Simulación y análisis de la dinámica de un motor de combustión interna de cinco cilindros manufacturado por Volkswagen, mediante el software Virtual Lab

En esta tesis se presenta el proceso de desarrollo en la creación de un modelo virtual de un tren de bielas para un motor de cinco cilindros; para posteriormente realizarle un análisis dinámico y finalmente validar y analizar los resultados obtenidos. El modelo virtual en cuestión representa un motor de producción de Volkswagen de México, el cual consta de cinco cilindros en línea y entrega 125kW de Potencia; éste motor es usado para el auto "Bora" en su versión "Sport". Esta tesis resalta el uso de las pruebas virtuales como una herramienta esencial en el diseño y análisis de mecanismos mecánicos, así mismo, se pretende validarla como una nueva alternativa para aplicarse a todo proceso de diseño obteniendo siempre un valor agregado sobre el producto y un ahorro de alguna índole principalmente en tiempo. El software utilizado para éste propósito fue Virtual.Lab, el cual es un software de análisis dinámico de mecanismos mecánicos fabricado por LMS. Mediante éste se establecen relaciones y características de los cuerpos en el mecanismo para posteriormente simular dinámicamente el ciclo de funcionamiento del mismo un número finito de veces, definido igualmente por el usuario. Por otro lado, para establecer todas las propiedades de éstos cuerpos se utilizo un modulo de programación que trabaja en conjunto con Virtual.Lab creando modelos de trenes de bielas. Este modulo es llamado PDS y está basado en tácticas confiables de modelado las cuales reducen enormemente el tiempo de modelación produciendo un modelo simplificado. Lo cual se logra mediante la introducción de valores para ciertos parámetros y especificaciones del tren de bielas que se desea simular; tales como la configuración de la maquina, propiedades de masa de los elementos componentes, geometría, valores de presión en la cámara de combustión, entre otros. En cuanto al desarrollo de este trabajo, se comenzó con los antecedentes del proyecto, es decir, las razones o causas que dieron pie a esta investigación; así como referencias de casos de aplicaciones de pruebas virtuales resaltando sus ventajas. Se continúo con un marco teórico el cual trata acerca de los fundamentos de los motores de combustión interna. Refiere acerca de los conceptos utilizados para la nomenclatura de los mismos, sus principales elementos componentes, su funcionamiento en cuanto a los ciclos termodinámicos, conceptos de dinámica enfatizando en vibraciones torsionales y las principales pruebas de motores. En el mismo capitulo se describen las características del motor R5 en cuanto a sus principales partes componentes y ensamblaje. Teniendo así una referencia teórica acerca de los fundamentos de motores, se siguió a dar una descripción detallada de Virtual.Lab así como sus capacidades en un ejemplo práctico, posteriormente se describieron cada uno de los parámetros necesarios para la creación del modelo de tren de bielas mediante PDS, se obtuvieron ya mencionados valores y fueron introducidos en PDS para completar la creación del modelo. Una vez completado un modelo del tren de bielas del motor R5, se analizaron las características del modelo virtual y se resolvieron simulaciones para diferentes velocidades rotacionales. Paralelamente, en este punto, se realizaron mediciones físicas de las vibraciones torsionales del eje cigüeñal mediante el uso de un vibrómetro rotacional láser; esto con la finalidad de tener un punto de referencia en donde se supiera el rango de velocidad angular en el cual se encuentra la mayor resonancia del mecanismo físico por lo que en su modelo virtual habría de existir alguna similitud. Finalmente se obtuvieron resultados de las simulaciones y se procedió a efectuar una validación del modelo mediante dos tipos de correlaciones. La primera correlación fue sobre la carrera y velocidad del pistón; ésta correlación se hizo entre los resultados obtenidos mediante Virtual.Lab y aquellos obtenidos analíticamente por medio de la aplicación de formulas existentes en la teoría de mecánica, adaptadas al motor en cuestión. La segunda correlación fue sobre el par motriz y la potencia efectiva; esta vez los resultados obtenidos por Virtual.Lab fueron comparados con aquellos obtenidos mediante una prueba física hecha en dinamómetros en Volkswagen de México. Por último, habiendo validado el modelo virtual; se realizo un análisis acerca de la contribución de la fuerza de combustión en las reacciones de los cojinetes de bancada, así como un estudio de las vibraciones torsionales en el cigüeñal