Análisis de la operación de un motor ciclo otto, simulando fallas de funcionamiento de los componentes EGR y EVAP

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

ANÁLISIS DE LA OPERACIÓN DE UN MOTOR CICLO OTTO,

SIMULANDO FALLAS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS

COMPONENTES EGR Y EVAP

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

CÉSAR ESTEBAN ARMAS VALAREZO

DIRECTOR: ING. ALEX GUZMÁN

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 172246315-3

APELLIDO Y NOMBRES: ARMAS VALAREZO CESAR ESTEBAN

DIRECCIÓN: ELIZALDE E6-52 E IQUIQUE

EMAIL: tebanarmas@hotmail.com

TELÉFONO FIJO: 2586861

TELÉFONO MOVIL: 0984605559

DATOS DE LA OBRA

TITULO: ANALISIS DE LA OPERACIÓN DE UN

MOTOR CICLO OTTO, SIMULANDO

FALLAS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS

COMPONENTES EGR Y EVAP.

AUTOR O AUTORES: CESAR ESTEBAN ARMAS VALAREZO

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO

DE TITULACIÓN:

Quito, 28 de octubre de 2016

DIRECTOR DEL PROYECTO DE

TITULACIÓN:

ING. ALEX GUZMÁN MSC.

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ

RESUMEN: Mínimo 250 palabras La presente investigación estableció la importancia de los sistemas EGR y EVAP en un motor ciclo Otto con respecto a la generación de gases contaminantes, consumo de combustible y funcionamiento del motor. Para la misma se utilizó un Chevrolet Grand Vitara 1.6 l. 3P en el que se efectuaron pruebas de gases estáticas con lo que se determinaron variaciones de los gases contaminantes: monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no combustionados (HC), además se realizaron pruebas dinámicas que

contamina menos. Al final de la investigación se determinó que los valores de gases medidos estén dentro de los parámetros establecidos por las normas ecuatoriana INEN 2204 y chilena ASM DTO-149.

PALABRAS CLAVES: EGR, EVAP, Óxidos de Nitrógeno (NOx),

prueba estática, prueba dinámica, ciclo ASM ECM, mezcla aire-combustible.

ABSTRACT: The present investigation established the

were performed gases determining that: the CO value rose 0.15% to 0.18% V in 25/25 ASM dynamic test determining that the vehicle engine pollutes to disconnect the system EVAP, the HC rose from 11.67 ppm to 18 ppm determining that disconnecting the EGR system on the ASM 50/15 dynamic test consumes more fuel quantity and the NOx is a discrepancy with the theory was presented as decreased value of 138.33 ppm values of 101.67 ppm and 80.33 ppm to disconnect the EGR and EVAP systems respectively in the dynamic test ASM 50/15 determining that in this case without the EVAP EGR systems and engine pollutes less. At the end of the investigation it was determined that gases measured values are within the parameters established by the Ecuadorian and Chilean rules INEN 2204 ASM DTO-149

KEYWORDS EGR, EVAP, Nitrogen Oxides (NOx), static

test, dynamic test, ASM cycle, ECM, fuel-air mixture.

Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.

f: _______ __________

DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN

Yo, ARMAS VALAREZO CÉSAR ESTEBAN, CI 172246315-3 autor/a del proyecto titulado: Análisis de la operación de un motor ciclo Otto, simulando fallas de funcionamiento de los componentes EGR y EVAP, previo a la obtención del título de GRADO ACADÉMICO COMO APRECE EN EL CERTIFICADO DE EGRESAMIENTO 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.

Quito, 27 de Octubre de 2016

f: _________ _________

DECLARACIÓN

Yo ARMAS VALAREZO CÉSAR ESTEBAN, 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.

_____________ ____________

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Análisis de la operación de un motor ciclo Otto, simulando fallas de funcionamiento de los componentes EGR y EVAP”, que, para aspirar al título de Ingeniero

Automotriz fue desarrollado por César Esteban Armas Valarezo, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.

___________ ____________

ING. ALEX GUZMÁN DIRECTOR DEL TRABAJO

DEDICATORIA

Este trabajo de titulación se lo dedico a Dios quien me ha guiado durante todo el difícil proceso que representa realizar un trabajo de investigación como este, dándome fuerza día a día para no fracasar ni dar mi brazo a torcer.

A Julio Armas (papá), Sandra Valarezo (mamá), Monserrath Armas (hermana), Francisco Yépez (cuñado) y Nicolás Yépez (sobrino) ya que ellos son el motor de mi vida, además siempre han confiado en mí y me han sabido guiar por el mejor de los caminos. En especial quiero dedicarles este logro a mis abuelitos Luis Valarezo, Inés Guano y Manuel Reyes, a pesar que no están presentes en este momento, sé que desde donde estén siempre me cuidarán y estarán muy orgullosos por este logro en mi vida.

AGRADECIMIENTOS

En el presente trabajo de tesis quisiera empezar agradeciendo a Dios por todas las bendiciones que me ha brindado en la vida, a pesar de todos los problemas que he tenido durante mi vida universitaria, él siempre se ha manifestado dándome siempre esperanza para poder enfrentarlos de la mejor manera.

A mis padres Julio y Sandra en especial por todo el esfuerzo que han hecho para que pueda tener un futuro lleno de éxitos.

A la UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL por darme todos los conocimientos y herramientas para poder ser un profesional.

A Santiago López, más que jefe un amigo que me supo guiar y disciplinar para llegar a este gran logro.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN ... xi

ABSTRACT ... xi

1. INTRODUCCIÓN ... 1

2. MARCO TEÓRICO ... 3

2.1. EL AUTOMÓVIL... 3

2.2. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ... 3

2.2.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ... 3

2.3. CARACTERÍSTICAS ... 4

2.3.1. CILINDRADA ... 4

2.3.2. RELACIÓN DE COMPRESIÓN ... 5

2.3.3. VELOCIDAD DE ROTACIÓN DEL MOTOR ... 6

2.3.4. VELOCIDAD DEL PISTÓN ... 7

2.3.5. RELACIÓN CARRERA/DIÁMETRO ... 8

2.3.6. EFICIENCIA ... 9

2.3.7. RENDIMIENTO ... 10

2.3.7.1. Rendimiento indicado (𝑛𝑖) ... 10

2.3.7.2. Rendimiento mecánico 𝑛𝑚 ... 11

2.3.7.3. Rendimiento efectivo 𝑛𝑒 ... 12

2.3.7.4. Rendimiento volumétrico 𝑛𝑣 ... 12

2.4. CICLO OTTO ... 13

2.4.1. DEFINICIÓN ... 13

2.4.2. TIEMPOS DEL CICLO OTTO ... 14

2.5. VÁLVULA DE RECIRCULACIÓN DE GASES DE ESCAPE (EGR) ... 15

2.5.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA EGR ... 16

ii

2.5.2.1. EGR neumática ... 17

2.5.2.2. EGR eléctrica ... 18

2.5.2.3. EGR refrigerada ... 19

2.5.3. COMPONENTES DEL SISTEMA EGR ... 20

2.5.3.1. Válvula EGR ... 20

2.5.3.2. Válvula switch de vacío (VSV) controlada por la ECM ... 21

2.5.3.3. Modulador de vacío EGR ... 21

2.5.4. PARÁMETROS TÍPICOS EN LOS CUALES NO FUNCIONAR EL SISTEMA EGR ... 22

2.5.5. PRUEBAS FUNCIONALES DEL SISTEMA EGR ... 22

2.5.6. INSPECCIONES DEL SISTEMA EGR ... 24

2.5.7. SÍNTOMAS CUANDO EL SISTEMA EGR TIENE FALLAS ... 25

2.5.8. CÓDIGOS FRECUENTES DE FALLAS DEL SISTEMA EGR ... 25

2.5.9. DAÑOS FRECUENTES ... 26

2.6. SISTEMA DE CONTROL EVAPORATIVO DE GASES (EVAP) ... 27

2.6.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL EVAP ... 27

2.6.2. OPERACIÓN DEL EVAP ... 28

2.6.3. COMPONENTES PRINCIPALES QUE CONFORMAN EL SISTEMA EVAP ... 28

2.6.3.1. Tanque de combustible ... 29

2.6.3.2. Canister o filtro de carbón activo ... 29

2.6.3.3. Electroválvula de purga ... 30

2.6.3.4. Sensor de presión del tanque de combustible ... 30

2.6.3.5. Tapa del depósito de combustible ... 31

2.6.3.6. Válvula de ventilación ... 32

iii 2.6.5. CONDICIONES EN LAS CUALES NO FUNCIONA

EL SISTEMA EVAP ... 33

2.6.6. CÓDIGOS DE FALLA ... 33

3. METODOLOGÍA ... 35

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 38

4.1. ELECCIÓN DEL VEHÍCULO ... 38

4.2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL VEHÍCULO ... 38

4.3. VALORES NORMALES DE VOLTAJE Y RESISTENCIA QUE SE ENCUENTRA EN LA EGR ... 39

4.3.1. VALORES NORMALES DE VOLTAJE EN EL SISTEMA EGR ... 40

4.3.2. VALORES NORMALES DE RESISTENCIA ENCONTRADA EN LA VÁLVULA EGR ... 40

4.3.3. ESQUEMA ELÉCTRICO DEL SISTEMA EGR ... 40

4.4. VALORES NORMALES DE VOLTAJE Y RESISTENCIA EN EL SISTEMA EVAP ... 41

4.4.1. VALORES NORMALES DE VOLTAJE EN EL SISTEMA EVAP ... 41

4.4.2. VALORES NORMALES DE RESISTENCIA EN EL SISTEMA EVAP ... 42

4.4.3. ESQUEMA ELÉCTRICO DEL SISTEMA EVAP ... 42

4.5. DATOS TÉCNICOS DEL EQUIPO MEDIDOR DE EMISIONES DE GASES ESTÁTICA Y DINÁMICA EN EQUIPO ASM. ... 42

4.6. NORMAS PARA LA COMPARACIÓN DE RESULTADOS ... 43

4.6.1. NORMA ECUATORIANA INEN 2204 ... 43

4.6.2. NORMA CHILENA ASM DTO – 149 ... 44

4.7. PROTOCOLO DE PRUEBAS ... 46

4.7.1. VARIANTE ESTANDAR ... 46

iv

4.7.3. VARIANTE SIN EVAP ... 46

4.7.4. VARIANTE SIN EGR Y EVAP ... 47

4.8. RESULTADO DE LA INHABILITACIÓN DE LOS SISTEMAS EGR, EVAP Y EGR Y EVAP ... 47

4.8.1. RESULTADO DE LA INHABILITACIÓN DEL SISTEMA EGR ... 47

4.8.2. RESULTADO DE LA INHABILITACIÓN DEL SISTEMA EVAP ... 50

4.8.3. RESULTADO DE LA INHABILITACIÓN DE LOS SISTEMAS EGR Y EVAP AL MISMO TIEMPO ... 53

4.9. RESULTADO DE ANÁLISIS DE GASES ESTÁTICA Y DINÁMICA ... 54

4.9.1. RESULTADO DE ANÁLISIS DE GASES - PRUEBAS ESTÁTICAS ... 54

4.9.1.1. Análisis de monóxidos de carbono CO (%V) ... 54

4.9.1.2. Análisis de dióxidos de carbono CO2 (%V) ... 56

4.9.1.3. Análisis de hidrocarburos HC (ppm)... 57

4.9.1.4. Análisis de oxígeno O2 (% V) ... 58

4.9.1.5. Análisis de factor lambda () ... 60

4.9.2. RESULTADO DEL ANÁLISIS DE GASES - PRUEBAS DINÁMICAS ... 62

4.9.2.1. Análisis de monóxidos de carbono CO (%V) ... 62

4.9.2.2. Análisis de dióxidos de carbono CO2 (%V) ... 64

4.9.2.3. Análisis de hidrocarburos HC (ppm)... 66

4.9.2.4. Análisis de oxígeno O2 (%V) ... 67

4.9.2.5. Análisis de óxidos de nitrógeno NOx (ppm) ... 69

v 4.10. COMPARACIÓN DE RESULTADOS ENCONTRADOS EN LAS PRUEBAS DE GASES ESTÁTICAS Y DINÁMICAS DE

LOS GASES CO Y HC ... 72

4.10.1. RESULTADOS DE MONÓXIDO DE CARBONO (CO) ENCONTRADOS EN LAS PRUEBAS ESTÁTICAS Y DINÁMICAS ... 73

4.10.2. RESULTADOS DE HIDROCARBUROS (HC) ENCONTRADOS EN LAS PRUEBAS ESTÁTICAS Y DINÁMICAS ... 74

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 77

5.1. CONCLUSIONES ... 77

5.2. RECOMENDACIONES ... 79

BIBLIOGRAFÍA ... 80

vi

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA Tabla 1. Especificaciones Técnicas del Automóvil Grand Vitara 3P ... 37 Tabla 2. Valores de voltaje enviados por la ECM hacia la válvula EGR de un Grand Vitara 3P. ... 39 Tabla 3. Valor de resistencia indicado en el sistema EGR. ... 39 Tabla 4. Voltaje normal del sistema EVAP del Chevrolet Grand Vitara

3P. ... 40 Tabla 5. Resistencia normal del sistema EVAP del Chevrolet Grand Vitara 3P ... 41 Tabla 6. Norma Ecuatoriana INEN 2204. ... 43 Tabla 7. Límites máximos permitidos por la norma chilena ASM DTO –

149 para pruebas de gases dinámicas. ... 44 Tabla 8. Parámetros normales de resistencia en válvula EGR. ... 48 Tabla 9. Datos de porcentajes promedios de CO (%Vol), para cada variante realizada. ... 54 Tabla 10. Datos de los porcentajes promedios de CO2 (%Vol) para cada variante. ... 56 Tabla 11. Datos de las concentraciones promedios de HC (ppm), para cada variante. ... 57 Tabla 12. Datos de los porcentajes promedios de las mediciones de O2 efectuadas en el vehículo. ... 59 Tabla 13. Datos de los promedios de  para cada variante... 60 Tabla 14. Datos de los porcentajes promedios de CO2 (%V) para cada variante. ... 63 Tabla 15. Datos de los porcentajes promedios de CO2 (%V) para cada variante ... 64 Tabla 16. Datos de las concentraciones promedios de HC (ppm) para cada variante. ... 66 Tabla 17. Datos de los porcentajes promedios de O2 (%V) para cada

vii Tabla 19. Datos de los promedios de  para cada variante. ………... 71 Tabla 20. Datos promedio de porcentajes de CO (%V), encontrados en las pruebas estáticas y dinámicas para cada variante. ………73 Tabla 21. Datos promedio de HC (ppm), encontrados en las pruebas

viii

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA Figura 1. Movimiento lineal-circular realizado por un Motor de

Combustión Interna ... 4

Figura 2. Relación de compresión de un motor de combustión interna ... 5

Figura 3. Giro de motor de combustión interna ... 7

Figura 4. Tipos de relaciones diámetro / carrera ... 9

Figura 5. Tiempos del ciclo Otto ... 15

Figura 6. Configuración típica de un sistema EGR ... 16

Figura 7. EGR neumática ... 17

Figura 8. Partes de EGR eléctrica ... 18

Figura 9. Esquema EGR refrigerada y partes que conforman este tipo de sistema ... 19

Figura 10. Modulador de vacío EGR ... 21

Figura 11. Demostración con escáner de una prueba activa del sistema EGR ... 23

Figura 12. Posibles daños de la válvula EGR ... 24

Figura 13. Esquema del sistema EVAP y partes del mismo ... 27

Figura 14. Tanque de combustible ... 28

Figura 15. Canister ... 29

Figura 16. Válvula de purga ... 29

Figura 17. Sensor de presión del tanque de combustible ... 30

Figura 18. Tapa del depósito de combustible ... 31

Figura 19. Válvula de ventilación ... 31

Figura 20. Automóvil Chevrolet Grand Vitara 3P sobre el equipo ASM ... 38

Figura 21. ECM de Chevrolet Grand Vitara 3P ... 38

Figura 22. Esquema eléctrico del sistema EGR ... 40

Figura 23. Esquema eléctrico del sistema EVAP del vehículo Grand Vitara 3P ... 41

Figura 24. Socket de válvula EGR desconectada ... 47

Figura 25.Esquema grafico de socket de válvula EGR. ... 47

Figura 26. Testigo check engine encendido ... 48

ix Figura 28. Socket de la válvula de purga del sistema EVAP

desconectado... 50 Figura 29. Esquema gráfico del socket de la válvula de purga del

sistema EVAP y resistencias ideales del sistema ... 50 Figura 30. Tapa del tanque de combustible abierta ... 51 Figura 31. No se encuentran códigos de falla cuando se desconecta el sistema EVAP ... 51 Figura 32. Sistemas EGR y EVAP desconectados ... 52 Figura 33. Promedio de CO (%Vol) a ralentí y altas rpm en cada

variante ... 54 Figura 34. Promedio de CO2 (%Vol) a ralentí y altas rpm, en cada

variante ... 55 Figura 35. Promedio de HC (ppm) a ralentí y altas RPM, en cada

variante ... 56 Figura 36. Promedio de O2 (%V) en cada variante, a ralentí y altas RPM ... 58 Figura 37. Promedio de  a ralentí y altas RPM en cada variante ... 59 Figura 38. Promedio de CO (%V) en la prueba de gases dinámica de los ciclos ASM 25/25 y 50/15 ... 62 Figura 39. Promedio de CO2 (%V) en la prueba de gases dinámica de los ciclos ASM 25/25 y 50/15 ... 63 Figura 40. Promedio de HC (ppm) en la prueba de gases dinámica de los ciclos ASM 25/25 y 50/15 ... 65 Figura 41. Promedio de O2 (%V) en la prueba de gases dinámica de los ciclos ASM 25/25 y 50/15 ... 67 Figura 42. Ppm promedio de NOx en la prueba de gases dinámica de los ciclos ASM 25/25 y 50/15 ... 68 Figura 43. Promedio de  en la prueba de gases dinámica de los ciclos ASM 25/25 y 50/15 ... 70 Figura 44. Promedio de CO (%V) en las pruebas de gases estáticas y

dinámicas para cada una de las variantes ... 72 Figura 45. Promedio de HC (ppm) en las pruebas de gases estática y

x

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA ANEXO 1.

Mantenimiento e inspección al vehículo ... 85 ANEXO 2.

Resultado de pruebas estáticas y dinámicas ... 87 ANEXO 3.

Datos técnicos de equipo de prueba de gases estática y dinámica ... 95 ANEXO 4.

xi

RESUMEN

xii

ABSTRACT

1

1. INTRODUCCIÓN

Existe una evidente desinformación hacia los sistemas EGR y EVAP por parte del personal técnico de establecimientos que prestan servicio de mantenimiento automotriz en el país, como estos sistemas tienen elementos de larga vida útil y poco recambio por falla, no se logra evidenciar que el motor esta frente a un problema de los sistemas EGR y EVAP por la falta de información de fallas que se presentan al estar parcial o totalmente deshabilitados, la ausencia de mantenimiento preventivo y correctivo, la ignorancia de valores normales de voltaje y resistencia, el desconocimiento del protocolo de pruebas para verificar el funcionamiento, la ubicación de los sistemas y del principio de funcionamiento son razones por las cuales el personal técnico no determina rápidamente el problema realizando otro tipo de trabajos en el vehículo perdiendo así tiempo y dinero.

Se ha considerado de gran importancia el estudio de los sistemas EGR y EVAP debido a que son sistemas que al ser debidamente controlados reducen el consumo de combustible y la emisión de gases contaminantes producidos en el motor de ciclo Otto por ende ayudan al medio ambiente y a la calidad de vida de los seres humanos. Desde el punto de vista tecnológico la tesis tiene una significativa importancia debido a que son sistemas poco estudiados e investigados en la actualidad. Mediante el análisis de dichos sistemas se determinará con claridad los porcentajes y cantidades de los principales gases contaminantes (CO, HC y NOx) que se generan por la combustión de la mezcla aire-gasolina realizada en la cámara de combustión del motor ciclo Otto.

La investigación abarca a profundidad los componentes EGR y EVAP de un Chevrolet Grand Vitara 3P. A pesar que se analizan componentes de este vehículo, la información que se indica en el presente documento sirve para determinar fallas en los componentes EGR y EVAP de cualquier vehículo con motor de combustión interna a gasolina (ciclo Otto).

2 componentes EGR y EVAP, para determinar los incrementos y la disminución de los gases contaminantes que genera un vehículo al tener una falla en estos componentes.

Los objetivos específicos de este trabajo de titulación son:

 Identificar el funcionamiento de los componentes EGR y EVAP y su aplicación en el motor de combustión interna

 Establecer los parámetros normales de operación de los componentes EGR y EVAP en el motor de combustión interna.

 Determinar el protocolo de simulación de fallas de los componentes EGR y EVAP.

3

2. MARCO TEÓRICO

2.1. EL AUTOMÓVIL

El automóvil es considerado un medio de transporte el cual ha ido evolucionando a partir de su creación en el siglo XVII. Un automóvil posee varios sistemas (sistemas de frenos, dirección, suspensión, propulsión, etc) los cuales le ofrecen al conductor la posibilidad de maniobrar el vehículo según las necesidades que requiera el mismo. En la actualidad los fabricantes de vehículos producen motores de combustión interna con elevados porcentajes de aprovechamiento de energía y con reducidas emisiones de gases contaminantes con el objetivo de reducir el impacto que generan al medio ambiente por ende a la salud de las personas.

2.2. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

El motor de combustión interna es muy utilizado en la actualidad ya que tiene la característica de transformar energía química en mecánica por medio de una combustión que se realiza dentro del motor en una cámara de combustión. A pesar que su funcionamiento no es eficiente con respecto al aprovechamiento de energía, tiene la ventaja que el combustible que utiliza es de uso masivo y el llenado del mismo en el tanque de combustible se lo puede realizar en minutos a comparación de los vehículos con motores eléctricos los cuales necesitan horas de carga para entregar el mismo kilometraje que un motor de combustión interna ya sea a gasolina, diésel o con cualquier otro combustible.

2.2.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

4 indicado en la figura 1. El desplazamiento entre el PMS y el PMI se denomina carrera.

El movimiento del pistón y la presión que ejerce el mismo cuando se realiza la detonación de la mezcla aire-combustible es transmitido por la biela hacia el cigüeñal. El cigüeñal, es un eje anclado al motor mediante los apoyos de bancada, con respecto a la biela, se encuentra asegura al cigüeñal mediante pernos en los muñones del cigüeñal. Estos muñones permiten el movimiento lineal del pistón que se transforma en movimiento circular gracias al cigüeñal (SENA, 2011).

Figura 1. Movimiento lineal-circular realizado por un motor de combustión interna. (Tecnologia IES Marismas, 2015)

El movimiento circular ejercido por el cigüeñal tiene que estar perfectamente sincronizado con el sistema de encendido y con la apertura y cierre de válvulas, ya que si falla en la misma se pueden generar daños graves como la torcedura de una válvula o que el motor no se encienda por no estar sincronizado el sistema de encendido. Por lo general las válvulas de escape son conformadas por aleaciones especiales de níquel, nitrógeno y manganeso, para así aumentar la resistencia a la oxidación que generan las altas temperaturas de los gases de escape (SENA, 2011).

2.3. CARACTERÍSTICAS

Un motor de combustión interna tiene las siguientes características:

2.3.1. CILINDRADA

5 𝑉ℎ=

𝜋𝐷2𝑆

4 [1]

Dónde:

𝑉ℎ : Cilindrada unitaria (m3)

𝐷 : Diámetro del cilindro (m) 𝑆 : Carrera del cilindro (m)

La cilindrada total de un motor de combustión interna se determina multiplicando la cilindrada unitaria por el número de cilindros que tenga el mismo. Cabe recalcar que la potencia obtenida en un motor aumenta en relación directa con la cilindrada total que tenga el mismo, mientras más cilindrada tenga un motor más potencia y torque va a generar (Córdova, 2013).

2.3.2. RELACIÓN DE COMPRESIÓN

Relación de compresión en un motor de combustión interna es la cantidad de veces que se llega a comprimir la mezcla aire-combustible en la cámara de combustión de un cilindro como se observa en la figura 2.

Figura 2. Relación de compresión de un motor de combustión interna. (León, 2006)

6 𝑅𝐶 = 𝜋 4∗𝑑 2_∗𝑠+𝑉 𝑐

𝑉𝑐 [2]

Dónde:

d: Diámetro del cilindro s: Carrera del cilindro Vc: Volumen del Cilindro

RC: Relación de compresión (Ø)

La relación de compresión es uno de los factores más importantes que determinan el funcionamiento de un motor de combustión ya que infiere directamente en el rendimiento térmico del mismo. Para entender mejor lo que es el rendimiento térmico, esta es la manera en la que aprovecha el motor la energía producida por la combustión de la mezcla aire combustible (Victor, 2013).

2.3.3. VELOCIDAD DE ROTACIÓN DEL MOTOR

En esta característica, se tiene en cuenta que una revolución o giro es una vuelta completa del cigüeñal indicado en la figura 3. El número de revoluciones por minuto que tenga un motor determinará la velocidad de rotación del mismo.

Un parámetro importante para un motor es la potencia, la cual es la cantidad de trabajo que genera en un determinado tiempo, siendo el trabajo limitado por el total de giros que da el cigüeñal. Si se tiene dos motores con igual cilindrada, tendrá mayor potencia el motor que tenga más revoluciones por minuto.

Existen dos formas de aumentar la potencia de un motor: Aumentar la velocidad de giro del motor o aumentar la cilindrada del mismo (Córdova, 2013).

7

Figura 3. Giro de motor de combustión interna. (Espuelas, 2016)

2.3.4. VELOCIDAD DEL PISTÓN

La velocidad de pistón no es constante ya que mientras se traslada del PMI al PMS y viceversa llega un momento que detiene su movimiento para cambiar el sentido del mismo. Este movimiento se mantiene mientras que el motor está encendido. La velocidad máxima del pistón es alcanzada al estar aproximadamente en el medio de su completa carrera.

Mientras más alta sea la velocidad media del pistón, el motor tendrá que tener más lubricación para que no se presenten desgastes por la fricción que se genera entre las paredes del cilindro y los anillos del pistón. Por lo general se considera segura una velocidad media del pistón de 20 m/s para minorar el desgaste del cilindro, de los anillos del cilindro y del pistón. Esta velocidad puede ser más elevada en motores de competición los cuales al tener otro tipo de materiales en el conjunto de elementos antes mencionados, estos pueden resistir velocidades medias de pistón más altas (Córdova, 2013).

8 𝑉𝑚 =𝑤∗𝑠

30 [3]

Dónde:

Vm: Velocidad media del pistón (m/s) W: Velocidad de rotación del motor (r.p.m) S: Carrera (m)

2.3.5. RELACIÓN CARRERA/DIÁMETRO

Esta relación es muy importante para un motor de combustión interna (MCI), la mayoría de personas no conoce la influencia que tiene la misma en el rendimiento y prestaciones en un motor. Para entender esta relación, se tiene que conocer que es la carrera y el diámetro. La carrera (S) de un cilindro es la distancia que existe desde el PMI hasta el PMS; con respecto al diámetro (d), es una línea recta que pasa por el centro de una circunferencia la cual se necesita saber para poder determinar esta relación (MotorGiga, 2011).

Existen tres tipos de relación:

 La relación cuadrada en la cual se cumple que la carrera (s) es igual al diámetro (d) (s/d= 1). La relación cuadrada es a la que los

fabricantes de motores apuntan cuando quieren que el motor sea lo más eficiente en tanto al consumo de combustible como al aprovechar la energía que se produce cuando se genera la combustión en la cámara de combustión.

9 carrera más pequeña se disminuye la velocidad media del pistón, pudiendo aumentar el régimen de giro del motor e así incrementando la potencia del mismo. Cabe recalcar que al tener un cilindro más ancho se ubican de mejor manera las válvulas y hacerlas más grandes para así mejorar la entrada de aire del motor y generar una combustión más potente.

 La relación de carrera larga en la que se cumple que la carrera (s) es mayor al diámetro (d) (s/d=>1). La relación de carrera larga, tiene una cámara más estrecha y compacta, por lo tanto, el consumo de combustible y el aprovechamiento de la combustión son más eficientes. En los motores con carrera larga el régimen de motor disminuye ya que aumenta la velocidad media del pistón (Agudo, 2015).

En la figura 4 se observa los tipos de relaciones Diámetro/Carrera.

Figura 4. Tipos de relaciones diámetro / carrera. (Aficionados a la Mecanica, 2014)

2.3.6. EFICIENCIA

10 restringidos por las leyes físicas en las que basa su funcionamiento, estas son las leyes de la termodinámica (Todo Motores, 2014).

Se estima que solo el 30% del total de la energía generada por el motor se trasforma en energía mecánica, el resto de energía se pierde por medio del radiador, por el block y por el escape. Es por esto que el motor de combustión interna es considerado como uno de los más ineficientes con respecto al aprovechamiento de energía.

Pese a ser poco eficiente, este motor sigue utilizándose y actualizándose gracias a su capacidad de generar propulsión en prácticamente todas las condiciones que se requiera ya que no necesita estar conectado a una red eléctrica como sería el caso de un motor eléctrico teniendo un funcionamiento totalmente autónomo.

2.3.7. RENDIMIENTO

Existen diferentes tipos de rendimientos los cuales ayudarán a determinar la pérdida de energía que tiene un motor de combustión interna.

2.3.7.1. Rendimiento indicado (𝒏𝒊)

Es la relación entre el área del ciclo indicado con la del ciclo ideal, este rendimiento dependerá de la calidad térmica que tenga la cámara de combustión es decir de la forma, de la posición de válvulas, del inyector y de las bujías (Córdova, 2013).

El rendimiento indicado se calcula con la ecuación 4.

𝑛_𝑖 = 3.6∗ 103

𝐻𝑢∗𝑔𝑖 [4]

Dónde:

𝑛𝑖: Rendimiento indicado. (Ø)

11 gi: Gasto indicado en masa de combustible por unidad de energía entregada por el combustible. (gr/Kw-h)

Se calcula el gasto indicado con la ecuación 5.

𝑔𝑖 =𝐺𝑐

𝑁𝑖∗ 10

3_[ 𝑔

𝐾𝑤−ℎ] [5]

Dónde:

gi: Gasto indicado. (Ø)

Gc: Gasto horario másico de combustible (Kg/h) obtenida de una experimentación.

Ni: Potencia indicada. (W)

2.3.7.2. Rendimiento mecánico 𝒏𝒎

Es la relación entre la potencia útil o efectiva con la potencia total o indicada. El rendimiento mecánico siempre va a ser adimensional, se expresa en tanto por uno o se lo multiplica por cien para expresarlo en tanto por ciento (%). Tiene en cuenta el trabajo perdido por pistones, rines, pernos y con los elementos auxiliares propios del motor como el trabajo absorbido por el sistema de escape y entrada de aire (Córdova, 2013).

El rendimiento mecánico se lo calcula con la ecuación 6.

𝑛_𝑚 =𝑁𝑒

𝑁𝑖 [6]

Dónde:

𝑛_𝑚: Rendimiento mecánico. (Ø) 𝑁𝑒: Potencia efectiva. (W)

12 2.3.7.3. Rendimiento efectivo 𝒏𝒆

Es el producto del rendimiento indicado por el rendimiento mecánico (Córdova, 2013).

El rendimiento efectivo se lo calcula con la ecuación 7.

𝑛_𝑒 = 𝑛_𝑖 ∗ 𝑛_𝑚 [7]

Dónde:

𝑛𝑒: rendimiento efectivo. (Ø)

𝑛_𝑖: rendimiento indicado. (Ø) 𝑛_𝑚: rendimiento mecánico. (Ø)

2.3.7.4. Rendimiento volumétrico 𝒏𝒗

El rendimiento volumétrico es la relación entre la masa de mezcla que realmente entra al cilindro con la que debería entrar en condiciones específicas de presión (1 atmosfera) y temperatura (entre 15 y 20 °C) (Córdova, 2013).

El rendimiento volumétrico se calcula con la ecuación 8.

𝑛𝑣 = ( 𝜀 𝜀−1) (

𝑃𝑎 𝑃𝑜) (

𝑇𝑜

𝑇𝑎(1+𝑦𝑟)) [8]

Donde:

𝑛_𝑣: Rendimiento volumétrico. (Ø) 𝜀: Relación de compresión. (Ø)

𝑃_𝑎: Presión al final de la admisión de la mezcla. (Pa) 𝑃_𝑜: Presión atmosférica. (Pa)

𝑇𝑎: Temperatura de admisión de la mezcla. (°C)

𝑇_𝑜: Temperatura ambiente. (°C)

13 Para determinar 𝑦𝑟 se debe realizar la ecuación 9.

𝑦𝑟 = (

𝑇𝑜+Δ𝑇

𝑇𝑟 )

𝑃𝑟

𝜖𝑃𝑎−𝑝𝑟 [9]

Donde:

𝑦_𝑟: Coeficiente de gases residuales. (Ø)

Para motores de ciclo Otto el coeficiente debe estar entre 0.06-0.1. 𝑇_𝑜: Temperatura ambiente. (°C)

𝑇𝑟: Temperatura de los gases residuales.

En motores de combustión interna a gasolina esta temperatura es: (900-1000) °K; (626.85 – 726.85) °C

𝑝_𝑟: Presión de los gases residuales. (Pa) (1.1-1.25) bares; (110000 – 125000) Pa

𝑃_𝑎: Presión al final de la admisión de la mezcla. (Pa) Δ𝑇: Grado de calentamiento de la carga °C

Este rendimiento es variable y su máximo oscila entre el 80 y el 90%.

2.4. CICLO OTTO

El motor ciclo Otto fue inventado en 1876 por Nicolaus Otto y es conocido por necesitar de una chispa (bujía) para su funcionamiento, siendo desde entonces el motor más utilizado para el transporte de personas y objetos.

2.4.1. DEFINICIÓN

El motor de ciclo Otto es un motor alternativo, de combustión interna, de dos o cuatro tiempos el cual funciona por medio de gasolina y gracias a una bujía logra encender la mezcla aire-combustible para así transformar energía química en energía cinética.

14 el PMS, es allí donde la bujía entra en funcionamiento formando una chispa la cual enciende la mezcla. El calor generado por la combustión hace que la presión aumente dentro del cilindro provocando que esta mueva todo el conjunto mecánico conformado por pistón, biela y cigüeñal (Martin, Serrano, & Seidel, 2014).

Ya que los autos utilizan motores de 4 tiempos y la tesis está planteada para este tipo de motores de vehículos, se explica solo los tiempos de motores de 4 tiempos.

2.4.2. TIEMPOS DEL CICLO OTTO

Admisión (1): En tiempo admisión la válvula de admisión se abre, haciendo que entre al cilindro la mezcla de aire-combustible gracias al vacío que genera el pistón cuando se desplaza del PMS al PMI. Esta etapa finalizará cuando el pistón se encuentre en el PMI, todo esto sucede cuando el cigüeñal gire 180°.

Compresión (2): En el tiempo de compresión el pistón se encuentra en el PMI y se desplazará hasta el PMS para así realizar la compresión de la mezcla aire-combustible en la cual las válvulas de admisión y escape se encuentran totalmente cerradas. Al final del tiempo de compresión el cigüeñal girará otros 180°.

Combustión (2): La combustión se da cuando el pistón está en el PMS y su presión es la máxima gracias a la compresión que ha generado el pistón. En este momento es cuando la bujía genera una chispa la cual enciende la mezcla aire-combustible con prácticamente un volumen constante ya que el pistón no se mueve hacia abajo.

15 por pistón, biela y cigüeñal. Al final de este tiempo el cigüeñal ha girado 180°.

Escape (4): Cuando sucede el tiempo de expansión, el pistón se encuentra en el PMI, en el tiempo de escape la válvula de escape se abre permitiendo que los gases de escape salgan del cilindro gracias al desplazamiento del pistón del PMI al PMS. De esta manera se cumple todo el ciclo Otto indicado en la figura 5, que al cabo de los cuatro tiempos el cigüeñal ha girado 720°, es decir cada dos vueltas del cigüeñal se produce todo un ciclo Otto (Martin, Serrano, & Seidel, 2014).

Figura 5. Tiempos del ciclo Otto.

(Olimpiadas Nacionales de Contenidos Educativos en Internet, 2016)

2.5. VÁLVULA DE RECIRCULACIÓN DE GASES DE ESCAPE (EGR)

16 válvulas EGR electrónicas comandadas por la computadora del vehículo (Meganeboy, 2014).

2.5.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA EGR

La válvula EGR es una conexión entre el múltiple de escape y el de admisión. La misma recoge una cantidad de gases de escape, para enviarlos a la admisión. El principal objetivo de la EGR es disminuir la cantidad de oxígeno que entra a la cámara de combustión, esto a la vez reduce la temperatura de la combustión, provocando una reducción en los óxidos de nitrógeno (NOx). Este gas tiene la característica de no poder ser oxidado ni reducido por el catalizador de 2 vías, por esta razón es la que la válvula EGR es importante en el motor de un vehículo. Normalmente la EGR debe activarse cuando el motor está en temperatura de funcionamiento (90°C) y a carga parcial (Meganeboy, 2014).

La figura 6 muestra un esquema gráfico del sistema EGR.

Figura 6. Configuración típica de un sistema EGR. (Booster, 2011)

2.5.2. CLASIFICACIÓN

Las válvulas EGR se clasifican de acuerdo a su forma de activación:

 Válvulas EGR neumáticas.

17

 Válvulas EGR refrigeradas.

2.5.2.1. EGR neumática

Este tipo de válvula EGR es activada por vacío o depresión tomado del colector de admisión de aire del vehículo. Están conformadas por un resorte sujeto a una membrana la cual a la vez está conectada a una varilla hueca que dependiendo del vacío que se genere en la válvula, la membrana sede venciendo la presión que ejerce el resorte provocando que la varilla se desplace y permita el paso de los gases de escape al múltiple de admisión. Para que este tipo de válvula regule la cantidad de gases de escape, tiene una electroválvula comandada por la ECM que controla el vacío, determinando la cantidad de gases de escape que pasen a la admisión dependiendo de las condiciones a las que se encuentre sometido el motor. En algunos vehículos se encuentran sistemas EGR que la válvula EGR y la electroválvula forman un solo cuerpo por ende se simplifica el sistema. En la figura 7 se indica una válvula EGR neumática con las partes que conforman la misma.

18 2.5.2.2. EGR eléctrica

Este tipo de válvulas se caracterizan por ser autónomas en su funcionamiento ya que no necesitan de vacío para su funcionamiento. La válvula EGR Eléctrica tiene un solenoide que activa y desactiva la ECM por medio de señales eléctricas dependiendo de las circunstancias en las que se encuentre el motor en determinado momento. La cantidad de gases de escape que deje pasar la válvula dependerá del módulo de control del motor (ECM, por sus siglas en ingles) que tendrá en cuenta ciertos parámetros como:

 La temperatura de funcionamiento del motor (a partir de 55°C).

 Temperatura de aire aspirado (> 17 °C).

 La velocidad del vehículo.

 La carga que se le esté exigiendo al motor.

 Régimen del motor (entre 1500 y 5600 rpm).

Con carga se refiere a la apertura que llegue a tener la mariposa de aceleración teniendo en cuenta que en carga completa la aleta está totalmente abierta.

La válvula EGR eléctrica está conformada por un pequeño sensor de posición del vástago para tener informada en todo momento a la ECM que cantidad de gases de escape está dejando pasar la misma. Al no depender del vacío del colector de admisión esta válvula puede cerrarse o abrirse en cualquier momento que la ECM lo necesite. Se debe de considerar los parámetros que la ECM toma para determinar la apertura o cierre de la válvula.

Por último, la válvula EGR eléctrica tiene una entrada de aire que compensa la presión que genera la misma cuando está en las fases de regulación es decir cuando el sistema está funcionando.

19

Figura 8. Partes de EGR eléctrica. (Aficionados a la Mecánica, 2014)

2.5.2.3. EGR refrigerada

El sistema EGR refrigerado es de última generación y por lo general lo llevan instalados vehículos de alta gama como vehículos de la marca Audi. Gracias a que este sistema está conectado al sistema de refrigeración del vehículo mediante un radiador independiente, este puede hacer que los gases de escape que son enviados a la admisión puedan ser enfriados y por ende tener un menor volumen, para así aumentar el porcentaje de oxígeno presente en el cilindro. El gas de escape EGR no interviene en la combustión, así que tiene que estar presente en la mezcla aire-combustible lo justo y necesario para así absorber grandes cantidades de calor mediante su elevada capacidad térmica. De esta manera se llega a la reducción de temperaturas punta en la combustión, lo cual permite la reducción de óxidos de nitrógeno (NOx) (PIERBURG, 2012).

20

Figura 9. Esquema EGR refrigerada y partes que conforman este tipo de sistema. (PIERBURG, 2014)

2.5.3. COMPONENTES DEL SISTEMA EGR

Para que el sistema EGR funcione en perfectas condiciones se necesitan los siguientes elementos:

 Válvula EGR controlada eléctricamente o por vacío.

 Ensamblaje del modulador de Vacío.

 Válvula switch de vacío (VSV) controlada por la ECM.

2.5.3.1. Válvula EGR

21 Cabe mencionar que la calidad de la gasolina, en este caso el octanaje que tenga el combustible según la literatura investigada, no menciona que una de las fallas de la válvula EGR o el aumento de óxidos de nitrógeno (NOx) sea por el uso de combustibles de bajo octanaje. En Ecuador, la mayor parte de la población utiliza gasolina Extra, que es la gasolina más barata que se encuentra en el mercado con 87 octanos, 5 puntos menos que la gasolina súper con 92 octanos.

2.5.3.2. Válvula switch de vacío (VSV) controlada por la ECM

La válvula VSV se utiliza para inhabilitar la válvula EGR cuando afecte el trabajo normal del motor, esto lo hace por medio de la ECM.

Las válvulas VSV pueden ser normalmente abiertas o cerradas, va conectada en serie entre el modulador de vacío y la válvula EGR o en su defecto en un segundo puerto que tiene la válvula EGR, esto dependerá del fabricante del sistema EGR. La válvula VSV por medio de la purga atmosférica inhibe el funcionamiento del sistema EGR cuando este lo requiera. El sistema EGR tiene una serie de parámetros en los cuales tiene que trabajar, por eso la importancia de la VSV en el mismo (Booster, 2011).

2.5.3.3. Modulador de vacío EGR

El modulador de vacío EGR controla con precisión la cantidad de vacío que deja pasar a la válvula EGR. Por lo general un sistema EGR usa dos puertos de vacío que son tomados del cuerpo de aceleración. Usa dos puertos de vacío ya que esto ayuda a que la válvula EGR se abra gradualmente. El modulador de vacío EGR da la ventaja de poder calibrar la relación exacta de gas EGR con la cantidad de carga de trabajo a la que está exigido el motor por el conductor.

22

Figura 10. Modulador de vacío EGR. (Booster, 2011)

2.5.4. PARÁMETROS TÍPICOS EN LOS CUALES NO DEBE FUNCIONAR EL SISTEMA EGR

La válvula EGR se activa o desactiva dependiendo de algunos parámetros que se mencionan a continuación:

 Temperatura del refrigerante del motor: Todos los sistemas EGR deben trabajar cuando la temperatura del motor sea la normal de funcionamiento (90°C).

 Revoluciones por minuto (rpm) del motor: Los sistemas EGR no funcionarán cuando las rpm estén en un régimen de giro de ralentí ni cuando el régimen de motor sobrepase las 4200 rpm.

 No funcionará en el momento de arranque del motor.

 Carga de trabajo del motor: El sistema EGR no funciona cuando la carga de trabajo del motor esté por debajo de determinados porcentajes, casi siempre por debajo de 23%.

2.5.5. PRUEBAS FUNCIONALES DEL SISTEMA EGR

23 funcionando dentro de los parámetros establecidos por el fabricante del mismo. A continuación, pasos para realizar esta prueba:

 Encender el vehículo y esperar a que llegue a su temperatura de funcionamiento (90°C).

 Con el escáner automotriz, acceder al menú que permita obtener información y control del sistema EGR.

 Acelerar hasta alcanzar un régimen del motor de 3000 rpm.

 Activar la válvula VSV, esto encenderá el sistema EGR.

Cuando se logre sincronizar el escáner con el vehículo como se observa en la figura 11 y se hagan todos los pasos expuestos anteriormente, se notará una disminución en las rpm del motor y un aumento de la temperatura del gas EGR.

Por el contrario, sino se nota ningún cambio en las rpm ni en la temperatura, se estará al frente de un problema del sistema EGR, este puede ser mecánico o eléctrico. Si las rpm disminuyen muy poco, esto sucede a causa de un conducto parcialmente tapado (Booster, 2011).

24 2.5.6. INSPECCIONES DEL SISTEMA EGR

No en todos los vehículos se tiene la opción de utilizar el escáner automotriz para determinar si el sistema EGR está funcionando correctamente, así que la detección de fallas se realiza revisando sistemáticamente cada parte del sistema para establecer en donde está el daño. Por lo general se revisa los siguientes elementos (Garcia, 2012):

 Revisar el modular de vacío, el filtro interno y si es necesario retirar para limpiarlo con aire comprimido.

 Revisar que el diafragma de la EGR no este roto ni presente juego.

 Revisar todo el sistema de mangueras ya que pueden estar rotas, quemadas, flojas u obstruidas por carbonilla o por cualquier otro elemento.

 Revisar las terminales eléctricas y todo el sistema eléctrico de la válvula VSV.

 Revisar que los conductos de admisión y escape que van conectados a la válvula EGR estén libres de carbonilla y que no tengan ningún objeto que obstruya el paso de los gases.

 Por último, se revisa el vástago de la válvula EGR ya que aquí se podrían encontrar depósitos de carbonilla las cuales provocarían que el vástago no cierre correctamente o, por el contrario, deje pasar siempre gases de escape.

25

Figura 12. Posibles daños de la válvula EGR. (Booster, 2011)

2.5.7. SÍNTOMAS CUANDO EL SISTEMA EGR TIENE FALLAS

Los síntomas más comunes que se presentan en el vehículo cuando el sistema EGR esta defectuoso son los siguientes:

 Ralentí inestable.

 Aceleración inestable.

 Consumo elevado de combustible.

 Falla del motor.

2.5.8. CÓDIGOS FRECUENTES DE FALLAS DEL SISTEMA EGR

Cuando la computadora del vehículo (ECM) detecta una falla en algún componente del sistema EGR, esta enciende el testigo check engine. Con un escáner automotriz se determina frecuentemente los siguientes códigos de falla (E-auto, 2010):

 PO401: Flujo de gases EGR insuficiente.

 PO402: Flujo de gases EGR excesivo.

 PO403: Mal funcionamiento actual de la válvula EGR.

 PO103: Demasiada masa de aire.

26 2.5.9. DAÑOS FRECUENTES

Los daños más frecuentes que se presentan en el sistema EGR son los siguientes:

 El daño más frecuente que se presenta en una válvula EGR se genera por adherencias o carbonizaciones de la misma. Los gases de escape tienen partículas de hollín además de partículas gaseosas que generan estos daños. Si se presenta este problema, se corre el riesgo que se quede abierta o cerrada dicha válvula y esto provocará: sacudidas, ralentí brusco o potencia deficiente.

 Evitar que existan partículas de aceite en los gases de escape, esto sucede por utilizar aceites automotrices de mala calidad, nivel de aceite muy bajo, pero es excesivo cuando se tiene empaques, cojinetes, retenes de válvulas o guías desgastados además de tener tubos de retorno obstruidos en turbocompresores. La presencia de partículas de aceite en los gases de escape también contribuyen a la generación de carbonilla y posible daño de la válvula EGR.

 El daño más frecuente en válvulas EGR neumáticas se presenta en el sistema que transfiere el vacío.

 Cuando se genera un daño en una válvula EGR y se la reemplaza por una nueva, puede ser que la nueva válvula no funcione de inmediato, en este caso, esperar a que la misma se configure en un lapso de tiempo teniendo el vehículo encendido y probándolo en condiciones normales de manejo para que de esta manera la válvula empiece a funcionar correctamente.

27

2.6. SISTEMA DE CONTROL EVAPORATIVO DE GASES

(EVAP)

El sistema EVAP tiene tres décadas presente en los vehículos. En los años 70 gracias a un estudio realizado en Estados Unidos se descubrió que el 20% de las emisiones ambientales de Hidrocarburos eran generadas por la evaporación de la gasolina dentro del tanque de combustible generando ésta un alto impacto ambiental. Es por esto que surgió la necesidad de crear este sistema, en un principio los depósitos de combustible eran ventilados con entradas y salidas de aire para evitar la presurización provocada por la evaporación del combustible. El vapor de hidrocarburo es altamente tóxico para los seres humanos además de estar relacionado con la aparición de cáncer (Celis, 2015).

2.6.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL EVAP

En el tanque de combustible se generan vapores de hidrocarburos constantemente, ya que la gasolina se evapora a temperatura ambiente con mucha facilidad, aquí viene la función del canister que tiene en su interior carbón activo el cual atrae y almacena momentáneamente el vapor de gasolina. La electroválvula de purga del canister se abre dejando pasar el vapor de gasolina a la admisión del vehículo, por detrás de la mariposa de aceleración. De esta manera los gases de hidrocarburos son absorbidos hacia el motor por el vacío que genera el mismo, mezclándose en la cámara de combustión con la mezcla aire-combustible.

28

Figura 13. Esquema del sistema EVAP y partes del mismo. (Aficionados a la Mecánica, 2014)

2.6.2. OPERACIÓN DEL EVAP

Cuando el vehículo se encuentra detenido los vapores quedan encapsulados en el canister hasta que el vehículo se ponga en funcionamiento. La ECM determina la cantidad de vapor que deja pasar gracias a la sonda lambda ya que cuando ésta detecta que la mezcla es demasiado rica es decir que existe más combustible que aire, cierra la válvula de purga hasta que otra vez detecte la ECM que necesita la utilización del vapor de hidrocarburo que nos ofrece el canister (Mecanica Basica, 2016).

2.6.3. COMPONENTES PRINCIPALES QUE CONFORMAN EL SISTEMA EVAP

Los principales componentes que conforman el sistema EVAP son los siguientes:

 Tanque de combustible.

 Canister.

29

 Sensor de presión del tanque de combustible.

 Tapa del depósito de combustible

 Válvula de ventilación

2.6.3.1. Tanque de combustible

Como se observa en la figura 14 es un depósito de combustible el cual tiene como objetivo mantener seguro el líquido inflamable, el tanque de combustible otorga una autonomía al vehículo ya que alberga varios galones de combustible. En este depósito también se encuentra un elemento indispensable para el vehículo como es la bomba de combustible, ésta es la encargada de enviar el combustible hacia los inyectores logrando una adecuada pulverización del mismo.

Figura 14. Tanque de combustible. (Focus Addiction Club, 2013)

2.6.3.2. Canister o filtro de carbón activo

30 En la figura 15 se observa un deposito canister con las tomas por donde entran y salen los vapores de hidrocarburo.

Figura 15. Canister. (Classic Industries, 2016)

2.6.3.3. Electroválvula de purga

Esta válvula es de tipo electroimán y es la encargada de cerrar o abrir el paso del vapor de hidrocarburo dependiendo de la información que entregue la ECM. En la figura 16 se observa la válvula de purga del sistema EVAP con el socket que controla la misma.

Figura 16. Válvula de purga. (Pruebas de Ruta, 2016)

2.6.3.4. Sensor de presión del tanque de combustible

31 con respecto a la presión que se encuentra dentro del tanque de combustible.

Figura 17. Sensor de presión del tanque de combustible. (Wellcharter, 2016).

2.6.3.5. Tapa del depósito de combustible

32

Figura 18. Tapa del depósito de combustible. (Solostocks, 2016)

2.6.3.6. Válvula de ventilación

La válvula de ventilación es la encargada de permitir la succión y posterior entrada de los vapores de hidrocarburo hacia el interior del Canister. Esta se abre cuando la válvula de purga ha dejado salir los vapores de hidrocarburo hacia el motor.

En la figura 19 se observa la válvula de ventilación del sistema EVAP.

33 2.6.4. FALLAS QUE PRESENTA EL SISTEMA EVAP POR LAS CUALES

SE GENERAN CÓDIGOS DE FALLA

Los daños más comunes que se encuentra en el sistema EVAP y por los cuales se enciende el testigo “CHECK ENGINE” o luz mil son los siguientes:

 Fugas en cañerías.

 La tapa del tanque de combustible está dejando salir vapor de hidrocarburo.

 Daños en la válvula de ventilación.

 Daños en la válvula de purga.

 Daños en el sensor de presión.

 Circuitos abiertos o a masa dentro del cableado del sistema EVAP.

 Sensor del nivel de combustible dañado.

 Por último, la ECM del vehículo está dañada.

2.6.5. CONDICIONES EN LAS CUALES NO FUNCIONA EL SISTEMA EVAP

La ECM del vehículo no activa el sistema EVAP sino se cumplen los siguientes parámetros:

 No funciona si no llega el motor a una determinada temperatura.

 En ralentí no funciona el sistema.

 Durante el arranque no funciona.

 A plena carga (mariposa totalmente abierta) no funciona el sistema.

2.6.6. CÓDIGOS DE FALLA

35

3. METODOLOGÍA

Con el fin de cumplir con el objetivo general y los objetivos específicos planteados en este proyecto de tesis, se analizaron las variables que influyeron en la investigación. La principal variable fue, encontrar un vehículo con motor a gasolina (ciclo Otto) que disponga de los sistemas EGR y EVAP para de esta manera comenzar a investigar a fondo estos dispositivos y la influencia que tienen en el motor para disminuir la contaminación ambiental y el consumo de combustible.

Para la obtención de datos y pruebas eficientes, se necesitó que el vehículo esté en condiciones óptimas de trabajo, esto se logró inspeccionando su estado actual y realizando un ABC de motor. Los sistemas, elementos y fluidos que se inspeccionaron fueron:

 Sistema de refrigeración.

 Sistema de escape.

 Sistema de alimentación.

 Sistema de frenos.

 Sistema de transmisión.

 Estado de neumáticos.

 Estado del motor.

 Estado del filtro de gasolina.

 Estado del filtro de aire.

 Estado de las bujías.

 Estado de niveles de fluidos. (refrigerante, aceite de motor, líquido de frenos)

36 Determinando las funciones principales que tienen los sistemas EGR y EVAP en un vehículo, se procedió a ubicar y analizar el funcionamiento de los mismos en el vehículo escogido, ya que la posición y el circuito eléctrico varían según el fabricante.

Al ubicar los sistemas en el vehículo escogido y conocer las ventajas que ofrece al tenerlos activados y en buen funcionamiento permanentemente, se decidió someter al vehículo a pruebas para determinar fallas que se producen en un motor ciclo Otto y en el vehículo en general cuando estos sistemas están desactivados.

Las mismas pruebas se realizaron en 4 variantes diferentes detalladas a continuación:

 Variante ESTANDAR.

 Variante SIN EGR.

 Variante SIN EVAP.

 Variante SIN EGR Y EVAP.

En cada variante antes mencionada se realizaron pruebas de gases estáticas y dinámicas con el fin de determinar valores de gases contaminantes generados en cada variante, además se analizó si la mezcla es rica, pobre o perfecta con el factor lambda ().

Los gases que se observaron con los equipos de medición de gases son:

 Monóxido de carbono (CO)

 Dióxido de carbono (CO2)

 Hidrocarburos no combustionados (HC)

 Oxígeno (O2)

 Óxidos de nitrógeno (NOx)

37 Acelerado), el cual posee dos variantes, el ciclo ASM 25/25 y el ciclo ASM 50/15.

Se sometió al vehículo a una prueba de gases estática la cual contó con dos distintos regímenes de giro de motor, la primera medición se realizó a bajas rpm o ralentí, siendo la segunda medición a altas rpm (2500 rpm). El analizador de gases tiene conocimiento de las rpm del motor gracias a una pinza llamada Trigger la cual va a conectada a una tierra del vehículo o en el caso de tener vehículos con distribuidor, se la conectará en el cable de la primera bujía.

Se compararon los resultados obtenidos en las mediciones, utilizando normas que determinan los valores máximos de gases contaminantes. Para pruebas estáticas se utilizó la norma Ecuatoriana INEN 2204 y para pruebas dinámicas se utilizó la norma Chilena ASM DTO – 149.

38

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1. ELECCIÓN DEL VEHÍCULO

El vehículo escogido para realizar las pruebas fue un Chevrolet Grand Vitara el cual tiene la característica de pertenecer a una marca que tiene el 49,52% de posicionamiento en el mercado ecuatoriano en el año 2015 además de haber sido el SUV más vendido en el año 2014 (AEADE, 2015).

4.2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL VEHÍCULO

En la tabla 1 se indican los datos técnicos del vehículo que se utilizará para la simulación de fallas en los sistemas EGR y EVAP.

Tabla 1. Especificaciones técnicas del automóvil Grand Vitara 3P

Marca CHEVROLET

Año de fabricación 2008

Modelo Grand Vitara 1.6L 3p A/C 4X4

Tipo SUV

Clase Todoterreno

Cilindrada 1600 cm3 Número de Cilindros 4 en línea

Combustible Gasolina

Alimentación Inyección electrónica

Numero de Válvulas 16 válvulas

Distribución Doble árbol de levas

Posición del motor Longitudinal

Relación de compresión 9.3:1

Potencia HP @ RPM 94.7 @ 5600

Torque (Nm @ RPM) 13.5 @ 4000

39

Figura 20. Automóvil Chevrolet Grand Vitara 3P sobre el equipo ASM.

Es importante mencionar que el vehículo tiene 124343 km, además de estar con gasolina EXTRA en el momento de realizar las pruebas de gases estáticas y dinámicas.

4.3. VALORES NORMALES DE VOLTAJE Y RESISTENCIA

QUE SE ENCUENTRA EN LA VÁLVULA EGR

En la figura 21 se muestra la ECM del Chevrolet Grand Vitara 3P, esta figura permite entender de mejor manera donde se mide voltajes y resistencias de los sistemas EGR y EVAP.

40 4.3.1. VALORES NORMALES DE VOLTAJE EN EL SISTEMA EGR

Los valores en la tabla 2, son los voltajes que envía la ECM del vehículo para que funcione la válvula EGR.

Tabla 2. Valores de voltaje enviados por la ECM hacia la válvula EGR de un Chevrolet

Grand Vitara 3.

(SUZUKI, 2005)

4.3.2. VALORES NORMALES DE RESISTENCIA ENCONTRADA EN LA VÁLVULA EGR

Con un multímetro se mide la resistencia que debe tener el sistema EGR la cual esta detallada en la tabla 3.

Tabla 3. Valor de resistencia indicado en el sistema EGR.

(SUZUKI, 2005)

4.3.3. ESQUEMA ELÉCTRICO DEL SISTEMA EGR

41

Figura 22. Esquema eléctrico del sistema EGR. (SUZUKI, 2005)

4.4. VALORES NORMALES DE VOLTAJE Y RESISTENCIA EN

EL SISTEMA EVAP

A continuación se determinan los valores de voltaje y resistencia que se encuentran en el sistema EVAP del vehículo escogido para la realización de la investigación.

4.4.1. VALORES NORMALES DE VOLTAJE EN EL SISTEMA EVAP

En el sistema EVAP se encuentra un voltaje de 10 a 14 V como se indica en la tabla 4. Este voltaje se tiene que medir en el bloque C51- 2 de la computadora (ECM) indicado en la figura 21, o en el socket de la válvula de purga del sistema.

Tabla 4. Voltaje normal del sistema EVAP del Chevrolet Grand Vitara 3P.

42 4.4.2. VALORES NORMALES DE RESISTENCIA EN EL SISTEMA EVAP

Los valores de resistencia se miden entre los bloques C51-2-17 y C51-3-4 indicados en la figura 21. En la tercera columna de la tabla 5 se especifica el valor normal de resistencia en este vehículo.

Tabla 5. Resistencia normal del sistema EVAP del Chevrolet Grand Vitara 3P.

(SUZUKI, 2005)

4.4.3. ESQUEMA ELÉCTRICO DEL SISTEMA EVAP

En la figura 23 se indica el esquema eléctrico del sistema EVAP encontrado en el Chevrolet Grand Vitara 3P.

Figura 23. Esquema eléctrico del sistema EVAP del vehículo Grand Vitara 3P. (SUZUKI, 2005)

4.5. DATOS TÉCNICOS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

EMISIONES DE GASES ESTÁTICA Y DINÁMICA EN

EQUIPO ASM.

43 HC, CO, CO2, O2, NOx, además de poder determinar el factor Lambda (), el cual indica si la mezcla es perfecta (=1), rica (1) o pobre (1).

Para realizar la medición de gases dinámicas se necesita un Modo de Simulación Acelerado (ASM), solo con este ciclo se determina la cantidad de NOx que se produce en la combustión del vehículo. El ciclo ASM tiene dos variantes, el 25/25 y 50/15. Lo que cambia en cada uno de ellos es la cantidad de carga aplicada a las ruedas del vehículo por medio de los rodillos del dinamómetro y la velocidad que se mantiene en cada ciclo.

Los ciclos ASM simulan una condición de manejo específica que además está normalizada y permite determinar la cantidad de gases antes mencionados. Para entender mejor que cambia en las dos variantes del ciclo ASM 25/25 y 50/15 se explica a continuación:

 En el ciclo ASM 25/25 se mantiene una velocidad de 25 millas/h (40km/h), con la característica que el dinámetro alcanza el 25% de la potencia del motor.

 En el ciclo ASM 50/15 se mantiene una velocidad de 15 millas/h (24km/h), con la característica que el dinámetro alcanza el 50% de la potencia del motor.

4.6. NORMAS PARA LA COMPARACIÓN DE RESULTADOS

Para la comparación de resultados se utilizan las siguientes normas que determinan niveles máximos de gases contaminantes para motores ciclo Otto.

4.6.1. NORMA ECUATORIANA INEN 2204

Esta norma determina los valores máximos de gases contaminantes permitidos para la circulación de vehículos en el Ecuador.

44 En la tabla 6 se visualizan los límites máximos de gases contaminantes de CO y HC permitidos en Ecuador para la circulación de los vehículos.

Tabla 6. Norma ecuatoriana INEN 2204.

Año Modelo

% CO* ppm HC*

0 – 1500 ** 1500 – 3000 ** 0 – 1500 ** 1500 – 3000 **

2000 y

posteriores 1,0 1,0 200 200

1990 a 1999 3,5 4,5 650 750

1989 y anteriores 5,5 6,5 1000 1200

* Volumen

** Altitud= metros sobre el nivel del mar

(INEN.2204, 2002)

4.6.2. NORMA CHILENA ASM DTO – 149

La norma chilena ASM DTO – 149 determina los valores máximos de gases contaminantes permitidos para pruebas de gases dinámicas con ciclos ASM 25/25 y 50/15.

Se toma esta norma chilena como referencia ya que en Ecuador no existe una norma que indique los valores máximos de emisiones de gases vehiculares para pruebas dinámicas.

Esta norma se fundamenta en la Norma EPA 420 B 04-011 estadounidense, la cual es pionera en controlar emisiones contaminantes en pruebas dinámicas de vehículos con motor de combustión interna a gasolina.

Además de determinar valores máximos de Monóxidos de Carbono (CO) e Hidrocarburos (HC) como lo hace la prueba de gases estática, con la norma ASM DTO – 149 también se determina valores máximos de Óxidos de Nitrógeno (NOx) lo cual será útil para la presente investigación.