Caracterización y Comparación del Momento Par, Potencia, Aceleración y Cuantificación del Coeficiente de Arrastre de Un Vehículo Con Motor de Combustión Interna
Funcionando A Gasolina y A Gas Natural Vehicular.
Andrés Felipe Hernández Jiménez
Proyecto de Grado
Profesor Asesor: Ing. Luis Ernesto Muñoz Camargo, PhD.
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá D.C., Colombia
“Si buscas resultados distintos, no hagas siempre lo mismo” Albert Einstein
Agradecimientos
Primero quiero agradecer a Dios y a mis padres que permitieron que este sueño fuese posible de cumplir. A mis padres y hermano que siempre me apoyaron en cada una de las decisiones que he tomado hasta el momento, por siempre creer en mí y en mis capacidades de poder alcanzar este gran logro, de poder estar dando este gran paso de convertirme en profesional.
Quiero agradecerle al Profesor Luis Ernesto Muñoz por haber confiado en mí y darme la oportunidad de trabajar y aprender de él en este proyecto como mi asesor y amigo, quiero decirle que fue un maestro que cada una de sus explicaciones y consejos me permitieron poder alcanzar este objetivo.
Quiero también agradecerles a mi familia y amigos que siempre estuvieron allí cuando los necesite para un consejo de aliento para alcanzar este gran logro, con lo cual quiero decirles que una parte de este logro es de ellos también.
Por último, quiero agradecerles nuevamente a mis padres por estar siempre allí cuando los necesite, a mi papa por ser ese ejemplo a seguir por enseñarme la importancia de la vida y de los valores así como de la humildad, la sencillez y de siempre luchar por alcanzar mis sueños. A mi mama quiero agradecerle por siempre darme esa voz de aliento por sus consejos y por ayudarme a siempre seguir por el camino correcto sin rendirme y por siempre mostrarme que aunque las cosas se tornen difíciles siempre habrá una solución que permita alcanzar el éxito de manera correcta. Finalmente, quiero decir que este logro es tanto mío como de ustedes por estar siempre a mi lado y que este solo es el comienzo de grandes cosas que vendrán con la ayuda de Dios ya que de la mano del él todo es posible.
i Tabla de contenido
1. Lista de Tablas ... ii
2. Lista de Ilustraciones ...iii
3. Nomenclatura ... 1
4. Introducción ... 2
5. Contexto ... 2
6. Objetivos ... 4
6.1. Objetivo General ... 4
6.2. Objetivos Específicos ... 4
7. Definición del Problema ... 4
8. Metodología ... 5
9. Instrumentación ... 6
9.1. Vehículo de pruebas ... 6
9.2. GPS de alta resolución más accesorios ... 7
9.3. Inclinómetro ... 7
9.4. Potenciómetro ... 8
9.5. Termo-anemómetro ... 8
9.6. Barómetro portátil ... 9
9.7. Báscula portátil ... 9
9.8. Banco de potencia DBT-3000/1 ... 10
10. Diseño Experimental ... 10
10.1. Protocolo de prueba aceleración en carretera (On Road) de rendimiento en vehículos terrestres. ... 11
10.2. Protocolo de prueba de desaceleración en carretera (On Road) de rendimiento en vehículos terrestres. ... 18
10.3. Protocolo de prueba dinamométrica de potencia neta y momento par del motor para rendimiento en vehículos terrestres. ... 26
10.4. Resumen de protocolos ... 32
11. Desarrollo Experimental ... 34
11.1. Lugar de pruebas aceleración y desaceleración natural ... 34
11.2. Lugar de pruebas dinamométricas ... 35
11.3. Pruebas preliminares aceleración y desaceleración ... 36
11.4. Pruebas preliminares dinamométricas ... 38
ii
11.6. Prueba final de desaceleración ... 40
11.7. Prueba final dinamométrica ... 41
12. Resultados ... 43
12.1. Pruebas de aceleración ... 43
12.2. Pruebas de desaceleración ... 47
12.3. Pruebas dinamométricas ... 49
12.4. Resumen de resultados ... 52
13. Conclusiones... 52
14. Trabajo Futuro ... 53
15. Anexos ... 54
15.1. Código análisis pruebas de aceleración ... 54
i. Prueba Gasolina 0 a 80 km/h ... 54
ii. Prueba GNV 0 a 80 km/h ... 56
iii. Análisis estadístico comparativo 80 km/h ... 60
iv. Prueba Gasolina 0 a 60 km/h ... 60
v. Prueba GNV 0 a 60 km/h ... 64
vi. Análisis estadístico comparativo 60 km/h ... 69
15.2. Código análisis prueba de desaceleración ... 70
15.3. Código análisis prueba dinamométrica ... 74
i. Gasolina ... 74
ii. GNV ... 76
iii. Análisis estadístico comparativo potencia ... 78
iv. Análisis estadístico comparativo par ... 78
16. Bibliografía ... 79
1. Lista de Tablas Tabla 1. Dimensiones y masa vehículo de pruebas ... 6
Tabla 2. Características GPS ... 7
Tabla 3. Características inclinómetro ... 7
Tabla 4. Características potenciómetro (UniMeasure JX-PA Series, s.f.) ... 8
Tabla 5. Características Termo-anemómetro ... 8
Tabla 6. Características barómetro ... 9
Tabla 7. Características báscula portátil (OHAUS Corporation , s.f.) ... 9
Tabla 8. Características banco de potencia (CapaTest, s.f.) ... 10
iii
Tabla 10. Restricciones del lugar prueba aceleración. ... 12
Tabla 11. Información técnica vehículo de pruebas, prueba aceleración. ... 13
Tabla 12. Bitácora prueba aceleración ... 14
Tabla 13. Condiciones ambientales y de terreno para la prueba de aceleración. ... 17
Tabla 14. Equipos para la prueba de desaceleración. ... 19
Tabla 15. Restricciones del lugar prueba desaceleración. ... 20
Tabla 16. Información técnica vehículo de pruebas, prueba desaceleración. ... 21
Tabla 17. Bitácora prueba desaceleración ... 22
Tabla 18. Condiciones ambientales y de terreno para la prueba de desaceleración. ... 25
Tabla 19. Equipos para la prueba dinamométrica. ... 27
Tabla 20. Información técnica del vehículo. ... 28
Tabla 21. Bitácora prueba dinamométrica. ... 29
Tabla 22. Condiciones ambientales. ... 31
Tabla 23. Resumen de los protocolos de pruebas ... 33
Tabla 24. Resultados inclinación ida. ... 35
Tabla 25. Resultados inclinación vuelta. ... 35
Tabla 26. Resultados prueba aceleración gasolina a 80 km/h. ... 44
Tabla 27. Resultados prueba aceleración GNV a 80 km/h. ... 44
Tabla 28. Resultados aceleración gasolina a 60 km/h. ... 46
Tabla 29. Resultados aceleración GNV a 60 km/h... 46
Tabla 30. Resultados prueba desaceleración natural. ... 48
Tabla 31. Resultados potencia para el combustible de gasolina. ... 49
Tabla 32. Resultados potencia para el combustible de gas natural vehicular. ... 49
Tabla 33. Resultados momento par para el combustible de gasolina. ... 50
Tabla 34. Resultados momento par para el combustible gas natural vehicular. ... 50
Tabla 35. Resumen de resultados ... 52
2. Lista de Ilustraciones Ilustración 1. Diagrama protocolos de pruebas ... 5
Ilustración 2. Vehículo de pruebas FORD F-150 ... 6
Ilustración 3. GPS de alta resolución VBOX III 100Hz Data Logger (VBOX Automotive, s.f.) . 7 Ilustración 4. Inclinómetro DXL 360/S V2 (Dual axis digital protractors, 2013) ... 8
Ilustración 5. Potenciómetro JX-PA-2,8-N11-11S-111 ... 8
Ilustración 6. Termo-anemómetro EXTECH 45158 (EXTECH Instruments, s.f.) ... 9
Ilustración 7. Barómetro portátil Baladeo ... 9
Ilustración 8. Báscula portátil OHAUS I-10 ... 10
Ilustración 9. Banco de potencia DBT – 3000/1 ... 10
Ilustración 10. Lugar de pruebas aceleración y desaceleración (Imagen tomada de Google Earth) ... 34
Ilustración 11. Perfil inclinación ida. ... 35
Ilustración 12. Perfil inclinación vuelta. ... 35
Ilustración 13. Lugar de pruebas potencia y momento par Autos Sura (Imagen tomada de Google Earth) ... 36
iv
Ilustración 14. Zona de pruebas dinamométricas Autos sura. ... 36
Ilustración 15. Calibración potenciómetro. ... 37
Ilustración 16. Resultados velocidad contra tiempo pruebas piloto ... 38
Ilustración 17. Resultados aceleración gasolina a 80 km/h. ... 44
Ilustración 18. Resultados aceleración GNV a 80 km/h. ... 45
Ilustración 19. Resultados aceleración gasolina a 60 km/h. ... 46
Ilustración 20. Resultados aceleración GNV a 60 km/h. ... 47
Ilustración 21. Resultados para gasolina, tanto en velocidad como en revoluciones ... 50
1
3. Nomenclatura
𝐴 = 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑒ℎí𝑐𝑢𝑙𝑜 𝐻101 = 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑒ℎí𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑊103 = 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑒ℎí𝑐𝑢𝑙𝑜 𝐶. 𝑉 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑆𝐷 = 𝐷𝑒𝑠𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟 𝑋̅ = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜
𝑡1−𝛼,𝑛−1 = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑡 − 𝑠𝑡𝑢𝑑𝑒𝑛𝑡 𝑛 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑢𝑒𝑏𝑎𝑠
𝑡1−𝛼,𝑛−1′ = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑡 − 𝑠𝑡𝑢𝑑𝑒𝑛𝑡 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑠 𝜈 = 𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑡𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑡 − 𝑠𝑡𝑢𝑑𝑒𝑛𝑡
𝛼 = 𝑃𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑡 − 𝑠𝑡𝑢𝑑𝑒𝑛𝑡 𝑀𝑉 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑑𝑣
𝑑𝑡 = 𝐷𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎𝑑𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑓𝑟 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛
𝐶𝐷 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑠𝑡𝑟𝑒
𝑀 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑒ℎí𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑚𝑎𝑠 𝑝𝑖𝑙𝑜𝑡𝑜 𝑦 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠 𝑔 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑
𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑜 𝑉 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑒ℎí𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑃𝑎 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑇 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎
𝐻𝑅 = 𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎
2 4. Introducción
Hoy en día la eficiencia de los vehículos en Colombia y en países con condiciones atmosféricas elevadas por encima de los 2000 m.s.n.m, son de gran importancia en temas relacionados con el desempeño mecánico y el consumo de combustible. Ya que los fabricantes de vehículos gradúan los motores bajo condiciones ideales controladas como lo son temperatura, humedad y presión atmosférica, esta última a nivel del mar. En este mismo orden de ideas, cuando un vehículo es operado bajo condiciones no ideales, el desempeño del motor cambia generalmente disminuye su desempeño mecánico (Gallego, 2014) y si a esto se le suma la conversión a gas natural vehicular se vería un poco más perjudicado dicho rendimiento. Finalmente, es por esto que a través de los años se han ido realizando estudios e investigaciones para caracterizar y analizar que les sucede a los diferentes vehículos cuando operan por encima de su nivel ideal, para así poder en un futuro con dichos resultados crear vehículos más eficientes en condiciones no ideales y con fuentes de energía alternativas que puedan conllevar a la ayuda del medio ambiente, mediante la disminución de contaminación generada por los gases que produce la combustión de los vehículos.
Con lo anterior, desde hace algunos años la Universidad de Los Andes y el departamento de Ingeniería Mecánica en conjunto con el grupo de Dinámica de Maquinaria, en el cual se encuentra el profesor Luis Ernesto Muñoz asesor del presente proyecto, han ido implementando y fortaleciendo el campo de la Dinámica vehicular a través de diferentes proyectos investigativos operados por diferentes estudiantes pertenecientes a la Universidad de Los Andes. Asimismo, la mayor parte de los proyectos realizados en la Universidad de Los Andes se han enfocado más hacia la caracterización, desempeño y evaluación de diferentes vehículos bajo condiciones similares de interés mediante pruebas de ruta y de dinamómetro a diferentes condiciones atmosféricas. Finalmente, con estos proyectos lo que se quiere es poder observar el desempeño mecánico de dichos vehículos para así poder llegar a tener una aproximación del comportamiento energético y en un futuro poder ajustar el parque automotor Colombiano y de países similares a sus condiciones atmosféricas variables (Steffens, 2014).
Asimismo, es por esto que el presente proyecto se enfocó en poder cuantificar y comparar el rendimiento mecánico de un vehículo convertido a gas natural vehicular (GNV), para así poder notar los efectos en cuanto a pérdida de potencia y de aceleración con la comparación del funcionamiento de dicho vehículo operando tanto en gasolina como en GNV. Además, se realizó un estudio de desaceleración para poder obtener coeficientes de arrastre aerodinámico, todo esto realizado en la ciudad de Bogotá, la cual se encuentra a una altura elevada por encima de los 2500 m.s.n.m.
5. Contexto
En la actualidad la contaminación atmosférica es un punto importante a combatir, puesto que la polución del aire conlleva impactos negativos a nivel ambiental, produciendo efectos desagradables en cuanto a la salud pública, aumento de enfermedades respiratorias y detrimento del bienestar en general. Por ejemplo, en Colombia en ciudades como Bogotá, Medellín, Cali y Bucaramanga han detectado que el 60% de las contaminaciones se le atribuyen al parque automotor (Compañía de entrenamiento
3 técnico automotriz, 2001). Es por esto que encontrar soluciones alternas es de gran importancia hoy en día para así poder reducir el impacto contaminante a la atmósfera y ayudar al medio ambiente, por lo cual el uso de combustibles alternos como el GNV o el uso de vehículos eléctricos pueden contribuir a la disminución de dicho impacto ambiental.
Es por ello que en este proyecto se realizó una comparación mecánica para el vehículo seleccionado cuando opera entre dos combustibles, en este caso gasolina corriente y GNV. Para así poder dar una idea de qué tan apropiado puede ser el uso de combustibles alternos en cuanto al rendimiento mecánico, es decir poder cuantificar y comparar en términos de potencia y aceleración cuánto se pierde de un combustible al otro y así poder concluir que tan beneficioso o no puede llegar a ser en términos mecánicos el uso de dicho combustible alterno para el sector automotriz.
Asimismo, el uso de combustibles alternos como el GNV se adaptan bien en los motores de ciclo de Otto y también presenta una buena resistencia a la explosión y al momento de suceder la combustión con el aire se mezclan de forma homogénea lo que permite una combustión más completa (Compañía de entrenamiento técnico automotriz, 2001). Además, este combustible alterno (GNV) presenta ventajas ambientales en comparación con los combustibles convencionales para vehículos, ya que reduce las emisiones de CO2
en un 20% a un 30% lo cual reduce el efecto de gas invernadero en gran medida ya que este compuesto es el principal contribuyente de dicho efecto (NWGA: Northwest Gas Association). También, las propiedades químicas del GNV en comparación con las de la gasolina son importantes para poder llegar a la conclusión que debido a que el GNV presenta una menor energía contenida en un volumen especifico se tenga un menor rendimiento mecánico, por ejemplo un galón de gasolina presenta una energía de 114.000 Btu, mientras que un galón de gas natural licuado (LNG) tiene una energía de 82.644 Btu (Canis, Pirog, & Yacobucci, 2014), con lo cual se puede deducir que la gasolina es capaz de proveer una alta energía al motor dando así mayor potencia en comparación con el gas vehicular. Igualmente, otro importante factor es la relación de aire/combustible el cual es de 16.4:1 para el GNV y de 14.7:1 para la gasolina (Compañía de entrenamiento técnico automotriz, 2001), este factor permite medir la cantidad de aire necesario para quemar un volumen de combustible, y ya que la cantidad de aire que puede ingresar al cilindro del motor se ve limitada por el desplazamiento del mismo y dicha cantidad es esencial para el funcionamiento del motor, se puede decir que se necesita una mayor cantidad de aire para quemar el GNV y ya que contiene una menor energía por unidad de volumen llevará a que se tenga una menor potencia en el motor por parte de dicho combustible, lo cual según estudios anteriores se dice que está cuantificado entre un 10% a un 20% de perdida de potencia (Aslam, Masjuki, Kalam, & Amalina, 2005).
Por último, se midió de forma experimental el coeficiente de arrastre para así poder cuantificar la resistencia del vehículo usado con el asfalto, cabe resaltar que todas estas pruebas se realizaron bajo los lineamientos dados por la Society of Automotive Engineering (SAE).
4 6. Objetivos
6.1. Objetivo General
Caracterizar, evaluar y comparar el desempeño mecánico de un vehículo de combustión interna de 4 velocidades automático funcionando a gasolina y a gas natural vehicular, en circunstancias reales de operación bajo condiciones atmosféricas elevadas en el territorio Colombiano, además bajo condiciones controladas de laboratorio. Con lo cual se quiere obtener curvas de momento par entregado, potencia, aceleración y coeficientes de arrastre mediante el estudio de desaceleración, siguiendo los procedimientos recomendados por la Society of Automotive Engineering (SAE).
6.2. Objetivos Específicos
i. Diseñar un protocolo de pruebas para el desarrollo del proyecto.
ii. Caracterizar, evaluar y comparar el desempeño mecánico de una camioneta de cabina sencilla, con un motor de combustión interna de 4 velocidades automático, 5.4L triton V8. Dicho vehículo ha sido convertido a GNV, por lo cual se quiere comparar el desempeño de dicho vehículo operando tanto en gasolina como en gas natural vehicular en pruebas de ruta y en pruebas de dinamómetro. Esto con el fin de obtener curvas de aceleración, momento par entregado, potencia y coeficientes de arrastre obtenidos mediante pruebas de desaceleración. Lo anterior mediante los procedimientos recomendados por la SAE J1491, SAE J1349 y SAE J1263 a condiciones atmosféricas elevadas por encima de los 2000 m.s.n.m.
iii. Analizar los resultados obtenidos para evidenciar y comparar la variación en el desempeño mecánico del vehículo seleccionado para cada uno de los combustibles usados (Gasolina y gas natural vehicular).
7. Definición del Problema
Hoy en día el factor medioambiental es de gran importancia para la humanidad ya que los impactos ambientales que está sufriendo la tierra debido a los efectos de gas invernadero son de gran magnitud. La demanda de combustibles sigue creciendo con el pasar de los años esto ha llevado a que se pronostique un aumento de 8 a 10 billones de toneladas de CO2 para 2030 (Energy Research Architecture, 2009) esto sólo considerando el sector de
transporte.
Es por ello que es necesario la creación de combustibles o fuentes de energías no convencionales las cuales puedan llegar a realizar el mismo trabajo que los combustibles convencionales pero con menor impacto ambiental, para así poder ayudar al medio ambiente y disminuir los índices de contaminación. Asimismo, es por esto que en el presente proyecto se quiso poder dar una idea de cómo otro tipo de combustible no convencional afecta o no el desempeño mecánico del vehículo seleccionado, lo cual pueda conllevar a explotar dicho campo de los combustibles alternos para ayudar al medio ambiente y solucionar así una posible escasez de los combustibles convencionales. De esta manera, el proyecto tiene como fin poder cuantificar, evaluar y comparar el desempeño mecánico de un vehículo de trabajo “pesado” convertido a GNV con su desempeño de operación en Gasolina y su desempeño de operación en GNV, para así poder saber cuánto
5 afecta dicha transformación a dicho desempeño mecánico y así poder concluir si es apropiado dicho cambio mediante pruebas que permitan medir potencia, momento par y aceleración en cada combustible usado (Gasolina y GNV) en el vehículo de pruebas. Por último, también se planteó la realización de una prueba de desaceleración natural del vehículo para poder conocer así la resistencia que ejerce el asfalto al vehículo, cabe resaltar que todas estas pruebas se realizaron a la misma altitud, por encima de los 2500 m.s.n.m, esto para aclarar que dicho proyecto no buscaba comparar el desempeño mecánico del vehículo en cada combustible (Gasolina y GNV) a diferentes alturas.
8. Metodología
Para un óptimo desarrollo de este proyecto como se mencionó anteriormente, tuvo como finalidad poder comparar el desempeño mecánico del vehículo seleccionado operando a diferentes combustibles (Gasolina y GNV), por lo cual se planearon una serie de pasos, lo cual llevaría a realizar un proyecto de forma ordenada y cronológica, para así no entrar en iteraciones continuas que resultarán en la pérdida del tiempo y en el no cumplimiento de los objetivos.
En un primer momento se empezó por definir una serie de protocolos para cada una de las pruebas a realizar, esto con el fin de conocer de manera concisa las restricciones que debe tener cada prueba, cómo se debían realizar, qué instrumentos eran necesarios para su realización, así como los procedimientos que se debían seguir, como se observa en el diagrama que se presenta a continuación:
Ilustración 1. Diagrama protocolos de pruebas
Después de realizar cada uno de los protocolos con base en lo presentado anteriormente, se procedió a buscar los lugares de pruebas que cumplieran con los estándares estipulados por los procedimientos de la SAE J1263, SAE J1491 y SAE J1263. Cabe resaltar
Protocolo de pruebas
Prueba
Paso 1: Identificación
- Vehículo - Equipos
-Lugar de pruebas (restricciones)
Paso 2: Preparación - Vehículo -Conexión equipos -Configuración software
Paso 3: Realización -Procedimiento SAE -Calibración equipos -Cumplimiento restricciones SAE
Paso 4: Análisis de resultados
-Procesamiento de datos
6 que algunas de las restricciones fueron imposibles de cumplir por la locación de los lugares de las pruebas esto por la altitud tan elevada a la que se encuentran dichos lugares. Asimismo, después de realizados los protocolos y de haber encontrado los lugares para realizar las pruebas se procedió a realizar unas pruebas preliminares (aceleración, desaceleración y dinamométricas) para así poder conocer el funcionamiento de los equipos necesarios para la realización de cada una de las pruebas finales. Después, de realizadas las pruebas preliminares y de conocer el funcionamiento de los equipos se procedió a realizar las pruebas finales, siguiendo lo estipulado en cada uno de los protocolos de pruebas para finalmente poder proceder al procesamiento de los datos y asimismo proceder al análisis de los resultados obtenidos.
9. Instrumentación
En esta sección se describirán las características tanto de los equipos usados en las pruebas de carretera como de las pruebas en dinamómetro.
9.1. Vehículo de pruebas
El vehículo usado para la realización del proyecto corresponde a un vehículo usado para transporte de carga liviana (Truck, siglas en inglés), modelo 2001 marca FORD, equipado con un motor de combustión interna de 4 velocidades automático, con características de 5.4 Litros triton V8 y transmisión 4x2 RWD, potencia nominal de 260 hp (193.88 kW) a 4.500 rpm, un torque nominal de 350 lb-ft (474.54 N.m) a 2500 rpm, cabina sencilla. Además, dicho vehículo fue convertido a gas natural vehicular equipado con un equipo de tercera generación, el cual presenta inyección electrónica y un sistema cerrado con retroalimentación (Compañía de entrenamiento técnico automotriz, 2001) y se tienen las siguientes características de peso y dimensión:
Masa eje delantero (kg) 1200 Masa eje trasero (kg) 984
Ancho (m) 2.014
Alto (m) 1.846
Largo (m) 5.255
Tabla 1. Dimensiones y masa vehículo de pruebas
7 9.2. GPS de alta resolución más accesorios
GPS de alta resolución de la empresa Racelogic, que permite medir tiempo, velocidad, altura, longitud, latitud, entre otras características. Además, este usa unos accesorios para su funcionamiento tales como una antena que le permite conectarse a los satélites, una batería de litio de 5Ahr y una tarjeta SD de adquisición de datos y una frecuencia de muestreo de hasta 100 Hz. Dicho GPS presenta unas características de resolución de:
Velocidad (±km/h) 0.01 Distancia (±cm) 1 Posición (±mm) 1.8 Voltaje (V) 7-30 DC
Tabla 2. Características GPS
Ilustración 3. GPS de alta resolución VBOX III 100Hz Data Logger (VBOX Automotive, s.f.)
9.3. Inclinómetro
El inclinómetro usado permite medir la inclinación de la superficie en este caso de la carretera donde se realizaron las pruebas de aceleración y desaceleración. Este instrumento se usó para medir la pendiente de la carretera para poder demostrar que dicho lugar de pruebas cumpliera con las especificaciones dadas por los procedimientos SAE J1491 y SAE J1263. Además, dicho instrumento presenta las siguientes características:
Pendiente (±°) 0.01
Velocidad de giro (°/s) <50
Tiempo de respuesta (s) 0.4
Temperatura de operación (°C) 0 – 50
8
Ilustración 4. Inclinómetro DXL 360/S V2 (Dual axis digital protractors, 2013)
9.4. Potenciómetro
El potenciómetro de la empresa UniMeasure, permite medir un desplazamiento lineal mediante una señal de corriente al halar una cuerda que tiene dicho potenciómetro. El cual se conecta a una fuente de poder para así poder obtener la señal de corriente, mientras se hala la cuerda. Dicho instrumento se usó para medir el recorrido del pedal en las pruebas de aceleración, y presenta las siguientes características:
Linealidad (±mm) 1%
Voltaje (V) 30 Max
Impedancia de salida (Ohm) 0 – 1000 Temperatura de operación (°C) -25 – 75
Tabla 4. Características potenciómetro (UniMeasure JX-PA Series, s.f.)
Ilustración 5. Potenciómetro JX-PA-2,8-N11-11S-111
9.5. Termo-anemómetro
Este instrumento permite medir la velocidad del viento, la humedad relativa y temperatura ambiente, con lo cual se pudieron medir dichas variables para las pruebas a realizar, cabe resaltar que para que se pueda tener una medida correcta de la velocidad del viento es necesario ubicar el instrumento en la dirección del flujo, de manera que el aire fluya desde la parte trasera y permita el movimiento de la hélice integrada en el sensor. Este instrumento presenta las siguientes características:
Velocidad del viento (±m/s) 3%
Temperatura (±°C) 1
Humedad relativa (±%) 4
9
Ilustración 6. Termo-anemómetro EXTECH 45158 (EXTECH Instruments, s.f.)
9.6. Barómetro portátil
Permite medir la presión atmosférica, se usó este barómetro portátil marca Baladeo, para poder medir dicha variable en el lugar de la prueba. El instrumento presenta las siguientes características:
Presión (±hPa) 1
Temperatura (±°C) 1
Altura (±msnm) 2
Tabla 6. Características barómetro
Ilustración 7. Barómetro portátil Baladeo
9.7. Báscula portátil
La báscula permite medir la masa de cada uno de los ejes del vehículo, con el uso del indicador de masa electrónico I-10 el cual se conecta a las básculas. Este instrumento presenta las siguientes características:
Rango de capacidad (±%) 3
Voltaje de operación (V) 5
masa (±kg) 1
Temperatura de operación (°C) 0 – 40
Tiempo de estabilización (s) 3
10
Ilustración 8. Báscula portátil OHAUS I-10
9.8. Banco de potencia DBT-3000/1
Dinamómetro inercial de la empresa Capatest, equipado con un freno para vehículos con tracción 4x2, equipo informático completo, armario de visualización RBT-1350 y ventilador helicoidal con caudal de 18.3 m3/h. Dicho instrumento permite medir la potencia y el momento par de un vehículo mediante la ubicación del eje que cuenta con la tracción sobre los rodillos, y llevando el acelerador a fondo permite medir dichas variables, y presenta las siguientes características:
Máxima carga (T) 3
Velocidad máx. (km/h) 300
Fuerza de tracción (kN) 20
Máxima potencia (kW) 260
Diámetro de rodillos (mm) 318.2
Tabla 8. Características banco de potencia (CapaTest, s.f.)
Ilustración 9. Banco de potencia DBT – 3000/1
10.Diseño Experimental
En esta sección se busca presentar todo lo que concierne a cada uno de los pasos, métodos y restricciones para cada prueba para el desarrollo del proyecto.
11 10.1. Protocolo de prueba aceleración en carretera (On Road) de rendimiento en
vehículos terrestres.
INTRODUCCIÓN
Con este protocolo se pretende poder abarcar un esquema operativo para el desarrollo de la prueba de aceleración en carretera para analizar y cuantificar el rendimiento mecánico de un vehículo automotor, en este caso para un vehículo de combustión interna convertido a Gas Natural Vehicular (GNV) para así comparar su desempeño en dicha prueba operando 100% a Gasolina y 100% a GNV, esto mediante el uso de los equipos disponibles en el laboratorio de la Universidad de Los Andes.
Es de carácter informativo y preventivo que el encargado de la ejecución y operario de los equipos necesarios, Técnico o Ingeniero a cargo de las pruebas, lea y entienda este documento previamente a la experimentación. Este protocolo está diseñado y estructurado para que el encargado pueda entender y operar de forma segura y debida los equipos usados, para así asegurar el cumplimiento y efectividad de la planeación, desarrollo y procesamiento de la prueba para no realizar pruebas erróneas, lo que dé lugar a pérdida de tiempo y recursos económicos.
Por último, se da por entendido que la persona encargada de realizar las pruebas entiende y presenta conocimientos acerca de Mecánica Automotriz y de Ingeniería Mecánica, así como de un nivel de lectura en inglés intermedio. Además, se da por sobreentendido que dicha persona ya se encuentra familiarizada con el significado y sentido que tiene una prueba de desempeño mecánico en carretera, los equipos a usar y del procedimiento SAE J1491 que rige la prueba.
FASE I
VERIFICACIÓN E INDENTIFICACIÓN
Esta etapa se encamina para la verificación de los recursos disponibles para las pruebas experimentales, teniendo en cuenta la identificación y especificación de cada uno de los equipos a usar así como de las restricciones que estos presentan y también de las restricciones del lugar donde se realizarán las pruebas.
Para así poder verificar el debido cumplimiento y correcto funcionamiento de los equipos para el correcto funcionamiento de la prueba y conocer que no se incumple ninguna restricción para llevar a cabo el procedimiento experimental.
Para comenzar en la Tabla 9, se presentan los equipos necesarios para la correcta realización de la prueba y de sus restricciones si presentan alguna.
12
Equipo Restricción
VBOX Software Racelogic
Antena GPS
Ubicar en el techo de vehículo lejos de cualquier objeto que pueda hacerle sombra.
Batería
Batería recargable o el adaptador de 12v para conectar al vehículo
Software Racelogic
Previamente instalado en PC portátil donde se tomará registro de los resultados
Tabla 9. Equipos para la prueba de aceleración.
Además, las restricciones del lugar donde se realizará la prueba en territorio Colombiano se regirán bajo los procedimientos dados por la SAE J1491. Para la realización de este tipo de pruebas el terreno donde se lleven a cabo debe cumplir con ciertos parámetros. Aunque, cabe resaltar que será necesario ajustar estos parámetros para que la prueba pueda ser realizada en territorio Colombiano, ya que estas se ejecutarán en vías públicas y se debe cumplir con las leyes de transito que las rigen. En la Tabla 10 se listan algunas restricciones importantes para tener en cuenta con lo cual el Ingeniero de Pruebas debe darse a la tarea de buscar un lugar que cumpla con estos parámetros. Por último, en la fase III se discutirá más a fondo las especificaciones del procedimiento SAE J1491 usado para el desarrollo de esta prueba.
Variable Restricción
Velocidad máxima 80 km/h Grado de inclinación 0-0,5%
Terreno Pavimentado sin huecos ni ondulaciones
Velocidad viento
máxima 24 km/h
Velocidad máxima
pico viento 32 km/h Condiciones
climáticas Sin lloviznas
Tipo de vía
Preferiblemente autopista
Tabla 10. Restricciones del lugar prueba aceleración.
Una vez se tenga la verificación de cada uno de los equipos y el conocimiento de las restricciones del lugar de la prueba, se necesita que el encargado recopile la información técnica del vehículo que se usará en las pruebas para así tener un pleno conocimiento de este, por lo cual debe llenar la información de la Tabla 11.
13
Especificación
Técnica Tipo de Información
Marca (Ej: Ford, Mazda, Kia, etc) Tipo (Ej: Pick-ups, Carros, SUVs)
Descripción Referencia
Modelo Año
Motor Litros
Numero de cilindros 3 a 16
Potencia neta [Hp @ rpm] - [kW @ rpm] Par motor [ ft-lb @ rpm] - [N.m @ rpm]
Tipo de motor
(Ej: Combustión interna, Combustión externa, Hibrido)
Tipo de combustible (Ej:
Gasolina/Diésel/Biocombustibles) Tipo de transmisión (Ej: Automática o Manual) Transmisión (Ej: 4WD/ 2WD (RWD/FRW)) Numero de cambios 3 a 8
Torque tuercas
rueda [N.m] - [ft-lb]
Ruedas (Ej: 235/60 R16) Patrón de pernos Numero X Radio Peso bruto vehículo [kg] Peso eje delantero [kg] Peso eje trasero [kg]
Longitud [m] - [ft]
Ancho [m] - [ft]
Alto [m] - [ft]
Distancia entre ejes [m] - [ft]
Tabla 11. Información técnica vehículo de pruebas, prueba aceleración.
FASE II
PREPARACIÓN Y ALISTAMIENTO
En esta etapa se pretende que el Técnico o Ingeniero de Pruebas ponga a punto todos los equipos con los que trabajará para lograr una prueba exitosa, así como del alistamiento de la prueba para no entrar en una iteración continua que lleve a perder el tiempo y los recursos destinados para la realización de las pruebas. Cabe recordar que los imprevistos existen pero se espera que mediante dicha preparación previa se puedan eliminar al máximo dichos imprevistos.
Primero se debe tener claro el objetivo de dicha prueba, por lo cual la persona encargada debe saber para qué se está realizando dicha prueba, qué se quiere medir y qué no se quiere medir, cómo se debe medir la variable de interés y el llevar una bitácora de las pruebas realizadas, que será de gran importancia para tener un registro claro de las
14 pruebas, por lo cual la persona deberá completar la Tabla 12 cada vez que realice una prueba.
Contexto Prueba Aceleración
Enfoque (Ej: Académico/Industrial)
Objetivo prueba
(Ej: Como afecta a la aceleración el tipo de combustible)
Periodo de la prueba (Ej: 19 de Agosto de 2015) Vehículo de pruebas (Ej: Ford F-150 5.4L triton V8)
Ubicación geográfica GPS
Profesor a cargo (Ej: Luis Muñoz) Ingeniero de pruebas (Ej: Andres Hernández) Piloto de pruebas (Ej: Andres Hernández) Técnico operativo (Ej: Luis Carlos Ávila) Temperatura
ambiente [0C]
Presión atmosférica [kPa]
Humedad relativa [%]
Altura m.s.n.m
Velocidad del viento [ km/h]
Tabla 12. Bitácora prueba aceleración
Asimismo, el Técnico o Ingeniero de Pruebas encargado de realizar la prueba debe tener pleno conocimiento de cómo usar el software y los equipos de adquisición de datos. Es por esto que dicha persona debe días antes de realizar la prueba conocer el funcionamiento del software Racelogic, es decir para qué sirve, qué funciones tiene, qué variables puede medir, qué tipo de archivos guarda al momento de obtener los resultados, cómo se programa para adquirir datos, etc. También, es necesario que conozca cómo es el proceso de conexión de los equipos de adquisición de datos, todo esto para que el día de realizar las pruebas no se pierda tiempo en buscar información del uso o cómo conectar los equipos en folletos. Por lo cual se da por hecho que si se va a realizar una prueba esta persona ya debe tener el pleno conocimiento de lo descrito anteriormente, así como de los requerimientos que pide el procedimiento SAE J1491. Ya que de una correcta configuración del software como de los equipos se puede garantizar en gran medida el éxito de la prueba, por lo cual a continuación se listan los pasos de conexión de los equipos como de la configuración del software:
Conexión equipos:
1. Tome la antena GPS y colóquela sobre el techo del vehículo, preferiblemente en el centro y lejos de cualquier objeto que le pueda hacer sombra lo cual dañaría la señal y los datos tomados presentarían errores.
2. Tome el equipo VBOX y conéctelo a la antena GPS con el conector SMA de rosca dorada en el socket VBOX ‘ANT’, asegúrese que este enchufe esté libre de polvo o cualquier contaminación.
15 3. Una vez conectado el VBOX a la antena GPS, conéctelo a la batería recargable o con el adaptador de 12v para carro, en el socket POWER ubicado en el VBOX. En este punto se debería prender una luz LED roja la cual indica que el VBOX tiene corriente y una luz LED verde la cual indica que se han encontrado los satélites.
4. Ahora inserte la tarjeta (compact flash card o SD card) en el VBOX para así poder guardar los datos, para posteriormente ser analizados.
5. Si el VBOX no ha sido usado en un periodo de tiempo considerable por ejemplo dos semana o más. Proceda a presionar los botones FUNC y LOG a la vez hasta que el VBOX emita un sonido, para así reiniciar el equipo. Si dicho dispositivo ha sido usado previamente omita este paso.
6. En este momento conecte el cable con serial CAB01 al socket RS232 en el VBOX, y posteriormente conecte la otra salida al puerto COM al computador. Si su computador no tiene este puerto conecte un convertidor serial de USB a la salida del cable y posteriormente conecte el cable USB a uno de los puertos que el computador tiene.
Configuración software Racelogic con los equipos:
1. Instale el software Racelogic en un computador portátil que pueda llevar durante las pruebas, Nota: cargue bien el computador antes de las pruebas para así tener un amplio tiempo de realización.
2. Una vez instalado el software y se tenga conectado los equipos al computador, inicie el programa. Ahora para adquirir la señal presione la tecla F11 o busque el botón ‘OPTIONS’ y selecciónelo, allí busque la opción ‘COM Port’ y seleccione el puerto al cual está conectado el VBOX.
3. Ahora en el programa le debería aparecer el detalle de la fuente, el puerto al cual está conectado y debería decir que el serial data esta funcionado bien ‘OK’.
4. En este momento presione el botón ‘VBOX Set-up’ y allí podrá configurar el VBOX en la opción ‘CHANNELS’, donde podrá especificar que variables quiere medir.
5. Una vez tenga la conexión de forma correcta presione el botón ‘NEW WINDOW’ y debería aparecer una ventana mostrando la variable velocidad para cambiar la variable, de Click derecho en dicha ventana y seleccione ‘DATA’ y después seleccione ‘STANDARD CHANNELS’, allí podrá seleccionar que variable quiere ver en la ventana. Nota, para ver varias ventanas seleccione ‘NEW WINDOW’, la ventana de velocidad aparecerá por default pero si realiza lo mencionado anteriormente podrá cambiar a la variable que desee observar. 6. Seleccione el botón ‘GRAPH’ para así también poder observar las gráficas
obtenidas.
7. Una vez se haya realizado los pasos anteriores seleccione el botón ‘LOG’ del VBOX para empezar a grabar donde se deberá encender una luz LED azul la cual indicará que si se está grabando y de esta forma se debería estar listo en cuanto a conexiones y configuración del sistema.
16 Por último, se debe preparar y alistar el vehículo que será usado para la prueba y así no tener inconvenientes mecánicos que se pueden prever si se realiza un buen análisis antes de ir a realizar las pruebas. Es por esto que se recomienda efectuar las siguientes revisiones y acciones antes de la prueba:
- Revise a buen detalle que el vehículo no presente ninguna fuga, para esto basta con revisar el piso debajo del carro después de parqueado una hora después y observar si hay rastros de algún líquido.
- Realice una calibración de las llantas del vehículo para que se encuentren infladas a la presión recomendada por el fabricante.
- Se recomienda que antes de realizar las pruebas se llene el tanque de la gasolina y el tanque del GNV, esto con el fin de cada vez que se realicen las pruebas se tenga una condición similar.
- El vehículo debe ser manejado por al menos 30 minutos antes de comenzar la prueba. Asimismo, el tiempo de enfriamiento no puede sobre pasar los 5 minutos entre el calentamiento y el inicio de la prueba, ya que pasado este tiempo se debe volver a conducir el vehículo para volver a tener la temperatura deseada del motor.
- Se debe conocer el peso en bruto del vehículo.
- Se pide que una vez se vaya a realizar las pruebas que las puertas, ventanas y capo se encuentren bien cerrados.
- Conocer el área frontal del vehículo, el cual se puede estimar con la ecuación a continuación:
𝑨 = 𝟎. 𝟖 ∗ 𝑯𝟏𝟎𝟏 ∗ 𝑾𝟏𝟎𝟑 (SAE International, 2010)
Donde H101 hace referencia a la altura del vehículo desde el suelo hasta la parte más alta contando accesorios, y W103 es el ancho sin contar los espejos retrovisores.
FASE III
REALIZACIÓN DE LA PRUEBA
En esta fase se procederá a dar comienzo a la prueba de aceleración en carretera (On Road) la cual sigue el procedimiento de la SAE J1491 “Vehicle Acceleration Measurement”. La cual tiene como objetivo medir la respuesta de arranque así como el desempeño de aceleración, con lo cual el presente protocolo será aplicable a esta prueba en cualquier carretera siempre y cuando se cumpla con las condiciones citadas a continuación.
Para comenzar el tiempo de respuesta de arranque desde el cual se deben tomar los datos para su análisis según el procedimiento SAE J1491, es cuando el vehículo se ha desplazado una distancia de un pie (1ft) desde su posición de reposo. Asimismo, se debe medir la carrera del pedal ya que desde el inicio del recorrido y la respuesta de arranque (1 ft) se debe haber presionado el pedal solo un 10% de su carrera y es allí donde llamaremos a este punto el tiempo cero (valor inicial), y una vez se haya sobre pasado esta distancia se debe presionar el pedal a fondo hasta alcanzar los 80 km/h, donde la prueba terminará y se dejarán de tomar datos.
También, es necesario que antes de iniciar la prueba todos los instrumentos estén debidamente calibrados para así asegurar que no habrá ningún error por parte de estos.
17 Siguiendo el procedimiento SAE J1491, este dice que la exactitud de las mediciones deben ser de:
- Tiempo ±0.1 s con una resolución de 0.1 s.
- Velocidad del vehículo ±0.8 km/h con una resolución de 0.4 km/h. - Velocidad del motor ±50 rpm con una resolución de 25 rpm. - Distancia ±5 mm con una resolución de 12.5 mm.
- Temperatura ±1 °C con una resolución de 1 °C. - Presión atmosférica ±0.7 kPa
- Velocidad del viento ±2 km/h
Asimismo, para esta prueba como se mencionó anteriormente se deben tener en cuenta y cumplir una serie de condiciones ambientales (Tabla 13) para que la prueba pueda ser validada y tomada en cuenta.
Variable Restricción
Velocidad máxima 80 km/h Grado de inclinación 0,5% máx.
Terreno Pavimentado sin huecos ni ondulaciones
Velocidad viento
máxima 24 km/h
Velocidad viento
máxima pico 32 km/h Condiciones
climáticas Sin lloviznas, piso seco Temperatura
ambiente 15 - 25 °C Presión atmosférica 98 - 100 kPa
Humedad relativa 40 - 60 %
Tabla 13. Condiciones ambientales y de terreno para la prueba de aceleración.
A su vez, el vehículo de pruebas debe tener una preparación preliminar a la prueba para que éste cumpla con lo requerido. Primero, debe haber recorrido una distancia mínima de 1609 km de operación para así asegurar que el vehículo está estabilizado como lo determina el fabricante, también los neumáticos deben tener un recorrido mínimo de 161 km antes de la prueba y la banda de rodaje (caucho) deben estar al menos en un 75% y en buenas condiciones. Además, se debe haber hecho una revisión y ajuste del vehículo antes de la prueba como por ejemplo calibrar los neumáticos, que se encuentre alineado y balanceado, niveles de agua, aceite, líquido de frenos y demás estén en su nivel correcto indicado por el fabricante, testigos estén funcionando debidamente y que los demás sistemas funcionen correctamente (tacómetro, velocímetro, odómetro).
Antes de comenzar la prueba, el vehículo debe haber sido manejado al menos 30 minutos a una velocidad promedio de 80 km/h justo antes de empezar a medir para asegurar que el vehículo se encuentra a su temperatura idónea y como se mencionó anteriormente no
18 se debe dejar pasar más de 5 minutos entre el calentamiento del vehículo y el comienzo de la prueba.
Por último, para dar comienzo a la prueba se deben haber cumplido a cabalidad todos los aspectos mencionados anteriormente. Esta prueba se debe realizar mínimo tres veces cada una en direcciones opuestas, para obtener datos tanto de ida como de vuelta. Tenga en cuenta que la seguridad es lo primero y que no se debe poner en riesgo la vida de los ocupantes del vehículo como de las personas o animales que puedan encontrarse en la vía durante la prueba. Es por esto, que una vez se comience cada prueba se debe estar atento y si llega a presentarse algo sospechoso con el vehículo o en la vía se debe abortar de manera inmediata la prueba, también si una de las condiciones de la Tabla 13 se incumple se debe de igual manera abortar dicha prueba. A su vez, se debe dar un tiempo de 30 segundos entre cada toma de datos para así permitir que el motor se recupere. Se recomienda que durante la prueba las luces delanteras se encuentren apagadas, si deben estar encendidas por alguna razón se recomienda usar luces en modo medio, todos los accesorios electrónicos deben estar apagados, ventanas deben estar cerradas durante la prueba y el control de tracción del vehículo debe estar en el modo donde se obtenga la máxima potencia.
FASE IV
ANÁLISIS DE RESULTADOS
En esta fase del protocolo es donde el Ingeniero encargado del experimento debe procesar los datos obtenidos en cada una de las réplicas de datos tomados en cada prueba para así poder examinar si se cumplieron los objetivos impuestos al comienzo del proyecto.
Se recomienda guardar los archivos de los datos de pruebas en una extensión .txt para así poder importarlos en un software de procesamiento de datos en el cual se puedan analizar. Una vez se tengan los datos en el programa a usar se debe generar el código necesario mediante el uso de las ecuaciones necesarias para así generar las gráficas de velocidad contra tiempo, tiempo contra distancia o las que el Ingeniero considere necesarias para su posterior presentación. Se debe tener en cuenta que se debe realizar un análisis de propagación del error para minimizar al máximo el sesgo de la prueba y tener una mayor exactitud y credibilidad en los resultados obtenidos y según el procedimiento usado el coeficiente de variación, el cual es la desviación estándar sobre la media obtenida el cual no debe exceder el 3% (SAE International, J1491. Vehicle Acceleration Measurement, 2006).
10.2. Protocolo de prueba de desaceleración en carretera (On Road) de rendimiento en vehículos terrestres.
INTRODUCCIÓN
Con este protocolo se pretende poder desarrollar un esquema operativo para el desarrollo de la prueba de desaceleración en carretera para analizar y cuantificar el rendimiento mecánico de un vehículo, en este caso para un vehículo de combustión interna convertido a Gas Natural Vehicular (GNV) para así comparar su desempeño en dicha prueba operando 100% a Gasolina o 100% a GNV, ya que esta prueba es independiente del
19 combustible a usar, esto mediante el uso de los equipos disponibles en el laboratorio de la Universidad de Los Andes.
Es de carácter informativo y preventivo que el encargado de la ejecución y operario de los equipos necesarios, Técnico o Ingeniero a cargo de las pruebas, lea y entienda este documento previamente a la experimentación. Este protocolo está diseñado y estructurado para que el encargado pueda entender y operar de forma segura y debida los equipos usados, para así asegurar el cumplimiento y efectividad de la planeación, desarrollo y procesamiento de la prueba para no realizar pruebas erróneas, lo que dé lugar a pérdida de tiempo y recursos económicos.
Por último, se da por entendido que la persona encargada de realizar las pruebas entiende y presenta conocimientos acerca de Mecánica Automotriz y de Ingeniería Mecánica, así como de un nivel de lectura en inglés intermedio. Además, se da por hecho que dicha persona ya se encuentra familiarizada con qué se va a realizar una prueba de desempeño mecánico en carretera, los equipos a usar y del procedimiento SAE J1263 que rige la prueba.
FASE I
VERIFICACIÓN E INDENTIFICACIÓN
Esta etapa se en camina para la verificación de los recursos disponibles para las pruebas experimentales, teniendo en cuenta la identificación y especificación de cada uno de los equipos a usar así como de las restricciones que estos presentan y también de las restricciones del lugar donde se realizarán las pruebas.
Para así poder verificar el debido cumplimiento y correcto funcionamiento de los equipos para el correcto desarrollo de la prueba y conocer que no se incumple ninguna restricción para poder llevar a cabo el procedimiento experimental.
Para comenzar en la Tabla 14, se presentan los equipos necesarios para la correcta realización de la prueba y de sus restricciones si presentan alguna.
Equipo Restricción
VBOX Software Racelogic
Antena GPS
Ubicar en el techo de vehículo lejos de cualquier objeto que pueda hacerle sombra.
Batería
Batería recargable o el adaptador de 12v para conectar al vehículo
Software Racelogic
Previamente instalado en PC portátil donde se tomará registro de los resultados
Tabla 14. Equipos para la prueba de desaceleración.
Además, las restricciones del lugar donde se realizará la prueba en territorio Colombiano se regirán bajo los procedimientos dados por la SAE J1263. Para la realización de este tipo de pruebas el terreno donde se lleven a cabo debe cumplir con ciertos parámetros. Aunque, cabe resaltar que será necesario ajustar estos parámetros para que la prueba pueda ser realizada en territorio Colombiano, ya que estas se ejecutarán en vías públicas y
20 se debe cumplir con las leyes de transito que las rigen. En la Tabla 15 se listan algunas restricciones importantes para tener en cuenta con lo cual el Ingeniero de Pruebas debe darse a la tarea de buscar un lugar que cumpla con estos parámetros. Por último, en la fase III se discutirán más a fondo las especificaciones del procedimiento SAE J1263 usado para el desarrollo de esta prueba.
Variable Restricción
Velocidad máxima 80 km/h Velocidad de
finalización 20 km/h Grado de inclinación 0-0,5%
Terreno Pavimentado sin huecos ni ondulaciones
Velocidad viento
máxima 16 km/h
Velocidad máxima
pico del viento 20 km/h Condiciones
climáticas Sin lloviznas
Tipo de vía
Preferiblemente autopista
Tabla 15. Restricciones del lugar prueba desaceleración.
Una vez se tenga la verificación de cada uno de los equipos y el conocimiento de las restricciones del lugar de la prueba, se necesita que el encargado recopile la información técnica del vehículo que se usará en las pruebas para así tener un pleno conocimiento de este, por lo cual debe llenar la información de la Tabla 16.
21
Especificación
Técnica Tipo de Información
Marca (Ej: Ford, Mazda, Kia, etc) Tipo (Ej: Pick-ups, Carros, SUVs)
Descripción Referencia
Modelo Año
Motor Litros
Numero de cilindros 3 a 16
Potencia neta [Hp @ rpm] - [kW @ rpm] Par motor [ ft-lb @ rpm] - [N.m @ rpm]
Tipo de motor
(Ej: Combustión interna, Combustión externa, Hibrido)
Tipo de combustible (Ej:
Gasolina/Diésel/Biocombustibles) Tipo de transmisión (Ej: Automática o Manual) Transmisión (Ej: 4WD/ 2WD (RWD/FRW)) Numero de cambios 3 a 8
Torque tuercas
rueda [N.m] - [ft-lb]
Ruedas (Ej: 235/60 R16) Patrón de pernos Numero X Radio Peso bruto vehículo [kg] Peso eje delantero [kg] Peso eje trasero [kg]
Longitud [m] - [ft]
Ancho [m] - [ft]
Alto [m] - [ft]
Distancia entre ejes [m] - [ft]
Tabla 16. Información técnica vehículo de pruebas, prueba desaceleración.
FASE II
PREPARACIÓN Y ALISTAMIENTO
En esta etapa se pretende que el Técnico o Ingeniero de Pruebas ponga a punto todos los equipos con los que trabajará para lograr una prueba exitosa, así como del alistamiento de la prueba para no entrar en una iteración continua que lleve a perder el tiempo y los recursos destinados para la realización de las pruebas. Cabe recordar que los imprevistos existen pero se espera que mediante dicha preparación previa se puedan eliminar al máximo dichos imprevistos.
Primero se debe tener claro el objetivo de dicha prueba, por lo cual la persona encargada debe saber para qué se está realizando dicha prueba, qué se quiere medir y qué no se quiere medir, cómo se debe medir la variable de interés y el llevar una bitácora de las pruebas realizadas, que será de gran importancia para tener un registro claro de las pruebas por lo cual la persona deberá llenar la Tabla 17 cada vez que realice una prueba.
22
Contexto Prueba Aceleración
Enfoque (Ej: Académico/Industrial)
Objetivo prueba
(Ej: Medición del coeficiente de arrastre en prueba de desaceleración)
Periodo de la prueba (Ej: 19 de Agosto de 2015) Vehículo de pruebas (Ej: Ford F-150 5.4L triton V8)
Ubicación geográfica GPS
Profesor a cargo (Ej: Luis Muñoz) Ingeniero de pruebas (Ej: Andres Hernández) Piloto de pruebas (Ej: Andres Hernández) Técnico operativo (Ej: Luis Carlos Ávila) Temperatura
ambiente [°C]
Presión atmosférica [kPa]
Humedad relativa [%]
Altura m.s.n.m
Velocidad del viento [ km/h]
Tabla 17. Bitácora prueba desaceleración
Asimismo, el Técnico o Ingeniero de Pruebas encargado de realizar la prueba debe tener pleno conocimiento de cómo usar el software y los equipos de adquisición de datos. Es por esto que dicha persona debe días antes de realizar la prueba conocer el funcionamiento del software Racelogic, es decir para qué sirve, qué funciones tiene, que variables puede medir, qué tipo de archivos guarda al momento de obtener los resultados, cómo se programa para adquirir datos, etc. También, es necesario que conozca cómo es el proceso de conexión de los equipos de adquisición de datos, todo esto para que el día de realizar las pruebas no se pierda tiempo en buscar información del uso o cómo conectar los equipos en folletos. Por lo cual se da por hecho que si se va a realizar una prueba esta persona ya debe contar con el pleno conocimiento de lo descrito anteriormente, así como de los requerimientos que pide el procedimiento SAE J1263. Ya que de una correcta configuración del software como de los equipos se puede garantizar en gran medida el éxito de la prueba, por lo cual a continuación se listan los pasos de conexión de los equipos como de la configuración del software:
Conexión equipos:
1. Tome la antena GPS y móntela sobre el techo del vehículo, preferiblemente en el centro y lejos de cualquier objeto que le pueda hacer sombra lo cual dañaría la señal y los datos tomados presentarían errores.
2. Tome el equipo VBOX y conéctelo a la antena GPS con el conector SMA de rosca dorada en el socket VBOX ‘ANT’, asegúrese que este enchufe esté libre de polvo o cualquier contaminación.
3. Una vez conectado el VBOX a la antena GPS, conéctelo a la batería recargable o con el adaptador de 12v para carro, en el socket POWER ubicado en el VBOX. En este punto se debería prender una luz LED roja la cual indica que el VBOX tiene corriente y una luz LED verde la cual indica que se han encontrado los satélites.
23 4. Ahora inserte la tarjeta (compact flash card o SD card) en el VBOX para así poder
guardar los datos, para posteriormente ser analizados.
5. Si el VBOX no ha sido usado en un periodo de tiempo considerable por ejemplo dos semana o más. Proceda a presionar los botones FUNC y LOG a la vez hasta que el VBOX emita un sonido, para así reiniciar el equipo. Si dicho dispositivo ha sido usado previamente omita este paso
6. En este momento conecte el cable con serial CAB01 al socket RS232 en el VBOX, y posteriormente conecte la otra salida al puerto COM al computador, si su computador no tiene este puerto conecte un convertidor serial de USB a la salida del cable y posteriormente conecte el cable USB a uno de los puertos que el computador tiene.
Configuración software Racelogic con los equipos:
1. Instale el software Racelogic en un computador portátil que pueda llevar durante las pruebas, Nota: cargue bien el computador antes de las pruebas para así tener un amplio tiempo de realización.
2. Una vez instalado el software y se tenga conectado los equipos al computador, inicie el programa. Ahora para adquirir la señal presione la tecla F11 o busque el botón ‘OPTIONS’ y selecciónelo, allí busque la opción ‘COM Port’ y seleccione el puerto al cual está conectado el VBOX.
3. Ahora en el programa le debería aparecer el detalle de la fuente, el puerto al cual está conectado y debería decir que el serial data esta funcionado bien ‘OK’.
4. En este momento presione el botón ‘VBOX Set-up’ y allí podrá configurar el VBOX en la opción ‘CHANNELS’, donde podrá especificar que variables quiere medir. 5. Una vez tenga la conexión de forma correcta presione el botón ‘NEW WINDOW’ y
debería aparecer una ventana mostrando la variable velocidad para cambiar la variable, de Click derecho en dicha ventana y seleccione ‘DATA’ y después seleccione ‘STANDARD CHANNELS’, allí podrá seleccionar que variable quiere ver en la ventana. Nota, para ver varias ventanas seleccione ‘NEW WINDOW’, la ventana de velocidad aparecerá por default pero si realiza lo mencionado anteriormente podrá cambiar a la variable que desee observar.
6. Seleccione el botón ‘GRAPH’ para así también poder observar las gráficas obtenidas.
7. Una vez se haya realizado los pasos anteriores seleccione el botón ‘LOG’ del VBOX para empezar a grabar donde se deberá encender una luz LED azul la cual indicará que si se está grabando y de esta forma se debería estar listo en cuanto a conexiones y configuración del sistema.
Por último, se debe preparar y alistar el vehículo que será usado para la prueba y así no tener inconvenientes mecánicos que se pueden prever si se realiza un buen análisis antes de ir a realizar las pruebas. Es por esto que se recomienda efectuar las siguientes revisiones y acciones antes de la prueba:
- Revise a buen detalle que el vehículo no presente ninguna fuga, para esto basta con revisar el piso debajo del carro después de parqueado una hora después y observar si hay rastros de algún líquido.
24 - Realice una calibración de las llantas del vehículo para que se encuentren infladas
a la presión recomendada por el fabricante.
- Se recomienda que antes de realizar las pruebas se llene el tanque de la gasolina y el tanque del GNV, esto con el fin de cada vez que se realicen las pruebas se tenga una condición similar.
- El vehículo debe ser manejado por al menos 30 minutos antes de comenzar la prueba. Asimismo, el tiempo de enfriamiento no puede sobre pasar los 5 minutos entre el calentamiento y el inicio de la prueba, ya que pasado este tiempo se debe volver a conducir el vehículo para volver a tener la temperatura deseada del motor.
- Se debe conocer el peso en bruto del vehículo.
- Se pide que una vez se vaya a realizar las pruebas que las puertas, ventanas y capo se encuentren bien cerrados.
- Conocer el área frontal del vehículo, el cual se puede estimar con la ecuación a continuación:
- 𝑨 = 𝟎. 𝟖 ∗ 𝑯𝟏𝟎𝟏 ∗ 𝑾𝟏𝟎𝟑 (SAE International, 2010)
Donde H101 hace referencia a la altura del vehículo desde el suelo hasta la parte más alta contando accesorios, y W103 es el ancho sin contar los espejos retrovisores.
FASE III
REALIZACIÓN DE LA PRUEBA
En esta fase se procederá a dar comienzo a la prueba de desaceleración en carretera (On Road) la cual sigue el procedimiento de la SAE J1263 “Road Load Measurement and Dynamometer Simulation Using Coastdown Techniques”. Dicha prueba tiene como objetivo principal el poder medir la resistencia que ejerce la carretera al vehículo, con lo cual el presente protocolo será aplicable a esta prueba en cualquier carretera siempre y cuando se cumpla con las condiciones citadas a continuación.
Ante todo, para esta prueba como se mencionó anteriormente se deben tener en cuenta y cumplir una serie de condiciones ambientales (Tabla 18) para que la prueba pueda ser validada y tomada en cuenta. Tenga en cuenta que una vez se empiece la prueba es decir el vehículo lleve una velocidad de 85 km/h suelte totalmente el acelerador y lleve el carro a neutro, este será nuestro punto inicial (punto cero).
25
Variable Restricción
Velocidad inicial 80 km/h Velocidad final 40 km/h Grado de inclinación 0,5% máx.
Terreno Pavimentado sin huecos ni ondulaciones
Velocidad viento máxima 16 km/h Velocidad viento máxima
pico 20 km/h
Condiciones climáticas Sin lloviznas, piso seco Temperatura ambiente 5 - 35 °C
Presión atmosférica 98 - 100 kPa Humedad relativa 40 - 60 %
Tabla 18. Condiciones ambientales y de terreno para la prueba de desaceleración.
También, es necesario que antes de iniciar la prueba todos los instrumentos estén debidamente calibrados para así asegurar que no habrá ningún error por parte de estos. Siguiendo el procedimiento SAE J1263, el cual dice que la exactitud de las mediciones deben ser de:
- Tiempo ±0.1% del total de la prueba con una resolución de 0.1 s. - Velocidad del vehículo ±0.4 km/h con una resolución de 0.2 km/h. - Temperatura ±1 °C con una resolución de 1 °C.
- Presión atmosférica ±0.7 kPa - Velocidad del viento ±1.6 km/h
A su vez, el vehículo de pruebas debe tener una preparación preliminar a la prueba para que éste cumpla con lo requerido. Primero, debe haber recorrido una distancia mínima de 500 km de operación para así asegurar que el vehículo está estabilizado como lo determina el fabricante, también los neumáticos deben tener un recorrido mínimo de 3500 km antes de la prueba y la banda de rodaje (caucho) deben estar al menos en un 50% y en buenas condiciones. Además, se debe haber hecho una revisión y ajuste de este antes de la prueba como por ejemplo calibrar los neumáticos, que se encuentre alineado y balanceado, niveles de agua, aceite, líquido de frenos y demás estén en su nivel correcto indicado por el fabricante, testigos estén funcionando debidamente y que los demás sistemas funcionen correctamente (tacómetro, velocímetro, odómetro).
Antes de comenzar la prueba, el vehículo debe haber sido manejado al menos 30 minutos a una velocidad promedio de 80 km/h justo antes de empezar a medir para asegurar que este se encuentra a su temperatura idónea y como se mencionó anteriormente no se debe dejar pasar más de 5 minutos entre el calentamiento del vehículo y el inicio de la prueba.
Por último, para dar comienzo a la prueba se deben haber cumplido a cabalidad todos los aspectos mencionados anteriormente. Esta prueba se debe realizar mínimo 8 veces cada una en direcciones opuestas, con el fin de obtener datos de ida y de vuelta. Tenga en cuenta que la seguridad es lo primero y que no se debe poner en riesgo la vida de los
