Diseño y construcción de un vehículo ultraeficiente.

Abstract

El presente proyecto consistió en la construcción de un vehículo ultraeficiente para participar en la competencia Shell Eco-Marathon 2014, dentro la categoría prototipo etanol. Ésta es una competencia organizada por Shell Internacional, que se lleva a cabo en Houston, Texas; en la que estudiantes deben diseñar, construir y manejar vehículos especiales para lograr alcanzar consumos de combustible altamente eficientes. El equipo ganador es aquel que recorra la mayor distancia con la menor cantidad de combustible.

El proyecto se manejó en dos fases, el diseño y la construcción del vehículo. Tras haber haber concluido con la construcción se procedió a realizar pruebas en Guatemala, las que fueron concluidas durante la competencia y tras regresar de la misma. Con estas pruebas se aseguró que el vehículo cumpla con todos los requerimientos establecidos por la competencia.

El módulo de chasis y carrocería consistió en el diseño y construcción del chasis y carrocería. El chasis fue fabricado con tubería cuadrada de aluminio de 1 pulgada y cuenta con una barra antivuelco y barras de protección laterales. La carrocería fue fabricada con fibra de vidrio y las ventanas fueron fabricadas con acrílico y termoformadas para ajustarse a la carrocería. El chasis pesó 12.42 kg, con un factor de seguridad de 4, pero las placas traseras fallaron al tener un factor de seguridad de 0.06. Las barras laterales y la barra antivuelco protegen al conductor en un caso de choque con un factor de seguridad de 2.5 y de 10 respectivamente. La carrocería pesó 24.04 kg y se logró un coeficiente de arrastre teórico de 0.18. El peso de la carrocería fue muy alto debido al proceso de manufactura utilizado.

El módulo de dirección consistió en el diseño y construcción de un mecanismo de barras que permitiera al vehículo cumplir con el radio de giro establecido de 8 m y la implementación de un sistema de levas para remover el timón y permitir que el conductor saliera en 10 s. El módulo de frenos consistió en la adaptación de frenos Shimano Deore.

El módulo de transmisión de potencia comprende diseñar y construir un sistema que cumpla con los requerimientos de la competencia, y que logre que la potencia del motor llegue de la manera más eficiente a la rueda motriz. Por requerimiento de la competencia el carro debe contar con un embrague. El vehículo también contará con un sistema de velocidades para que el motor trabaje siempre en el rango de revoluciones más eficiente. Como complemento al sistema de velocidades se diseñará una caja reductora 12:1 con engranajes de polímero la cual multiplica el torque del motor para que sea capaz de impulsar al carro.

El vehículo utiliza un motor Honda GXH50, que utiliza un carburador de tipo flotante para suministrar el combustible. Para que este pudiera funcionar con etanol, fue necesaria la instalación de un sistema de inyección ECOTRONS (sistema de inyección electrónica de combustible, para motores pequeños), cambiando el flujo másico de inyección de combustible a 16.996 g/min, utilizando una presión de inyección de 2bar con ayuda de un sistema de presurización y ajustando el ángulo de encendido con un valor de -70º. Con estos cambios se midió el rendimiento del motor para ambos combustibles, de manera estacionaria en el banco de trabajo, obteniendo como resultado 0.5220 L/h para la gasolina y 0.1380L/h para el etanol. Es importante mencionar, que para el rendimiento de la gasolina se utilizó el carburador, mientras que para el etanol se utilizó el inyector.

Adicionalmente se realizó un análisis Orsat para los gases de combustión, obteniendo la eficiencia de la combustión por el método indirecto, teniendo como resultado una eficiencia promedio de 61.63%. Así mismo, se realizó el cálculo de la eficiencia térmica con Ciclo Otto y con el Ciclo de Carnot, obteniendo como resultado eficiencias de 78.18% y 82.39% respectivamente. La eficiencia total del vehículo fue de 67.75%, cálculo que toma en cuenta las pérdidas de potencia por arrastre aerodinámico, resistencia a la rodadura y pérdidas en el sistema de transmisión de potencia.

El vehículo cuenta con un sistema de monitoreo y posicionamiento inalámbrico que permitió brindar herramientas de seguridad y protección al piloto, así como el monitoreo de las condiciones ambientales adecuadas dentro del vehículo, a través de la medición de temperatura y humedad de la cabina, posición del vehículo en la pista y detección de vehículos adversarios.

La planificación y coordinación del proyecto, tuvo una duración de nueve meses, una inversión de 1,559.01 horas/hombre y un retraso de tres meses aproximadamente de la planificación inicial. Se determinó que el módulo de trasmisión y potencia y las actividades del transporte del vehículo, son las actividades críticas, y de mayor inversión de tiempo y recursos económicos.

El presupuesto total ejecutado en el 2014, incluyendo los costos de la construcción del vehículo y la competencia fue de Q191, 858.66. Se diseñó un proceso de patrocinio, siendo los patrocinadores la principal fuente de ingresos del proyecto, en el cual se seleccionó los mercados objetivos en base a las necesidades que requiere el proyecto y a los beneficios que se puede obtener de estos. Según las necesidades del proyecto, este proceso se debe enfocar a las empresas de servicios y a las que aporten recursos económicos, ya que estas representan un 73% del presupuesto ejecutado 2014.