UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ESTUDIO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CABEZOTE TWIN CAM
16 VÁLVULAS Y UN SISTEMA SOBREALIMENTADO A UN
CHEVROLET FORSA 1300CC DE 8 VÁLVULAS
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
ACOSTA HERRERA JEFFERSON OMAR
DIRECTOR: ING. JUAN LUCERO.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1718688144
APELLIDO Y NOMBRES: Acosta Herrera Jefferson Omar
DIRECCIÓN: Panamericana Norte Km 9 1/2
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 023517689
TELÉFONO MOVIL: 0992573044
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Estudio e Implementación de un cabezote
Twin Cam 16 válvulas y un sistema sobrealimentado a un Chevrolet Forsa
1300cc de 8 válvulas AUTOR O AUTORES: Acosta Herrera Jefferson Omar FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
Noviembre, 2017 DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: Ing. Juan Lucero
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: En el Ecuador existe una cantidad mínima de vehículos circulando de motor G13B con doble árbol de levas y siendo más escaso con un sistema sobrealimentado. El proyecto titulado “Estudio e Implementación de un cabezote twin cam 16 válvulas y un
sistema sobrealimentado a un
Chevrolet Forsa 1300cc de 8 válvulas” tuvo como objetivo implementar un cabezote twin cam con un sistema sobrealimentado, mediante varias
pruebas se pudo medir: la
compresión, análisis de gases
contaminantes y con un dinamómetro se obtuvo los datos de potencia y par del motor, pudiendo determinar el
estado de funcionamiento del
vehículo. Se desmontó los elementos internos del motor, permitiendo tomar datos para los diferentes cálculos matemáticos y análisis para la
selección del turbocompresor y remplazar algunos elementos internos
por unos de mayor calidad y
rectificado el block con su cigüeñal. Mediante cálculos matemáticos se seleccionó el turbocompresor ideal, para mejorar el rendimiento y eficiencia del motor, se realizaron modificaciones: en el sistema de admisión, se reemplazó el cuerpo de
aceleración de monopunto a
multipunto con su respectivo cableado y ECM. En sistema de escape se modificó el múltiple de escape adaptando una base de acero que permita fijar al turbocompresor y al tubo que libera los gases quemados.
Se optimizó el sistema
sobrealimentado, fue necesario
adaptar válvulas, manómetros y un intercooler, controlando las presiones elevadas y las altas temperaturas generadas. Se utilizó un “turbo timer” que permitió alargar la vida útil del turbocompresor, estabilizando el ralentí del motor antes de apagarlo.
Una vez instalado el sistema
sobrealimentado se volvió a realizar las pruebas anteriores y se comparó
los resultados, obteniendo un
incremento de 88.45 HP y 54.21 Nm, reduciendo los gases contaminantes: 0.01% de monóxido de carbono, 20 ppm de hidrocarburos y 0.66 % de oxígeno.
PALABRAS CLAVES: TURBOCOMPRESOR,TWIN CAM, DINAMÓMETRO, CHEVROLET FORSA 1300.
ABSTRACT: In Ecuador there is a minimum number of vehicles circulating G13B engine with double overhead cam and
being more scarce with a
entitled "Study and implementation of a twin cam 16 valve head and a supercharged system to a Chevrolet Forsa 1300cc 8 valves" aimed to implement a twin cam head with a supercharged system, through several
tests could be measured:
increase of 88.45 HP and 54.21 Nm, reducing the polluting gases: 0.01% of
carbon monoxide, 20 ppm of
hydrocarbons and 0.66% of oxygen.
KEYWORDS Turbocharger, Twin Cam,
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, ACOSTA HERRERA JEFFERSON OMAR, CI 1718688144 autor del proyecto titulado: Estudio e Implementación de un cabezote TWIN CAM 16 válvulas y un sistema sobrealimentado a un CHEVROLET FORSA 1300cc de 8 válvulas previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
DECLARACIÓN
Yo ACOSTA HERRERA JEFFERSON OMAR, 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.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Estudio e Implementación de un cabezote TWIN CAM 16 válvulas y un sistema sobrealimentado a un CHEVROLET FORSA 1300cc de 8 válvulas”,
que, para aspirar al título de ingeniero Automotriz fue desarrollado por
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTO
Yo agradezco primeramente a mi familia que han dado todo el esfuerzo para que yo ahora este culminando esta gran logro de mi vida en especial quiero agradecerle a mi madre Lupita, que me apoyo culminar mis estudios después de las peripecias y sufrimientos que pasamos, tú siempre me das fuerzas para seguir adelante mamita linda. También quiero agradecer a mi esposa por darme fuerzas en los momentos más difíciles de mi vida. Por otra parte quiero agradecer a mi hijo por ser la inspiración de culminar una de las etapas de mi vida.
Quiero agradecer el gran apoyo recibido por parte de mi tutor de tesis el Ing. Juan Carlos Lucero por brindarme su apoyo y dedicación, su conocimiento, su manera de trabajar y su motivación han sido fundamentales para mi formación como investigador. Gracias a los ingenieros Alex Guzmán y Milton Revelo por fortalecer mis conocimientos en la realización del proyecto y su amistad.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 3
2. METODOLOGÍA 10
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 12
3.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL MOTOR CHEVROLET
FORSA 1300 12
3.2 DATOS TÉCNICOS Y TEÓRICOS DEL MOTOR 12
3.3 DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS REALES DEL MOTOR 12
3.3.1 BANCO DINAMOMÉTRICO 13
3.3.2 RESULTADO OBTENIDO E INTERPRETACIÓN 14
3.3.3 ANÁLISIS Y COMPARACIÓN DE LOS DATOS TEÓRICOS Y
DE LOS VALORES OBTENIDOS 14
3.3.4 MEDICIÓN DE LOS GASES DE ESCAPE 15
3.3.5 MEDICIÓN DE COMPRESIÓN 17
3.4 CÁLCULOS INICIALES DEL MOTOR CHEVROLET FORSA Y
TRUCAJE 17
3.4.1 VOLUMEN UNITARIO 18
3.4.2 CILINDRADA 18
3.4.3 RELACIÓN DE COMPRESIÓN 19
3.4.4 VOLUMEN UNITARIO MODIFICADO 20
3.4.5 CILINDRADA MODIFICADA 20
3.4.6 RELACIÓN DE COMPRESIÓN MODIFICADA 21
3.4.7 RENDIMIENTO TÉRMICO 22
3.4.8 POTENCIA EFECTIVA 22
3.4.9 POTENCIA INDICADA 22
3.4.10 RENDIMIENTO MECÁNICO DEL MOTOR 22
3.4.11 CAUDAL TEÓRICO 23
3.4.12 MASA TEÓRICO DE AIRE 23
3.4.13 RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO DEL MOTOR 24
3.4.14 RENDIMIENTO ÚTIL DEL MOTOR 24
3.4.15 CONSUMO ESPECÍFICO 25
3.5 SELECCIÓN DE ELEMENTOS 25
3.5.1 ANÁLISIS PARA LA SELECCIÓN DEL TURBOCOMPRESOR 25
ii
3.5.3 ANÁLISIS DE LA RELACIÓN DE PRESIÓN 27
3.5.4 CÁLCULO DE FLUJO DE AIRE NECESARIO (CFM) 28
3.5.5 CÁLCULO DE LA PRESIÓN EN EL MÚLTIPLE DE
ADMISIÓN SEGÚN LA POTENCIA (MAP) 29
3.5.6 CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE ADMISIÓN CON EL
TURBOCOMPRESOR 30
3.5.7 VARIACIÓN DE LA RELACIÓN DE PRESIÓN 31
3.5.8 CÁLCULO DEL INCREMENTO DE POTENCIA 32
3.6 IMPLEMENTACIÓN 33
3.6.1 SELECCIÓN DE ELEMENTOS MÓVILES 33
3.6.1.1 Block del motor 33
3.6.1.2 Cigüeñal 33
3.6.1.3 Pistones 34
3.6.1.4 Biela 35
3.6.1.5 Holguras permisibles 35
3.6.2 VOLUMEN DEL EMPAQUE DE LA CULATA 36
3.6.3 IMPLEMENTACIÓN DEL CABEZOTE TWIM CAM 37
3.6.4 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE INYECCIÓN
ELECTRÓNICA MPFI 37
3.6.5 CONSIDERACIONES PARA LA INSTALACIÓN DEL
TURBOCOMPRESOR 39
3.6.6 MODIFICACIÓN DEL SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE 41
3.6.6.1 Intercambiador de Calor 41
3.6.6.2 Válvula de alivio (Blow Off) 42
3.6.6.3 Sistema de admisión de aire 42
3.6.6.4 Cañerías de aluminio 43
3.6.7 MODIFICACIÓN EN EL SISTEMA DE ESCAPE. 44
3.6.8 MODIFICACIÓN EN EL SISTEMA DE LUBRICACIÓN. 45
3.6.8.1 Modificación del carter 46
3.6.8.2 Recolector de aceite 46
3.6.8.3 Turbo timer 47
3.7 PRUEBAS FINALES CON EL SISTEMA SOBREALIMENTADO 48
3.7.1 MEDICIÓN DE COMPRESIÓN 48
3.7.2 MEDICIÓN DE GASES 49
3.7.1 PRUEBA DE DINAMÓMETRO 51
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 55
4.1 CONCLUSIONES 55
4.2 RECOMENDACIONES 56
5. BIBLIOGRAFÍA 57
iii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA Tabla 1. Ecuaciones fundamentales para la investigación y análisis. 7
Tabla 2. Ficha técnica del Chevrolet Forsa 2 (1996-2004) 12
Tabla 3. Datos de potencia y par motor en el dinamómetro 14
Tabla 4. Análisis de potencia y torque del motor estándar 14
Tabla 5. Cuadro calificativo de gases para la revisión técnica vehicular en
Quito en los vehículos del 2000 en adelante 15
Tabla 6. Valores obtenidos en el analizador de gases de escape con el
motor estándar y sin catalizador 16
Tabla 7. Límites máximos de emisiones de gases 16
Tabla 8. Análisis de los gases de escape del vehículo estándar según
Normas INEN 16
Tabla 9. Valores de compresión Chevrolet Forsa 1300 estándar 17
Tabla 10. Cubicaje de la cámara de combustión motor estándar 19
Tabla 11. Condiciones de rectificación del cilindro 20
Tabla 12. Cubicaje de la cámara de combustión motor modificado 21
Tabla 13. Rendimiento mecánico según el tipo de motor 23
Tabla 14. Poder calorífico de gases y líquidos 25
Tabla 15. Rectificación del cigüeñal del motor G13B 34
Tabla 16. Valores otorgados por el fabricante rines de piston 35
Tabla 17. Valores otorgados por el fabricante rines de piston 35
Tabla 18. Valores otorgados por el fabricante 36
Tabla 19. Valores otorgados por el fabricante 36
Tabla 20. Valores otorgados por el fabricante 36
Tabla 21. Dimensiones del rotor del compresor y turbina del
turbocompresor 40
Tabla 22. Medición de compresión de los cilindros en el motor
sobrealimentado 48
Tabla 23. Análisis de la compresión de los cilindros en las dos etapas
del motor 49
Tabla 24. Valores en la prueba de gases del motor sobrealimentado 49
Tabla 25. Valores obtenidos en el analizador de gases de escape en
las dos fases del motor en ralentí 50
Tabla 26. Valores obtenidos en el analizador de gases de escape en
las dos fases del motor a 2500rpm 50
Tabla 27. Porcentaje de variación de la emisión de gases en ralentí 50
Tabla 28. Porcentaje de variación de la emisión de gases a 2500rpm 50
Tabla 29. Valores de potencia y par del motor sobrealimentado en el
dinamómetro 51
Tabla 30. Valores de potencia obtenido en el dinamómetro en las dos
iv
Tabla 31. Valores de torque obtenido en el dinamómetro en las dos
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA Figura 1. Módulo principal del Banco Dynorace 13
Figura 2. Prueba en el dinamómetro con el Chevrolet Forsa 1300 13
Figura 3. Curvas de potencia y par motor obtenidos en el dinamómetro 14
Figura 4. Banco de medición de gases de escape MAHA MGT-5 15
Figura 5. Medición de gases al motor estándar 16
Figura 6. Medición de compresión al motor estándar 17
Figura 7. Medición del diámetro del cilindro estándar 18
Figura 8. Medición de la cámara de combustión en el cabezote 8 válvulas 19
Figura 9. Medición de la cámara de combustión en el cabezote 16
válvulas. 21
Figura 10. Curvas de selección del turbocompresor 26
Figura 11. Área y radio del turbo 27
Figura 12. Block del motor G13B 33
Figura 13. Cigüeñal del motor G13B 34
Figura 14. Pistón original y pistón del G16A RD 34
Figura 15. Biela estándar y biela del Twin Cam 35
Figura 16. Culata twin cam 16 válvulas 37
Figura 17. Gráfica del tablero interior del vehículo y sus componentes 38
Figura 18. Cuerpo de aceleración del Swift GTI 38
Figura 19. Plaqueta de identificación del turbocompresor 39
Figura 20. Curvas del turbocompresor Garrett TA31 40
Figura 21. Turbo Garrett TA31 41
Figura 22. Radiador del aire de admisión o intercooler 42
Figura 23. Válvula de soplado secuencial HKS 42
Figura 24. Sistema de admisión de aire de un motor sobrealimentado 43
Figura 25. Tubería de 2.5” 43
Figura 26. Múltiple de escape del Forsa 1300 y del Swift GTI 44
Figura 27. Conexiones en la base de acero 44
Figura 28. Tubo de escape acoplado en la base de acero 45
Figura 29. Temperatura de funcionamiento en el turbocompresor 45
Figura 30. Acople en el cárter 46
Figura 31. Recolector de aceite D1 Spec 47
Figura 32. Turbo timer marca HKS 47
Figura 33. Empaque original de asfalto y empaque metálico 48
Figura 34. Medición de compresión al motor sobrealimentado 48
Figura 35. Prueba de gases en el motor sobrealimentado 49
Figura 36. Vehículo modificado sobrealimentado en el dinamómetro 51
vi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1. Catalogo TA31 de Garrett 60
1
RESUMEN
En el Ecuador existe una cantidad mínima de vehículos circulando de motor G13B con doble árbol de levas y siendo más escaso con un sistema sobrealimentado. El proyecto titulado “Estudio e Implementación de un cabezote twin cam 16 válvulas y un sistema sobrealimentado a un Chevrolet Forsa 1300cc de 8 válvulas” tuvo como objetivo implementar un cabezote twin cam con un sistema sobrealimentado, mediante varias pruebas se pudo medir: la compresión, análisis de gases contaminantes y con un dinamómetro se obtuvo los datos de potencia y par del motor, pudiendo determinar el estado de funcionamiento del vehículo. Se desmontó los elementos internos del motor, permitiendo tomar datos para los diferentes cálculos matemáticos y análisis para la selección del turbocompresor y remplazar algunos elementos internos por unos de mayor calidad y rectificado el block con su cigüeñal. Mediante cálculos matemáticos se seleccionó el turbocompresor ideal, para mejorar el rendimiento y eficiencia del motor, se realizaron modificaciones: en el sistema de admisión, se reemplazó el cuerpo de aceleración de monopunto a multipunto con su respectivo cableado y ECM. En sistema de escape se modificó el múltiple de escape adaptando una base de acero que permita fijar al turbocompresor y al tubo que libera los gases quemados. Se optimizó el sistema sobrealimentado, fue necesario adaptar válvulas, manómetros y un intercooler, controlando las presiones elevadas y las altas temperaturas generadas. Se utilizó un “turbo timer” que permitió alargar la vida útil del turbocompresor, estabilizando el ralentí del motor antes de apagarlo. Una vez instalado el sistema sobrealimentado se volvió a realizar las pruebas anteriores y se comparó los resultados, obteniendo un incremento de 88.45 HP y 54.21 Nm, reduciendo los gases contaminantes: 0.01% de monóxido de carbono, 20 ppm de hidrocarburos y 0.66 % de oxígeno.
2
ABSTRACT
In Ecuador there is a minimum number of vehicles circulating G13B engine with double overhead cam and being more scarce with a supercharged system. The project entitled "Study and implementation of a twin cam 16 valve head and a supercharged system to a Chevrolet Forsa 1300cc 8 valves" aimed to implement a twin cam head with a supercharged system, through several tests could be measured: compression, analysis of polluting gases and with a dynamometer the power and torque data of the engine was obtained, being able to determine the operation status of the vehicle. The internal elements of the engine were disassembled, allowing to take data for the different mathematical calculations and analysis for the selection of the turbocharger and replace some internal elements with higher quality ones and rectified the block with its crankshaft. By means of mathematical calculations the ideal turbocharger was selected, to improve the performance and efficiency of the engine, modifications were made: in the intake system, the single-point to multipoint acceleration body was replaced with its respective wiring and ECM. In the exhaust system, the exhaust manifold was modified by adapting a steel base that allows fixing the turbocharger and the tube that releases the burned gases. The supercharged system was optimized, it was necessary to adapt valves, pressure gauges and an intercooler, controlling the high pressures and the high temperatures generated. A "turbo timer" was used that allowed to extend the useful life of the turbocharger, stabilizing the idle of the engine before turning it off. Once the supercharged system was installed, the previous tests were carried out again and the results were compared, obtaining an increase of 88.45 HP and 54.21 Nm, reducing the polluting gases: 0.01% of carbon monoxide, 20 ppm of hydrocarbons and 0.66% of oxygen .
3
1. INTRODUCCIÓN
En Ecuador existen algunas limitaciones en las importaciones de vehículos de competencia, las industrias automotrices implementan diversos mecanismos de funcionamiento dándoles una categoría a cada vehículo que permite un mejor rendimiento y potencia del motor.
Se plantea desarrollar el estudio e implementación de un cabezote twin cam 16 válvulas y un sistema sobrealimentado a un Chevrolet Forsa 1300cc de 8 válvulas, identificando los diferentes parámetros de funcionamiento, estudiando los componentes y partes adecuadas que permitan transformar un motor atmosférico estándar a turbo alimentado, remplazando el cabezote original de fábrica del Chevrolet con un cabezote twin cam, permitiendo mejorar la sincronización de los elementos, agregándole un sistema sobrealimentado para mejorar la potencia y par motor, obteniendo un mejor rendimiento.
Como objetivo general se plateó:
Estudiar e implementar un cabezote twin cam 16 válvulas y un sistema sobrealimentado a un Chevrolet Forsa 1300cc de 8 válvulas.
Como objetivos específicos se plantearon:
Identificar los parámetros y características de funcionamiento del motor a gasolina del vehículo Chevrolet Forsa 1300.
Seleccionar los componentes y partes adecuadas para la implementación del cabezote y sistema de sobrealimentación en el motor.
Implementar el cabezote twin cam con un sistema sobrealimentado a un Chevrolet Forsa.
Realizar pruebas dinámicas de funcionamiento de potencia, torque y gases contaminantes antes y después de la modificación del motor con el sistema sobrealimentado.
Analizar y comparar los parámetros de potencia, torque y gases contaminantes.
4
el sistema de sobrealimentación, con los datos obtenidos se analiza y compara el motor atmosférico estándar de 8 válvulas con el motor sobrealimentado de 16 válvulas en el vehículo Chevrolet Forsa 1300.
En la actualidad los motores de cuatro tiempos son los más utilizados en los automóviles de competición o de calle. Los motores se encuentran constituidos internamente por partes móviles, trabajando simultáneamente con la finalidad de brindar un mejor rendimiento del motor.( Alonso, 2009) Los cambios a realizar en el motor, será el remplazo del cabezote original de 8 válvulas por uno de dos árboles de levas de 16 válvulas, igualmente se remplazara el múltiple de admisión original por un múltiple de admisión Suzuki Swift Gti, implementando varias partes como: cuerpo de aceleración, riel de inyectores (sistema de inyección multipunto), banda de distribución, cable de bujías y bujías. La implementación y adaptación de un sistema sobrealimentado transformándole de un motor atmosférico a un motor turboalimentado. (Dietsche, 2003)
Para mejor el rendimiento del motor, se efectúa el cambio de la culata de válvulas de un SOCH (Single Over Heas Cam) a DOCH (Dual Over Head Cam). DOCH este sistema utiliza doble árbol de levas, dos levas por cilindro, permitiendo una configuración de 4 válvulas por cilindro. El motor alcanza con facilidad las altas revoluciones, el par motor y potencia son mayores. Pero existe un peso adicional convirtiéndose en una carga para el vehículo. (Martínez, 2012)
Para evitar problemas y obtener el mejor rendimiento del motor, se debe remplazar mediante un análisis algunos elementos móviles como: pistones, válvulas, bomba de aceite, bomba de agua, medias lunas, chaquetas de bancada, chaquetas de biela. Se envía a una rectificadora el bloque de motor, volante de inercia, cigüeñal y culata para verificar su desgaste y realizar su reparación si lo amerita. (Valbuena, 2008)
En la actualidad los árboles de levas se han modificado permitiendo dividir esfuerzos y evitar pérdidas de potencia del motor, se encuentra ubicada en la culata y tiene una sincronización con el cigüeñal por medio de una cadena o correa dentada. Es importante calar correctamente la distribución, este proceso es el de mayor importancia para el funcionamiento y rendimiento correcto del motor. (Luque, 2013)
5
retira el limitador de carrera gira el motor hasta el Punto Muerto Superior o 0°, este se le considera el Punto Muerto Superior verdadero del motor. Es importante localizar los puntos correctos sin un menor error de 1°. Además se puede verificar con las marcas del fabricante. (Suzuki Swift Gti, 1989) El Chevrolet Forsa tiene un sistema inyección monopunto de alimentación, se remplaza por un sistema de inyección electrónica multipunto desde cero, trabaja conjuntamente con sensores, actuadores alrededor del motor y un módulo electrónico (ECM), el que recepta señales y compara con los datos almacenados en el módulo, permitiendo un ahorro en el consumo de gasolina y optimizando la combustión interna. También facilitan la medición de parámetros de funcionamiento del motor como: las revoluciones del motor, el aire que ingresa a la cámara de combustión, la temperatura y velocidad. (El Tiempo, 2016)
Los motores termodinámicos tienen el objetivo de transformar la energía calorífica en energía mecánica directamente utilizable. Mediante un análisis termodinámico y matemático con los datos del fabricante, se obtendrá un modelo matemático más real. Permitiendo seleccionar el turbo compresor más adecuado para el motor. Se realiza el cálculo con las siguientes formulas: El volumen unitario o cilindrada, es el área de la sección del cilindro por la carrera del pistón. La cilindrada total, es el volumen de la mezcla entre aire y combustible, multiplicado por el número de cilindros que posee el motor de combustión. La relación de compresión, es la relación entre el volumen del cilindro cuando el pistón está en el PMI y el volumen cuando está en el PMS, que indica cuando se reduce por compresión el volumen del aire. El volumen de la cámara de compresión, es el volumen unitario más volumen de la cámara de compresión y todo esto dividido para el volumen de cámara de compresión. La velocidad media del embolo o pistón, corresponde a un movimiento lineal uniforme supuesto con el cual el pistón tardara en hace la carrera. (Martínez, 2012)
Ayudando a realizar otros cálculos adicionales como: El par motor, cuyo valor se obtiene cuando la presión en el interior del cilindro es máxima. El consumo especifico de combustible, es la relación que existe entre el combustible que se introduce a la cámara de combustión para ser quemado y la potencia producida durante un tiempo determinado. El rendimiento mecánico, es la relación entre el trabajo útil entregado al volante motor y el trabajo indicado. El rendimiento total, es la relación entre el trabajo obtenido en el eje motor y el equivalente a la energía calorífica del combustible consumido y es igual al producto del rendimiento termodinámico por el mecánico. (Guaita, 2013)
6
permite medir la presión del aire dentro del múltiple de admisión. Sensor de posición de la mariposa del acelerador, su función es bloquear el combustible para obtener un consumo menor y ahorrando combustible, y estando en ralentí los inyectores abren y pulverizan el combustible, evitando apagarse el motor. Sensor de temperatura del motor, mide la temperatura del motor por medio del refrigerante o agua que circula por el motor. Sensor de oxigeno o también conocido como sonda lambda, por lo general se encuentra en el tubo de escape, mide la cantidad de gases de escape combustionados, existiendo variación en los parámetros, este sensor permite medir la cantidad exacta de mezcla estequiometria. (Navarrete, 2010)
Por lo tanto la función que realiza el sistema de inyección electrónica, consiste en medir el aire del medio ambiente, que absorbe el motor y controlado por la mariposa de aceleración en función de la carga del motor, luego dosifica el combustible requerido para la cantidad de aire aspirada, siendo la mezcla estequiometria más precisa dentro los límites del factor lambda. (Payri, 2011)
El Eeprom, es la memoria de lectura programable ubicado dentro del módulo electrónico, permitiendo calibrar y programar, controlando el funcionamiento correcto del tren motriz. El Eeprom almacena y registra los datos de funcionamiento determinando cálculos y valores emitidos. (Navarro, 2007) Para verificar la compresión de los cuatro cilindros, se realiza un test de compresión mediante un manómetro con sus respectivos conectores y se procede con el motor caliente, después de calentar el motor apáguelo, se remueve las bujías y los cables de bujía, desconecte la bobina, instalar el medidor de compresión, se mantiene el vehículo en neutro y arrancar manteniendo el pedal del acelerador a fondo ( las válvulas se abren), alrededor de 10 a 15 segundos, se realiza este mismo procedimiento por cada cilindro, con los datos obtenidos se verifica los valores teniendo como referencia la altitud y se procede a colocar las bujías, cables de bujías y bobina. (Alonso, 2009)
La incorporación de un sistema sobrealimentado a un motor de combustión interna, permite incrementar la potencia del motor, sin la necesidad de aumentar sus dimensiones. Los automóviles que circulan a gran altitud sobre el nivel del mar, se reduce la densidad del aire causando perdida de potencia en ellos. Para solucionar el problema se implementa un sistema de sobrealimentación, aprovechando la dinámica de los gases, permitiendo incrementar el volumen de aire que ingresa normalmente a la cámara de combustión de los motores atmosféricos (aspiración natural o normal), y a su vez, se inyecta más combustible dentro del cilindro, obteniendo así un aumento hasta del 40% de potencia y de par motor. Un motor atmosférico tiene un límite de potencia que está dado por la cantidad de aire que puede aspirar a través de su sistema de admisión. (Nuvolari, 2011)
7
que en el compresor alcanza una temperatura máxima de 80°C. Teniendo una diferenciación de temperaturas en la turbina y compresor, que dificulta el diseño y selección de materiales para su construcción. (Morales, 2011) Se considera la variación de la presión media, el volumen de la cámara y la relación de compresión, para evitar daños o riesgos de incremento de temperatura en el motor ocasionado por la sobrealimentación. (Eduardo, 2013)
En el turbo los gases salen a una temperatura de 90 a 120 grados Celsius, ocasionando el aumento de densidad en los gases, provocando que la masa de oxigeno por unidad de volumen disminuya, igualmente la eficiencia volumétrica del motor disminuya la potencia. Para evitar este inconveniente se coloca un intercooler teniendo un aumento de potencia del 10 al 15 por ciento, respecto a un motor sobrealimentado sin intercooler. (Luque, 2013) En el intercooler existe un parámetro denominado grado de intercambio de calor, que relaciona la refrigeración del aire de admisión con la variación de la temperatura. Para calcular la temperatura de salida del aire del intercambiador de calor se obtiene restando la temperatura a la entrada del Intercooler y el valor de refrigeración. (Navarrete, 2010)
Para poder controlar el funcionamiento adecuado del motor
sobrealimentado, es necesario implementar manómetros, indicando la presión del aceite, la presión del turbo, temperaturas de sobrealimentación, y luces indicadoras. (Guaita, 2013)
El mantenimiento del sistema turbo alimentado es muy delicado y muy costoso, para evitar averías en el sistema de sobrealimentación es recomendable: Sustituir aceite y filtro en los tiempos establecidos por el fabricante, evitar arranques bruscos en frio, utilizar aceites sintéticos en los sistemas de refrigeración y lubricación, dejar en ralentí después de haber tenido recorridos largos. (Schulbuchverlag, 2012)
Para la repotenciación del motor, se realiza cálculos matemáticos mediante el uso de fórmulas detalladas en la tabla 1.
Tabla 1. Ecuaciones fundamentales para la investigación y análisis.
Nombre Fórmula Dónde N°
Ecuación Volumen unitario Vu: Volumen Unitario
d: Diámetro del Cilindro S: Carrera
[1]
Cilindrada Cil=Vu x n Cil: Cilindrada Vu: Volumen Unitario n: Número de cilindros
8
Tabla 1. Ecuaciones fundamentales para la investigación y análisis, continuación. Relación de
compresión Rc=
Rc: Relación de compresión estándar Vu: Volumen unitario Vc: Volumen de la cámara de combustión
[3]
Volumen unitario modificado
: Volumen Unitario modificado
: Diámetro del Cilindro modificado
S: Carrera
[4]
Cilindrada modificada
= x n : Cilindrada modificada : Volumen Unitario modificado
n: Número de cilindros
[5]
Relación de compresión modificada
: = : Relación de
compresión estándar : Volumen unitario
: Volumen de la cámara de combustión
[6]
Rendimiento
térmico ηt=
1-ηt: rendimiento térmico Rc: relación de compresión estándar
: constante de gas ideal con calor específico
[7]
Potencia efectiva Potencia efectiva
Par motor
Revoluciones por minuto
[8]
Rendimiento mecánico del
motor
: Rendimiento mecánico Potencia efectiva Potencia indicada
[9]
Caudal teórico Qt= Vu x Qt: Caudal teórico Vu: Volumen unitario n: Número de cilindros
[10]
Masa teórico de
aire δa=
δa: Densidad del aire a 2800 msnm
Masa teórica del aire : Caudal teórico
[11] Rendimiento volumétrico del motor Rendimiento volumétrico
Masa del aire real
9
Tabla 1. Ecuaciones fundamentales para la investigación y análisis, continuación. Rendimiento útil
del motor
Rendimiento útil Rendimiento térmico
Rendimiento del diagrama
Rendimiento mecánico
[13]
Consumo específico
: Consumo específico de combustible a 2800 msnm
Poder calorífico de la gasolina
Rendimiento útil
[14]
10
2. METODOLOGÍA
Se inició aplicando el método investigativo, se recopiló toda la información necesaria en libros, revistas científicas y páginas web, referente a la adaptación de un sistema sobrealimentado en un motor a gasolina, estudiando los diferentes sistemas que son sometidos a modificación, además se realizó un estudio del funcionamiento del motor teniendo como referencia los datos provistos por el fabricante y el estado del motor.
Con la ayuda del método cuantitativo se realizó dos test por cada equipo de comprobación; antes de implementar el cabezote twin cam con el sistema sobrealimentado y después implementado lo anterior mencionado. Midiendo con un manómetro de presión en un taller automotriz, la compresión en cada cilindro para verificar fugas de presión. Luego se subió el vehículo en los rodillos del banco dinamométrico, obteniendo la gráfica de torque y potencia en relación de sus revoluciones por minuto. También se analizó el comportamiento de los gases: hidrocarburos, monóxido de carbono, dióxido de carbono y oxigeno con un analizador de gases, estando el motor en ralentí y a 2500rpm.
Una vez realizadas las pruebas, se procedió a desconectar todos los sockers del sistema eléctrico, abrazaderas de las cañerías y mangueras con un alicate o destornilladores, localizados alrededor del motor Chevrolet Forsa. Se procedió a extraer el aceite de motor y caja de cambios. Luego se desmontó la tapa válvulas, desacoplando el múltiple de admisión y escape de la culata.
Se sujetó el motor con las cadenas del tecle, con la ayuda de la gata hidráulica se aflojó los pernos de las bases del motor, para elevar y colocar el motor en la mesa de trabajo. Para luego desinstalar la distribución, desmontando con facilidad el cabezote de 8 válvulas con su respectivo árbol de levas, analizando mediante una inspección visual el desgaste de los cilindros, con un calibrador pie de rey se medió el diámetro del cilindro, carrera del pistón y con jeringuillas llenas de aceite se obtuvo el volumen de la cámara de combustión, permitiendo calcular: volumen unitario, cilindrada, relación de compresión.
Se desmontó las partes internas del block y se verificó el estado de las chaquetas de bancada, chaquetas de biela, lunas y cigüeñal.
Además se envió a una rectificadora el cigüeñal, volante de inercia, culata twin cam y block de motor para verificar su estado y se realizó la respectiva reparación.
11
Las herramientas que se utilizó para armar las partes internas del motor rectificadas son los siguientes: juego de llaves mixta, juego de dardos con acoples y rachas de diferente tamaño, palanca de fuerza, taquímetro, juego de puntas (estrella, recta, hexágonos, cruz, etc) y juego de pinzas. Se procedió a colocar el cabezote twin cam con las 16 válvulas, empaque metálico, bomba de agua, bomba de aceite, propulsores, juego de bujías, juego de cables de corriente, bomba de gasolina y kit de distribución nuevas. Se remplazó el sistema de inyección monopunto por un sistema de inyección electrónica multipunto con su módulo electrónico (ECM), siendo necesario desmontar el tablero, remplazando el cableado completo, porta fusilera interna y externa con sus respectivos sokers, sustituyendo el cuerpo de admisión con sus sensores y actuadores. También se remplazó el módulo de encendido, distribuidor, bujías y cables de bujías.
Se realizó un estudio por medio de parámetros de revoluciones del motor, el aire que ingresa a la cámara, cilindrada, combustión, temperatura, considerando la variación de presión media, el volumen de la cámara y la relación de compresión. Se seleccionó correctamente el sistema del turbo compresor más adecuado para el motor.
Luego de verificar el correcto armado del motor. Se instaló el sistema de sobrealimentado, se adquirió un turbocompresor e intercooler ideal para el motor. Se modificó la admisión y la base del escape para acoplar con el turbocompresor, se modificó el cárter para que exista un retorno de aceite al turbocompresor con su respectivo recolector de aceite con mangueras adicionales. Se instaló una válvula de alivio y manómetros de presión visibles en el parante izquierdo del vehículo. Una vez concluido el proceso de armado, se completó el aceite de motor, aceite de caja, niveles de agua. Verificando constantemente de forma visual fugas o consumo de agua o aceite.
12
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL MOTOR
3.1
CHEVROLET FORSA 1300
En el desarrollo del proyecto, se utilizó un vehículo Chevrolet Forsa 1300 cc de 8 válvulas posee un motor de 4 tiempos a gasolina con 4 cilindros en línea con un sistema de distribución SOCH, que es alimentado atmosféricamente con un sistema monopunto.
DATOS TÉCNICOS Y TEÓRICOS DEL MOTOR
3.2
Se requiere conocer los datos técnicos del motor, antes de implementar un sistema de sobrealimentación en un motor de combustión interna. Permitiendo comparar los valores teóricos de funcionamiento del motor con los valores reales obtenidos en el dinamómetro.
En la tabla 2 se observa los valores proporcionados por el fabricante en condiciones ideales y a nivel del mar.
Tabla 2. Ficha técnica del Chevrolet Forsa 2 (1996-2004) Combustible Gasolina
Alimentación Monopunto Posición Transversal
Cilindrada 1298
Diámetro x Carrera 74.0 x 75.5 mm
Válvulas 8 Válvulas
Relación de compresión 9.5
Potencia 68 CV or 50 kW @ 6000 rpm Par máximo 99 Nm or 73 lb.ft @ 3500 rpm Caja de cambios 5 velocidades manual
Consumos – Medio 5.9 L/100km Consumos - Extra Urban 4.8 L/100km Consumos – Urbano 7.8 L/100km Capacidad del depósito 40 L
Autonomía 677 Km
Emisiones de 141 g/Km (Manual Técnico Suzuki, 2000)
DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS REALES DEL
3.3
MOTOR
13
Los análisis reales de los parámetros del motor Chevrolet Forsa 1300cc, se realizó a través de pruebas en el laboratorio de motores de la Universidad Internacional del Ecuador (UIDE), utilizando el dinamómetro, y en el taller automotriz (Hemi–Motors) se procedió a las pruebas de compresión y gases, el que se encuentra en el sector de la Pulida.
3.3.1 BANCO DINAMOMÉTRICO.
El banco dinamométrico pertenece a la Universidad Internacional del Ecuador (UIDE), consta con dos módulos, el principal se encuentra a un costado de la computadora como se observa en la figura 1 y el módulo secundario se encuentra cerca de los rodillos con varios cables que trasmiten la información y cañerías neumáticas para el control del elevador.
Figura 1. Módulo principal del banco dinamométrico
El funcionamiento, el eje principal del vehículo gira su capacidad al máximo sobre los rodillos que frenan de forma gradual y mide la fuerza con que se está frenando, como se observa en la figura 2. En el display se observa la siguiente información:
Temperatura atmosférica: 19.4 °C
Presión atmosférica: 757 mmbar = 0.747 atm Medida del neumático: 205/40 R16
Diámetro de la rueda: 570 mm
14
3.3.2 RESULTADO OBTENIDO E INTERPRETACIÓN
En la prueba realizada en el banco dinamométrico, el tiempo de duración fue 26.6 segundos, donde se generaron las curvas de potencia y torque respectivamente en la figura 3 y tabla 3 se observa los datos obtenidos.
Tabla 3. Datos de potencia y par motor en el dinamómetro
Parámetro Unidad RPM Valor
Potencia Max CV/HP/kW 5200 48.13/47,45/35.4
Torque Max Kgm/Nm 3000 8,37/82.1
Figura 3. Curvas de potencia y par motor obtenidos en el dinamómetro
3.3.3 ANÁLISIS Y COMPARACIÓN DE LOS DATOS TEÓRICOS Y DE LOS VALORES OBTENIDOS
El análisis de los valores reales obtenidos en el banco dinamométrico, se realiza una comparación de valores dados por el fabricante. Mediante el análisis se considera la prueba realizada en la ciudad de Quito, cuya ciudad se encuentra a una altitud de 2800 m sobre el nivel del mar, refiriéndose las pérdidas de altura, por cada 1000 metros sobre el nivel se resta un 10% indicado por el fabricante. (Castro, 2015)
Los datos obtenidos se detallan a continuación en la tabla 4.
Tabla 4. Análisis de potencia y torque del motor estándar Dato fabricante
Dato a 2800 msnm (dato del fabricante menos el 28%)
Dato
dinamómetro Porcentaje Potencia (HP) 67 HP 48.24 HP 47,45HP 1.64%
Torque
15
Los datos reales varían con los valores indicados por el fabricante por la altura que se realizó la prueba del dinamómetro en la ciudad de Quito. Se realizó una comparación de la potencia existiendo una disminución del 1.64 % con respecto a los valores de 2800 msnm. Mientras para el torque existe un aumento del 15.20% respecto al dato a 2800 msnm.
Una vez realizado la comparación de datos, se determina el estado actual del motor. Permitiendo realizar las siguientes pruebas de medición de gases y compresión.
3.3.4 MEDICIÓN DE LOS GASES DE ESCAPE
El equipo utilizado para la medición de los gases y visualización de resultados del motor Chevrolet Forsa 1300cc, fue proporcionado por el taller Hemi- Motors marca Maha, modelo MGT-5, como se observa en la figura 4.
Figura 4. Banco de medición de gases de escape MAHA MGT-5
El medidor de gases de escape permite obtener valores de las porciones de dióxido de carbono ( ), hidrocarburos (HC), oxígeno ( ) y monóxido de carbono (CO) y factor Lambda, por medio de sensores electroquímicos, sensor de temperatura y una cámara Peltier para retener condensados los gases e imprimir los resultados en un periodo de tiempo. Cabe mencionar, previa a la matriculación vehicular en la ciudad de Quito, es obligado aprobar la revisión técnica vehicular de DMQ, realizando la medición de gases a los automotores, el cual se basan en los datos de la tabla 5.
Tabla 5. Cuadro calificativo de gases para la revisión técnica vehicular en Quito en los vehículos del 2000 en adelante
ok Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3
No pasa
(%)V 3.0 3.5 4.5 4.6
HC (ppm) 160 180 199 200
CO (%)V 0.6 0.7 0.9 1.0
(Revisión técnica vehicular DMQ, 2 010)
16
Tabla 6. Valores obtenidos en el analizador de gases de escape con el motor estándar y sin catalizador
CO (%)V HC (ppm) (%)V
Ralentí 0.44 222 2,93
2500 RPM 0.42 74 2,90
Al comparar entre la tabla 5 con la tabla 6, se determinó que el vehículo solo cumple el CO (monóxido de carbono) y el (oxigeno) encontrándose dentro de los parámetros establecidos para la aprobación de la revisión técnica vehicular y es necesario la implementación de un catalizador para reducir el HC (hidrocarburos). En la figura 5 se observa cómo se miden los gases.
Figura 5. Medición de gases al motor estándar
El Instituto Ecuatoriano de Normalización INEN, establece valores en la Norma NTE 2004, mostrando el índice de cada gas dependiendo del año de fabricación del vehículo y los metros sobre el nivel del mar que se encuentre el automóvil. En la tabla 7 se puede verificar si un vehículo cumple con la norma de emisión de gases.
Tabla 7. Límites máximos de emisiones de gases Año
% CO Vol ppm HC
0 a 1500 msnm
1500 a 3000 msnm
0 a 1500 msnm
1500 a 3000 msnm
2000 y Posteriores 1 1 200 200
1990 a 1999 3,5 4,5 650 750
1989 y Anteriores 5,5 6,5 1000 1200
(Instituto Ecuatoriano de Normalización INEN Norma NTE 2004)
Mediante un análisis de los valores obtenidos con la tabla 8, se determina que el vehículo Chevrolet Forsa de 1300 cc del año 2002 no cumple el HC (hidrocarburos) en ralentí dentro de los valores establecidos por la norma INEN.
Tabla 8. Análisis de los gases de escape del vehículo estándar según Normas INEN
CO(%)V HC (ppm)
Valor INEN 1 200
Ralentí 0.44 222
17
3.3.5 MEDICIÓN DE COMPRESIÓN
Para medir la compresión y sea fiable primero se calienta el motor a temperatura normal o 85°, luego se desacopla todos los cables de alta tensión de las bujías (apagado el motor). Segundo se procede a desenroscar las bujías y colocar el manómetro en el orificio de la culata. Tercero se acciona el motor de arranque durante unos segundos con el pedal del acelerador hasta el fondo. El mismo procedimiento se realiza en los otros cilindros.
Los resultados obtenidos en la medición de compresión del motor Chevrolet Forsa 1300cc, se indican en la tabla 9.
Tabla 9. Valores de compresión Chevrolet Forsa 1300 estándar # Cilindro Presión (PSI) Presión (bar)
1 126 8.687
2 126 8.687
3 126 8.687
4 126 8.687
Se verificó que el motor se encuentra en óptimas condiciones, manteniendo la estanquidad de la mezcla en el interior del cilindro, además la presión es estable en cada cilindro manteniendo los 126 PSI en los 4 cilindros, indicando que se puede realizar una adaptación de un sistema sobrealimentado. En la figura 6 se aprecia la medición de la compresión.
Figura 6. Medición de compresión al motor estándar
Los valores obtenidos con el motor estándar permiten realizar un cuadro comparativo con los valores en la implementación del sistema sobrealimentado evitando sobre esfuerzos al motor.
CÁLCULOS INICIALES DEL MOTOR CHEVROLET FORSA
3.4
Y TRUCAJE
18
3.4.1 VOLUMEN UNITARIO
El volumen o cilindrada unitaria, es el volumen comprendido entre el PMS y el PMI, por el desplazamiento del pistón en una carrera, se expresa en centímetros cúbicos (cc). En la figura 7 se observa la medición del diámetro del cilindro.
Figura 7. Medición del diámetro del cilindro estándar
Para realizar el cálculo de volumen unitario, es necesario obtener los valores de la carrera, diámetro del cilindro, los que se detallan a continuación:
Carrera (S): 75.5mm=7.55cm
Diámetro del cilindro (d)=74.5 mm=7.45cm Rectificado +20: 0.5mm=0.05cm
Para obtener el volumen unitario, se aplica los valores en la ecuación [1].
Vu= 329.116
3.4.2 CILINDRADA
La cilindrada total, es el producto del volumen unitario por el número de cilindros que tiene el motor.
Una vez obtenido el volumen unitario para los 4 cilindros que posee el motor, se procede aplicar en la ecuación [2]
Cil = 329.11 x 4
Cil = 1316.44
19
3.4.3 RELACIÓN DE COMPRESIÓN
El volumen de la cámara de combustión está comprendido, cuando el pistón se encuentra en el PMS entre la cabeza del pistón y la superficie de la culata.
En la figura 8 se aprecia el método para determinar el volumen de la cámara de combustión y luego calcular la relación de compresión (Rc), es indispensable saber con exactitud el volumen real de la cámara de combustión.
Para la medición se realiza el siguiente procedimiento:
Primero se coloca la culata a 180° de su posición normal en una superficie plana, las válvulas debes estar cerradas.
Segundo se limpia los residuos de carbonilla dentro de la cámara. Tercero se coloca aceite por medio de una jeringa dentro de la
cámara de combustión, dejándolo totalmente llena a nivel de la superficie de la culata.
Figura 8. Medición de la cámara de combustión en el cabezote 8 válvulas
En la tabla 10 se detallan los datos en la medición de cubicaje.
Tabla 10. Cubicaje de la cámara de combustión motor estándar # Jeringas Cantidad (ml)
1 5 ml
2 5 ml
3 5 ml
4 5 ml
5 5 ml
6 5 ml
7 5 ml
8 3.3 ml
20
La medida de la cámara de combustión fue de 38.3ml equivalente a 38.3 . Permitiendo aplicar los valores en la ecuación [3].
Rc=
Rc= 9.59:1
La relación de compresión (Rc) inicial del motor es similar al dato otorgado por el fabricante que es 9.5:1.
La relación de compresión para motores sobrealimentados debe ser menor y para motores Otto se encuentra de 8-11:1
3.4.4 VOLUMEN UNITARIO MODIFICADO
El diámetro del cilindro estándar según el fabricante es de 74.00mm del motor Suzuki G13B, el diámetro inicial del cilindro era de 74.5mm tiene una rectificación de +20. Por motivos al instalar un sistema sobrealimentado se deberá rectificar +40 ya que los pistones del cabezote twin cam son del motor G16A y sus pistones de serie son 75mm estándar. En la tabla 11 se detallan los valores de condiciones de rectificación.
Tabla 112. Condiciones de rectificación del cilindro RECTIFICACIÓN DIÁMETRO
ESTÁNDAR (STD)
DIÁMETRO INICIAL
DIÁMETRO FINAL
STD 74mm
+20 74.5 mm
+40 75 mm
Los datos de la rectificación son los siguientes para la aplicación en la ecuación [4].
Carrera (S): 75.5mm=7.55cm
Diámetro del cilindro (d)=75.0 mm=7.5cm Rectificado +40: 1.00mm=0.1cm
= 333.548
3.4.5 CILINDRADA MODIFICADA
= 333.548 x 4
21
La cilindrada del motor aumento respecto a la cilindrada brindada por el fabricante, este aumento es debido a la rectificada +40 al diámetro de los cilindros, en el block del motor.
3.4.6 RELACIÓN DE COMPRESIÓN MODIFICADA
Al implementar la culata del twin cam 16 válvulas, se obtiene el cubicaje de la cámara de combustión. Se realizó el anterior procedimiento con la jeringas para la obtención del dato real como se observa en la tabla 12.
Tabla 12. Cubicaje de la cámara de combustión motor modificado. # Jeringas Cantidad (ml)
1 5 ml
2 5 ml
3 5 ml
4 5 ml
5 5 ml
6 5 ml
7 5 ml
8 1.6 ml
TOTAL 36.6 ml
En la figura 9 se aprecia el procedimiento para la medición de la cámara de combustión.
Figura 9. Medición de la cámara de combustión en el cabezote 16 válvulas
Se obtuvo la medida de la cámara de combustión del cabezote twim cam es 36.6ml equivalente a 36.6 . Se emplea en la ecuación [6].
=
= 10.11:1
22
3.4.7 RENDIMIENTO TÉRMICO
El rendimiento térmico, no tiene relación con la cilindrada del motor, sino solamente con la relación de compresión, entre más elevada sea la Relación de compresión mejor será su rendimiento, esto quiere decir que es el resultado de un proceso donde no existe perdidas de calor. Como se muestra en la ecuación [7] donde el valor numérico de es 1.4 constante.
ηt=1-ηt= 0.5952
ηt= 59.52 %
El rendimiento de un vehículo influye en los valores teóricos con los reales. Siendo el rendimiento mayor al nivel del mar y menor en la ciudad de Quito a 2800 msnm. Es porque la variación de la densidad y estado del aire interviene en el aumento o disminución de la potencia del motor.
3.4.8 POTENCIA EFECTIVA
La potencia efectiva es la fuerza de la explosión aplicada a la biela y transmitida por ésta al codo del cigüeñal para hacerle girar, produce un esfuerzo de rotación que se conoce con el nombre de par motor. Se la puede medir empleando un dispositivo frenante que al aplicarse al eje del motor, se opone al par motor permitiendo medir su valor, como se muestra en la siguiente ecuación [8].
3.4.9 POTENCIA INDICADA
Para determinar la potencia indicada se puede realizar por medio de la presión media indicada, dato que se obtuvo en el dinamómetro.
Pi= 35.4 kW
3.4.10 RENDIMIENTO MECÁNICO DEL MOTOR
23
pérdidas mecánicas por fricción de los componentes en movimiento. Como se muestra en la ecuación [9].
El rendimiento mecánico queda de la siguiente manera con los datos obtenidos:
0.72853
El rendimiento mecánico tiene algunas perdidas por algunos componentes y se encuentra permisible los valores en la tabla 13.
Tabla 133. Rendimiento mecánico según el tipo de motor TIPO DE MOTOR
Cuatro Tiempos Gasolina 0.8 a 0.9
Diesel 0.75 a 0.85
Dos Tiempos Gasolina 0.85 a 0.95
Diesel 0.85 a 0.90 (Sanz Gonzalez, 2003)
3.4.11 CAUDAL TEÓRICO
El caudal teórico se lo obtiene por el producto del volumen unitario por el número de cilindros y aspiraciones a 3000 rpm sobre dos. Se lo aplica en la siguiente ecuación [10].
Qt= 329.116 x
Qt= 1974696
Qt= 0.03291
3.4.12 MASA TEÓRICO DE AIRE
Para el valor de la masa teórico de aire se realiza el siguiente cálculo por medio de la ecuación [11].
δa= [11]
24
30.54048 g
3.4.13 RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO DEL MOTOR
El rendimiento volumétrico de los gases ( en el interior del cilindro, también conocido como grado de llenado. Se aplica en la siguiente ecuación [12].
= =% [12]
Dónde:
Rendimiento volumétrico Masa del aire real
Masa teórica de aire
El rendimiento volumétrico está relacionado con la potencia del motor. En la prueba de gases se obtuvo el peso de aire que se introdujo en el cilindro. Se hará el cálculo a 2800 msnm que se encuentra la ciudad de Quito.
Entonces como a 3000 rpm =0.724 sin turbo compresor. Se despeja la masa del aire real. El valor del rendimiento volumétrico para los motores turbo alimentados esta entre el 80 y 90%. Para el estudio se toma un valor bajo de = 80 % para los siguientes cálculos.
0.724
22.111 g
3.4.14 RENDIMIENTO ÚTIL DEL MOTOR
El rendimiento es un valor obtenido mediante la multiplicación de los rendimientos del motor. Permitiendo calcular el consumo específico del combustible y determinar el tipo de turbocompresor adecuado para la implementación. Dentro del cálculo se debe tomar en cuenta la altura que se encuentre el vehículo, la ciudad de Quito se encuentra a 2800 msnm y otro factor que interviene es el rendimiento del diagrama que al compararlo con el teórico, el grado de calidad está comprendido entre 75 y 90 %; tomado como referencia el 75% y aplicando en la ecuación [13].
0.72853
25
32.52 % de rendimiento útil a 2800 msnm
3.4.15 CONSUMO ESPECÍFICO
El consumo específico de combustible a 2800 msnm, está indicado por la cantidad de combustible absorbido por el motor en gramos por cada caballo-hora (CV/h) de potencia útil, puede variar el valor dependiendo el número de revoluciones por minuto y la carga. En la tabla 14 indica el poder calorífico.
Tabla 14. Poder calorífico de gases y líquidos
GASES Índice de octano Poder calorífico cal/kg
Butano 90 10900
GLP 102 10950
Metano 125 11500
Propano 125 11000
LÍQUIDOS Índice de octano Poder calorífico cal/kg
Alcohol etílico 100 6500
Alcohol metílico 120 5050
Gasolina 95 95 10400
Gasolina 98 98 10550
Benzol 100 9600
(Dante, 2012)
La gasolina de nuestro país es de 87 y 92 octanos. Para los siguientes cálculos se escoge la gasolina 98, tiene más resistencia al autoencendido que la gasolina de 95 octanos. La fórmula para calcular el consumo especifico de combustible del motor, se muestra en la ecuación [14].
184.2921
SELECCIÓN DE ELEMENTOS
3.5
3.5.1 ANÁLISIS PARA LA CORRECTA SELECCIÓN DEL TURBOCOMPRESOR
26
gases de escape según el giro del motor. La selección debe ser la correcta para evitar daños y aumentar las modificaciones del diseño del mismo.
El turbocompresor se define por el caudal de aire que necesita el motor. Los fabricantes de turbocompresores brindan gráficas o también conocidos mapas de compresión, como se indica en la figura 10, indicando el rendimiento de un turbo cargador como es: flujo de aire, capacidad de aspiración, eficiencia y la velocidad del eje del turbo. Es posible aumentar la potencia del mismo en un 50% con ciertas modificaciones en los componentes del motor.
Figura 10. Curvas de selección del turbocompresor (Honeywell , 2017)
3.5.2 DESIGNACIÓN DE TURBO COMPRESOR
27
Figura 11. Área y radio del turbo (Turbomaster)
A menor A/R se consigue una respuesta del motor a bajas revoluciones pero en altas revoluciones no se consigue el caudal necesario para un buen funcionamiento del motor.
Tomando en cuenta las consideraciones para la selección del turbocompresor, existirá un incremento de temperatura y de presión a causa de la sobrepresión que genera el mismo. Se procede a realizar un cálculo matemático que permita indicarnos cual turbocompresor es el más adecuado en la implementación del sistema sobrealimentado a un motor Chevrolet Forsa 16 válvulas.
3.5.3 ANÁLISIS DE LA RELACIÓN DE PRESIÓN
Es la relación de presión que existe entre la presión de salida de aire del turbo ( ) con la presión de entrada de aire ( ), los valores son en psi o bar. La relación de presión queda establecida en la siguiente ecuación [15].
PR= [15]
Dónde:
PR: Relación de presión.
Presión de salida de aire del compresor. : Presión de entrada de aire al compresor.
28
del turbo como la diferencia entre el valor de la presión atmosférica como la presión de admisión y el valor de la depresión.
= 0.718 bar -0.0689 bar
= 0.6491 bar
= 9.4143 psi
Con el valor obtenido se calcula el valor de la relación de presión (RP), tomando en cuenta que a la presión del turbo se suma la presión atmosférica para obtener un valor real ya que los fabricantes no consideran la presión atmosférica. Se aplica la siguiente ecuación [16].
PR= [16]
Dónde:
PR: Relación de presión.
Presión de salida de aire del compresor Presión de entrada de aire al compresor P: Presión atmosférica.
Se selecciona el valor medio de presión otorgada por el fabricante del turbocompresor, el valor en este caso de la presión a la salida del turbocompresor es de ( ) = 11 psi o 0.75 bar.
PR=
PR= 2.2615
3.5.4 CÁLCULO DE FLUJO DE AIRE NECESARIO (CFM)
Es la masa de aire que fluye a través del compresor para luego pasar al múltiple de admisión del motor. El flujo de aire se expresa en las siguiente unidades: Kg/s (lb/min) o en unidades de volumen /s ( ) el volumen de aire se convierte en masa de aire multiplicado por la densidad del aire. De esta manera se expresa en la ecuación [17].
CFM= P x 14.7 x [17]
Dónde:
CFM: Flujo de aire necesario.
P: Potencia del motor medida en el banco de pruebas. 14.7: relación estequiometria aire/ combustible.
29
El flujo de aire es indispensable y necesario para la ubicación en el mapa del turbo cargador y su correcta selección. Hay que tener en cuenta en todos los motores de gasolina con turbocompresores generan de 9,5 a 10,5 HP por cada lb/min de flujo de aire.
Transformación de unidades:
Se aplica el valor trasformado a las unidades correspondientes en la ecuación [17].
CFM= 47.45HP x 14.7 x
CFM= 4.8058
3.5.5 CÁLCULO DE LA PRESIÓN EN EL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN SEGÚN LA POTENCIA (MAP)
Es la presión absoluta en el múltiple de admisión y tiene relación con la potencia requerida del motor. Se muestra en la siguiente ecuación [18].
MAP= [18]
Dónde:
MAP: Presión en el múltiple de admisión. CFM: Flujo de aire necesario.
R: Constante de gases ideales 639.6
: Rendimiento volumétrico motor turboalimentado. Revoluciones por minuto a potencia máxima. T1: temperatura del múltiple de admisión.
Cil: Cilindrada trasformada a
MAP=
30
MAP= 0.7358 bar
Una vez obtenido la presión en el múltiple de admisión y considerando que el motor ya posee el sistema sobrealimentado, se procede calcular matemáticamente la relación de presión (PR) teniendo en cuenta las pérdidas de presión entre el compresor, las uniones y curvas hacia el conducto de admisión. Se denomina ∆p es igual a 2 psi a la suma de pérdidas de presión que posee el sistema de alimentación.
∆p = 2psi o a.137 bar
Permitiendo calcular un valor aproximado de la presión de aire de admisión que tendrá el sistema de turbocompresor. Se muestra en la siguiente ecuación [19].
∆p [19]
Dónde:
Presión de salida de aire del compresor. MAP: Presión en el múltiple de admisión. ∆p: Variación de presión.
10.673 psi + 2 psi
12.673 psi
0.8737 bar
Suponiendo que ya posee el sistema de sobrealimentación en el motor, con el valor de presión . Permitiendo calcular finalmente la relación de presión en la ecuación [15]. Como se muestra a continuación.
= 0.6491 bar
PR=
PR= 1.346
3.5.6 CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE ADMISIÓN CON EL TURBOCOMPRESOR
Al implementar un turbocompresor a más de aumentar la presión del aire, aumenta también la temperatura ya que los gases de escape pasan por la turbina calentando al compresor.
31
[20]
Dónde:
Temperatura de admisión del motor sobrealimentado. : Temperatura del múltiple de admisión.
Presión de salida de aire del compresor. Presión de entrada de aire al compresor.
X: Exponente adiabático, en este caso se toma un valor en relación al obtenido de la relación de presión (PR).
3.5.7 VARIACIÓN DE LA RELACIÓN DE PRESIÓN
Se debe calcular la presión de compresión (Pc) con el motor estándar y con turbocompresor para comparar los valores y determinar la relación de compresión (Rc) adecuada para el motor sobrealimentado. Con el sistema sobrealimentado su valor ascenderá, por lo que es necesario disminuir el valor de la relación de compresión.
La presión de compresión está dada por la siguiente ecuación [21].
Pc= p x [21]
Dónde:
Pc: Presión de compresión motor de aspiración normal. p: Presión atmosférica a 2800 msnm.
Relación de compresión.
y: Valor termodinámico de una compresión por embolo. Constante 1.5
Pc= 0.718 bar x
Pc= 21.323 bar
Pc= 309.26 psi
La presión de compresión con el motor estándar y sobrealimentado ( considerando la compresión original. Para verificar si aumenta la presión de compresión. Mediante la siguiente ecuación [22].
32
Dónde:
: Presión de compresión con turbocompresor. Presión de salida de aire del compresor. Relación de compresión.
y: Valor termodinámico de una compresión por embolo. Constante 1.5
= 0.8737 bar x
= 25.947 bar
= 376.33 psi
Existe un aumento en la presión de compresión, con un alta de relación de compresión y aumento de potencia producida por el sistema sobrealimentado no es recomendable para los elementos internos del motor.
3.5.8 CÁLCULO DEL INCREMENTO DE POTENCIA
Para obtener un valor del incremento de potencia que el motor obtendrá con la implementación del sistema sobrealimentado en el vehículo. Para el cálculo de incremento de potencia lo realizamos con la siguiente ecuación [23].
= P x [23]
Dónde:
Potencia a 3000rpm a 2800msnm con el sistema de sobrealimentación.
P: Potencia en atmosfera estándar.
Presión de salida de aire del compresor. p: Presión atmosférica a 2800 msnm.
: Temperatura del múltiple de admisión.
Temperatura de salida del aire de admisión es 313.66
= 47, 45 HP x
= 55.71 HP
33
IMPLEMENTACIÓN
3.6
3.6.1 SELECCIÓN DE ELEMENTOS MÓVILES
Antes de implementar la culata se procedió el cambio y rectificación de elementos móviles para obtener el mejor rendimiento del motor. La rectificación se lo realizo por medio de la Rectificadora Pazmiño en la ciudad de Quito.
3.6.1.1 Block del motor
En la figura 12 se indica el bloque de cilindros del motor G13B, su configuración es 4 cilindros en línea, siendo un motor equilibrado, está constituido de una aleación ligera de aluminio (G-AlSi10Mg), permitiendo ser ligero en peso y teniendo una buena conductividad térmica.
Figura 12. Block del motor G13B
La rectificación se realizó solo en los cilindros con +40 (1mm), aumentando el diámetro de los cilindros eliminando la conicidad y ovalamiento. Por los nuevos esfuerzos que realizan el motor y cambios elevados de temperatura y presión se procede a efectuar el cambio de pistones por unos de mayor diámetro.
3.6.1.2 Cigüeñal
