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An�lisis del riel de presi�n de combustible en base a alternativas de combustible y rangos de trabajo en ruta

 

Fuel pressure rail analysis based on fuel alternatives and en-route working ranges

 

An�lise do trilho de press�o de combust�vel com base em alternativas de combust�vel e faixas de trabalho em rota

 

 

Carlos Salazar-Castillo ^I

csalazar.mdm@uisek.edu.ecguam

https://orcid.org/0000-0002-4013-1748

 

Julio Cesar Legu�samo-Milla ^II

julio.leguisamo@uisek.edu.ec

https://orcid.org/0000-0001-5383-1746

 

Edwin Guam�n ^III

eguaman.mdm@uisek.edu.ec

https://orcid.org/0000-0002-6305-6242

 

Andr�s Sebasti�n Moreno-Constante ^IV

andressebas22@hotmail.com

https://orcid.org/0000-0002-1509-2329

 

Correspondencia: csalazar.mdm@uisek.edu.ecguam

 

Ciencias t�cnicas y aplicadas

Art�culo de investigaci�n

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*Recibido: 05 de julio de 2020 *Aceptado: 20 de agosto 2020 * Publicado: 01 de septiembre de 2020

 

       I.            Instituto Superior Tecnol�gico Luis Tello, Esmeraldas, Ecuador Universidad Internacional SEK del Ecuador, Esmeraldas, Ecuador.

    II.            Mag�ster en Sistemas Automotrices, Ingeniero de Ejecuci�n en Mec�nica Automotriz, Universidad Internacional SEK del Ecuador, Esmeraldas, Ecuador.

�III.            Instituto Tecnol�gico Superior �Central T�cnico�, Quito, Ecuador Universidad Internacional SEK del Ecuador, Esmeraldas, Ecuador

�IV.            Ingeniero Automotriz, Instituto Tecnol�gico Superior �Central T�cnico�, Quito, Ecuador.

 

 

Resumen

Esta investigaci�n se realiz� con el fin de generar re-ingenier�a sobre autopartes, donde se valor� el trabajo del riel de presi�n de combustible utilizando t�cnicas de manejo apropiadas y combustibles ecol�gicos para evaluarse la optimizaci�n desde su geometr�a. En la primera parte de este trabajo se realiza pruebas de ruta en ciclos de conducci�n para obtener los datos de presi�n dentro del riel de combustible, luego se aplica la simulaci�n en el programa CAD/CAE para luego validar los mismos en sus variantes de geometr�a y de bio-di�sel B5. La simulaci�n demostr� que el dise�o original del riel de combustible del veh�culo de prueba presenta deficiencias, en el flujo del combustible dentro del conducto no se distribu�a de forma homog�nea por todas las salidas del riel haciendo que disminuyera el rendimiento de este. Por otro lado, los datos que se obtuvieron con el bio-di�sel mostraron que con este combustible la presi�n en el riel era menor que cuando se utiliza el di�sel normal. En conclusi�n, a trav�s del re-dise�o del riel se acorto las medidas en un 10% de todos sus componentes logrando as� mermar las fallas antes mencionadas desde la simulaci�n.

Palabras Claves: Conducci�n ecol�gica; presi�n de combustible; di�sel; dise�o; simulaci�n.

 

Abstract

This research was carried out in order to generate re-engineering on auto parts, where the work of the fuel pressure rail was evaluated using appropriate handling techniques and ecological fuels to evaluate the optimization from its geometry. In the first part of this work, route tests are conducted in driving cycles to obtain the pressure data within the fuel rail, then the simulation is applied in the CAD/CAE program to then validate it in its geometry and of bio-diesel B5. The simulation showed that the original design of the fuel rail of the test vehicle shows deficiencies, in the fuel flow inside the duct was not distributed evenly across all the rail outlets causing the performance of the rail to decrease. On the other hand, the data obtained with biodiesel showed that with this fuel the pressure in the rail was lower than when using normal diesel. In conclusion, through the re-design of the rail the measures were shortened by 10% of all its components, thus reducing the aforementioned failures from the simulation.

Keywords: Ecological driving; fuel pressure; diesel; design; simulation.

 

Resumo

Esta pesquisa foi realizada com o objetivo de gerar reengenharia em autope�as, onde o trabalho do trilho de press�o do combust�vel foi avaliado utilizando t�cnicas de manuseio apropriadas e combust�veis ecol�gicos para avaliar a otimiza��o a partir de sua geometria. Na primeira parte deste trabalho, testes de rota s�o realizados em ciclos de condu��o para obter os dados de press�o no trilho de combust�vel e, em seguida, a simula��o � aplicada no programa CAD/CAE para valid�-lo em sua geometria e do biodiesel B5. A simula��o mostrou que o projeto original do trilho de combust�vel do ve�culo de teste mostra defici�ncias, pois o fluxo de combust�vel dentro do duto n�o foi distribu�do uniformemente por todas as sa�das, causando uma diminui��o no desempenho do trilho. Por outro lado, os dados obtidos com o biodiesel mostraram que, com esse combust�vel, a press�o no trilho era menor do que no diesel normal. Concluindo, com a reformula��o do trilho, as medidas foram reduzidas em 10% de todos os seus componentes, reduzindo assim as falhas mencionadas na simula��o.

Palavras-chave: dire��o ecol�gica; press�o de combust�vel; diesel; Projeto; simula��o.

 

Introducci�n

Actualmente se genera una b�squeda masiva para el uso de aceite vegetal en motores di�sel, seguida del uso de bio-di�sel con caracter�sticas t�cnicamente mejoradas (Patel, y Shrivastava, 2017; Dabi, y Saha, 2019). Junto con el progreso tecnol�gico, los biocombustibles han llamado la atenci�n especialmente en la �ltima d�cada (Kolanjiappan, 2017). Solo desde 2009, se ha incorporado en Europa una legislaci�n para que en 2020 al menos el 10% de la energ�a consumida en todos los transportes sea renovable. Actualmente, el biodi�sel es el biocombustible m�s utilizado en Europa (Kousoulidou, Fontaras, Ntziachristos, y Samaras, 2010; Karolys, Llanes-Cede�o, Vega, Cevallos, y Rocha-Hoyos, 2019). El comportamiento adecuado del sistema de inyecci�n de un motor de combusti�n interna MEP depende de la cantidad y calidad de aire, y combustible para llegar a una combusti�n completa. El dise�o y estado del inyector influye directamente en la inyecci�n de la cantidad del combustible al motor para llegar a una conveniente combusti�n sin fugas ni escapes de carburante (Llanes, Rocha-Hoyos, Peralta, Leguisamo, 2018; Rocha-Hoyos, Tipanluisa, Zambrano, y Portilla, 2018).

El sistema de riel com�n se diferencia de otros tipos de inyecci�n di�sel porque el di�sel a presi�n no procede directamente de la bomba, sino de un riel com�n de inyecci�n, este riel es una tuber�a de la que parte una ramificaci�n para cada inyector (Cabascango, Davila, Mena, & Erazo, 2014). Seg�n Bainchi, Pelloni, Corcione y Matarelli (2000) el sistema de inyecci�n riel com�n ha permitido lograr un control de inyecci�n de combustible m�s flexible en los motores di�sel al permitir un mapeo libre del inicio de la inyecci�n, la presi�n de inyecci�n y la velocidad de inyecci�n. Todos estos beneficios se obtuvieron al instalar este dispositivo en c�maras de combusti�n nacidas para trabajar con el distribuidor convencional y los sistemas de inyecci�n de bombas en l�nea. Los experimentos han demostrado que las altas velocidades de inyecci�n inducidas por los sistemas de riel com�n determinan una mejora de la mezcla de aire y combustible.

El transporte de carretera en los Estados Unidos consume una gran cantidad de combustible y representa alrededor de un tercio de las emisiones de CO2 de dicho pa�s seg�n Barth y Boriboonsomsim (2009). En este estudio se investig� el concepto de conducci�n ecol�gica din�mica, donde se brinda asesoramiento en tiempo real a los conductores que cambian las condiciones del tr�fico en las proximidades del veh�culo. Esta estrategia din�mica aprovecha la detecci�n de tr�fico en tiempo real y la telem�tica, lo que permite un sistema de gesti�n del tr�fico para controlar la velocidad, densidad y flujo del tr�fico, y luego comunica consejos en tiempo real a los veh�culos. Al proporcionar asesoramiento din�mico a los conductores, aproximadamente 10-20% de ahorro de combustible y menores emisiones de CO2 son posibles sin un aumento significativo en el tiempo de viaje (Barth & Boriboonsomsim, 2009). Un estudio realizado en Suecia por Stromberg, Karlsson y Rexfelt (2015), trato sobre explorar la difusi�n del concepto de conducci�n ecol�gica entre los conductores de autom�viles suecos, con un enfoque especial en los efectos de la introducci�n de la conducci�n ecol�gica. Se compararon conductores nuevos con conductores experimentados con respecto a su comprensi�n y pr�ctica de la conducci�n ecol�gica. Los resultados muestran que la mayor�a de los conductores hab�an o�do hablar de conducci�n ecol�gica, pero que su comprensi�n del concepto difer�a considerablemente. Se encontraron diferencias entre los conductores experimentados y los nuevos, la comprensi�n de los nuevos conductores se refer�a al nivel operativo, a la conducci�n ecol�gica como t�cnica y claramente a la educaci�n de manejo. La interpretaci�n experimentada por los conductores de la conducci�n ecol�gica fue m�s amplia e inclu�a decisiones estrat�gicas y t�cticas, como la elecci�n del autom�vil, la elecci�n de la ruta y el mantenimiento.

La t�cnica de manejo Eco-Driving para veh�culos a di�sel se la obtuvo del manual que la empresa HINO capacita a sus clientes y es la siguiente (HINO, 2017): Arrancar lentamente y acelerar gradualmente una depresi�n del 80% ser�a suficiente; Al cambiar a una marcha superior durante la aceleraci�n cambiar a un rango de 1500 a 1800rpm; Asegurarse de cambiar la marcha r�pidamente y no dejar que las revoluciones caigan mucho; Tratar de mantener una velocidad constate en un rango entre 1000 y 2000rpm y los intervalos de velocidad que no fluct�en m�s del 10%; Conducir a una velocidad moderada de 80 a 90km/h, cuanto mayor sea la velocidad del veh�culo mayor ser� la potencia; por lo tanto mayor velocidad implica mayor consumo; Dejar en ralent� el m�nimo tiempo posible; Utilizar el freno de motor para desacelerar. Por lo anteriormente expuesto el presente estudi� tuvo como objetivo evaluar las caracter�sticas del riel a partir de las mezclas de combustibles tradicionales con porcentajes de bio-di�sel.

 

Metodolog�a

En la presente investigaci�n se adopt� una estrategia para que el procedimiento heur�stico permita la toma de decisiones en condiciones espec�ficas. Es una forma inteligente de resolver un problema. Adem�s, las estrategias, son siempre conscientes e intencionales, dirigidas a un objetivo relacionado con el estudio. Una t�cnica de investigaci�n es un procedimiento algor�tmico (Guam�n, Llanes-Cede�o, Celi-Ortega, y Rocha-Hoyos, 2019) que dar� forma a la realizaci�n de la investigaci�n planteada dividida en tres partes con pasos l�gicos y ordenados a seguir para concretar el estudio. La primera es la elaboraci�n de un protocolo de pruebas que contenga todos los procedimientos y consideraciones, para obtener los datos que se necesita del sistema de estudio del veh�culo, la segunda son las pruebas en ciclo de conducci�n donde se recolectar�n los datos esperados bajo las condiciones expresadas en el respectivo procedimiento de prueba (Cede�o, Rocha-Hoyos, Zurita, y Milla, 2018) y se obtendr�n los valores de las condiciones de frontera para la simulaci�n y la tercera el an�lisis de resultados de las simulaciones realizadas para emitir conclusiones y recomendaciones inherentes a la variaci�n de la geometr�a de la riel.

Metodolog�a de pruebas din�micas

En esta investigaci�n se utiliza el ciclo europeo NEDC el cual permite tomar datos del comportamiento del motor en diversas etapas tales como: comportamiento en fr�o, conducci�n urbana y conducci�n de carretera; para determinar la presi�n de combustible en el riel de inyecci�n. Adem�s, el comportamiento de las curvas caracter�sticas del motor, las normativas internacionales vigentes aplicables a las pruebas din�micas son: DIN 720 (Deutsches Institut Fur Normung) de Alemania, EWG 80/1269 (Enviromental Working Group) de Estados Unidos, ISO 1585 (International Standard Organization) y SAE J1349 (Society of Automotive Engineers). Dichas normas explican los m�todos usados, el equipo requerido, las condiciones de prueba y las t�cnicas para la medici�n de las emisiones contaminantes (Quinchimbla & Solis, 2017). El nuevo ciclo de conducci�n europea New European Driving Cycle, seg�n Milla, Cede�o, y Rocha-Hoyos, (2020) se utiliza a partir del a�o 2.000 para la homologaci�n de las emisiones de gases contaminantes y el consumo de combustible de los veh�culos ligeros y medianos. Dicha prueba se realiza en un banco dinamom�trico, para la investigaci�n se ajusta el ciclo NEDC para un ensayo de campo o prueba de ruta. En base a las condiciones especificadas por la norma NEDC se determina el tramo ubicado en la carretera San Mateo - Esmeraldas, entre el sector del control de San Mateo y la entrada a la ciudad de Esmeraldas conocido como el Le�n, seg�n figura 1.

 

Figura 1. Tramo para pruebas en rutas 11 Km, Esmeraldas Ecuador

 

Protocolo del tramo de prueba

Inicio; Ubicar el veh�culo en el punto de partida; reposo 6 horas; monitorear y regular condiciones iniciales; monitorear condiciones de ruta y ambientales; preparar e instalar instrumentaci�n necesaria para realizar las mediciones; realizar Ciclo Urbano; recolectar datos; realizar Ciclo Carretera; recolectar datos; apagar el motor; fin. La prueba en ruta determina la presi�n de combustible que se produce en el riel y la temperatura del combustible real de un veh�culo durante el ciclo de conducci�n de prueba, el mismo que permite analizar el comportamiento de la entrega de combustible en la conducci�n urbana y conducci�n de carretera. La recolecci�n de datos del ciclo de conducci�n se realiza en los tiempos donde se registran las velocidades m�s estables para evitar la variabilidad de los datos y obtener los valores m�s estables para nuestro estudio.

Ciclo urbano: Identificar el lugar de prueba de acuerdo a la hoja de ruta establecida; Verificar que las condiciones ambientales sean las indicadas para ejecutar la prueba; Conectar los equipos para realizar las mediciones; Verificar el correcto funcionamiento de los equipos; Chequear que la transmisi�n se encuentre en parking o neutro de acuerdo al tipo de caja; Apagar todos los accesorios del veh�culo; Confirmar temperatura de funcionamiento sea 90ᵒC; Encender el veh�culo y en condici�n de marcha m�nima con el esc�ner revisar la l�nea de datos de rpm y revisar el ralent� y empezar a grabar datos; Esperar 15 segundos de tiempo de respuesta; Iniciar de 0 a 5 segundos poner el veh�culo en ralent�; De 11 a 15 segundos partiendo de 0km/h alcanzar una velocidad de 15km/h; De 16 a 22 segundos mantener 15km/h se mantiene esta velocidad; De 23 a 28 desacelerar hasta llegar a 0km/h; De 29 a 48 segundos mantener en ralent�; De 49 a 61 segundos acelerar hasta llegar a 32km/h; De 62 a 84 segundos mantener 32 km/h constante; De 85 a 96km/h desacelerar hasta llegar a 0km/h; De 97 a 116 segundos mantener ralent�; De 117 a 143 segundos acelerar hasta 50km/h; De 144 a 154 mantener 50km/h de velocidad constante; De 155 a 163 reducir la velocidad de 50km/h a 35km/h; De 164 a 175 mantener 35km/h de velocidad constante; De 176 a 188 reducir a 0km/h; De 189 a 195 segundos mantener ralent�; Parar la grabaci�n en esc�ner y guardar; Apagar el veh�culo; Verificar la grabaci�n de datos; Repetir la prueba cinco veces cada prueba.

Ciclo de carretera: A continuaci�n, se detalla el procedimiento de las pruebas de ruta en carretera; Identificar el lugar de prueba de acuerdo a la hoja de ruta establecida. Proceder despu�s del ciclo urbano. De 20 a 25 acelerar hasta llegar a 15km/h; En 26 mantener una velocidad constante de 15km/h; De 27 a 36 segundos acelerar hasta 35km/h; En 37 mantener 35km/h; De 38 a 46 segundos acelerar de 35km/h a 50km/h; En 47 segundos mantener la velocidad de 50km/h; De 48 a 61 acelerar de 50km/h a 70km/h; De 62 a 110 segundos mantener 70km/h de velocidad constante; De 111 a 119 segundos bajar la velocidad de 70km/h a 50km/h; De 120 a 187km/h mantener 50km/h; De 188 a 201 acelerar de 50km/h a 70km/h; De 202 a 250 segundos mantener velocidad constante de 70km/h; De 251 a 286 acelerar de 70km/h a 100km/h; De 287 a 315 segundos mantener 100km/h de velocidad constante; De 316 a 336 acelerar de 100km/h a 120km/h; De 337 a 345 segundos mantener 120km/h de velocidad constante; De 346 a 380 segundos desacelerar de 120km/h a 0km/h; De 381 a 400 segundos mantener ralent�; Luego de estar el veh�culo detenido por 5 segundos se termina el ciclo. Parar la grabaci�n en esc�ner y guardar; Apagar el veh�culo; Verificar la grabaci�n de datos; Repetir la prueba cinco veces en cada lugar de prueba.

Gr�ficos de control para Rangos (R) y Medias (X) para el Valor de Carga Absoluto

A continuaci�n, se indica en la tabla 1 los valores obtenidos en los formatos para la toma de datos que se encuentran de factores cr�ticos de control para realizar el c�lculo de los promedios:

 

 

Tabla 1. Valores medidos en la prueba de ruta

 

El tama�o de la muestra est� determinado por n= 2 y k= 5. En la tabla de factores cr�ticos de las gr�ficas de control se obtiene A2= 1.88, D3= 0 y D4 = 3,267. Aplicando la ecuaci�n del l�mite de rango superior se obtiene:

LSCR = D4R = (3.267) * 66.3= 216,60

 

El l�mite inferior de control para el rango se obtiene con la siguiente ecuaci�n:

 

LICR = D3R�� = (0) * 66.3 = 0

 

Se puede observar en la figura 2 que ninguno de los valores de carga absoluta obtenidos sale de los l�mites de control lo que indica que lo valores obtenidos son correctos y no existen errores de causa asignable.��

 

Figura 2. Control de rango de presi�n de combustible.

 

El gr�fico de medias se lo realiza de la siguiente manera aplicando la f�rmula:

 

LSCX = X + A2R = 561 + (1.88) * 66.3 = 685.64

LSCX = X - A2R = 561 - (1.88) * 66.3 = 436.35

 

En el gr�fico se puede verificar que todos los valores obtenidos no poseen errores de causa asignable, ya que ninguno de los l�mites calculados sale de los l�mites de control, como se puede observar en la figura 3.

 

Figura 3. Control de medias de la Carga Absoluta.

 

Veh�culo de prueba

La selecci�n del veh�culo es en base a las caracter�sticas del parque automotor del pa�s, considerando que el Distrito Metropolitano de Quito (DMQ) es el m�s representativo en automotores. Es decir, existen varias marcas que est�n presentes en nuestro pa�s y la mayor�a de ellos utilizan el sistema de inyecci�n riel com�n de segunda generaci�n y con normas Europeas Euro III, Euro IV, es decir de inyecci�n m�ltiple de 1600 bar e inyectores tipo solenoide o piezo el�ctricos. El veh�culo en el cual se realizan las pruebas para la investigaci�n es un veh�culo coreano modelo Carnaval, (CINAE, 2018). En la tabla 2 se detalla las especificaciones de los veh�culos seleccionados.

 

 

Tabla 2. Especificaciones t�cnicas de los veh�culos seleccionados

 

Equipos de prueba

El esc�ner automotriz como se observa en la figura 4, es un equipo de diagn�stico que puede ser original o gen�rico. Posee varias funciones como son: Acceso a la lectura y borrado de c�digos de falla almacenados en la ECU del motor y tambi�n permite la lectura de lista de datos que detalla toda la informaci�n de sensores y actuadores que se env�an a las computadoras de motor, airbag, ABS, h�brida, control de tracci�n, etc. De acuerdo a los m�dulos que posea el auto; Programaci�n de m�dulos, sensores y actuadores dependiendo del modelo y fabricante del veh�culo; Ejecutar pruebas de actuadores; Grabar las pruebas de ruta efectuadas, en las cuales se graba todo el funcionamiento de los diferentes sensores y actuadores.

 

 

 

 

 

Figura 4. Esc�ner de diagnostico GSCAN II (OB2D, 2017).

 

Las caracter�sticas del Scanner GSCAN II son: Scanner oficial de las marcas Hyundai y Kia; CPU de triple n�cleo con estructura de alto rendimiento; Pantalla de 7 pulgadas con resoluci�n 1024 x 600 pixeles; Construcci�n r�gida y robusta para trabajos en taller; Wi-Fi; Preparado para trabajar con buses y camiones; Completamente retro compatible con las funciones de la plataforma G-scan 1; Bater�a de litio de 2100 mAh; Tarjeta de memoria SD de 16GB, expandible; Encendido ultrarr�pido.

Es el Sistema de Posicionamiento Global de navegaci�n por sat�lite que funciona mediante una red de 24 sat�lites en �rbita sobre el planeta a 20 200km de altura, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la tierra. Conocidas las distancias, se determina f�cilmente la propia posici�n relativa respecto a los sat�lites. Conociendo adem�s las coordenadas o posici�n de cada uno de ellos por la se�al que emiten, se obtiene la posici�n absoluta o coordenada reales del punto de medici�n con una precisi�n de entre 2,5 y 3 metros en m�s del 95% del tiempo. Para verificar la ubicaci�n del veh�culo en las diferentes posiciones de prueba del auto se utiliza un GPS Garmin e-trex 20 que se puede observar las caracter�sticas t�cnicas detalladas en la figura 5.

 

Figura 5. Especificaci�n T�cnica GPS�(Garmin, 2017).

 

Simulaci�n del riel�

Seg�n Xam�n (2016) la soluci�n a un problema en mec�nica de fluidos se puede abordar desde tres enfoques distintos: anal�tico, experimental y a trav�s de m�todos num�ricos, en los campos de la investigaci�n aplicada es com�n encontrar que para muchos problemas los tres m�todos se aplican, es m�s, se habla de que para tener �xito en una investigaci�n los m�todos deben complementarse. El uso de distintos m�todos tambi�n permite la comparaci�n de resultados y por tanto la validaci�n de los mismos, adicionalmente, dado el hecho de que se necesitan datos puntuales que son m�s factibles de obtener por un m�todo especifico que por otro, el estudio aborda estos tres enfoques, con lo cual se pretende complementariedad, verificaci�n y validaci�n de los resultados (Remache, Leguisamo, y Tamayo, 2019).

Mallado: Despu�s de realizar el CAD, se lo importa al software ansys 16.1 para realizar el mallado del mismo. El proceso de mallado es un procedimiento que discretiza el volumen de influencia del flujo en un numero finito de vol�menes. Mediante partici�n de ecuaciones diferenciales, cada nodo cada punto de la malla va a ser una ecuaci�n diferencial que va ser analizada y resuelta mediante el programa. Para que la simulaci�n sea correcta en el mallado el radio jacobiano tiene que tender a uno y tiene que converger. La figura 6 que el mallado converge correctamente en la riel y adem�s se segmento la malla, se puede ver que en los extremos el mallado es mas grueso y en la parte de las salidas es mas delgado, esto se hizo para que el an�lisis sea exacto en la entrada y salida de la riel.�

 

Figura 6. Mallado Re-dise�o del riel

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Condiciones de An�lisis y pre procesamiento

Para el proceso de simulaci�n se tomaron los datos obtenidos en las pruebas en ruta y se procedi� a seleccionar el an�lisis multif�sica donde se va analizar el comportamiento del flujo que es de car�cter turbulento dentro del riel, como se observa en la figura 7.

Tambi�n se procedi� a ingresar los datos del combustible como se observa en la tabla 3, en este caso el di�sel que se comercializa en el pa�s y el biodi�sel B5 que por decreto Ejecutivo 1303 se�ala que el di�sel del pa�s debe tener una mezcla de biocombustible del 5%. Tambi�n se ingresa la presi�n de entrada que en este caso varia de 400 Bares a 1800 Bares y seleccionamos las 4 salidas del riel para a continuaci�n obtener los resultados, que debemos comparar con los datos que se obtuvieron en las pruebas de ruta.

 

Figura 7. Mallado

 

Tabla 3. Caracterizaci�n del di�sel de acuerdo a la norma NTE INEN 1489: 2012 (Valencia, 2013)

 

 

Resultados

Presiones en el ciclo urbano y ciclo carretera

Los resultados que se utilizar�n en el ciclo urbano ser�n los que se indican en la figura 9 y se escogieron los datos se�alados debido a que en estos son valores estables y se evita la variabilidad de los datos. Los resultados que se analizaran en el ciclo para obtener la presi�n del riel en la prueba se indican en la tabla 4.

 

Figura 9. Resultados pruebas en ciclo urbano

 

 

Tabla 4. Pruebas en ciclo Urbano

 

Los resultados que se utilizar�n en la prueba en ciclo de carretera ser�n los que se indican en la figura 10 y se muestran en la tabla 5, debido a que en estos son valores estables y se evita la variabilidad de los datos.

 

Figura 10. Resultados prueba en ciclo de carretera

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabla 5. Pruebas en ciclo carretera

 

Presiones de Simulaci�n Di�sel y Bio � Di�sel (B5)

Una vez concluido la simulaci�n, los datos obtenidos de la presi�n del riel utilizando el combustible di�sel se los puede observar en la tabla 6. Tambi�n se determin� los datos de la presi�n del riel utilizando el combustible Bio-di�sel (B5) se los puede observar en la tabla 7.

 

Tabla 6. Resultados obtenidos en el proceso de simulaci�n con fluido di�sel

 

 

 

 

Tabla 7. Resultados obtenidos en la simulaci�n fluido Bio Diesel

Presi�n de entrada (Bar)	Valores Obtenidos en la simulacion (riel original bio diesel B5) (Bar)	Valores Obtenidos en la simulacion (riel original bio diesel B5) (Bar)
306,3	198,8	206,5
611,9	395,9	415,1
1221,5	819,7	823,0
1513,9	966,3	1031
1792,8	1191	1240

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Discusi�n

En este apartado en primer lugar se lleva a cabo una comparaci�n entre los resultados que se obtuvieron en las pruebas experimentales en ruta en el ciclo urbano y ciclo de carretera con los resultados que se obtuvieron en la simulaci�n en el software con el prop�sito de validar los mismos, este punto es vital para la consecuci�n del estudio. Por tal motivo en la simulaci�n se procedi� a analizar los valores que se obtuvieron experimentalmente del paso de la bomba de alta presi�n hacia el riel com�n estos valores que obtuvimos est�n en el rango de 306. 3 y 1792.8 bares. Analizando la presi�n de 611, 9 bares obtenida experimentalmente, se observa que en las pruebas en ruta se obtuvo 426,15 bares mediante el esc�ner GScamII y mediante la simulaci�n entrega un valor de 420, 6 bares, esta diferencia est� entre un rango del 10%, igualmente pasa en la presi�n de 1221,5 bares donde la presi�n en la riel obtenida por el scanner fue de 812,31 bares y la presi�n obtenida mediante el software de simulaci�n fue 851 bares, igualmente est� dentro de un rango de 10%. Seg�n Payri, Desantes, y Benajes (2015) es recomendable simular varias veces por la dificultad que tiene el modelado del flujo en componentes como el caso del riel com�n. Con estos datos se procedi� a simular el comportamiento del di�sel dentro del riel com�n y se compar� los valores en ruta, estos valores en la tabla 8.

 

 

Tabla 8. Validaci�n de Resultados

 

An�lisis comparativo de presi�n en el riel por diferentes combustibles

A continuaci�n, se analiza los resultados de presi�n que se obtuvo mediante la simulaci�n dentro del riel con el dise�o original, el nuevo dise�o y con el combustible bio- di�sel. Como se observa en la figura 11, para hacer esta simulaci�n utilizamos como fluido el di�sel que se comercializa en el Ecuador que tiene una densidad de 826,2kg/m� y tambi�n se ingres� el dato de temperatura que fue tomado en las pruebas que es de 52�C. Lo que se observa es que existe una variaci�n de presi�n en el contorno del riel y existe una presi�n m�xima de 420,6 bares que se la nota con un punto rojo, como valor cr�tico. Ese punto es donde el combustible di�sel entra y choca con la parte inferior del riel para luego distribuirse a lo largo de ella, en este punto hay una concentraci�n de esfuerzos.

Ahora en la figura 12 se observa la simulaci�n del riel con su dise�o original pero el combustible en este caso es el bio-di�sel B5 y se analiz� que la presi�n varia dentro del contorno de igual forma que la anterior, pero en este caso la presi�n disminuyo, y se pudo notar un valor de 395,9 bares como presi�n m�xima. Esto se debe a que la densidad del Bio-di�sel B5 es mayor a la del di�sel normal. Adem�s, en la figura 13 se observa la simulaci�n del re-dise�o del riel utilizando el combustible bio-di�sel y se obtuvo como dato un valor de presi�n de 415,1 bares debido a la disminuci�n del di�metro del riel. Este valor comparado con el de la simulaci�n con el dise�o original y utilizando bio-di�sel que fue de 395,9 bares y calculando el porcentaje se obtiene una diferencia de 4,6 % que aumentar�a la presi�n y esto favorecer�a al trabajo del riel con bio-di�sel porque a una mayor presi�n los inyectores se abren m�s r�pidamente permitiendo el paso de combustible a las v�lvulas (Xu, Li, Liu, Cheng, y Chen, 2020). A continuaci�n, se observa en la tabla 9 la variaci�n de presi�n analizada en los casos anteriores.

 

Figura 11. Simulaci�n de la riel re-dise�ada y combustible di�sel

 

Figura 12. Simulaci�n del riel con su dise�o original y Bio-di�sel B5

 

Seg�n Alam y McNabola (2014) dice que estas t�cnicas de conducci�n ecol�gicas ayudan a conservar el medio ambiente y se logr� obtener datos de los ahorros de combustible y emisiones de CO2, pero no se hab�a obtenido datos de la presi�n dentro del riel para evaluar su comportamiento estos datos ayudaron a una mejora en su re-dise�o y servir� de aporte para estudios futuros. Adem�s, el uso de bio-di�sel aporta a la disminuci�n de emisiones contaminantes y el riel re-dise�ado ayuda para que se pueda utilizar este bio- combustible porque la presi�n que act�a dentro es la adecuada para pulverizar el combustible y abrir los inyectores que alimentan la c�mara de combusti�n, sin perder la eficiencia del motor cuando se utiliza este combustible (Rocha-Hoyos, Llanes-Cede�o, Celi-Ortega, y Peralta-Zurita, 2019).

 

Figura 13. Simulaci�n del riel re-dise�ada y Bio-di�sel B5

 

Tabla 9. Variaci�n de presi�n en los casos simulados anteriormente

 

 

An�lisis de Velocidad

La figura 14 se muestra la velocidad del fluido dentro del riel del dise�o original, se puede observar las l�neas de flujo y se nota que no hay una distribuci�n completa del combustible dentro del riel. El punto m�s notorio es los extremos y esto hace que no haya una salida de presi�n igual en todos los inyectores. El valor m�ximo de velocidad que toma el combustible dentro del riel es de 10.12 m/s, este valor se da en el punto rojo que es al ingreso del combustible en el riel. Lo descrito anteriormente se puede corroborar en la figura 16, donde se hizo un corte transversal en el riel para observar con m�s detalle lo que ocurre dentro. Se ve las l�neas de fluido de combustible que no salen con la misma intensidad por todos los conductos de salida.

 

Figura 14. Simulaci�n L�neas de Fluido en el riel

 

Ahora en la figura 15 se observa el comportamiento de la velocidad del fluido en el re-dise�o utilizando di�sel de combustible, donde hay un aumento de velocidad del combustible a la entrada del riel en un valor de 9,95m/s que hace que el combustible se distribuya de mejor manera dentro del riel. Se puede observar que el fluido llega a los extremos del riel y por la forma ovalada de los mismos regresa y cubre todo el conducto para as� salir por en la misma cantidad por las salidas que van hacia los inyectores.

 

Figura 15. Simulaci�n de Comportamiento de velocidad en riel re-dise�ada

 

Ahora, se analizar� la velocidad utilizando el bio-di�sel B5 en el dise�o original, se muestra en la figura 16 la entrada de velocidad en un valor de 7,25m/s a menor velocidad que con el combustible di�sel esto se da debido al aumento de la densidad en el bio�di�sel, se nota que la velocidad disminuye en los extremos produciendo que no llegue la misma cantidad de combustible a la salida del inyector n�mero 4. Esto seg�n Lozada y Suquillo (2018) se vuelve una problem�tica al momento del funcionamiento del sistema.

 

Figura 16. Comportamiento de la velocidad del fluido con bio-di�sel B5 dise�o original

 

El re-dise�o mejora el comportamiento del combustible bio-di�sel B5, como se observa en la figura 17 debido a que a pesar de tener casi la misma velocidad de entrada de 7,08m/s se distribuye por todo el largo del riel hasta los extremos y logra que en las cuatro salidas de los inyectores pase la misma cantidad de combustible, mejorando el consumo de combustible y el rendimiento del motor. Adem�s, se observa en la figura 18 el fluido y su comportamiento turbulento disminuye y el combustible est� m�s estable y bien distribuido dentro del riel. El Re-dise�o aporto que se distribuya mejor el combustible dentro del riel, con el combustible di�sel y con el bio-di�sel favoreciendo a la eficiencia del sistema y a la disminuci�n de problemas mencionados en el estudio de Lozada y Suquillo (2018) porque se observ� que con el dise�o original no hab�a una salida correcta del combustible al inyector 3.

 

Figura 17. Comportamiento de la velocidad del combustible dentro del riel re-dise�ada bio-di�sel B5

 

Figura 18. Comportamiento de fluido dentro del riel con combustible bio-di�sel B5 re-dise�o

 

Conclusiones y recomendaciones

Se re-dise�o mediante el software el riel de presi�n mostrando el comportamiento del fluido dentro de este, mejorando su presi�n de trabajo, la velocidad del combustible. Logrando que la salida hacia los inyectores el combustible llegue en la misma cantidad necesaria para mejorar la eficiencia del motor.

Las presiones de trabajo cuando utilizamos bio-di�sel aumentan un 4,6% comparado con el dise�o original esto favorece al sistema porque a mayor presi�n los inyectores trabajan m�s r�pidamente logrando un ahorro de combustible mayor.

Con el re-dise�o se mejor� el flujo dentro del conducto del riel favoreciendo a la salida igualitaria de combustible hacia todos los inyectores porque con el dise�o original hab�a una deficiencia de salida hacia el inyector 3, el dise�o realizado y validado a trav�s de los m�todos CAD/CAE en la presente con toda seguridad mejora el funcionamiento del sistema riel com�n optimizando su funcionamiento, por lo tanto, se recomienda la construcci�n de este dise�o para sus pruebas en la realidad f�sica.

 

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�2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).