UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS,
UTILIZANDO UN CONTROL ELECTRÓNICO, PARA
VERIFICAR EL FLUJO DE AIRE ANTES Y DESPUÉS DE UN
FILTRO DE AIRE, CON EL OBJETO DE DETERMINAR LA
CALIDAD FILTRANTE.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
ESTEBAN JAVIER TORRES MORENO DIRECTOR: ING. SIMON HIDALGO
DECLARACIÓN
Yo ESTEBAN JAVIER TORRES MORENO declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ Esteban Javier Torres Moreno
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS, UTILIZANDO UN CONTROL ELECTRÓNICO, PARA VERIFICAR EL FLUJO DE AIRE ANTES Y DESPUÉS DE UN FILTRO DE AIRE, CON EL OBJETO DE DETERMINAR LA CALIDAD FILTRANTE”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Esteban Javier Torres Moreno, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________ Ing. Simón Hidalgo DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Dedicado a mi familia, amigos y profesores que han logrado formarme para poder subir un peldaño más en mi vida.
AGRADECIMIENTOS
Primeramente a mi mamá Cristina Moreno que ha sido un pilar básico en mi vida y me ha guiado por un buen camino.
A mi familia, que han sido parte de la estructura en la que hoy me he convertido, en especial a mi hermana Cristina Torres y mi tío Raúl Moreno, a mi abuela Herna Hofmann y prima Sophie Kroft.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
1.INTRODUCCIÓN ... 1
1.2.OBJETIVOS DEL PROYECTO ... 2
1.2.1.OBJETIVO GENERAL ... 2
1.2.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 2
2. MARCO TEÓRICO ... 3
2.1. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR A COMBUSTIÓN INTERNA ... 3
2.2. MECÁNICA DE FLUIDOS ... 6
2.2.1. FLUIDO LÍQUIDO ... 7
2.2.2. FLUIDO GASEOSO ... 7
2.2.3. CAUDAL ... 7
2.2.3.1. Anemómetro ... 8
2.2.4. PRESIÓN ... 11
2.2.5. DENSIDAD ... 12
2.2.6. DINÁMICA DE FLUIDOS ... 12
2.3. EL FILTRO EN EL CAMPO AUTOMOTRIZ ... 14
2.3.1. TIPOS DE FILTROS EN EL AUTOMÓVIL ... 14
2.4. ESPECIFICACIONES DEL FILTRO DE AIRE ... 15
2.4.1. CLASIFICACIÓN DE FILTROS DE AIRE ... 16
2.4.2.1. Tipos de membrana o material filtrante ... 18
ii
2.4.5. MEDIDA DEL RENDIMIENTO DEL FILTRO ... 26
2.4.6. NORMAS IMPLICADAS EN LA FABRICACIÓN DE FILTROS DE AIRE ... 27
2.4.7. MÉTODOS DE ENSAYOS PARA FILTROS ... 27
2.4.7.1. Ensayo single-pass ... 28
2.4.7.2. Ensayo multi-pass ... 28
2.5. PRUEBAS DE FLUJO A LOS FILTROS DE AIRE ... 29
2.6. EL SENSOR ... 32
2.6.1. INTRODUCCIÓN A SENSORES ... 32
2.7. EL SENSOR MAF ... 33
2.7.1. TIPOS DE SENSOR MAF ... 33
2.7.2. PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR MAF ... 34
3. METODOLOGÍA ... 37
3.1. MÉTODOS ... 37
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSION ... 41
4.1 ALCANCE ... 41
4.2. ELECCIÓN DEL TIPO DE FILTRO DE AIRE ... 41
4.2.1. MODELO NISSAN SENTRA B13 ... 45
4.2.2. SEGURIDAD DEL NISSAN SENTRA B13... 45
4.3. ELECCIÓN SENSOR MAF ... 46
4.4. ELECCION DEL MOTOR ASPIRADOR DE AIRE ... 48
iii
4.5.1. Esquema y plano del banco de pruebas ... 52
4.6. CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS ... 55
4.6.1. MATERIALES ... 55
4.6.2 HERRAMIENTAS / TÉCNICAS ... 63
4.6.2 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS ... 68
4.6.3 MANUAL DE USO DEL BANCO DE PRUEBAS CONSTRUIDO. ... 78
4.7. ANÁLISIS DE PRUEBAS Y RESULTADOS ... 81
4.7.1 BANCO DE PRUEBAS DE FILTROS DE AIRE ... 82
4.7.1.1. Filtro de aire alterno ... 84
4.7.1.2. Filtro de aire original ... 85
4.7.1.3. Filtro de aire de competencia tipo panel ... 86
4.7.2 PRUEBA MICROSCÓPICA: ... 87
4.7.2.1. Filtro de aire original ... 87
4.7.2.2. Filtro de aire alterno ... 89
4.7.2.3. Filtro de aire de competencia ... 90
4.7.3. PRUEBAS DE GROSOR DEL ELEMENTO FILTRANTE ... 92
4.7.3.1. Filtro de aire alterno ... 93
4.7.3.2. Filtro de aire original ... 93
4.7.3.3. Filtro de aire de competencia ... 94
4.7.3.4. Tablas de resultados grosor de membrana ... 94
4.8. TABLAS DE RESULTADOS ... 95
4.9. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 97
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 103
iv 5.2. RECOMENDACIONES ... 104
v
INDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Tipos de fluidos. ... 13
Tabla 2. Medida de rendimiento del filtro. ... 26
Tabla 3. Normas para filtros y pruebas a filtros. ... 27
Tabla 4. Símbolos y unidades bajo norma ISO 5011. ... 29
Tabla 5. Precisión de la medida según los parámetros. ... 30
Tabla 6. Distribución del tamaño de las partículas. ... 31
Tabla 7. Composición química del polvo. ... 31
Tabla 8. Cables del sensor MAF. ... 34
Tabla 9. Ejemplo de señal de un sensor MAF. ... 35
Tabla 10. Problemas por fallo del sensor MAF. ... 36
Tabla 11. Modelos de taxi más populares en el D.M.Q. ... 43
Tabla 12. Medidas y resultados del grosor de papel filtrante ... 95
Tabla 13. Voltaje - Caudal de cada filtro de aire ... 96
Tabla 14. Filtro - Voltaje ... 96
Tabla 15. Porcentaje de caudal. ... 97
Tabla 16. Presión y caudal de aire después del filtro de aire. ... 100
Tabla 17. Recorrido – Tiempo. ... 100
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Primer tiempo del motor. ... 4
Figura 2. Segundo tiempo del motor. ... 4
Figura 3. Tercer tiempo del motor. ... 5
Figura 4. Cuarto tiempo del motor. ... 6
Figura 5. Anemómetro de compresión. ... 9
Figura 6. Anemómetro de empuje. ... 9
Figura 7. Anemómetro de hilo caliente. ... 10
Figura 8. Anemómetro de rotación. ... 10
Figura 9. Anemómetro sónico. ... 11
Figura 10. Membrana Fibrosa. ... 18
Figura 11. Membrana porosa. ... 19
Figura 12. Membrana porosa capilar. ... 19
Figura 13. Filtro para fábrica. ... 20
Figura 14. Filtro tipo panel de poliuretano. ... 21
Figura 15. Filtro tipo panel de propileno. ... 21
Figura 16. Filtro cónico de poliuretano. ... 22
Figura 17. Filtro tipo platillo. ... 23
Figura 18. Filtro metálico. ... 23
Figura 19. Filtro cilíndrico de poliuretano. ... 24
Figura 20. Filtro de sello radial. ... 25
Figura 21. Filtro ecológico. ... 25
Figura 22. Ubicación del sensor MAF. ... 33
Figura 23. Señal analógica y digital del sensor MAF. ... 35
Figura 24. Filtro de aire alterno Nissan Sentra B13. ... 44
Figura 25. Filtro de aire original Nissan Sentra B13. ... 44
Figura 26. Filtro de aire tipo panel K&N para competencia. ... 44
Figura 27. Número de cables del Sensor MAF marca Bosch. ... 47
Figura 28. Anemómetro de hilo caliente (UTE). ... 48
Figura 29. Proceso de medición con la vara del anemómetro. ... 49
vii
Figura 31. Material eléctrico. ... 56
Figura 32. Abrazaderas plásticas y metálicas. ... 56
Figura 33. Componentes eléctricos. ... 56
Figura 34. Aglomerado changuan. ... 57
Figura 35. Spray de pintura negra. ... 57
Figura 36. Pistola de silicona. ... 58
Figura 37. Pega epóxica. ... 58
Figura 38. Motor de succión de aire. ... 59
Figura 39. Control electrónico de reducción de voltaje. ... 59
Figura 40. Banco móvil de herramientas. ... 60
Figura 41. Sensor MAF marca Bosch. ... 60
Figura 42. Multímetro digital. ... 61
Figura 43. Manguera flexible. ... 61
Figura 44. Depurador de aire del vehículo Chevrolet Spark (4 cilindros). ... 61
Figura 45. Filtro de aire alterno. ... 62
Figura 46. Filtro de aire original. ... 62
Figura 47. Filtro de aire tipo panel de competencia. ... 63
Figura 48. Filtro de aire Chevrolet Spark. ... 63
Figura 49. Caja de herramientas TopTul 130 piezas. ... 64
Figura 50. Pinzas y pelacables. ... 64
Figura 51. Cautín y estaño. ... 65
Figura 52. Multímetro digital. ... 65
Figura 53. Pistola de calor. ... 66
Figura 54. Dremel. ... 66
Figura 55. Microscopio digital. ... 67
Figura 56. Medidor de grosor de 0 a 1250 micras. ... 67
Figura 57. Plano AutoCAD banco de pruebas 1. ... 53
Figura 58. Plano AutoCAD banco de pruebas 2. ... 54
Figura 59. Banco de herramientas armado ... 68
Figura 60. Montaje sensor MAF antes del filtro de aire. ... 69
Figura 61. Montaje del sensor MAF después del filtro de aire. ... 69
viii
Figura 63. Corte de orificios en el banco de herramientas 1. ... 70
Figura 64. Corte de orificios en el banco de herramientas 2. ... 70
Figura 65. Elaboración de topes para los multímetros 1. ... 71
Figura 66. Elaboración de topes para los multímetros 2. ... 71
Figura 67. Modificaciones al control electrónico de succión. ... 72
Figura 68. Acople de Jacks en el banco de pruebas. ... 72
Figura 69. Aplicación de papel contac en la base del banco de pruebas. ... 72
Figura 70. Instalación de multímetros en el banco de pruebas. ... 73
Figura 71. Modificación a los topes medidores de los multímetros. ... 73
Figura 72. Elaboración del puente de diodos rectificadores. ... 74
Figura 73. Instalación de regulador de voltaje 7805. ... 74
Figura 74. Alimentación a los sistemas eléctricos. ... 75
Figura 75. Unión de componentes al motor de succión de aire. ... 75
Figura 76. Paredes del banco de pruebas pintadas. ... 76
Figura 77. Stickers informativos. ... 76
Figura 78. Probeta. ... 77
Figura 79. Imagen 60 Banco de pruebas terminado 1. ... 77
Figura 80. Banco de pruebas terminado 2. ... 78
Figura 81. Voltaje sensor MAF (KOEO). ... 83
Figura 82. Voltajes sin filtro de aire. ... 83
Figura 83. Probeta filtro de aire alterno. ... 84
Figura 84. Voltajes en filtro de aire alterno. ... 84
Figura 85. Probeta con filtro de aire original. ... 85
Figura 86. Voltajes en filtro de aire original. ... 85
Figura 87. Probeta con filtro de aire de competencia. ... 86
Figura 88. Voltajes en filtro de aire de competencia. ... 86
Figura 89. Ampliación 150x filtro de aire original 1. ... 88
Figura 90. Ampliación 150x filtro de aire original 2. ... 88
Figura 91. Ampliación 150x filtro alterno 1. ... 89
Figura 92. Ampliación 150x filtro alterno 2. ... 90
Figura 93. Ampliación 50x filtro de competencia 1. ... 91
ix
Figura 95. Medida de grosor sin filtro. ... 92
Figura 96. Medida de grosor filtro alterno. ... 93
Figura 97. Medida de grosor filtro original. ... 93
x
INDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS NISSAN SENTRA B13. ... 109 Anexo 2.
EVALUACIÓN DE SEGURIDAD LATIN NCAP EN NISSAN
SENTRA B13. ... 111 Anexo 3.
MANUAL DE USO DEL BANCO DE PRUEBAS CONSTRUIDO. ... 113 Anexo 4.
NORMA ISO 5011 y SAE J726 ... 115 Anexo 5.
xi
RESUMEN
xii sellado óptimo para soportar un filtro de aire de un alto grosor, teniendo fugas y alteraciones en los resultados y medidas.
ABSTRACT
2
1.
INTRODUCCIÓN
El filtro de aire es un elemento muy importante del motor a combustión de los vehículos, el aire que necesita el motor, está lleno de oxigeno que junto con un combustible logra su funcionamiento y posteriormente un desplazamiento o movimiento de todo el auto. Sin embargo ese aire con oxígeno también tiene otros compuestos no deseados, como polvo, insectos, impurezas y polución, que si llegan a entrar al motor pueden causar un gran deterioro y serios daños al mismo. Para resolver este problema los fabricantes de motores y vehículos crearon un elemento a base de fibras especiales que funcionaria para dejar pasar el aire y oxigeno del ambiente, pero también debía retener agentes no deseados, a este elemento lo llamaron filtro de aire.
El presente trabajo se desarrolla por la necesidad de saber que sucede con el flujo y presión de aire bajo diferentes tipos de filtros y variables que los afectan.
En esta tesis se escoge cierto vehículo para estudiar su filtro de aire y someterlo a diferentes pruebas y ensayos de varios tipos, para posteriormente estudiar y analizar sus resultados. También Se diseña y construye un banco de pruebas modular para filtros de aire, instalando un control electrónico, con el cual se simulará el ingreso del aire hacia el motor y mediante un sistema de medición de flujo de aire, basado en los sensores MAF (Mass Air Flow en inglés) se podrá interpretar la cantidad de flujo antes y después del filtro de aire que se pondrá a prueba, para así comprobar su calidad filtrante en base a la variación de flujo de aire existente.
2 copilando conclusiones y recomendaciones con respecto a la calidad de cada filtro y cuál es el más conveniente para ser usado.
1.2. OBJETIVOS DEL PROYECTO
1.2.1. OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir un banco de pruebas, utilizando un control electrónico, para verificar el flujo de aire antes y después de un filtro de aire, para determinar la afectación del flujo de aire que ingresa al motor utilizando diferentes filtros de aire en el mercado y sus variables en su membrana filtrante.
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Investigar y determinar los tipos de filtros de aire existentes.
2. Seleccionar, definir y justificar el tipo de filtro que se usara en el banco de pruebas de filtros de aire.
3. Diseñar y construir el banco de pruebas para filtros de aire, el cual deberá ser modular para la posterior implementación de sistemas donde realizar más pruebas.
3
2. MARCO TEÓRICO
2.1. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR A COMBUSTIÓN
INTERNA
El motor es el encargado de generar poder para mover el vehículo. Éste transforma un movimiento vertical en rotatoria, tipo manivela, para dar la energía suficiente a la transmisión del vehículo que envía la fuerza de rotación del motor hacia los neumáticos, haciendo que el auto se mueva. (Álvarez Flórez, 2005)
Actualmente, el motor funciona en cuatro pasos conocidos como cuatro tiempos. Estos son: admisión, compresión, explosión y escape, que en conjunto con un pistón, biela y manivela (mejor conocida como cigüeñal), se repiten todo el tiempo y se multiplican por la cantidad de cilindro del motor. (Calvo Martín & Miravete de Marco, 1997)
Primer tiempo (Admisión): Al inicio de este tiempo, el pistón se encuentra en el punto más alto del cilindro, llamado P.M.S. (Punto Muerto Superior); al moverse hacia el punto más bajo del cilindro, llamado P.M.I. (Punto Muerto Inferior), crea un vacío dentro de la cámara de combustión y provoca que entre aire limpio que contiene oxígeno. El aire es mezclado con combustible y su unión se llama “mezcla aire-combustible”. (Garcia Murillo, 1987) (Ver figura 1)
4 lo requiera, generalmente cuando ya está muy sucio entre los cinco mil y diez mil kilómetros, sin embargo dependerá y se tomará en cuenta el medio ambiente en el que se circule con el vehículo.
Figura 1. Primer tiempo del motor.
5 Figura 2. Segundo tiempo del motor.
6 Figura 3. Tercer tiempo del motor.
7 Figura 4. Cuarto tiempo del motor.
2.2. MECÁNICA DE FLUIDOS
La palabra fluido proviene del latín Fluere, que significa fluir. Todo cuerpo que tiene la capacidad de fluir, carece de rigidez y cede inmediatamente a cualquier fuerza que altere su forma, adoptando la del recipiente que lo contiene, es un fluido. (Orozco, 2014)
8 en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. (Grubelnik & Marhl, 2005)
Los gases y los líquidos son fluidos porque ante el efecto de cualquier fuerza externa, por mínima que sea, se produce deformación y movilidad.
2.2.1. FLUIDO LÍQUIDO
En los fluidos líquidos, las partículas se mueven libremente gracias a las fuerzas intermoleculares; sin embargo, mantienen su volumen constante y fijo. Otra de sus propiedades es que ejercen presión sobre los cuerpos sumergidos en ellos o sobre las paredes del recipiente que los contiene. A esta se la conoce como presión hidrostática. (Orozco, 2014)
2.2.2. FLUIDO GASEOSO
Al contrario de los líquidos, los gases constan de partículas separadas en movimiento que chocan unas con otras, produciendo dispersión. Por este motivo, los gases no tienen volumen definido y adquieren la forma del recipiente que los contiene y el mayor cuerpo posible al expandirse. Sin embargo, su volumen disminuye cuando se aplican fuerzas. (Orozco, 2014)
2.2.3. CAUDAL
9 espacio por unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. (Grubelnik & Marhl, 2005)
Cuando un fluido que llena un tubo corre a lo largo de este tubo con rapidez o velocidad lineal promedio ̅, el caudal o descarga es: (Ver Formula 1)
[ 1] ̅
Donde: Es caudal. Es el área.
̅ Es velocidad lineal promedio.
Donde Q representa el flujo y sus unidades son en el sistema internacional m³/s y en el sistema inglés son pie³/m. A es el área de la sección transversal del tubo y v es la masa del fluido. (Bueche & Hetch, 2007)
2.2.3.1. Anemómetro
El anemómetro es un instrumento que permite medir la velocidad del viento o de un fluido, se mide en kilómetros por hora o metros sobre segundo. Hay anemómetros que también miden dirección y temperatura del flujo. Existen de varios tipos de anemómetros, como por ejemplo: (Revilla, 2008)
10 Figura 5. Anemómetro de compresión.
Anemómetro de empuje: El viento empuja una palanca conectada a una esfera la cual moverá una aguja, indicando la velocidad del viento. (Ver figura 6) (Revilla C., 2008)
Figura 6. Anemómetro de empuje.
11 Figura 7. Anemómetro de hilo caliente.
Anemómetro de rotación: Se trata de un eje con aletas tipo cucharas, las cuales giraran, la velocidad del giro será proporcional a la velocidad del viento. (Ver figura 8) (Revilla, 2008)
Figura 8. Anemómetro de rotación.
12 Figura 9. Anemómetro sónico.
2.2.4. PRESIÓN
La presión es una fuerza que se ejerce en directamente o de forma
perpendicular sobre un área de una superficie y su valor en el sistema
internacional es Newton/metro² y se conoce como Pascal (Pa) y en el
sistema ingles Libras/pulgada². También hay otras representaciones de
presión, por ejemplo 101325 Pa = 1 atmosfera (atm) y también 1 atm =
760 mmHg (milímetros de mercurio).
Aplicando una determinada fuerza sobre una un fluido (el cual se
comprenden fluidos líquidos, gaseosos y sólidos), este se desplaza o
fluye en cierta o ciertas direcciones. Se define como: (Ver formula 2)
(Mott, 2006)
[2]
Donde:
Es la presión.
13 Es el caudal del fluido.
2.2.5. DENSIDAD
La densidad es una magnitud que se utiliza en los fluidos y se representa con la letra griega ρ (Rho). La densidad se la puede definir como la relación que existe entre la masa de un fluido y el volumen que este ocupa y se expresa de la siguiente manera: (Ver formula 3)
[3]
Donde:
Es la densidad. Es la masa. Es el volumen.
Una variable a considerar es la presión y también la temperatura en la que se encuentra el fluido ya que su volumen cambiara con el cambio de estas variables. Por ejemplo la densidad del aire a cero grados centígrados y una atmosfera de presión es de 1,293 kilogramos/metro cúbico y el mismo aire a veinte cinco grados centígrados y una atmosfera de presión es aproximadamente de 1,185 kilogramos/metro cúbico. Su unidad de medida en el sistema internacional es el kilogramo sobre metro cúbico (kg/m³). (Mott, 2006)
2.2.6. DINÁMICA DE FLUIDOS
14 La medición adecuada del flujo es esencial para el control de procesos industriales, transferir la vigilancia de fluidos y evaluar rendimientos de motores, sistemas de refrigeración y otros sistemas que emplean fluidos en movimiento. (Mott, 2006)
Los fluidos tiene diferentes viscosidades, por ejemplo no será lo mismo dar la vuelta un vaso de agua, que dar la vuelta un vaso con espumilla, la viscosidad en los fluidos será lo que el rozamiento en los sólidos se llamara un fluido ideal a aquel que fluya sin dificultad alguna cuya viscosidad sea la más cercana a cero. En la siguiente tabla se encuentran las características principales del comportamiento de un fluido ideal, teniendo en cuenta el tipo de fluido que son: no viscoso, estacionario, incompresible e irrotacional, todos con sus características físicas. (Ver tabla 1)
Tabla 1. Tipos de fluidos. Tipo de fluido Características
Fluido no viscoso Se desprecia la fricción interna entre las distintas partes del fluido.
Flujo estacionario La velocidad del fluido en un punto es constante con el tiempo.
Fluido incompresible La densidad del fluido permanece constante con el tiempo.
Flujo irrotacional No presenta torbellinos, es decir, no hay momento angular del fluido respecto de cualquier punto.
15
2.3. EL FILTRO EN EL CAMPO AUTOMOTRIZ
Para entender la función del filtro en el campo automotriz es importante conocer su significado. Un filtro es un dispositivo por el que pasan fluidos y es generalmente utilizado para retener partículas contaminantes y no permitir que se introduzcan impurezas. (Miguel de Castro, 1998)
En el campo automotriz, su función es proteger los motores y otras maquinarias contra agentes externos como el polvo o diferentes tipos de suciedad, que penetran en el equipo mecánico. En un automóvil son cuatro los filtros principales: de aire, aceite, combustible y de aire de cabina. (Miguel de Castro, Inyeccion y encendido, 1998)
El empleo de filtros inadecuados puede reducir drásticamente la duración de un motor. El proceso de filtración correcto contribuye a reducir los riesgos y alargar la vida del motor. (Picabea Zubía & Ortega Oliva, 2010)
2.3.1. TIPOS DE FILTROS EN EL AUTOMÓVIL
Filtros de aceite:
Su principal función es despojar al aceite de suciedades para evitar la circulación de restos sólidos por el motor, que pueden causar desgastes. Los contaminantes son principalmente productos de oxidación, partículas de metal o restos de combustión que ingresan al vehículo a través de los respiraderos del motor. Los filtros contribuyen así a prolongar la duración del motor y del aceite. Con este filtro se protege principalmente conchas de bielas y cigüeñal. (Billet, 1979)
Filtros de combustible:
16 y por consiguiente también contra las fallas del motor ocasionadas por la misma. (González Calleja, 2012)
Filtro de aire de cabina:
Su función principal es eliminar las partículas de polvo y los elementos alergénicos que están en el aire ambiente. Para los vehículos que circulan constantemente por lugares muy transitados, la eficacia del filtro de cabina es primordial, porque protege a conductores y pasajeros de los elementos químicos nocivos que se encuentran en el ambiente. (Montero, 2012)
Filtros de aire:
La misión principal de este filtro es limpiar de manera eficaz el aire de combustión para proteger las partes internas del motor. El aire aspirado suele contener polvo y partículas silíceas, por lo que la instalación de un filtro de aire eficaz es de máxima importancia. Al no disponer de este filtrado, las partículas pueden depositarse sobre las paredes de los cilindros y mezclarse con el aceite de lubricación, formando una pasta abrasiva capaz de producir su rápido desgaste. (Edgar J. Kates, 1981) El polvo del aire depende principalmente de la naturaleza del terreno y de la carretera por donde circula el vehículo. Este polvo produce un desgaste en las superficies de deslizamiento de los cilindros, en los pistones y en las guías de válvula. (Bohner, y otros, 1985)
Por este motivo es necesario sustituir periódicamente los filtros (cada 15.000 Km recorridos), sin embargo, la frecuencia de los cambios es relativa a la utilización del vehículo. (Alonso, 2004)
2.4. ESPECIFICACIONES DEL FILTRO DE AIRE
17 cierta distancia del carburador, unido mediante un tubo. (Agueda Casado & otros, 2009)
La función del filtro es purificar sometiendo al aire a bruscos cambios de dirección, para separar las partículas más gruesas. El aire es filtrado y las impurezas quedan retenidas en la materia filtrante, para ser retiradas en las operaciones de desmontaje. (Alonso, 2004)
Entre los requisitos más importantes para un filtro de aire están la elevada eficacia filtrante, que se refiere a la capacidad de retener la mayor cantidad de impurezas; buen poder acumulador, para funcionar durante largos periodos sin la necesidad de cambio de los materiales filtrantes o una limpieza; y finalmente, baja pérdida de carga, es decir, escasa resistencia al paso de aire. A máxima saturación debe resistir al menos 10mm de H2O de presión antes de comprometer su material filtrante. (Alonso, 2004)
Dentro de sus funciones, el filtro de aire actúa como silenciador, para reducir o eliminar el ruido producido por el aire que entra al motor. Adicional, éste puede intervenir como cortafuegos, evitando la propagación de llamaradas al exterior, que se produce ocasionalmente cuando existen deficiencias en los sistemas de encendido y carburación. (Alonso, 2004)
2.4.1. CLASIFICACIÓN DE FILTROS DE AIRE
Los filtros de aire se clasifican por los diferentes tipos existentes, las membranas o materias filtrantes y según su forma.
18 Filtros secos:
Estos filtros son los más utilizados por ser menos complejos en fabricación y montaje. (Revilla, 2008). Su función es separar el polvo mediante la intercalación de filtros de papel plegado. La vida de los cartuchos de papel depende de la magnitud de la superficie y del contenido de polvo del aire. Cuando este filtro está sucio hay que cambiarlo porque no se puede limpiar. (Bohner, y otros, 1985)
Filtros húmedos:
Los filtros húmedos están compuestos por un alambre de cobre o una malla de aluminio, impregnada de aceite, con el objetivo de retener todos los contaminantes posibles. A diferencia de los filtros secos, éstos pueden ser lavados y re-utilizados; sin embargo, el procedimiento de limpieza es trabajoso y su integridad no está garantizada. (Bohner, y otros, 1985) Filtros de baño de aceite:
Son una variante del filtro húmedo. Están conformados por un depósito de aceite y una malla como elemento filtrante. (Revilla, 2008)
El aire que ingresa en el filtro es conducido a la superficie del aceite. Las partes de polvo más pesadas se separan del aire al encontrarse con el baño de aceite, mientras que el polvo fino queda retenido en la malla filtrante. La duración de estos filtros es mayor debido a que se limpian automáticamente y requieren de menos cuidados que otras clases de filtros. Cuando el aceite de baño se hace oscuro y espeso debido a la cantidad de polvo acumulado, hay que cambiar el filtro y limpiar el depósito. (Bohner, y otros, 1985)
Filtros por centrifugación:
19 2.4.2.1. Tipos de membrana o material filtrante
Dentro de los filtros de aire existen cuatro tipos de membranas o material filtrante.
Filtro Fibroso: La característica principal de este material es la agrupación de finas fibras ordenadas perpendicularmente a la dirección y flujo de aire. Este tipo de material filtrante es el más popular dentro de la fabricación de los filtros de aire. Estos utilizan materiales como fibra de vidrio, plástico y principalmente de celulosa (derivada de la madera). Su tamaño está en el rango de submicrones y milímetros, y su alta porosidad es del 70% a más del 90%. La velocidad de aire adentro de los filtros fibrosos está en el orden de 10 cm/s. (Ver figura 10) (Sutherland, 2004)
Figura 10. Membrana Fibrosa.
20 Figura 11. Membrana porosa.
Filtro de Membrana Porosa Capilar: La membrana porosa capilar se caracteriza por tener una matriz cilíndrica de poros con un diámetro uniforme, aproximadamente perpendicular a la superficie del filtro. Se utiliza para la recolección de partículas, gracias a que su superficie blanda ayuda al escaneo microscópico de electrones. (Ver figura 12) (Sutherland, 2004)
21 Filtro para fábrica: Al filtro para fábrica se lo suele confundir generalmente con los filtros fibrosos, pero es utilizado en el área industrial para limpiar altas concentraciones de polvo. Está constituido por grandes bolsas de telas paralelas tejidas o de fieltro. Su eficacia depende de la capa de polvo que se acumula en los tejidos. Un ejemplo simplificado es la aspiradora casera. (Ver figura 13) (Sutherland, 2004)
Figura 13. Filtro para fábrica.
2.4.4. TIPOS DE FILTROS SEGÚN SU FORMA
Panel de Poliuretano: Este filtro está elaborado con celulosa especialmente tratada y su flexibilidad permite una mejor hermeticidad de la carcasa. Es uno de los más populares por su fácil fabricación y sus materiales económicos, su calidad depende de las normas que cumpla el fabricante del filtro. Pero el cliente deberá verificar en el empaque, que este cumpla con normas ISO5011 o SAE J726 (Ver anexo 4). Su material filtrante es de fibroso y sus características se pueden observar en el punto 2.4.2.1. “Tipos de membrana o material filtrante”.
22 Figura 14. Filtro tipo panel de poliuretano.
Panel de Propileno: Su característica principal es la rigidez, que le da mayor soporte al medio filtrante, al mantener la separación de los pliegues. El filtro de propileno está elaborado con fibra no tejida. Es uno de los más populares por su fácil fabricación y sus materiales económicos, su calidad depende de las normas que cumpla el fabricante del filtro. Pero el cliente deberá verificar en el empaque, que este cumpla con normas ISO5011 o SAE J726 (Ver anexo 4). Su material filtrante es de fibroso y sus características se pueden observar en el punto 2.4.2.1. “Tipos de membrana o material filtrante”. (Ver figura 15) (Montero, 2012)
23 Cónico de Poliuretano: La celulosa de este filtro está especialmente tratada y debido a su forma permite un mayor flujo de aire al motor. su calidad depende de las normas que cumpla el fabricante del filtro. Pero el cliente deberá verificar en el empaque, que este cumpla con normas ISO5011 o SAE J726 (Ver anexo 4). Su material filtrante es de poroso y sus características se pueden observar en el punto 2.4.2.1.“Tipos de membrana o material filtrante”. (Ver figura 16) (Montero, 2012)
Figura 16. Filtro cónico de poliuretano.
24 Figura 17. Filtro tipo platillo.
Filtro Metálico: La estructura de metal de este filtro da mayor soporte y permite un gran flujo de aire al motor. Está elaborado con celulosa especialmente tratada y en algunos casos, lleva malla de refuerzo para dar mayor soporte. Su calidad depende de las normas que cumpla el fabricante del filtro. Pero el cliente deberá verificar en el empaque, que este cumpla con normas ISO5011 o SAE J726 (Ver anexo 4). Su material filtrante es de fibroso y sus características se pueden observar en el punto 2.4.2.1. “Tipos de membrana o material filtrante”. (Ver figura 18) (Montero, 2012)
25 Cilíndrico de Poliuretano: Elaborado con celulosa especialmente tratada, el filtro cilíndrico de poliuretano permite un gran flujo de aire al motor para mantener la hermeticidad. Para dar mayor soporte, algunos llevan malla de refuerzo. Su calidad depende de las normas que cumpla el fabricante del filtro. Pero el cliente deberá verificar en el empaque, que este cumpla con normas ISO5011 o SAE J726 (Ver anexo 4). Su material filtrante es de fibroso y sus características se pueden observar en el punto 2.4.2.1. “Tipos de membrana o material filtrante”. (Ver figura 19) (Montero, 2012)
Figura 19. Filtro cilíndrico de poliuretano.
26 Figura 20. Filtro de sello radial.
Panel de fibra no tejida (Ecológico): Este panel está elaborado con fibra no tejida y no posee una estructura de metal o plástico. Su calidad depende de las normas que cumpla el fabricante del filtro. Pero el cliente deberá verificar en el empaque, que este cumpla con normas ISO5011 o SAE J726 (Ver anexo 4). Su material filtrante es de fibroso y sus características se pueden observar en el punto 2.4.2.1. “Tipos de membrana o material filtrante”. (Ver figura 21) (Revilla C., 2008) (Montero, 2012)
27 2.4.5. MEDIDA DEL RENDIMIENTO DEL FILTRO
Los criterios de rendimiento son establecidos por los fabricantes de motores y medidos por los procedimientos de prueba desarrollados por la “Society of Automotive Engineers” SAE J726. (Ver tabla 2)
Tabla 2. Medida de rendimiento del filtro. MEDIDA DE
RENDIMIENTO DEFINICION
Eficiencia
Es la relación porcentual del peso de las partículas extrañas
en suspensión retenidas por el elemento filtrante con
respecto a la cantidad total de las mismas presentes en el
sistema. Deben retener un mínimo de 98% de partículas.
Saturación
Un filtro está saturado cuando la restricción que produce en
el sistema de admisión de aire donde esté colocado, es
mayor que la admisible por el filtro.
Medio filtrante
Es el elemento del filtro seco que es capaz de retener
partículas extrañas que están en suspensión en la corriente
de aire que ingresa al filtro. Su material filtrante es de
fibroso y sus características se pueden observar en el punto 2.3.2.1. “Tipos de membrana o material filtrante”.
Durabilidad
Es el tiempo de prueba necesario para llegar a la saturación,
manteniendo el régimen de alimentación especificado. A
máxima saturación resistir al menos 10mm de H2O de
presión. 1 mm H2O = 0,009 8 kPa.
Capacidad de
retención de polvo
Es la cantidad de partículas contaminantes que el filtro
puede retener antes que la restricción sea máxima. Debe
retener partículas desde 5.5 micrones hasta 176 micrones,
como dato explicativo el cabello humano tiene un grosor de
50 micrones.
Aptitud de servicio Propiedad que posee el filtro de mantener sus cualidades originales, después de ser limpiado repetidas veces.
28 2.4.6. NORMAS IMPLICADAS EN LA FABRICACIÓN DE FILTROS DE AIRE
Las normas implicadas en la fabricación de los filtros de aire son reguladas por organismos bajo respaldo de organismos internacionales que someten a éstos, a rigurosos estudios, en laboratorios especializados y preparados especialmente para probar cada aspecto de los filtros de aire.
Se realizan pruebas físicas y químicas que simulan un uso y abuso al que estarán sometidos en su vida útil en el vehículo, tratando de ser lo más realistas posibles, tanto en temperatura, flujo de aire, presión de aire humedad, tipos de polvo de varios tamaños (en micras) y pigmentos, tomando en cuenta sus rendimientos en cada ensayo (medidos en micras), tipo (Ver tabla 3)
Tabla 3. Normas para filtros y pruebas a filtros. NORMA DEFINICIÓN
SAE J726 Pruebas de polvo a filtros de aire.
ISO 5011
Método de ensayo para los filtros de aire en motores de combustión
interna y compresores - Pruebas de rendimiento.
ISO 12103 Vehículos de carretera – Polvo de ensayo para la evaluación de filtros
ISO 5167-1
Medición del caudal de fluido por medio de dispositivos de presión
diferencial con placas de orificio, toberas y tubos vénturi insertados
en sección transversal.
(Montero, 2012)
2.4.7. MÉTODOS DE ENSAYOS PARA FILTROS
29 normales, teniendo en cuenta la vida útil del filtro y la calidad filtrante del mismo. Existen 2 tipos de ensayos, el Single-Pass (de un solo paso) y el Multi-Pass (recirculación). (Montero, 2012)
2.4.7.1. Ensayo single-pass
Como su nombre lo indica en inglés, el tipo de ensayo Single-Pass significa de “una sola pasada”, en este caso, el aire alimenta un conducto con un flujo constante, sin ser reciclado. Con esta prueba se puede mostrar con mayor facilidad el efecto de las variables importantes en el rendimiento del filtro. (Montero, 2012)
Para la prueba de capacidad de suciedad, el tipo de ensayo Single-Pass es el recomendado para filtros de aire, según la norma ISO 5011 y, dado a su flujo constante, se lo usa para la prueba de capacidad de suciedad. En el flujo de aire se suspenden partículas que saturan el filtro, hasta llegar a un punto en el que la presión de aire decae e indica que este filtro tiene un valor indeterminado de saturación con partículas y ya no es eficiente para el sistema. (Montero, 2012)
2.4.7.2. Ensayo multi-pass
30
2.5. PRUEBAS DE FLUJO A LOS FILTROS DE AIRE
Todos los ensayos en filtros de aire contienen la estructura de ensayos Single-Pass, bajo la norma ISO 5011. Las pruebas a los filtros de aire deben realizar bajo los siguientes parámetros y unidades (sistema internacional). (Ver tabla 4 y 5).
Tabla 4. Símbolos y unidades bajo norma ISO 5011.
Parámetro Símbolo Unidades
Caudal volumétrico qv m³/min
Velocidad V m/s
Densidad ρ kg/m³
Caudal másico qm kg/min
Presión p Pa
Presión diferencial ∆pd Pa
Perdida de carga ∆pl Pa
Masa m G
Tiempo t s
(Montero, 2012)
31 Tabla 5. Precisión de la medida según los parámetros.
Parámetro Unidades Precisión de la
medida
Caudal m³/min ± 2 %
Presión Pa ± 25 Pa
Temperatura °C ± 0.5 °C
Masa g ± 1 %
(Montero, 2012)
Filtro bajo ensayo: El caudal de aire que circula en el filtro debe ser de 2 a 16,6 m³/min.
Caudal de fluido sucio: El caudal de las partículas en suspensión utilizadas en el banco de pruebas debe ser de 0.25 g/m³.
Presión de operación del filtro: La presión a la entrada del filtro de ensayo debe ser de 92204 Pa.
Presión diferencial del filtro: Los valores de este filtro deben oscilar entre 500 a 4000 Pa.
Temperatura de operación del filtro: Dentro del banco de pruebas el filtro de ensayo debe estar a una temperatura óptima de 20 °C.
32 Tabla 6. Distribución del tamaño de las partículas.
Tamaño µm Fracción Máxima de volumen %
A2 Fino
1 2,5 a 3,5
2 10,5 a 12,5
3 18,5 a 22
4 25,5 a 29,5
5 31 a 36
7 41 a 46
10 50 a 54
20 70 a 74
40 88 a 91
80 99,5 a 100
120 100
(Montero, 2012)
Tabla 7. Composición química del polvo.
Químico Fracción de la
masa %
SiO2 68 a 76
Al2O3 10 a 15
Fe2O3 2 a 5
Na2O 2 a 4
CaO 2 a 5
MgO 1 a 2
Ti2O 0,5 a 1
K2O 2 a 5
Pérdida en ignición (1050 °C):
% al 5%
33
2.6. EL SENSOR
2.6.1. INTRODUCCIÓN A SENSORES
Como se vio en el punto 2.1. de la presente tesis, el funcionamiento del motor requiere de aire y combustible para funcionar, sin embargo la cantidad de aire y combustible debe ser la optima para que el motor trabaje eficientemente bajo las variables en las cuales se encuentra el vehículo. Estas “variables” pueden ser: temperatura de aire de ingreso al motor, presión o flujo de aire que ingresa al motor, presión de combustible, presión de aceite, carga del motor, temperatura del motor , numero de revoluciones del motor entre otros; estas variables o parámetros necesitan ser medidos e interpretados y es ahí donde entran a escena los sensores del automóvil. Actualmente los vehículos tienen una cantidad importante de sensores que son necesarios para la gestión electrónica del automóvil y son utilizados por las unidades de control para el funcionamiento del motor, así como la seguridad y el confort del vehículo.
El sensor convierte una magnitud física o química en señales eléctricas, que son entendidas por la unidad de control “ECU” (computadora del vehículo). La señal de salida del sensor no es considerada únicamente como una corriente o tensión, también se toman en cuentan las amplitudes de corriente, la frecuencia, el periodo, la fase o asimismo la duración de impulso de una oscilación eléctrica.
34
2.7. EL SENSOR MAF
El sensor MAF (Manifold Air Flow) mide la cantidad de flujo de aire que ingresa al motor y la convierte en una señal de voltaje, para que la computadora del vehículo dosifique la mezcla aire-combustible de forma estequiométrica o ideal, es decir 14,7 parte de aire y 1 parte de combustible. (Augeri, 2010)
El sensor MAF se ubica después del filtro de aire y antes de la aleta del cuerpo de aceleración. (Ver figura 22)
Figura 22. Ubicación del sensor MAF.
2.7.1. TIPOS DE SENSOR MAF
Existen dos tipos de sensores MAF: analógicos y digitales. Los analógicos son los que varían por voltaje o tensión; mientras que, los digitales varían por la frecuencia.
35 Dentro del sensor se encuentra un transductor eléctrico que permanentemente monitorea los cambios de temperatura del hilo. Todas las señales son enviadas a la computadora del vehículo para la medición o verificación. (Augeri, 2010)
2.7.2. PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR MAF
A continuación se realizó una tabla indicando que el sensor MAF tiene 3 cables para medir el flujo de aire, sin embargo puede tener cuatro, cinco o seis cables, ya que también tiene integrado a su cuerpo el sensor IAT (sensor de temperatura de aire de ingreso). (Ver tabla 8)
Tabla 8. Cables del sensor MAF.
CABLES APLICACIÓN
1 Voltaje de referencia que puede ser de 5 (más común) o 12 voltios.
2 Señal variable que llega a la computadora del vehículo.
3 Contacto a masa.
36 Tabla 9. Ejemplo de señal de un sensor MAF.
RPM Voltios (V) Velocidad del aire (m/s)
750
1 6,2
1000
1,3 10
2000
1,8 13
3000
2,5 16,4
4000
2,9 22,8
A este sensor se lo debe probar o diagnosticar con las llaves del vehículo en contacto con el swich de encendido y el motor prendido, a este proceso se lo llamada KOER (Key ON Engine Runing), con el motor encendido y con los cables del multiímetro en masa y en la señal del sensor, se pone la marcha en neutro y prueba a distintas revoluciones jugando con el acelerador. (e-auto.com.mx, 2008) (Ver figura 23)
37 Cuando un sensor MAF se encuentra defectuoso, este puede provocar múltiples fallas en el motor pudiendo averiarlo por completo, al ser el sensor encargado de indicarle a la computadora del vehículo (ECU) mediante señales voltaicas cuanto aire está ingresando al motor del vehículo y, si el sensor MAF falla, la computadora estará trabajando a “ciegas”, sin saber cuánta cantidad de aire está ingresando al múltiple de admisión y luego a las cámaras de combustión dentro de cada cilindro en el motor, así la ECU estará enviando una cantidad errónea de combustible a los cilindros del motor, causando mezclas (aire-combustible) muy pobres, en la cual hay más partes de oxígeno y poco combustible, o muy ricas, done abra menos partes de oxígeno y mucho combustible del requerido, es decir no existirá una mezcla estequiométrica de catorce partes de aire y una parte de combustible (14:1) o ideal para obtener el mejor rendimiento, tomando en cuenta las normas ecológicas y ambientales nacionales e internacionales. Así todo el sistema motriz del vehículo se vuelve ineficiente y poco confiable para el usuario. (Ver tabla10)
Tabla 10. Problemas por fallo del sensor MAF.
Problema Característica
Problemas en el
encendido.
El motor no trabaja con una mezcla estequiométrica
(mezcla eficiente de catorce partes de aire y una parte
de combustible, 14:1), perjudicando el encendido.
Para verificar si en efecto el sensor MAF esta
defectuoso, se procede a desconectar su socket para
que la computadora solo tome en cuenta el sensor
TPS (de la aleta del cuerpo de aceleración) para
encender el motor.
Problema de eficiencia, se
ahoga y pierde potencia.
La computadora envía demasiado combustible y sin la
medida especifica de aire, no existe una detonación
38
3. METODOLOGÍA
3.1. MÉTODOS
Para el diseño y construcción de un banco de pruebas, utilizando un control electrónico, para verificar el flujo de aire antes y después de un filtro de aire, con el objeto de determinar la calidad filtrante, se acudió a fuentes bibliográficas, tanto en libros como en internet, para conocer detalladamente sobre las funciones y tipos de filtros de aire en los vehículos, caudal y las especificaciones sobre el sensor MAF, pruebas y bancos de pruebas para filtros de aire.
El diseño de investigación es el plan básico que guía las fases de recolección y análisis de datos del proyecto. Es la estructura que especifica el tipo de información a recolectar, las fuentes de datos, los procedimientos y análisis de la recolección de datos.
En el proyecto se ocupará la siguiente metodología:
Descriptiva: Con frecuencia el propósito del investigador es describir situaciones y eventos. Esto es, decir cómo es y cómo se manifiesta un determinado objeto o fenómeno. Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades importantes del objeto que es estudiado. Esta investigación mide o evalúa diversos aspectos, dimensiones o componentes del fenómeno a investigar. Desde el punto de vista científico, describir es medir cuestiones inherentes al objeto de estudio y que por supuesto interesan a los propósitos investigativos.
39 cómo se relacionan las variables medidas. (Hernández Samperi, Fernández Collao, & Baptista Lucio, 2010)
Este método se va a utilizar para la descripción de los materiales y herramientas con los que se construirá el banco de pruebas. De esta forma, se puede conocer detalladamente todos los componentes principales de la investigación para poder enfocarse en los tipos de filtros y los sensores MAF (sensor de flujo de aire de entrada) que van a ser sometidos a varias pruebas y análisis.
Exploratoria: Recoge e identifica antecedentes generales, números y cuantificaciones respecto del problema investigado, su objetivo es documentar ciertas experiencias, examinar temas poco estudiados. (Hernández Samperi, Fernández Collao, & Baptista Lucio, 2010)
En este método se tomarán los resultados cuantificables de las pruebas, además de explorar sobre las particularidades de los filtros de aire, como por ejemplo, el grosor de las membranas filtrantes (en micras) y los voltajes que representan el flujo de aire en el banco de pruebas.
Explicativa: Esta investigación es más estructurada, además proporciona un sentido de entendimiento a lo que se hace referencia, está dirigida a responder a las causas de los eventos físicos y sociales. (Hernández Samperi, Fernández Collao, & Baptista Lucio, 2010)
Se aplicará para las pruebas de observación microscópica, en las cuales se puede apreciar, mediante un plano más profundo, los aspectos físicos de las membranas filtrantes y entender mejor su comportamiento comparando con los resultados obtenidos en las otras pruebas.
El desarrollo del proyecto se guiará a través del cumplimiento progresivo de pasos, que permitirán llevar a cabo el diseño y construcción del banco de pruebas para filtros de aire.
40 Para el diseño del banco de pruebas de filtros de aire se debe identificar los requerimientos y parámetros a los que estará sometido el sistema. En este caso, se lo construirá de una forma modular para su posterior desarrollo con nuevos sistemas que profundicen la investigación de los mismos.
Primeramente se realizara un esquema del trabajo que realizaremos, una vez que se tiene la idea, se hace una lista de los materiales y herramientas que necesitamos adquirir para su construcción. Una vez que ya tenemos todos lo que necesitamos, comienza el proceso constructivo y se ensambla un mueble modular metálico (banco de herramientas) en el cual estará montado el sistema. Dentro de este se realizan los orificios donde pasara el ducto de entrada de aire, donde se instalarán los multímetros, fuentes de alimentación, depurador y sensores MAF. Para generar el flujo de aire se utilizará un motor aspirador el cual estará ubicado abajo del banco de pruebas y contará con un control electrónico para regular su potencia de succión (simulando la absorción de aire del motor en funcionamiento) que varia el voltaje de 0 a 110 voltios; de este control electrónico también saldrá la alimentación para el regulador de voltaje que enviara los 12 y 5 voltios para el funcionamiento de los sensores. En el depurador de aire se ubicarán los diferentes filtros, con un sensor MAF (Sensor de flujo de aire) antes y el otro después del filtro de aire a prueba. Cada sensor MAF estará alimentado independientemente e igualmente su señal de voltaje podrá ser medida por separado gracias a la adaptación de dos multímetros digitales, comparando cada resultado en los diferentes filtros de aire que se prueben. Se aseguraran los elementos con pernos y tuercas. El principal componente del filtro de aire es su membrana, la cual retiene las impurezas que dañan al motor, esta podrá ser adaptada en una probeta y ser introducida en el depurador para su posterior testeo y análisis.
42
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSION
4.1 ALCANCE
Diseño y construcción de un banco de pruebas utilizando dos sensores MAF, para verificar el flujo de aire mediante la señal (voltios) que estos envíen, antes y después de un filtro de aire. Esta investigación se basa principalmente en la comparación del caudal de un filtro de aire alterno económico, un filtro alterno de buena calidad y el original de la marca, con el objeto de determinar la calidad filtrante. Tomando como filtro de prueba el del vehículo Nissan Sentra B13.
4.2. ELECCIÓN DEL TIPO DE FILTRO DE AIRE
El tipo de filtro de aire escogido para ser utilizado en las pruebas de flujo del banco de pruebas que se construirá determinará y analizará los valores de caudal de aire y sus variaciones en relación a otros filtros o variables en su membrana filtrante. Este filtro deberá ser el más utilizado en los vehículos livianos y deberá cumplir con los siguiente parámetros: Deberá ser de tipo panel de poliuretano como se muestra en el numeral 2.4.4 y su membrana filtrante es fibrosa proveniente de celulosa plegada en zig-zag, la cual se aprecian sus características en el numeral 2.4.2.1. Este tipo de filtro de aire es utilizado en el vehículo Nissan Sentra B13, que es el vehículo más utilizado como taxi en el Distrito Metropolitano de Quito, abarcando el 26,79% de este grupo.
43 tierra y contaminantes en general. Al ser vehículos que recorren diariamente entre 100 y 200Km y al estar en funcionamiento por periodos largos de tiempo, el uso del filtro de aire, encargado de que entre aire limpio al motor, se ve afectado con anticipación, a comparación de los vehículos de uso común. Es por este motivo que estos filtros deben ser cambiados con mayor frecuencia.
De acuerdo con los datos entregados por la Agencia Metropolitana de Tránsito (AMT), en un estudio estadístico realizado en noviembre del año 2014, en el Distrito Metropolitano de Quito circulan legalmente 16272 taxis, entre más de diez marcas y 150 modelos de vehículos. (Agencia Metropolitana de Tránsito, 2014)
Las marcas que lideran este segmento del mercado son la estado unidense Chevrolet, la sur korena Hyundai y Kia y finalmente la japonesa Nissan, con sus respectivos modelos más populares para ser usados como taxis: Chevrolet Aveo Activo 1,6L 4p, Hyundai Accent 1,6 4p 4x2 TM, Kia Rio Stylus LS AC y Nissan Sentra B13 1,6 M/T. Todos vehículos tipo sedán con cuatro puertas y un maletero, transmisión manual y un motor con una cilindrada aceptable y suficiente para su trabajo, con la suficiente potencia a un relativo bajo consumo de combustible, bajo una transmisión manual de cinco cambios de marcha más retro.
44 Tabla 11. Modelos de taxi más populares en el D.M.Q.
MARCA MODELO NÚMERO
CHEVROLET AVEO ACTIVO 1,6L 4P 1379
HYUNDAI ACCENT 1,6 4P 4X2 TM 493
KIA RIO STYLUS LS AC 375
NISSAN SENTRA B13 1,6 M/T 4360
6607
Total taxis 16272
(Agencia Metropolitana de Tránsito, 2014)
Hay que tomar en cuenta que estas cifras corresponden a los taxis con un permiso legal de funcionamiento; sin embargo, también circulan en el Distrito Metropolitano de Quito taxis ilegales, comúnmente conocidos como taxis piratas, que tienen un patrón similar al elegir su vehículo para brindar este servicio. (Agencia Metropolitana de Tránsito, 2014)
Podemos encontrar en el mercado diferentes filtros de aire que utiliza el vehículo mencionado anteriormente y que se utilizaran para la realización de las pruebas de diferencias de flujo de aire en el banco de pruebas que se construirá. Se tomó en cuenta tres diferentes modelos de filtros de aire que se encontraron interesantes para ser probados y analizados: (Ver figuras 24, 25 y 26)
45 Figura 24. Filtro de aire alterno Nissan Sentra B13.
Filtro de aire original. Este filtro es la base o punto de partida de la investigación. En su fabricación se utilizaron materiales óptimos y la calidad requerida por el motor. (Ver figura 25)
Figura 25. Filtro de aire original Nissan Sentra B13.
Filtro de aire de para competencia. Su calidad es superior al filtro original, al ser fabricado con mejoras en varios aspectos. Este es de tipo húmedo, consta de cuatro capas de un tejido de algodón empapado con un aceite color rojo, todo esto entre dos mallas metálicas. Este filtro tiene una duración de un millón (Ver figura 26)
46 4.2.1. MODELO NISSAN SENTRA B13
Como se mostró en las estadísticas del punto 4.2 del presente trabajo, este es uno de los autos más populares, no solo en el Distrito Metropolitano de Quito sino en todo el Ecuador y Latino América.
En 1991 es lanzada la generación del Nissan Sentra B13, equipado con el motor 1.6 litros de cuatro cilindros. En 1992 casi no hubo cambios, además de añadir un espejo de vanidad para el acompañante y molduras negras para las versiones de dos puertas. En 1993 hubo dos cambios mayores, como la adaptación de un airbag (en ciertos modelos) y la utilización de cajas de cuatro y cinco velocidades.
En 1994 sólo cambió el equipamiento base. A mediados de ese año, mientras se esperaba una versión nueva para 1995, Nissan continuó vendiendo el Sentra sin ningún cambio. A esta versión se la conoce como clásica (Sentra clásico).
En América Latina, el Sentra B13 se continúa vendiendo como Nissan Tsuru, Nissan V16 y Sentra clásico. (Nissan Motor Co., Ltd, 2011)
Para las especificaciones técnicas del vehículo Nissan Sentra B13 ver Anexo 1.
4.2.2. SEGURIDAD DEL NISSAN SENTRA B13
Los resultados de los estudios realizados por El Programa de Evaluación de Vehículos Nuevos para América Latina y el Caribe (Latin NCAP), no son favorables para el Nissan Sentra B13.
47 El Nissan Sentra B13 obtiene cero como calificación, al tener una estructura débil e inestable, y no contar con airbags para la protección de los pasajeros. (Ver Anexo 2) (Secretaría LatiNCAP, 2013)
4.3. ELECCIÓN SENSOR MAF
La elección del sensor MAF será bajo los parámetros del actual sensor que tiene el vehículo Nissan Sentra B13 (y la mayoría de vehículos hoy en día); Estos parámetros son:
Funcionamiento por hilo(s) caliente(s).
Sensor de temperatura de aire (IAT) incluido en el mismo cuerpo del MAF.
Contará con cinco número de cables, separados en una masa compartida para MAF e IAT, doce voltios de alimentación del sensor IAT, voltaje de respuesta del IAT, cinco voltios de alimentación del sensor MAF y voltaje de respuesta del sensor MAF.
48 numeral 2.6.2. “PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR MAF”.
El sensor MAF BOSCH también contiene en su interior un sensor de temperatura de aire de ingreso (IAT), Y por eso tiene cinco terminales) (Ver figura 18)
Información de cables del sensor:
1er Cable: Señal de envió del sensor de temperatura IAT.
2do Cable: Alimentación de 12 voltios al sensor de temperatura IAT. 3er Cable: Masa compartida para el sensor IAT y MAF.
4to Cable: Alimentación de 5 voltios al sensor MAF. 5to Cable: Señal de envió del sensor MAF
Figura 27. Número de cables del Sensor MAF marca Bosch.
Es importante recalcar que, incluso para solo el funcionamiento MAF sin el IAT integrado, es necesario alimentar los doce voltios del IAT. Si se alimentan únicamente los cinco voltios y masa para el MAF este no funciona porque no envía una señal de cero voltios.
49
4.4. ELECCION DEL MOTOR ASPIRADOR DE AIRE
Para la elección del motor de aspiradora se tomó en cuenta el parámetro del caudal de aire que debe circular en el filtro de aire, según la norma ISO 5011, la cual indica que el caudal de aire en el sistema debe ser de entre dos y diez siséis metros cúbicos por minuto (2 – 16 m³/min.). El motor aspirador de aire debería estar en este rango.
Teniendo las diferentes velocidades del aire en la tabla 9 de la página 35 de la presente tesis, contamos con parámetros de la velocidad de entrada que necesitamos que tenga la aspiradora que escojamos.
Por recomendación del almacén donde se adquirió la aspiradora, se compró la aspiradora semi-industrial de mayor fuerza, la cual posteriormente verificamos que cumpla con los rangos de flujo de aire que necesitamos.
Con la ayuda de un anemómetro de hilo caliente (como se indica en el numeral 2.2.3.1. de la presente tesis), prestado por la Universidad Tecnológica Equinoccial, se puedo realizar la prueba de velocidad del flujo de aire succionado por el motor adquirido. (Ver figura 28)
Figura 28. Anemómetro de hilo caliente (UTE).
50 succionado por de la aspiradora prendida y se tomo la medida de la velocidad del flujo de aire, o velocidad de succión de aire. (Ver figura 29)
Figura 29. Proceso de medición con la vara del anemómetro.
Al haber medido la velocidad el aire, el anemómetro arroja un resultado de veintidós metros sobre segundo (22 m/s) que es igual a dos mil doscientos centímetros sobre segundo (2200 cm/s). Este anemómetro también arrojo que el aire que está entrando, tiene una temperatura de veintidós coma siete grados centígrados (22.7°C). (Ver figura 30)
51 Obtenida la velocidad del aire que es de 2200 cm/s y teniendo el diámetro de la manguera de la aspiradora (5,6 cm) se puede calcular el caudal de aire.
Primero se calcula el área.
Una vez obtenida la velocidad del aire (2200 cm/s) y el área (24,63 cm) se puede calcular el caudal de aire, tal como puede ver en el punto 2.2.3. de esta tesis, en la fórmula 1.
̅
Se tiene un caudal de aire aspirado de 54,18 cm³/s que transformado a metros cúbicos sobre segundo nos da 3,25 m³/s. Este caudal esta en el rango impuesto por la norma ISO 5011, como se puede apreciar en el anexo 4.
También se puede calcular la presión del aire como se explica en la fórmula 1 del numeral “2.2.4.” de esta tesis, entonces, se tiene que el poder del motor de la aspiradora posee cuadro caballos de fuerza (4 hp), se transforma esa potencia a watts, un caballo de fuerza es igual a setecientos cuarenta y seis watts, entonces:
52 cúbicos sobre segundo, que se vuelve 3,25 m³/s. Entonces se podrá calcular la presión del aire en Pascales (Pa):
4.5. DISEÑO BANCO DE PRUEBAS
Teniendo en cuenta que el banco de pruebas de filtros de aire debía ser modular, desmontable y de fácil modificación, para que posteriormente sirva en el desarrollo de otras pruebas con otro tipo de sensores, dispositivos o sistemas, se decidió utilizar un banco de herramientas metálico armable con pernos y tuercas, así teniendo la opción de modificarlo fácilmente para los futuros requerimientos que se necesiten hacer al mismo.
Este banco de pruebas soporta ciento diez kilos, o doscientas cuarenta y dos libras, así podrá sostener mucho más peso por su posterior desarrollo, ya que sumando todo el sistema que se montará, da un total de sesenta libras.
El motor de succión de aire se colocará en el lugar inferior del banco para mejor utilización del espacio y una mejor atención a los sistemas de la parte superior del banco.
53 MAF para poder medir el voltaje (señal) que estos nos envían con respecto al flujo de aire que censarán.
Se colocaran plugs con cinco y doce voltios (voltaje positivo) mas la masa (voltaje negativo), para que puedan ser utilizados en el desarrollo e implementación de más sensores en este banco de pruebas.
El depurador de aire solo se sostendrá por medio de pernos tipo “J” en caso de que se necesite remover, cambiar o modificar dicho elemento. Se tratara de recrear un sistema de alimentación de aire al motor, lo más real para hacer este banco de pruebas lo mas didáctico posible.
4.5.1. Esquema y plano del banco de pruebas