. Embrague, sumisión. Volumen II. Meta: Ediciones meta, Volumen II. 356 P. I.S.B.N. 84-8219-307-4

Figura 12. Dirección Hidráulica

EDICIONES META. Transmisión caja de cambios.

4.5 CAJA AUTOMATICA Según Solís y Mejía42, la caja automática no necesita cambios de marcha, esto se realiza automáticamente dependiendo la velocidad del motor sin necesidad que el conductor se vea obligado a hacer el cambio de relación. El sistema de transmisión solamente requiere de una palanca para seleccionar la reversa o para ponerlo en marcha (adelante). La caja automática está compuesta básicamente por:  Convertidor de par: es también llamado convertidor de torque; actúa como embrague en el momento que el automóvil inicia su movimiento. La bomba o impulsor va conectada directamente al cigüeñal del motor y arrastra el aceite, el cual hace girar las aspas internas de la turbina o rodete conducido, haciéndolo girar en el mismo sentido que el impulsor. El reactor tiene la función de incrementar el torque a la salida del mecanismo (turbina) generando una retención de aceite debido a sus aletas que se encuentran en sentido opuesto a las de la bomba y turbina. La fuerza de giro (par – motor) del reactor aumenta con la acción del aceite, el cual es impulsado por la bomba y choca con la cara frontal de las aspas 42SOLIS,

de la turbina (Figura 13). Al momento que se va igualando la velocidad de la turbina con la bomba, el par- motor va disminuyendo. Figura 13. Funcionamiento interno del convertidor de par

SOLIS, Freire Eduardo y MEJIA, Guzmán Gabriela. Implementación de un software para proceso de reparación y mantenimiento preventivo en el parque automotor del ilustre municipio del cantón píllaro provincia de tungurahua.  Unidad de engranaje planetario: este engranaje cuenta con tres configuraciones; engranaje anular, engranaje de piñón y engranaje planetario.  Sistema de control hidráulico: es el que envía la presión necesaria desde los cambios de engranaje a la unidad planetaria, dependiendo la velocidad de desplazamiento del automóvil y la presión ejercida sobre el pedal del acelerador. 4.6 TRANSMSIÓN CONTINUA VARIABLE CVT Jiménez43 afirma que esta transmisión es controlada electrónicamente y se conforma de una correa que transmite la energía y de dos poleas como se aprecia en la figura 14, la cuales pueden variar su diámetro para cambiar su relación. Este sistema puede utilizar para el arranque o la separación de fuerzas, un convertidor par o un embregue, y para marchar en reversa, se usa un engranaje planetario.

JIMENEZ, Iván. Transferencia tecnológica sobre las nuevas tecnologías aplicadas en las cajas de velocidades utilizadas en los vehículos livianos. Planes de Trabajo para Investigaciones y Proyectos Tecnológicos. La Uruca, San José. Instituto nacional de aprendizaje.2007.13p.

Las marchas CVT como se aprecia en la figura 14, se realizan sin escalonamientos y el motor siempre va alineado a este. La CVT puede venir acompañada de un volante de doble masa o un convertidor par, que se encarga de reducir las vibraciones en el sistema de transmisión. La transmisión continua variable consta de dos masas, una que actúa como volante de inercia del motor y la segunda que va conecta a la caja de velocidades, estas van unidas por medio de resortes para omitir las irregularidades o vibraciones del motor y de la transmisión. Se compone de cuatro ejes paralelos:    

Eje de entrada Eje de la polea impulsora Eje de la polea impulsada Eje de engranaje secundario

Figura 14. Principio CVT

JIMENEZ, Iván. Transferencia tecnológica sobre las nuevas tecnologías aplicadas en las cajas de velocidades utilizadas en los vehículos livianos.

Según Azpiroz44, este sistema se compone de una polea impulsora y otra impulsada y una correa que transporta la energía de una polea a la otra. Esta correa es de alta calidad con una longitud fija hecha por cientos de láminas 44

AZPIROZ. Mikel. Cambios automáticos y derivados. Ingeniero Industrial, Sevilla: Tecum, 2003. 57 p.

metálicas transversales, las cuales se adhieren a las poleas, las longitudinales que sostienen a las transversales y soportan la tensión entre ambas poleas. 4.7 RUEDAS Según Adrino45, las ruedas son un conjunto de partes conformado por un neumático flexible y una llanta como se aprecia en la figura 15, las cuales proporcionan seguridad y confort a los tripulantes que se desplazan dentro del vehículo. Las ruedas son los únicos elementos que hacen contacto con el terreno o el suelo, y forman parte de un sistema de suspensión, frenos y dirección del automóvil. Por lo tanto las ruedas de un automóvil han de cumplir ciertas funciones y requerimientos:  Sostener el vehículo facilitando su movilidad con el más mínimo esfuerzo.  Convertir el movimiento de giro en desplazamiento del vehículo, minimizando la resistencia del terreno.  Obtener una buena resistencia al frenado.  Dirigir el automóvil en los cambios de dirección.  Absorber y amortiguar las pequeñas irregularidades del suelo.  Liberar de manera adecuada el calor producido por los frenos o por el trabajo del vehículo.  Han de ser lo más ligeras posibles para que la masa no suspendida del vehículo sea mínima, favoreciendo el buen funcionamiento del sistema de suspensión.  Deben tener un alto grado de seguridad para no fallar en su movimiento.

45ADRINO,

Juan. Mecánica y entretenimiento simple del automóvil. Sistemas de frenado nuevas tecnologías, edición 2011.122.p.

Figura 15. Elementos de una rueda

ADRINO, Juan. MecĂĄnica y entretenimiento simple del automĂłvil.

SegĂşn CĂĄceres y Ruiz46, si quisiĂŠramos saber cuĂĄl es la fuerza que genera la rueda sobre el suelo, sabiendo que la fuerza de rozamiento es directamente proporcional entre ellos, se puede calcular con la siguiente igualdad: (đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018; = đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;˘đ?&#x2018; ) EcuaciĂłn 1 La ecuaciĂłn 1 describe el rozamiento ente la rueda y el suelo. Se mide con el coeficiente de fricciĂłn estĂĄtico â&#x20AC;&#x153;usâ&#x20AC;?, el cual es el cociente entre la fuerza de fricciĂłn estĂĄtica â&#x20AC;&#x153;fsâ&#x20AC;? y la normal â&#x20AC;&#x153;Nâ&#x20AC;?, que es la fuerza del neumĂĄtico sobre la rueda.

Henry Patricio y RUIZ Roberto Carlos, â&#x20AC;&#x153;Redimensionamiento, construcciĂłn e implementaciĂłn de un sistema de frenos posteriores de disco con freno de mano hidrĂĄulico para un vehĂculo de rallyâ&#x20AC;?. ingeniero automotriz. Riobamba â&#x20AC;&#x201C; ecuador: Escuela superior politĂŠcnica de Chimborazo. 2015.34p 46CACERES

5. DESCRIPCIĂ&#x201C;N DEL MOTOR DE ACUERDO A SU FUNCIONAMIENTO Como se mencionĂł anteriormente el motor es una mĂĄquina capaz de transformar diversos tipos de energĂa en trabajo mecĂĄnico y constituye la parte mĂĄs importante de un vehĂculo. En el presente capĂtulo se dedicarĂĄn algunas pĂĄginas para realizar una descripciĂłn mĂĄs detallada de los motores implementados en los dos tipos de vehĂculos estudiados en la presente monografĂa.

5.1. MOTOR DE AIRE COMPRIMIDO El motor de aire comprimido genera una fuerza motriz producto de la presiĂłn del aire en las superficies de contacto que se desplazan, explican Bello y Pino47, estos desplazamientos producen un movimiento rotacional final en el rotor. Es decir, este tipo de motor aplica la relaciĂłn entre presiĂłn, fuerza y ĂĄrea que se describe en la ecuaciĂłn 2, para generar el movimiento. (đ??š = đ?&#x2018;&#x192; â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2018;&#x2020;) EcuaciĂłn 2 Donde, đ?&#x2018;&#x192; = PresiĂłn (Pa). đ??š = Fuerza aplicada (N). đ?&#x2018;&#x2020; = Ă rea de superficie (m2). De la ecuaciĂłn 2, se observa la relaciĂłn directamente proporcional entre la fuerza resultante y el producto de la presiĂłn en el gas y la superficie de contacto. Gorrindo48 y Moyer49 afirman que el motor de aire comprimido fue diseĂąado durante la segunda mitad del siglo XVII por Denis Papin, y sirviĂł como base conceptual para el desarrollo e implementaciĂłn del motor de combustiĂłn, que segĂşn Gaviria50 fue propuesto en 1854 por Eugenio Barsanti y Felipe Metteuci. Los motores de aire comprimido se clasifican en dos clases, de aletas y de pistones, los cuales se describen a continuaciĂłn.

BELLO, Marco. PINO, MarĂa. MediciĂłn de presiĂłn y caudal. Ministerio de agricultura de Chile. Instituto de investigaciones agropecuarias, 2000. 6 p. 48GORRINDO, Ismael. AdaptaciĂłn de un motor neumĂĄtico a un coche de golf. Tudela: Universidad pĂşblica de Navarra. Escuela tĂŠcnica superior de ingenieros industriales y de telecomunicaciĂłn, 2010.14 p. 49MOYER, Elisabeth. Heat to work. Chicago University. Department of geophysical sciences, 2010. 3 p. 50 GAVIRIA, Jorge. MORA, Jorge, RAMIRO, John. Historia de los motores de combustiĂłn interna. En: Revista facultad de ingenierĂa. Universidad de Antioquia, Junio, 2002. Vol. 26, p. 74.

5.1.1 Motores neumáticos de aletas Acorde a Tapia y Terán51 son los motores neumáticos de uso más frecuente debido a las características constructivas que los hacen más sencillos y livianos. A pesar de que tienen un par de arranque menor que los motores de pistones, poseen velocidades más altas (entre 1000 y 50000 RPM). Gorrindo52 expone el funcionamiento de este tipo de motor cuyo movimiento es generado cuando el aire comprimido entra en contacto con las aletas que suelen ser de 4 a 10. Se utiliza una mayor cantidad de aletas cuando la aplicación requiere un par de arranque elevado y mayor eficiencia del motor. Estas están dispuestas apuntando al centro de un rotor excéntrico como se puede apreciar en la figura 16.

Figura 16. Esquema interior de motor neumático de aletas

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS BILBAO. Generación y distribución de aire comprimido.

En la figura anterior se observan claramente las partes constitutivas del motor neumático de aletas, en el que sobresalen los racores de suministro y de escape, las aletas y el rotor excéntrico. Como puede observarse este tipo de motor tiene una arquitectura simple.

51TAPIA,

Según Tapia y Terán53, de acuerdo a la figura 16, el rotor excéntrico gira en sentido anti horario en el interior de una cámara cilíndrica. En las ranuras se deslizan las aletas previamente mencionadas, las cuales, por fuerza centrípeta o (en el caso de algunos motores) por resortes; se desplazan hacia la pared interior del cilindro garantizando así que cada cámara quede aislada. El diagrama de funcionamiento, ilustrado por Gorrindo54, para el motor neumático, (Figura 17) expone en tres imágenes el ciclo de actividad del motor de aletas. La cámara semiesférica “a” es la vía de entrada de aire que viene con energía almacenada en forma de presión; empujando las aletas 2 y 3. Estas sellan la cámara “b” que contiene aire comprimido recibido previamente. Esta secuencia se aplica en todas las fases del ciclo, creando así una superficie en cada aleta y cámaras de aire aisladas para permitir el empuje del aire, su correcto suministro y escape. En los diagramas “B” y “C” se puede observar el movimiento paulatino del rotor. Es importante enfatizar que la presión va disminuyendo a lo largo del recorrido en cada cámara de aire debido al aumento en el volumen de la cámara. Tapia y Terán55 enuncian que la potencia dada en el motor es generada por la fuerza del aire sobre las aletas, aunque la expansión del aire aporta en el movimiento. Es importante que la expansión no sobrepase el 20% pues si lo hace puede ocasionar la formación de hielo en las lumbreras u orificios de escape debido al enfriamiento del aire cuando se descomprime.

Figura 17. Funcionamiento motor neumático de aletas

GORRINDO, Ismael. Adaptación de un motor neumático a un coche de golf. 53TAPIA,

Rodrigo. y TERÁN Rafull. Propuesta de un motor neumático de aletas para aplicación en aeromodelos de ala fija con envergadura máxima de 50 centímetros. Reporte final de investigación para obtener el título de Ingeniero en Aeronáutica. México D.F.: Instituto politécnico nacional unidad ticomán, 2007. 16 p. 54GORRINDO, Ismael. Adaptación de un motor neumático a un coche de golf. Tudela: Universidad pública de Navarra. Escuela técnica superior de ingenieros industriales y de telecomunicación, 2010. 20 p. 55TAPIA, Rodrigo. y TERÁN Rafull. Propuesta de un motor neumático de aletas para aplicación en aeromodelos de ala fija con envergadura máxima de 50 centímetros. Reporte final de investigación para obtener el título de Ingeniero en Aeronáutica. México D.F.: Instituto politécnico nacional unidad ticomán, 2007. 19 p.

5.1.2 Motores reversibles de aletas Los motores reversibles de aletas tienen dos sentidos de giro. Esta configuración, según Gorrindo56, conserva el mismo diseño que el motor de aletas de un solo sentido. Para dar la posibilidad de giro inverso cuenta con dos cámaras esféricas ubicadas en “a” y “b” (Figura 18) y una electroválvula generalmente de tres posiciones que conmuta entre marcha en sentido horario, sentido anti horario y parada. Básicamente para el sentido anti horario se intercambian la entrada con la salida. Sin embargo el escape se conserva en la misma posición, ubicado en la lumbrera “c”. "Los motores neumáticos con un solo sentido de giro, tienen ligeramente mayor potencia, par y velocidad que los motores reversibles." 57 Esto debe ser considerado de acuerdo a los requerimientos de la aplicación en que se emplearía el motor. Sin embargo, en el caso de aplicaciones en automoción, la posibilidad de tener un sentido de giro inverso, resulta conveniente porque reduce complejidad en la caja de cambios.

Figura 18. Motor neumático de aletas reversible

GORRINDO, Ismael. Adaptación de un motor neumático a un coche de golf. 5.1.3 Motores neumáticos de pistones Según Escalona58, este tipo de actuadores tiene dos configuraciones: Pistones Radiales y Pistones Axiales. En la figura 19 se evidencia el funcionamiento interno 56GORRINDO,

Ismael. Adaptación de un motor neumático a un coche de golf. Tudela: Universidad pública de Navarra. Escuela técnica superior de ingenieros industriales y de telecomunicación, 2010. 20 p. 57TAPIA, Rodrigo. y TERÁN Rafull. Propuesta de un motor neumático de aletas para aplicación en aeromodelos de ala fija con envergadura máxima de 50 centímetros. Reporte final de investigación para obtener el título de Ingeniero en Aeronáutica. México D.F.: Instituto politécnico nacional unidad ticomán, 2007. 17 p. 58ESCALONA, Ivan. Neumática - Actuadores Neumáticos y Sus Aplicaciones en la Ingeniería Industrial. Universidad tecnológica de Querétaro, 2006. 21 p.

del motor de pistones radiales el cual, por medio del desplazamiento lineal ejercido por los cilindros de movimiento alternado, la presión del aire comprimido acciona (a través de una biela) el cigüeñal del motor. Gorrindo59 expresa que la presión en cada cilindro ejerce una fuerza directa en el rotor, generando la potencia deseada y un par de arranque elevado. Complementando la idea de Gorrindo, Cassani60 expone una característica importante: su construcción robusta y más compleja que los motores de aletas, lo cual los hace ideales para un funcionamiento continuo. Este tipo de motor posee como propiedad principal su alta potencia y torque con velocidades relativamente bajas.

Figura 19. Motor neumático de pistones radiales

NEUMAC. Motores neumáticos. ESCALONA, Iván. Neumática - Actuadores Neumáticos y Sus Aplicaciones en la Ingeniería Industrial.

Según Escalona61, el principio de funcionamiento del motor neumático de pistones axiales (ver figura 20) es el mismo que el de pistones radiales (presentado anteriormente). Son cilindros dispuestos en la misma dirección del eje, de allí su nombre “axial”, la fuerza se transforma en movimiento rotativo por medio de un plato inclinado o plato oscilante. Dos cilindros reciben cada vez aire comprimido y

59GORRINDO,

Ismael. Adaptación de un motor neumático a un coche de golf. Tudela: Universidad pública de Navarra. Escuela técnica superior de ingenieros industriales y de telecomunicación, 2010. 22 p. 60CASSANI, Marcelo. Motores neumáticos. En: ac+h. Pneumatic service SA. Bs.As.-Argentina, Mayo, 2011. 26 p. 61ESCALONA, Iván. Neumática - Actuadores Neumáticos y Sus Aplicaciones en la Ingeniería Industrial. Universidad tecnológica de Querétaro, 2006. 21 p.

están accionados completamente, mientras los demás se alejan a su estado inicial liberando presión por el ducto de salida, equilibrando el par y la velocidad. Figura 20. Motor neumático de pistones axiales

MUÑOZ, Enrique. Bombas de pistones axiales.

Como dice Cassani62, la ubicación de los pistones lo hace muy compacto sin perder la robustez y alta potencia que caracteriza a este tipo de motor. De igual manera hace referencia a la instalación del motor, el cual debe montarse siempre en posición horizontal, operar con carga, y ya que fue diseñado específicamente para aplicaciones que requieran un alto par motor de arranque, es ideal para operaciones que impliquen marchas intermitentes (inicios y paradas frecuentes). Debido a que es un motor para trabajo pesado en cuanto a torque y maniobrabilidad, no es recomendable operarlos a velocidades mayores al 75% de su velocidad nominal. Una de las grandes ventajas del motor de aire comprimido, acorde a Neumac63, es que este no requiere refrigeración forzada, debido a que el mismo aire empleado para producir el movimiento enfría el motor, esta característica lo hace ideal para trabajos en altas temperaturas.

62CASSANI,

Marcelo. Motores neumáticos. En: ac+h. Pneumaticservice SA. Bs.As.-Argentina, Mayo, 2011. 26 p. 63NEUMAC. Motores neumáticos características generales. NEUMAC, S.A., Zaragoza, diciembre, 2004. 2 p.

5.2 MOTOR ELĂ&#x2030;CTRICO Contreras y SĂĄnchez64 lo definen como la mĂĄquina capaz de transformar energĂa elĂŠctrica en energĂa mecĂĄnica rotacional. La acciĂłn es posible mediante la interacciĂłn de campos magnĂŠticos, los cuales son generados por corriente elĂŠctrica desplazĂĄndose a lo largo de un cable enrollado (Bobina), estos campos magnĂŠticos al repelerse y atraerse entre sĂ, generan un movimiento giratorio. â&#x20AC;&#x153;En 1831 Joseph Faraday hizo uno de los descubrimientos mĂĄs importantes del electromagnetismo que actualmente se conoce como: La ley inducciĂłn electromagnĂŠtica de Faraday, que relaciona fundamentalmente el voltaje y el flujo en el circuitoâ&#x20AC;?65 .La ley es dada mediante la siguiente expresiĂłn: â&#x2C6;&#x2020;đ?&#x153;&#x2018; ) â&#x2C6;&#x2020;đ?&#x2018;&#x2021; EcuaciĂłn 3

(đ??¸ = đ?&#x2018;

Donde, đ??¸ = TensiĂłn (Voltios). đ?&#x2018; = nĂşmero de espiras de la bobina. â&#x2C6;&#x2020;đ?&#x153;&#x2018; = Cambio de flujo dentro de la bobina. â&#x2C6;&#x2020;đ?&#x2018;&#x2021; = Intervalo de tiempo durante el cambio de flujo elĂŠctrico (â&#x2C6;&#x2020;đ?&#x153;&#x2018;). La ecuaciĂłn 3, segĂşn Garrigos66, establece una diferencia de potencial â&#x20AC;&#x153;Eâ&#x20AC;? entre los extremos de un bobinado o espira la cual es recorrida por un campo magnĂŠtico que varĂa en el tiempo; Contreras y SĂĄnchez67 afirman que esta ley forja principios para el estudio y aplicaciĂłn de transformadores, generadores y motores AC.

64CONTRERAS,

Eybar Farith y SANCHEZ, Rolando. DiseĂąo y construcciĂłn de un banco prĂĄcticas en motores elĂŠctricos, como apoyo a la asignatura diseĂąo de mĂĄquinas II. Trabajo grado Ingeniero MecĂĄnico. Bucaramanga: Universidad industrial de Santander. Facultad ingenierĂas fĂsico mecĂĄnicas, 2010. 58 p. 65CONTRERAS, Eybar Farith y SANCHEZ, Rolando. DiseĂąo y construcciĂłn de un banco prĂĄcticas en motores elĂŠctricos, como apoyo a la asignatura diseĂąo de mĂĄquinas II. Trabajo grado Ingeniero MecĂĄnico. Bucaramanga: Universidad industrial de Santander. Facultad ingenierĂas fĂsico mecĂĄnicas, 2010. 66 p. 66GARRIGĂ&#x201C;S, JosĂŠ. Motores de corriente alterna. Instituto AndrĂŠs de Vandelvira, departamento sap, noviembre 2011. 3 p. 67CONTRERAS, Eybar Farith y SANCHEZ, Rolando. DiseĂąo y construcciĂłn de un banco prĂĄcticas en motores elĂŠctricos, como apoyo a la asignatura diseĂąo de mĂĄquinas II. Trabajo grado Ingeniero MecĂĄnico. Bucaramanga: Universidad industrial de Santander. Facultad ingenierĂas fĂsicomecĂĄnicas, 2010. 67 p.

de de de de de de de de de de

Los motores eléctricos se pueden clasificar en dos tipos: Motores de corriente alterna (AC) y motores de corriente continua (DC).

5.2.1 Motor de corriente alterna (AC) Es un motor el cual requiere una fuente de alimentación con onda de tipo sinusoidal. Es el tipo de motor más usado en la industria por su arquitectura sencilla, robustez y facilidad de conexión a las redes eléctricas convencionales, “actualmente los motores de inducción consumen casi la mitad de la energía eléctrica generada”68. Se presenta a continuación figura de un campo magnético AC. Figura 21. Campo magnético giratorio creado por una corriente alterna trifásica

GARRIGÓS, José. Motores de corriente alterna.

La figura 21 expone el comportamiento del campo magnético respecto a una línea “A” de una acometida trifásica de corriente alterna a lo largo de un periodo. Se observa que el campo magnético describe un movimiento sentido horario, ilustrado con la flecha en la parte superior de la imagen, que corresponde en cada periodo de tiempo a un movimiento indicado por la onda sinusoidal.

68UPME-COLCIENCIAS.

Eficiencia energética en motores eléctricos. Universidad del atlántico y Universidad autónoma de occidente, 2008. 1 p.

Las asociaciones de investigación Weg69 y Bun-ca70 clasifican los motores de corriente alterna en asíncronos y síncronos. Los síncronos tienen un movimiento giratorio del eje de salida a una misma velocidad que el campo magnético que incide en este. Y los asíncronos o también llamados (de inducción) tienen un retraso en la velocidad respecto al campo magnético. Motor asíncrono jaula de ardilla: Según Weg71, el estator de este tipo de motor consta de 3 chapas metálicas (considerando un motor trifásico) de acero magnético cada una con su devanado. Y el rotor posee unas láminas reunidas en el eje y conectadas entre ellas formando una estructura similar al de una jaula de ardilla, (Figura 22). El campo magnético es generado entre las bobinas, sin necesidad de imanes. Figura 22. Rotor de un motor jaula de ardilla

BUN-CA. Manual técnico de motores eléctricos. Motor asíncrono de anillos rozantes: De acuerdo a Garrigós72, debido a su arquitectura (figura 23), posee un mayor factor de potencia y un elevado torque a comparación del motor descrito previamente. De igual forma expone este tipo de motor, el cual consta de tres bobinas que se conectan entre sí en un extremo y en el otro se acoplan a un anillo 69WEG.

Guía de especificación. En: Motores eléctricos. Grupo WEG - Unidad Motores. Jaraguá do Sul – Brasil, 2016. 6 p. 70BUN-CA. Manual técnico de motores eléctricos. PEER, Diseño Editorial S. A San José – Costa rica: Bun-ca, marzo, 2009. 7 – 8 p. 71WEG. Guía de especificación. En: Motores eléctricos. Grupo WEG - Unidad Motores. Jaraguá do Sul – Brasil, 2016. 13 p. 72GARRIGÓS, José. Motores de corriente alterna. Instituto Andrés de Vandelvira, departamento de sap, noviembre 2011. 3 p.

cada una. La corriente alterna es suministrada desde el exterior a unas terminales que se enlazan con unos dispositivos llamados “escobillas” que, haciendo contacto constante con los anillos mediante fricción, mantienen energizado el sistema motriz. Figura 23. Rotor de un motor de anillos rozantes

GARRIGÓS, José. Motores de corriente alterna. 5.2.2 Motor de corriente continua (DC) Ramos73 la define como la máquina capaz de transformar la energía eléctrica, en forma de corriente continua, a energía mecánica rotacional. Posee la característica de generar corriente continua por medio de un movimiento rotativo en su eje. Opera como motor o como generador. A continuación se presenta una figura del corte interior de un motor DC. Figura 24. Flujo magnético y FEM de motor DC

RAMOS, Félix. Descripción general de las máquinas de corriente directa. 73RAMOS,

En la figura 24, explica Ramos74, se encuentra el estator de imanes permanentes y la fuerza electromotriz (FEM) generada a través del rotor cruzando por los conductores (C), las cruces y puntos en cada uno de ellos indica el sentido de giro (anti-horario) del rotor y así mismo el sentido de la FEM. Según Palafox75 este tipo de motores DC (imanes permanentes) tienen un ciclo de vida largo y poco mantenimiento, la gran desventaja es su alto costo. Wildi76 enfatiza en el hecho de que al trabajar con un motor DC en aplicaciones de alta carga y valores inerciales altos, es necesario en la mayoría de casos, hacer uso de un freno para detener el mecanismo. Se puede frenar mediante fricción (como un automóvil convencional) o por medio de una inversión de giro del motor los cuales generan un frenado rápido y suave. Esto podría ser un inconveniente pues este sistema adicional genera sobrecostos ya sea por corriente consumida o por la adquisición, instalación y mantenimiento del módulo de frenado.

74RAMOS,

Félix. Descripción general de las máquinas de corriente directa. Monografía que para obtener el título de ingeniero mecánico electricista. Xalapa: Universidad Veracruzana. Facultad de ingeniería mecánica eléctrica, 2011. 23, p. 75PALAFOX, Gerardo. Diseño y construcción de un vehículo eléctrico con variador de velocidad mediante un convertidor CD-CD. Tesis para obtener el título de: Ingeniero en electrónica. Huajuapan de león, Oxaca, 2009. 5 p. 76WILDI, Theodore. Máquinas eléctricas y sistemas de potencia. Traducido por Rodolfo Navarro Salas. 6 ed. Pearson Educación. México D.F.: Universidad nacional autónoma de México, 2007. 109 p.

6. ALMACENAMIENTO DE ENERGĂ?A

Este proceso consiste en conservar la energĂa para usarla controladamente en una acciĂłn posterior. Lo ideal es acumularla, almacenarla y utilizarla procurando la menor pĂŠrdida posible durante el proceso. Cabe aclarar que el almacenamiento de energĂa es parte esencial de los vehĂculos debido a que de ello depende su autonomĂa, adicionalmente es un criterio de comparaciĂłn muy importante para este trabajo pues define el rendimiento y la rentabilidad de los vehĂculos.

6.1 ALMACENAMIENTO DE LA ENERGĂ?A EN VEHĂ?CULOS DE AIRE COMPRIMIDO El almacenamiento de la energĂa en vehĂculos de aire comprimido se realiza en tanques fabricados para guardar grandes cantidades de aire, por lo tanto la energĂa estĂĄ almacenada en forma de presiĂłn. Para introducir el aire en los depĂłsitos, se emplea un compresor que toma una determinada cantidad del gas y la suministra al tanque. El motor de aire comprimido estĂĄ basado en las propiedades de los gases. El aire, el cual se encuentra a presiĂłn atmosfĂŠrica, es definido por la ley de los gases ideales, que describe la siguiente igualdad: (đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2030; = đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x2021;) EcuaciĂłn 4 Donde, đ?&#x2018;&#x192; đ?&#x2018;&#x2030; đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x2026; đ?&#x2018;&#x2021;

= PresiĂłn = Volumen del gas = NĂşmero de moles de gas = Constante de los gases ideales = Temperatura absoluta (Kelvin)

Conde77 expone la ecuaciĂłn 4, la cual relaciona la cantidad de partĂculas elementales del gas, el volumen, la presiĂłn y la temperatura, caracterĂsticas principales de cualquier fluido. Lo anterior indica que la presiĂłn, la cantidad del gas, y por tanto la fuerza resultante, dependen del volumen en el cual estĂŠ alojado el aire. 77CONDE,

FĂĄtima. Gas ideal. Universidad de Sevilla. Dpto. FĂsica Aplicada III, 2008.8 p.

De acuerdo a la entrevista realizada en la empresa “Compresores Bogotá” (Anexo A), la cual se dedica a la fabricación, venta, mantenimiento, asesoría e instalación de compresores, motores, tanques de almacenamiento de gases, entre otros. En el mercado colombiano la mayoría de tanques de almacenamiento de aire son hechos en acero al carbono SAE J403 1006, conocido comercialmente como “ColdRolled” o CR, con un recubrimiento de pintura electrostática; pero estos no poseen tanta durabilidad como los fabricados en Acero inoxidable AISI 304 o los de fibra de carbono. En la tabla que se presenta a continuación se muestra la información más relevante respecto al tipo de material para el almacenamiento del aire comprimido. Tabla 1. Criterios de comparación para material de tanques

Material SAE J403 AISI 304 Fibra de carbono Fuente

Durabilidad

Costo tanque 35gl

Media

Recubrimiento

Presión

$250,000

Pintura electrostática

4500PSI

Alta

$1'300,000

4500PSI

Alta y mayor resistencia a golpes

18gl $2'400,000

4500PSI No

Autor, basado en información de “Compresores Bogotá ltda”

De igual forma el porta voz de la empresa enfatizó en que ya existen tanques para aplicaciones especiales hechos en Kevlar, pero no se distribuyen en Colombia, los cuales son altamente resistentes al calor y al impacto. El tanque debe cumplir como mínimo con los requerimientos de la NTC 4702-2 ENVASE PARA TRANSPORTE DE MERCANCÍAS PELIGROSAS CLASE 2. GASES y el código internacional ASME “BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE” sección PRESSURE VESSELS el cual provee requerimientos aplicables al diseño, fabricación, inspección, pruebas y certificación para tanques de presión. De esta forma se establece o verifica el producto como apto para desempeñar la función de almacenar el aire comprimido sin comprometer la integridad de las personas a bordo del vehículo. Es importante resaltar que el volumen de almacenamiento de energía de los automóviles de aire comprimido es mayor a comparación de los existentes en el 48

mercado ya que se necesita una gran cantidad de energía para desplazar el automóvil y vencer la inercia. Sus competidores comerciales (electricidad y combustibles fósiles), energéticamente hablando, son mucho más eficientes pues su fuente de alimentación es, aunque más contaminante, más rendidora en cuanto a par motor. En la Figura 25, se hace una comparación de las cantidades de energía necesarias para realizar un recorrido de 150 Km. Las barras indican el consumo volumétrico de energía en litros. Figura 25. Comparación tecnologías de tracción con recorrido 150km

CREUTZIG, Felix et al. Economic and environmental evaluation of compressed-air cars.

En la comparación se han tenido en cuenta dos tipos diferentes de automóviles, (economizador y normal). Se puede apreciar una diferencia bastante amplia en la gráfica, el combustible fósil necesita de muy poco volumen para realizar el recorrido, lo cual indica que posee una gran cantidad de energía almacenada. Creutzig78 afirma que el sistema de almacenamiento de aire, en lo respectivo al peso, es 10 veces mayor que el de combustibles fósiles pero 3 veces menor que el sistema de baterías del vehículo eléctrico. El peso en automóviles es inversamente proporcional al desempeño del vehículo y a su velocidad. 78

CREUTZIG, Felix et al. Economic and environmental evaluation of compressed-air cars. Environ. 2009. 3, 4 p.

Una gran ventaja que poseen el CAC y los automóviles de combustión en cuanto a almacenamiento es su peso, el cual disminuye mientras se va gastando. A diferencia del BEV que mantiene su peso sin importar si las baterías están totalmente cargadas o descargadas. El peso del vehículo es considerado un factor determinante para definir su rendimiento, por lo cual el BEV tiene la más baja calificación de los tres tipos de energías.

6.2 ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA “La batería es un dispositivo electroquímico que transforma energía química en energía eléctrica y viceversa”.79 Megger80 afirma que las baterías están diseñadas para almacenar y soportar cargas eléctricas en forma de corriente directa. Existe una amplia gama de estos dispositivos, cuyas propiedades dependen de su aplicación. A continuación algunos ejemplos:

6.2.1 Baterías de grafeno Según el Ministerio de defensa de España81, las baterías de grafeno, para vehículos eléctricos, son un desarrollo novedoso que permite un almacenamiento cuatro veces superior que las baterías de hidruro metálico y cuentan con dos veces mayor duración que las de iones de litio. Es importante resaltar que esta es una tecnología reciente y hasta el momento la documentación es limitada.

6.2.2 Baterías de iones de litio Huerta82 afirma que el litio hace parte de los materiales más ligeros en cuanto a su aplicación en la fabricación de baterías, tiene una gran capacidad electroquímica y alto almacenamiento de energía por unidad de peso. Su mayor limitación es la perdida de energía en aproximadamente un 50% cuando se encuentra en reposo.

BOSCH. Manual de baterías Bosch. 2014. 7 p. MEGGER. Guía para prueba de baterías. Ed. 2. 2010. 4 p. 81 MINISTERIO DE DEFENSA DE ESPAÑA. Monografías del SOPT propiedades y aplicaciones del grafeno. Julio, 2013. ISBN: 978-84-9781-868-1. 51 p. 82 HUERTA, Gabriel. Gestor de carga de baterías (BMS). Escuela Politécnica Superior Universidad de Burgos. Grado en Electrónica Industrial y Automática. Julio de 2014. 33 – 34 p. 80

A continuación, se presenta una tabla comparativa de aleaciones de litio respecto a características técnicas de las baterías.

Tabla 2. Tipos de material en aleación de litio para baterías Litio-fosfato LiFePO4(LFP)

Litio-Níquel NMC LiNiMnCoO2

3.60v 4.20v 500-1000 Medio

Litiomanganeso LiMn2(LMO) 3.80v 4.20v 500-1000 Medio

3.30v 3.60v 1000-2000 Alto

3.60/3.70v 4.20v 1000-2000 Alto

150-190wh/kg

100-135wh/kg

90-120wh/kg

140-180wh/kg 210°C (410°F) Sony, Sanyo LG Chem, gs Yuasa, HotachiSamnsung

Alta descarga

Herramientas, medicina, Coches eléctricos.

Otra información

Alta energía especifica. Baja potencia, móviles portátiles…

250°C (482°F) Hitachi, Samsung, Sanyo, GS Yuasa, Toshiba MoliEnegy, Nec Alta potencia, Buena energía específica, Medica, Coches eléctricos, herramientas.

270°C (518°F) A123, Valence, GS Yuasa, byd, jci/Saft, Lishen.

Fabricantes

150°C (302°F) Sony, Sanyo, Gsyuasa, LG ChemSamnsung Hitachi, Toshiba

Tipo Voltaje Límite de carga Ciclos de vida Temperatura de funcionamiento Energía especifica Temperatura máxima

Fuente

Litio-cobalto LiCOo2

HUERTA, Gabriel. Gestor de carga de baterías (BMS).

Según Collar83, las múltiples aplicaciones y la eficiencia de las baterías de litio y los motores, han sido importantes incentivos que contribuyen para que las empresas automotrices convencionales opten por construir vehículos eléctricos que puedan ser competitivos en el mercado en cuanto a eficiencia, sostenibilidad y velocidad. Collar84 afirma que empresas como Tesla Motors, la cual está dedicada netamente hacer autos eléctricos de excelente calidad con la mejor 83

COLLAR, Rodrigo. La influencia de Tesla Motors Inc. en la producción de baterías de iones de litio Período 2003-2013. 2014. 57 p. 84 COLLAR, Rodrigo. La influencia de Tesla Motors Inc. en la producción de baterías de iones de litio Período 2003-2013. 2014. 57 58 p.

tecnología, han demostrado que los vehículos con fuentes de alimentación alternativas pueden ser de mejor calidad que los vehículos convencionales. Este tipo de baterías es de uso común en la automoción, según Ford direct85 la tensión nominal que requieren los automóviles con este tipo de batería es de 250V con la cual se demoraría en un promedio de 4 horas la recarga total o con una convencional de 120V 20 horas.

6.2.3 Baterías de ciclo profundo Abella86 afirma que estas baterías por lo general están siendo usadas en barcos pequeños, carritos de golf, autos eléctricos, turbinas eólicas y en el almacenamiento de la energía solar. Se descargan rápidamente si no se usan por un tiempo determinado (alto ratio de descarga). El costo de la más económica de estas baterías es de 168 USD. De acuerdo a Cavassi87, se conoce como “ciclo” al tiempo que demora una batería recargable en descargarse a sus límites mínimos de carga para luego volver a cargarse en un 100% de su capacidad. Una batería de ciclo profundo está diseñada para poder llegar a descargarse, como su nombre lo dice, en forma “profunda” − hasta en un 80% de su capacidad total de carga. Existen varios tipos de baterías de este tipo. Las más conocidas son de zinc-carbón, alcalinas, niquel-cadmio (Ni-Cd), níquel-hidruro metálico (Ni-MH) y las baterías de ácidoplomo. 6.2.4 Baterías VRLA De acuerdo a Eurobat88, las baterías VRLA, por sus siglas en inglés “Valve regulated lead acid”, cuentan con válvulas de seguridad localizadas en la caja de la batería, se encuentran presurizadas con el objetivo de evitar la pérdida del gas que contiene. Hay dos versiones de esta batería: VRLA en GEL la cual usa silicona para solidificar y aislar el ácido, sus características químicas son muy buenas pero no es muy estable a altas corrientes (Amperaje). Su precio está entre 85

FORD DIRECT. Focus Electric. FORD, 2016. Sitio web: http://es.ford.com/cars/focus/trim/electric/ 86 ABELLA, Miguel. Sistemas fotovoltaicos. Master en energías renovables y mercado energético. CIEMAT. Madrid, 2014. 22, 23 p. 87 CAVASSI, Jóse. ¿Qué es una batería de ciclo profundo?. Cavadevices . Buenos Aires, 2010. 1 2 p. 88 EUROBAT. Guía EUROBAT para baterías de tracción de válvula regulada (VRLA). Brussels Belgium, 2013. 5 p.

90 y 224 USD. El otro tipo es VRLA AGM la cual no usa agua ni gel, pero tiene una fibra de vidrio para mantener el electrolito en su lugar y provocar una resistencia muy baja, esto la hace especial para el arranque de un motor. Su precio está entre 45 y 280 USD, dependiendo la marca.

6.2.5 Baterías de plomo acido Megger89 define a este tipo de batería como una de las más comunes, debido a su relación entre costo y desempeño. De esta hay varias versiones, una de ellas es “shallow-cicle” de ciclo corto o superficial, usada en automóviles, la cual necesita una corta explosión de energía para encender el motor. Está también la versión “Deep-cicle” o de ciclo profundo (previamente descritas) la cual está hecha para su carga y descarga en ciclos repetitivos sin mayor desgaste. La gran desventaja de este tipo de batería es su volumen y peso, los cuales son considerables.

MEGGER. Guía para prueba de baterías. Ed. 2. 2010. 4 p.

7. TRANSMISIÓN

El movimiento desde el motor al eje de salida debe regularse debido a variables de velocidad y torque necesarias para el funcionamiento y versatilidad de cualquier vehículo terrestre, el mecanismo capaz de realizar dicha tarea es denominado transmisión. Según Thipse90, los motores de aire comprimido usan un sistema de distribución de aire que emplea energía electromagnética. Este sistema es comandado por el pedal del acelerador para controlar el flujo de aire que ingresa al motor. Lo anterior se refiere a la disposición de energía eléctrica dentro del vehículo, siendo así indispensable el uso de baterías y de sistemas de manipulación de dicha energía que aumentan el peso y los costos. El órgano de investigación Chemicals & chemistry91 afirma que la optimización y aprovechamiento de energía es un tema en el cual se ha investigado y desarrollado en los últimos años; para el caso del CAC y en algunos BEV, cuando el acelerador (o interruptor de arranque) se encuentra desactivado; la energía cinética de las ruedas del vehículo en movimiento, afectadas por la inercia, al momento del frenado proveen energía rotacional mecánica a través del eje de salida de vuelta hacia el sistema de almacenamiento mediante un conversor a la batería, generando así energía adicional. El motor de aire comprimido, al igual que el de combustión interna, tiene una entrada variable para la energía, es decir; el acelerador abre y cierra gradualmente una válvula electromagnética de distribución la cual controla el flujo de aire que entra en el motor. La figura 26 muestra los elementos de transmisión de un vehículo híbrido de aire comprimido.

THIPSE, S.S. Compressed air car. Association of India (ARAI). Automotive Research. 2008. 35

p. 91

CHEMICALS & CHEMISTRY. Researchers Submit Patent Application, "Compressed Air Engine and Power Train System", por aprobación, Atlanta – USA. Jun 07, 2013. pp. 4890 Science Database. ISSN 1944-1517

Figura 26. Transmisión de un automóvil híbrido, aire y combustión CVT Tanques

Motores

PSA Group. Hybrid Air: An innovative full-hybrid petrol solution for the car of the future. En la ilustración anterior se puede apreciar la distribución de los componentes de transmisión y almacenamiento de este tipo de automóvil. Analizando la figura se destaca la tracción delantera: sistema de CVT y los motores, los cuales se encuentran alojados en esta posición especialmente para recibir una buena refrigeración del exterior y de esta forma economizar energía. El almacenamiento del aire comprimido se encuentra en la parte posterior del vehículo, debajo del portaequipaje. PSA Group92 afirma que la transmisión variable continua (CVT) de este automotor se ajusta automáticamente al modo más economizador y eficiente para cada situación de manejo, conmutando el tipo de energía para la tracción, por lo cual su consumo de combustible es de 2.9L / 100km el cual representa el 35% de ahorro en combustible fósil consumido comparado con un vehículo de gasolina convencional de características similares. Aunque el experto en automoción (ver anexo B) asegura que este tipo de transmisión de movimiento genera un gasto innecesario de energía, el cual se podría economizar con una caja de cambios manual para el caso de un vehículo convencional. Si se implementara una transmisión manual al vehículo híbrido de PSA permitiría un mayor ahorro de combustible. Las empresas francesas de automoción: Peugeot y Citroën, han conformado el grupo PSA, el cual ha venido desarrollando una nueva línea de vehículos utilizando energías no contaminantes para disminuir la emisión de gases nocivos. 92PSA

Group. Hybrid Air: An innovative full-hybrid petrol solution for the car of the future. Innovation, 2016. Sitio web: https://www.groupe-psa.com/en/newsroom/automotiveinnovation/hybrid-air/

Ellos proponen el modelo de vehículo híbrido presentado anteriormente y de igual forma presentan un automóvil netamente eléctrico de alto rendimiento el cual se puede apreciar en la figura 27. Figura 27. Transmisión y distribución general de un vehículo eléctrico

PSA Group. New-generation electric vehicles: a solution to make life easier. Se evidencia en la figura anterior una distribución parecida al vehículo híbrido de aire comprimido, la tracción es delantera y el motor junto con la transmisión automática se acopla directamente al eje de tracción, usando la corriente natural de aire como refrigerante y ayudando así a economizar energía. El almacenamiento de la energía, en este caso baterías de iones de litio, se encuentran posicionadas en la parte central inferior del vehículo, junto con la parte motriz y la carga de los tripulantes ubicada en el frente del carro, ubican el centro de gravedad en la parte inferior delantera, generando así estabilidad en el chasis y mejorando la tracción. De acuerdo a PSA Group93, la gran innovación de este automóvil es la recarga de sus baterías. Cuenta con un cargador de nueva generación de 7kW el cual permite una carga ultra rápida de las baterías (80% en 30 minutos) en un tomacorriente 93PSA

Group. New-generation electric vehicles: a solution to make life easier. Innovation, 2016. Sitio web: https://www.groupe-psa.com/en/newsroom/automotive-innovation/new-generationelectric-vehicles/

casero, aunque se carga completa dura 8 horas aproximadamente. El lanzamiento al mercado de estos vehículos (híbrido aire y eléctrico) está presupuestado para el año 2019. Estos tipos de vehículos no necesitan de embrague. Según Thipse94, el motor permanece inmóvil cuando el vehículo está estacionado y es reiniciado por el accionamiento electromagnético, el cual vuelve a suministrar el aire comprimido. En el caso del vehículo eléctrico, el acelerador envía una señal al controlador que, dependiendo de la inclinación del pedal, envía la corriente eléctrica necesaria al motor. La caja de cambios CVT (que poseen la mayoría de estos automóviles) es automática, alimentada y controlada por un sistema electrónico. La computadora interna del vehículo controla efectivamente la velocidad y el torque conmutando continuamente los cambios.

THIPSE, S.S. Compressed air car. Association of India (ARAI). Automotive Research. 2008. 35 36 p.

8. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS

Para realizar una comparación efectiva, se tomaron dos automóviles comerciales: uno eléctrico (Ford focus) y otro de aire comprimido (MDI Airpod). La elección del CAC se debió a que es el que más información respecto a características técnicas ofreció durante la investigación, al ser una tecnología nueva, actualmente se encuentra poca información respecto a productos o desarrollos comerciales de este tipo de vehículos. Los automóviles se evaluaron respecto a criterios técnicos y cruciales a la hora de elegir un medio de transporte el cual sea rendidor, versátil y funcional. Según MDI95, en la última década las empresas, MDI, Guy Negre (inventor del motor de aire comprimido desarrollado por MDI) y Tata Motors han venido desarrollando e implementando en la India (sede principal de Tata Motors) un tipo de vehículo bastante innovador el cual llamaron “Airpod” o “Contenedor de aire” como se aprecia en la figura 28, el cual no solo su presentación estética es algo futurista, toda la tecnología inmersa en este también lo es, como la sustitución de la fuente principal de energía motriz, de los derivados del petróleo a aire comprimido. Figura 28. Airpod

ECOMOTOR. Tata Airpod: a producción el concepto de coche impulsado por aire comprimido.

MDI. Air pod technical specifications. (2014). 1 - 2 p.

La empresa MDI96 confirma que el hecho de utilizar este tipo de energía para la tracción tiene múltiples ventajas, la más importante es la no emisión de agentes contaminantes al medio ambiente. A diferencia de los automotores eléctricos, el tiempo de carga es mucho menor 1.5 minutos (aunque en este intervalo se ignora el tiempo de carga del tanque de alta presión), es liviano y compacto. Para la comparación se tomó en cuenta un parámetro sumamente importante tanto en el rendimiento como en la economía del vehículo: La autonomía. El vehículo eléctrico “Ford Focus” posee una autonomía similar al automóvil descrito previamente “AirPod”; Se evalúan algunas características en la siguiente tabla comparativa. Tabla 3. Comparación de vehículos CAC (Airpod - MDI)

BEV (Ford focus)

Tipo de motor

Motor de aire reversible de dos cilindros en línea 430cm3

Motor AC 144HP

Tipo de transmisión

Caja de engranajes automática con 3 cambios de velocidad

Caja planetaria con transmisión variable continua (CVT)

Potencia máxima

10,2CV

125CV

Torque máximo

45N*m eje de salida

254N*m eje de salida

Peso en vacío

280Kg

1311Kg

Capacidad de personas

5 + maletero

Autonomía

150Km

160Km

Velocidad máxima

80km/h

136km/h

Tiempo de carga en estación

1.5 min/ 4h con compresor convencional

10min/ 4h con carga convencional a 250V

Costo

USD 11,246

USD 43,859

Fuente

MDI, Air pod technical specifications. Ford direct, ford focus

MDI. Air pod technical specifications. (2014). 1 - 3 p.

Se observa una mayor robustez en el Ford Focus, ya que debido a su peso y capacidad de carga requiere de buen torque y por ende potencia en el motor. En cuanto al CAC (AirPod) su potencia es muy baja, menos del 10% del BEV, eso indica que no se desempeñaría muy bien en pendientes o terrenos difíciles. El AirPod y el Ford Focus poseen dos características muy importantes: la no emisión directa de agentes contaminantes y su tiempo de carga, que oscila entre 1.5 y 10 minutos. El problema radica en la maquinaria necesaria para cargar los automóviles (Ford Focus y AirPod), las estaciones de carga exigen una inversión considerable para cualquiera de estas dos tecnologías ya que, por lógica, debe haber una estación cada 140km máximo, de acuerdo a la autonomía de los vehículos. Con el fin de tener información técnica especializada en cuanto a automoción en Colombia, se contactó a Carlos Veloza, instructor de conducción en vehículos de diversas categorías y en simuladores de vehículos pesados y livianos en la empresa Kirvit Ltda. En los aspectos más relevantes de la entrevista (Anexo B), cabe resaltar que los vehículos evaluados (tabla 2) no poseen las características apropiadas para transitar por carretera intermunicipal o interregional, debido a baja potencia para subir pendientes y la falta de infraestructura de abastecimiento de energía para este tipo de automotores. Veloza afirma que el potencial del automóvil de aire comprimido es grande, pues en cuanto a abastecimiento, ya existen muchos puntos de recarga de alta presión, los cuales están ubicados en la mayoría de estaciones de servicio que utilizan ciertas herramientas neumáticas para realizar ajustes con torques variables a las llantas de los tracto camiones y para inflar las mismas. Es conveniente evaluar aspectos económicos y de consumo de los vehículos a tratar, por tanto se toman los siguientes 3 vehículos.  Renault Twizy (BEV): Recientemente incorporado al mercado Colombiano.  Ford Focus (BEV): Vehículo con buen rendimiento de gran trabajo de investigación y desarrollo por la marca Ford.  MDI Airpod (CAC): Uno de los pocos automóviles de aire comprimido desarrollado y activo en el mercado global (el que mayor información de especificaciones técnicas suministra).

A continuación se presenta una tabla comparativa de los costos de producción de energía de cada uno de los vehículos en Bogotá D. C. Tabla 4. Evaluación comparativa de costos de consumo de energía Especificación Capacidad máxima de Autonomía almacenamiento (Km) Automóvil (KW/h) Renault Twizy (BEV) Ford Focus (BEV) MDI Airpod (CAC)

Costo kW/h (Bogotá - Estrato 3)

Costo de recarga para un trayecto de 100Km

5,8 23

100 160

$402,10 $402,10

$2.332,20 $5.780,20

3 (compresor 1HP)

150

$402,10

$804,2

Fuente Autor con base en: RENAULT ESPAÑA COMERCIAL, S.A. (RECSA) Renault twizy - Precios y especificaciones. CODENSA Tarifario Enero 2016 (Anexo C). MDI Air pod technical specifications. Ford Direct Ford focus. BAUKER Ficha técnica compresor 100L 3,5HP Bauker (Anexo D).

Los tres vehículos de la tabla anterior se evaluaron bajo los mismos criterios de costo por KW/h y en la longitud del trayecto (100Km). Los datos de capacidad de almacenamiento se tomaron directamente de fichas técnicas de cada vehículo, a diferencia del Airpod del cual se tomaron especificaciones de un compresor convencional de media/baja capacidad y se relacionó con el tiempo de carga del automóvil. El vehículo de aire comprimido muestra ser la mejor alternativa en cuanto a producción de energía por la relación autonomía – Costo por Km, sin embargo la carga no es directa, es decir, necesita de un elemento adicional para su carga (Compresor) y para la carga rápida se amplían los periféricos al adicionar tanques de alta presión. Lo anterior implica un incremento en el valor de la carga de aire comprimido que establecerían los proveedores de dicho tipo de energía. 8.1 VEHÍCULOS DE AIRE COMPRIMIDO 8.1.1 Ventajas y desventajas Ventajas  Ninguna emisión directa de CO2.  Se puede cargar en el hogar o en cualquier lugar con un compresor. 61

 El peligro de explosión es mínimo debido a que los tanques de almacenamiento son hechos en fibra de carbono o en kevlar.  Los autos son más económicos que los eléctricos en cuanto a su consumo de energía.  No son ruidosos.  No tiene marchas manuales.  El gasto por mantenimiento mecánico es mínimo.  Las baterías no sufren de corrosión en climas húmedos o calientes.  El tanque puede ser capaz de recargar tantas veces como una batería. Desventajas  El torque es bajo comparado con los BEV.  La carga en un compresor convencional tiene una duración mayor a 4 horas.  El servicio de repuestos es escaso.  El volumen de los tanques es reducido.

8.2 VEHÍCULOS DE ENERGÍA ELÉCTRICA De acuerdo a Freyssenet97, a finales del siglo XIX surgió la necesidad de cambiar el tipo de transporte de hipomóvil a otro tipo de solución; fue donde aparecieron prototipos de motores eléctricos, a vapor y de combustión; este último fue elegido para convertirse hasta el día de hoy, en esencial para el movimiento de diversas máquinas, no solo vehículos. Freyssenet98 afirma, referenciando un estudio del IFP (Instituto Francés del Petróleo), que el petróleo como recurso va a empezar a disminuir considerablemente desde el año 2015, tanto así que para el año 2025 se habrán agotado las reservas totales, incluyendo las potenciales posibles, se irá consumiendo el petróleo hasta que en 2050 quede aproximadamente el 20% de las reservas actuales del combustible.

97FREYSSENET,

Michel. revolución del automóvil. 2011. 2 p. 98FREYSSENET, Michel. revolución del automóvil. 2011. 10 p.

Lo más dudoso no es lo más improbable: el coche eléctrico. La nueva Ayuntamiento de Valladolid, Fundación CEU-San Pablo Castilla y León, Lo más dudoso no es lo más improbable: el coche eléctrico. La nueva Ayuntamiento de Valladolid, Fundación CEU-San Pablo Castilla y León,

Así como pasó en el siglo XIX se vuelve a presentar una crisis respecto a la tecnología de tracción para el transporte terrestre, dejando una gran pregunta ¿el automóvil eléctrico será el nuevo sucesor?, pensando en la infraestructura eléctrica a nivel mundial y a la “cero emisión de gases nocivos” la respuesta pareciera bastante obvia. A continuación se presenta una gráfica (figura 29) de emisiones de CO2 “del pozo a la rueda”, en diferentes tipos de automóviles.

Figura 29. Emisiones de CO2 del pozo a la rueda

FREYSSENET, Michel. Lo más dudoso no es lo más improbable: el coche eléctrico. La nueva revolución del automóvil.

Al analizar el gráfico se evidencia que, aunque el vehículo eléctrico no emite CO2; para poder generar la electricidad necesaria para su funcionamiento, se emiten grandes cantidades del gas nocivo debido a plantas termoeléctricas y de diesel (en cada país) que producen la energía para alimentar estos automóviles. Los vehículos de aire comprimido de igual forma se verían afectados pues para comprimir el aire generalmente se usan compresores eléctricos.

8.2.1 Ventajas y desventajas Ventajas  No emiten gases contaminantes directamente.  Se puede conectar en cualquier puerto eléctrico. No necesita de dispositivos adicionales para el abastecimiento de energía.  No son ruidosos.  Las baterías no sufren de corrosión en climas húmedos o calientes. Desventajas     

Falta de adaptación en las ciudades a esta tecnología. Hay pocos puntos de recarga rápida. La carga en una toma común tiene una duración mayor a 4 horas. Son más costosos en consumo de energía que los de aire comprimido. Contaminación indirecta.

9. CONCLUSIONES

 Los motores de aire comprimido y los eléctricos tienen diversas configuraciones, cada una con características y funciones específicas para diferentes aplicaciones. Son una alternativa viable para la automoción pues su diseño integra bajos costos de consumo de energía y velocidades relativamente altas.  Se recomienda el uso del motor de aire comprimido de pistones radiales para una aplicación de automoción, pues es la configuración más versátil en cuanto a montaje y cuenta con un par de arranque superior a los demás tipos de motores de aire comprimido, lo que mitigaría la gran desventaja del CAC: el torque.  Con base en la consulta realizada en el presente trabajo, en la cual se exponen las características técnicas y especificaciones de las partes que cumplen la función de almacenar la energía de tracción de los vehículos, se deduce que el volumen de almacenamiento de energía del CAC es el doble del requerido por el BEV para realizar un desplazamiento de 150km y el peso del almacenamiento eléctrico es tres veces mayor que el de aire comprimido; si las nuevas tecnologías en baterías disminuyen el peso manteniendo la capacidad de carga y alargan el ciclo de vida de las mismas, los BEV serían una alternativa recomendable para implementación masiva.  Los vehículos de aire comprimido son ideales para su uso en una ciudad como Bogotá, ya que, aunque su desempeño en cuanto a velocidad y torque no se acercan a sus competidores eléctricos y mucho menos a los vehículos convencionales de gasolina; su autonomía (recorrido en km con el tanque lleno) es muy bueno y no genera polución alguna de manera directa.  Los vehículos tendrían un buen desempeño para recorridos cortos y en ciudades sin pendientes pronunciadas. Hasta no tener una buena red estaciones de carga, los vehículos de aire comprimido y los eléctricos no son viables para realizar viajes de trayectorias largas.

 El mecanismo de transmisión variable continua CVT proporciona una gran cantidad de relaciones de transmisión de forma automática, lo cual simplifica el mantenimiento y la maniobrabilidad del vehículo. Pero pensando en un automóvil que sea versátil, tanto para ciudad como para carretera, implicaría un mayor gasto de energía en comparación a un vehículo con marchas manuales, debido a que el conductor no decide en el cambio de las marchas.  El vehículo de aire comprimido es potencialmente viable para su operación en Colombia debido a una pequeña red de compresores de alta presión ubicados en algunas estaciones de servicio.  Los vehículos eléctricos y de aire comprimido no son del todo “limpios” en cuanto a emisiones de CO2. Para generar la energía eléctrica la cual hace posible su tracción, se utilizan plantas generadoras a base de combustibles fósiles más que todo en Europa. Algunos automóviles eléctricos (dependiendo del país) producen más polución que un vehículo convencional de gasolina. Sin embargo en Colombia la mayoría de la electricidad es generada por plantas hidroeléctricas, las cuales comprometen seriamente el ecosistema circundante, pero no emiten gases contaminantes.

ANEXOS Anexo A. Entrevista a Compresores Bogotá Ltda Empresa: Compresores Bogotá Ltda. Fecha: 11 de noviembre de 2015 - 3:30 pm. Dirección: Cl. 4d #4G-26. Teléfono: 2609153. Preguntas: 1. ¿En qué materiales se encuentran hechos los tanques de almacenamiento de aire? - Depende de la aplicación y el presupuesto que tenga. Tenemos en acero inoxidable 403 que se usa generalmente para gases inflamables, altamente corrosivos o para el sector de medicina, el de fibra de carbono para aplicaciones especiales que exijan un bajo peso y alta resistencia del tanque. Aunque el más usado generalmente en la industria metalmecánica es hecho en CR. Sé que existen tanques en un material llamado Kevlar los cuales son altamente resistentes al calor y al impacto, pero no se distribuyen en Colombia. 2. ¿Cuál es la durabilidad de cada uno de los tanques según el material? -

El que está hecho en CR tiene media duración, el de inoxidable alta duración y por último el de fibra de carbono tiene la más alta resistencia y adicional resiste golpes leves.

3. ¿Cómo evitar la corrosión en el interior del tanque? -

Solo aplica para los tanques de CR y en algunos casos en inoxidable. Se le hace al tanque un recubrimiento en pintura electrostática para aislarlo eléctricamente y crear una capa que protege el material del óxido.

4. ¿Cuál es el precio de los tanques según el material? -

Para un volumen de 35gl y una presión de 4500 libras, el de CR tiene un valor de $250,000 + iva. El de inoxidable queda en un precio de $1’300,000 + iva. Y el de fibra de carbono no tengo el dato exacto pero aproximadamente, y para un volumen menor (18gl) $2’400,000. 67

Anexo B. Entrevista a experto en automoción Nombre: Carlos Veloza. Profesión: Instructor de conducción en vehículos terrestres y en equipos de simulación. Fecha: 29 de Enero de 2016 - 9:20am.  En su concepto ¿Cuál es la principal desventaja de los vehículos de combustibles fósiles en Colombia? -

Principalmente la contaminación que, aunque sea regulada, es bastante, afecta al medio ambiente y a los seres humanos. El costo del combustible es elevado respecto a los países vecinos.

 ¿Cuál piensa que es la principal ventaja de los vehículos eléctricos en Colombia? -

La no emisión de gases contaminantes es lo primordial, pero la gran ventaja que resaltaría de estos vehículos es el mantenimiento mecánico económico de los mismos, pues al no haber explosión en el motor y poco recalentamiento, las partes mecánicas sufren menos desgaste.

 Según su criterio, ¿Cuáles son las principales desventajas de los vehículos eléctricos en Colombia? -

Las baterías son el talón de Aquiles para los automóviles eléctricos, el tiempo de carga se va prolongando con el uso, esto genera sobrecostos en mantenimiento eléctrico para alargar su duración o al cambiar la batería. La autonomía de estos vehículos es baja y adicional a esto, la infraestructura en cuanto a estaciones de carga no se ha desarrollado en Colombia. Para hacer un viaje por carretera (fuera de Bogotá) debe ser a un destino cercano, pues no se justifica hacer paradas cada 120Km para poner a cargar el automóvil 4 o 5 horas.

 ¿La implementación de estaciones de carga a lo largo de las carreteras en Colombia daría campo al mercado de estas nuevas tecnologías? -

Sí, garantizaría mayor cobertura y tranquilidad para el abastecimiento de la energía, pero solo implementando las estaciones de carga rápida (alta corriente).

 Los dos vehículos descritos a continuación utilizan caja reductora automática como mecanismo de transmisión ¿Cree usted que las cajas automáticas tienen cierta ventaja respecto a las manuales? -

Un vehículo con transmisión automática posee más eficiencia en el motor y la misma caja de cambios debido a que no hay errores humanos de maniobrabilidad sobre estos y por tanto sus partes mecánicas tienen más durabilidad que una caja de transmisión manual. Pero en el caso específico del CVT, los cambios se realizan de forma controlada por computadora y responde a ciertos protocolos que en ocasiones, cuando se está en carretera, no son necesarios y esto incurre en gasto innecesario de gasolina.

 Los CAC y BEV no emiten gases nocivos ¿Existe algún tipo de beneficio a nivel legal que puedan tener las personas naturales que adquieran este tipo de vehículos? -

Por supuesto, los vehículos que utilicen solamente energía eléctrica para su tracción, no tienen pico y placa en la ciudad de Bogotá, es decir, pueden transitar por la ciudad a cualquier hora todos los días. Los de aire comprimido no están acogidos por la norma pues la tecnología no es ampliamente conocida en el país, pero por sus características, deberían tener los mismos y hasta más beneficios. Recientemente se han puesto de moda las bicicletas eléctricas las cuales tienen muchos beneficios que, a mi criterio, generan inseguridad en el tránsito de la ciudad. Las bicicletas eléctricas o motos eléctricas no necesitan de SOAT ni revisión técnico-mecánica (RTM) para operar en las calles de Bogotá, es más, ni licencia de conducción es requerida a los conductores de estos vehículos.

 MDI AIRPOD/FORD FOCUS Figura 28 Airpod

Figura 30. Ford Focus

ECOMOTOR. Tata Airpod.

Ford direct, Ford focus.

Tabla 3. Comparación de vehículos CAC (Airpod - MDI)

BEV (Ford focus)

Tipo de motor

Motor de aire reversible de dos cilindros en línea 430cm3

Motor AC 144HP

Tipo de transmisión

Caja de engranajes automática con 3 cambios de velocidad

Caja planetaria con cambios automáticos

Potencia máxima

10,2CV

125CV

Torque máximo

45N*m eje de salida

254N*m eje de salida

Peso en vacío

280Kg

1311Kg

Capacidad de personas

5 + maletero

Autonomía

150Km

160Km

Velocidad máxima

80km/h

136km/h

Tiempo de carga en estación

1.5 min/ 4h con compresor convencional

10min/ 4h con carga convencional a 250V

Costo

USD 11,246

USD 43,859

Fuente

MDI, Air pod technical specifications. Ford direct, Ford Focus

 ¿Cree que con las características técnicas descritas en la tabla anterior, el Airpod puede ser un vehículo competitivo en el comercio automovilístico Colombiano/Bogotano (solo ciudad)? -

Posee buenas características, lo único que le faltaría mejorar sería la potencia (es muy baja), las carreteras principales Colombianas y hasta las de Bogotá presentan pendientes considerables, de 18, 21 y hasta de 24% de inclinación en algunos recorridos. Es necesario tener un automóvil con un buen par de arranque para poder transitar por dichas pendientes. Veo en el Airpod y en general en todos los vehículos impulsados por aire comprimido, una posibilidad aun mayor que los automóviles eléctricos de ser viables para movilizarse por el país. En la mayoría de bombas o estaciones de servicio hay compresores de alta presión para inflar los neumáticos de los tracto camiones, así mismo para ajustar las tuercas de algunas llantas de vehículos pesados; tienen una copa o rache neumático lo cual exige tener un buen sistema de abastecimiento de aire comprimido.

 ¿Cree que con las características técnicas descritas en la tabla anterior, el Ford Focus puede ser un vehículo competitivo en el comercio automovilístico Colombiano/Bogotano (solo ciudad)? -

Efectivamente, el Ford Focus posee buenas características de rendimiento mecánico, su velocidad máxima es muy buena y sería muy apetecido por su capacidad para el transporte de varias personas, sin embargo, serviría solo para trayectos cortos y su recarga demoraría mucho tiempo. Basado en lo anterior, no sería un vehículo competitivo en el mercado.

Anexo C. Tarifas de energía eléctrica Codensa

CODENSA. Tarifario Enero 2016.

Anexo D. Ficha técnica compresor Bauker

BAUKER. Electrocompresores de pistón lubricados.

BIBLIOGRAFÍA

 GARRIGÓS, José. Motores de corriente alterna. Instituto Andrés de Vandelvira, departamento de sap, noviembre 2011.  UPME-COLCIENCIAS. Eficiencia energética en motores eléctricos. Universidad del atlántico y Universidad autónoma de occidente, 2008. Sitio web: http://www.si3ea.gov.co/Portals/0/Gie/Tecnologias/motores.pdf  WEG. Guía de especificación. En: Motores eléctricos. Grupo WEG- Unidad Motores. Jaraguá do Sul– Brasil, 2016. Sitio web: http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-guia-de-especificacion-50039910manual-espanol.pdf  CREUTZIG, Felix et al. Economic and environmental evaluation of compressed-air cars. Environ, 2009. Sitio web: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/4/4/044011/pdf  THIPSE, S.S. Compressed air car. Association of India (ARAI). Automotive Research. 2008.Sitio web: http://www.techmonitor.net/tm/images/1/18/08nov_dec_sf4.pdf  CHEMICALS & CHEMISTRY. Researchers Submit Patent Application, "Compressed Air Engine and Power Train System", Jun 07, 2013. pp. 4890 Science Database. ISSN 1944-1517  MDI. Air pod technical specifications.2014. Tomado http://www.mdi.lu/telechargements/Doc%20tech%20Airpod%20%20Airpod%20specs.%202014.pdf

de:

 FORD DIRECT. FORD, 2016. Tomado http://www.electromaps.com/coches-electricos/ford/focus-electric

de:

 ECOMOTOR. Tata Airpod: a producción el concepto de coche impulsado por aire comprimido. Europa Press. 2012. Sitio web: http://www.eleconomista.es/ecomotor/novedades/noticias/4193635/08/12/T ata-Airpod-a-produccion-el-concepto-de-coche-impulsado-por-airecomprimido.html 74

 NEUMAC. Motores neumáticos características generales. NEUMAC, S.A., Zaragoza, diciembre, 2004.Sitio web: http://www.atlascopco.com/microsites/Images/Air_Motors.ES_tcm6591547881.pdf  ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS BILBAO. Generación y distribución de aire comprimido. Escuela superior de ingenieros Bilbao, 2010. Sitio web: http://www.ehu.eus/manufacturing/docencia/359_ca.pdf  GORRINDO, Ismael. Adaptación de un motor neumático a un coche de golf. Tudela: Universidad pública de Navarra. Escuela técnica superior de ingenieros industriales y de telecomunicación, 2010. Sitio web: http://academicae.unavarra.es/xmlui/bitstream/handle/2454/2155/577236.pdf?sequence=1&i sAllowed=y  TAPIA, Rodrigo. Y TERÁN Rafull. Propuesta de un motor neumático de aletas para aplicación en aeromodelos de ala fija con envergadura máxima de 50 centímetros. Reporte final de investigación para obtener el título de Ingeniero en Aeronáutica. México D.F.: Instituto politécnico nacional unidad ticomán, 2007. Sitio web: http://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/11980/1450%202007.pdf?se quence=1  CAVASSI, Jóse. ¿Qué es una batería de ciclo profundo? Cavadevices. Buenos Aires, 2010.  MOYER, Elisabeth. Heat to work. Department of geophysical sciences, 2010. Sitio web: http://geosci.uchicago.edu/~moyer/GEOS24705/Notes/Lecture4Slides.pdf  GAVIRIA, Jorge. MORA, Jorge, RAMIRO, John. Historia de los motores de combustión interna. En: Revista facultad de ingeniería. Universidad de Antioquia, Junio, 2002. Vol. 26 Sitio web: http://ingenieria.udea.edu.co/investigacion/grupogas/docs/Historia%20de%2 0los%20motores%20de%20combustin%20interna.pdf

 CASSANI, Marcelo. Motores neumáticos. En: ac+h. Pneumatic service SA. Bs.As.-Argentina, Mayo, 2011. Sitio web: https://marcelocassani.files.wordpress.com/2011/06/ach-542.pdf  ESCALONA, Iván. Neumática - Actuadores Neumáticos y Sus Aplicaciones en la Ingeniería Industrial. Universidad tecnológica de Querétaro, 2006. Sitio web: http://www.monografias.com/trabajos13/actuneu/actuneu.shtml  MUÑOZ, Enrique. OPL. LECCIÓN DE UN SOLO PUNTO. Enrimusa.com, mayo, 2013 Sitio web: http://blog.enrimusa.com/category/mantenimiento/  CONTRERAS, Eybar Farith y SANCHEZ, Rolando. Diseño y construcción de un banco de prácticas en motores eléctricos, como apoyo a la asignatura diseño de máquinas II. Trabajo de grado Ingeniero Mecánico. Bucaramanga: Universidad industrial de Santander. Facultad de ingenierías físico mecánicas, 2010.Sitio web: http://tangara.uis.edu.co/biblioweb/tesis/2010/133923.pdf  RAMOS, Félix. Descripción general de las máquinas de corriente directa. Monografía que para obtener el título de ingeniero mecánico electricista. Xalapa: Universidad Veracruzana. Facultad de ingeniería mecánica eléctrica, 2011.  AZPIROZ. Mikel. Cambios automáticos y derivados. Ingeniero Industrial, Sevilla: Tecum, 2003.  BOSCH. Manual de baterías Bosch. 2014. Sitio http://www.serverwin.autonauticasur.com/Uploads/Bosch-NTC002%20Baterias%20Jun14.pdf

web:

 MEGGER. Guía para prueba de baterías. Ed. 2. 2010. 4 p.  MINISTERIO DE DEFENSA DE ESPAÑA. Monografías del SOPT propiedades y aplicaciones del grafeno. Julio, 2013. ISBN: 978-84-9781868-1. 51 p.  HUERTA, Gabriel. Gestor de carga de baterías (BMS). Escuela Politécnica Superior Universidad de Burgos. Grado en Electrónica Industrial y Automática. Julio de 2014. 33 – 34 p. 76

 BELLO, Marco. PINO, María. Medición de presión y caudal. Ministerio de agricultura de Chile. Instituto de investigaciones agropecuarias, 2000. Sitio web: http://www2.inia.cl/medios/biblioteca/boletines/NR25635.pdf  CONDE, Fátima. Gas ideal. Universidad de Sevilla. Dpto. Física Aplicada III, 2008.Sitio web: http://www.esi2.us.es/DFA/FFII/Apuntes/Curso%200708/termo3.pdf  FORD DIRECT. Focus Electric. http://es.ford.com/cars/focus/trim/electric/

FORD,

2016.

Sitio

web:

 BUN-CA. Manual técnico de motores eléctricos. PEER, Diseño Editorial S. A San José – Costa rica: Bun-ca, marzo,2009. Sitio web: http://bunca.org/publicaciones/manuales/ManualesTecnicos03Agosto2011/Motores.p df  WILDI, Theodore. Máquinas eléctricas y sistemas de potencia. Traducido por Rodolfo Navarro Salas. 6 ed. Pearson Educación. México D.F.: Universidad nacional autónoma de México, 2007.  FREYSSENET, Michel. Lo más dudoso no es lo más improbable: el coche eléctrico. La nueva revolución del automóvil. Ayuntamiento de Valladolid, Fundación CEU-San Pablo Castilla y León, 2011.Sitio web: http://www.freyssenet.com/files/Lo%20mas%20dudoso%20no%20es%20lo %20mas%20improbable%20el%20coche%20electrico%20La%20nueva%2 0revolucion%20del%20automovil.pdf  LLAMUCA, Juan Carlos. El Motor. El motor con sus funciones y partes. Tecnológico Carlos Cisneros. Riobamba Ecuador, 2015.  PALAFOX, Gerardo. Diseño y construcción de un vehículo eléctrico con variador de velocidad mediante un convertidor CD-CD. Tesis para obtener el título de: Ingeniero en electrónica. Huajuapan de león, Oxaca, 2009.  BENAVIDES, Henry. LEÓN, Gloria. IDEAM: Información técnica sobre gases de efecto invernadero y el cambio climático. Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales -. 2007.

 ASOCIACIÓN DE ACADEMIAS DE LA LENGUA ESPAÑOLA. Real academia española, Automóvil. 2014. http://dle.rae.es/?id=4Tpk0J8  PRIOR. Historia del automóvil. En: Los automóviles y su Funcionamiento. Huntington Beach CA, USA, Teachercreatedmaterials, 2005.  LEÓN, Ángel Gustavo .Historia del automóvil. Protocolo de investigación que para acreditar la materia Métodos de Investigación 1. Naucalpan edo. de México, 2010.  AYALA A. Funciones en el sector del automóvil. El caso Dalmer-Benz y Chrysler: Grado en administración y dirección de empresas: Universidad de la rioja. España 2015.  JIMENEZ, Iván. Transferencia tecnológica sobre las nuevas tecnologías aplicadas en las cajas de velocidades utilizadas en los vehículos livianos. Planes de Trabajo para Investigaciones y Proyectos Tecnológicos. La Uruca, San José. Instituto nacional de aprendizaje.2007  HEIST, Heijs y BUESA, Mikel. Introducción conceptos básicos 1 ed. Madrid: Joost y Mike, 2016, 26 p. ISBN: 978-84-608-5151-6.  HUGO L. Y ALVA A. Historia del automóvil. Los primeros vehículos a vapor, 1 ed. Peru: 2005.  HUERTA, Gabriel Iliera. Gestor de carga de baterías (bms).Grado en electrónica industrial y automática. España: Universidad de Burgos, 2014.  JARA Santiago y ORDOÑEZ Víctor. Trabajo de graduación a la obtención del título de ingeniero en mecánica automotriz. Ecuador: Universidad del Azuay.  FRANCO David Torres. Estudio integral de parámetros técnicos y socioeconómicos para el desarrollo de un automóvil hibrido para operar como taxi en la ciudad de México. Doctorado en ciencias en ingeniería mecánica. México: Instituto politécnico nacional. 2012.

 ÁLZATE Juan. Medios de transporte, accidentes de tránsito y legislación en Medellín (Colombia) durante las tres primeras décadas del siglo XX. Resumen. Vol 4.Antioquia: 209.p.pISSN: 2145-132X  BAQUERO, Ismael. Breve reseñas históricas de las vías en Colombia, enero del 2014.  TORRES, Franco David: Estudio integral de parámetros técnicos y socioeconómicos para el desarrollo de un automóvil hibrido para operar como taxi en la ciudad de México. Doctorado en ciencia en ingeniería mecánica: Instituto politécnico nacional. Escuela superior de ingeniería mecánica y eléctrica unidad profesional Zacatenco. Sección de estudios de posgrado e investigación, 2012.  LIZCANO, Alejandra Hennssey. Estrategias de mercadeo para impulsar la comercialización de carros eléctricos en Bogotá. Especialización mercadeo de servicios .Bogotá DC: Universidad militar nueva granada, 2014.  OBSERVATORIO TECNOLÓGICO DE ENERGÍA. Mapa tecnológico movilidad eléctrica: Buenos aires, Observatorio tecnológico de la energía, 2012.  RENAULT ESPAÑA COMERCIAL, S.A. (RECSA). Renault twizy - Precios y especificaciones. Avda. de Burgos, 89 Madrid. Sitio web: http://www.renault.es/gama-renault/gama-vehiculoselectricos/twizy/twizy/precios-y-especificaciones.jsp  BAUKER. ELECTROCOMPRESORES DE PISTÓN LUBRICADOS. Manual de uso. Sitio web: http://www.bauker.com/manuales/compresores/electrocompresores_EURO _AB.pdf  VALENZUELA, Francisco. Modelado, simulación y puesta en marcha de una bancada de máquinas de imanes permanentes. Proyecto fin de carrera: ingeniería industrial, Sevilla: Universidad de Sevilla, 2012.  VALENCIA, Jorge. Mantenimiento de los sistemas transmisión y frenado. Mecánica Automotriz, 2010. 79

 ADRIANO, JUAN. Mecánica y entretenimiento simple del automóvil. Sistemas de frenado nuevas tecnologías, edición 2011.  ANTONIO. Mecánica y entretenimiento simple del automóvil. : Juan Antonio Adriano Cebrián. Sistema de frenado nuevas tecnologías, 2011.  EDICIONES META. Celadores-conductores del sas volumen II temario parte específica. Transmisión. caja de cambios. Árbol de transmisión. Diferencial. Palieres. Embrague, sumisión. Volumen II. Meta: Ediciones meta, Volumen II. 356. P .I.S.B.N. 84-8219-307-4  SOLÍS, Eduardo y MEJÍA, Gabriela. Implementación de un software para proceso de reparación y mantenimiento preventivo en el parque automotor del ilustre municipio del cantón píllaro provincia de tungurahua. Ingeniero automotriz. Riobamba – Ecuador: Escuela superior politécnica de Chimborazo, 2011.  PSA Group. Hybrid Air: An innovative full-hybrid petrol solution for the car of the future. Innovation, 2016. Sitio web: https://www.groupepsa.com/en/newsroom/automotive-innovation/hybrid-air/  EUROBAT. Guía EUROBAT para baterías de tracción de válvula regulada (VRLA). Brussels Belgium, 2013.  AZPIROZ. Mikel. Cambios automáticos y derivados. Ingeniero Industrial, Sevilla: Tecum.2003.57p. Sitio web: http://www1.ceit.es/automocion/files/ebooks/Cambios_Automaticos.pdf  ABELLA, Miguel. Sistemas fotovoltaicos. Master en energías renovables y mercado energético. CIEMAT. Madrid, 2014.  COLLAR, Rodrigo. La influencia de Tesla Motors Inc. en la producción de baterías de iones de litio Período 2003-2013. 2014.  VIANO, Víctor. Frenos de tambor y de disco. EN: Los frenos en el automóvil.2 ed. España, Víctor Viano, 1996.103. Sitio web: https://es.scribd.com/doc/275665960/Los-Frenos-Del-Automovil.

 JIMENEZ, Iván. Transferencia tecnológica sobre las nuevas tecnologías aplicadas en las cajas de velocidades utilizadas en los vehículos livianos. Planes de Trabajo para Investigaciones y Proyectos Tecnológicos. La Uruca, San José. Instituto nacional de aprendizaje.2007.13p. Sitio web. http://www.ina.ac.cr/mecanica_de_vehiculos/nuevas%20tecnologias%20apli cadas%20en%20las%20cajas%20de%20velocidades%20utilizadas%20en %20%20los%20vehiculos%20livianos.pdf.  PALAFOX, Gerardo Israel. Diseño y construcción de un vehículo eléctrico con variador de velocidad mediante un convertidos CD – CD. Ingeniero en electrónica. Oaxaca – México: Universidad tecnológica de la mixteca.2009. Sitio web: http://jupiter.utm.mx/~tesis_dig/10990.pdf