UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA SEDE CUENCAdspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/7693/1/UPS-CT...A...

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

SEDE CUENCA

CARRERA DE INGENIERIA MECANICA AUTOMOTRIZ

“ESTUDIO DE LOS EFECTOS DE LA EGR SOBRE LA

COMBUSTION, DE UN MOTOR DE ENCENDIDO POR

COMPRESION CRDI HYUNDAI SANTA FE 2.0, MEDIANTE EL

ANALISIS DE VIBRACIONES ”

Tesis previa a la obtencion del

tıtulo de Ingeniero Mecanico

Automotriz.

Autores:

Jairo Alfredo Angamarca Panamito

Cesar Ricardo Soto Ocampo

Director:

Ing. Nestor Rivera

Cuenca, Febrero 2015

DEDICATORIA

A Dios, mis padres y mi familia.

Jairo

A Dios, fuente de amor y sabidurıa.

A mis padres Cesar y Beatriz, por su abnegacion, sacrificio y apoyo incondicional.

A mis hermanas Tania y Miriel, quienes son el incentivo de mi vida.

A mis abuelitos, los que aun estan y el que ya se fue: Franco, Esperanza, Luis+ e Hilda;

quienes con su comprension y entusiasmo supieron apoyarme en el mas grande ideal.

Cesar

i

AGRADECIMIENTOS

Es difıcil enunciar a las diferentes personas que me han acompanado durante

estos anos de mi vida universitaria y que han hecho posible que el presente trabajo de

investigacion hoy se convierta en una realidad.

Primero y antes que nada, dar gracias a Dios por estar conmigo en cada paso

que doy y darme la oportunidad de poder desarrollar mis capacidades, ası como de haber

puesto en mi vida a aquellas personas que han sido un soporte y companıa durante todo

este tiempo.

Quisiera dedicar un profundo agradecimiento a mi amigo y director de tesis el

Ing. Nestor Rivera por la acertada orientacion, sugerencias y la confianza brindada para

culminar este trabajo.

No me puedo olvidar de mi familia, mis padres, hermanas y abuelos que gracias a

su comprension, comunicacion constante y apoyo incondicional fueron partıcipes de esto.

A mi companero de tesis y gran amigo Cesar con quien he compartido momentos

complicados y logros en todo este tiempo de amistad.

Un especial agradecimiento a mis companeros y amigos del grupo Investigacion

de Ingenierıa y Transporte (GIIT) ası como al personal encargado del laboratorio que me

han ayudado, apoyado y que han intervenido de una u otra forma en el desarrollo de la

presente investigacion y de los cuales me llevo un especial recuerdo y una gran amistad.

Jairo

ii

iii

Los tesoros mas grandes que el hombre puede alcanzar, los debe buscar en lo mas

profundo de su corazon y de sus recuerdos, es por ello que hoy quiero expresar mi mas

fervoroso agradecimiento a quienes han colaborado en la realizacion del presente trabajo.

En primer lugar agradezco al Padre Creador por el don de la vida, por haberme

iluminado y bendecido durante mi carrera universitaria, gracias Dios por la sabidurıa

plasmada en este proyecto y por las personas que he podido conocer en la ejecucion del

mismo.

A mis padres, hermanas y abuelitos por todo el apoyo brindado, por los valores

inculcados y sobre todo por ser un gran ejemplo a seguir.

Un espiritual agradecimiento a mi Director de Tesis Ing. Nestor Rivera, por la

motivacion, orientacion y amistad recibida en la realizacion de este trabajo investigativo.

A todos y cada uno de los profesores de la Carrera de Ingenierıa Automotriz, quienes

supieron brindarme sus sabios conocimientos y guiarme para una eficiente formacion pro-

fesional.

Considero oportuno expresar un profundo y sincero agradecimiento a las personas

que conforman el grupo de Investigacion de Ingenierıa y Transporte; y al personal encar-

gado de laboratorio, por el apoyo y amistad brindada en el desarrollo de este proyecto.

A mi colega Jairo, por haber sido un excelente companero de tesis y amigo, por

haberme tenido la paciencia necesaria y por acompanarme en cada logro obtenido; porque

mas que un companero, te has convertido en un hermano.

Cesar

DECLARATORIA

Nosotros Jairo Angamarca y Cesar Soto, declaramos que la presente Tesis es de nues-

tra autorıa, basada en el proceso de investigacion y/o adaptacion tecnologica establecida

en la Carrera de Ingenierıa Mecanica Automotriz de la Universidad Politecnica Salesi-

ana. En tal virtud los fundamentos tecnicos - cientıficos y los resultados son exclusiva

responsabilidad de los autores.

A traves de la presente declaracion cedemos los derechos de propiedad intelectual

correspondiente a este trabajo, a la Universidad Politecnica Salesiana, segun lo establecido

por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la Normativa Institucional

Vigentes.

Angamarca Panamito Jairo Alfredo

Soto Ocampo Cesar Ricardo

iv

CERTIFICADO

Que el presente proyecto de tesis “Estudio de los efectos de la EGR sobre la combustion de

un motor de encendido por compresion CRDI Hyundai Santa Fe 2.0 mediante el analisis

de vibraciones”, realizado por los estudiantes: Angamarca Panamito Jairo Alfredo, Soto

Ocampo Cesar Ricardo, fue dirigido por mi persona.

Ing. Nestor Rivera

v

RESUMEN

El presente proyecto da a conocer la influencia de la recirculacion de gases de

escape sobre la combustion, a traves de la medicion de partıculas y el analisis de vibra-

ciones, tomando en consideracion las caracterısticas espectrales, en especial la potencia

del espectro temporal en el dominio del tiempo. Dichas muestras han sido adquiridas en

el estado optimo de funcionamiento del motor y mediante la simulacion de fallos de la

valvula EGR.

En primera instancia se describe la estructura y el funcionamiento del sistema CRDi, ası

como las ventajas que este sistema presenta sobre otros; ademas se realiza un recuento de

los ciclos termodinamicos en motores Diesel, en el cual se establecen las diferencias que

existen entre el ciclo teorico ideal y el ciclo real, para luego desarrollar las condiciones de

operacion de la valvula de recirculacion de gases (EGR), la estructura que lo conforma y su

funcionamiento. Posteriormente se mencionan los cambios que sufre la masa admitida por

la recirculacion de gases de escape, los mismos que influyen en la presion y temperatura

de los cilindros, y por ende en el calor de entrada y salida, tal como se observara en el

analisis termodinamico del proceso de combustion; reflejando ası variacion de las emisiones

contaminantes al medio por el sistema EGR.

Despues se describe bases teoricas sobre las caracterısticas de vibracion, que seran el punto

de partida para el analisis de imagenes espectrales en el dominio de frecuencia en un inter-

valo de 0 a 200 Hz. Para la adquisicion de la senal de vibracion, en el equipo de excitacion

se utilizo un transductor uniaxial, cuya posicion y ubicacion estan normalizadas por la

ISO-10816-6, el mismo que recogera la senal y la enviara al sistema de acondicionamiento

de senal para la adquisicion de datos. Ademas, se indica la eleccion del DOE-superficie

de respuesta que identificara las muestras a realizar, haciendo enfasis en las variables de

respuesta, controlables y de bloqueo; las cuales inducen a cambios en el funcionamiento

del motor segun el nivel en el que se encuentre los factores, para posteriormente proceder

a la adquisicion y visualizacion de los espectros.

Finalmente, mediante el uso de MATLAB R© y con la ayuda de la FFT se obtuvo los es-

pectros en el dominio de la frecuencia de cada muestra, para su posterior comparacion con

vi

vii

las muestras patrones que permitira la caracterizacion de los fallos. Asimismo, tambien

se extrajo las caracterısticas mas representativas de los espectros, las cuales se analizaron

mediante el uso de MINITAB R©, a traves de las graficas de residuos, interacciones y su-

perficie.

Palabras Clave: CRDi, vibracion, espectro, recirculacion de gases de escape (EGR),

FFT, DOE.

ABSTRACT

This project discloses the influence of the exhaust gas recirculation of combustion

through particulate measurement and vibration analysis, taking into account the spectral

characteristics, especially the temporal power spectrum dominance time. These samples

have been acquired at the optimum operating condition of the engine and by simulating

failures of the EGR valve.

In the first instance the structure and functioning of the CRDi system and the advantages

that this system has over others is described; plus an account of the thermodynamic cycles

in Diesel engines, in which the differences between the ideal theoretical cycle and real

cycle, then developing the operating conditions of the gas recirculation valve (EGR) set is

performed, the structure that makes up and operation. Subsequently undergoes changes

the mass supported by the exhaust gas recirculation are mentioned, these influencing the

pressure and temperature of the cylinder, and therefore in the heat input and output, as

is observed in the thermodynamic analysis combustion process; reflecting changes in the

average emissions for the EGR system.

After theoretical bases on vibration characteristics, which will be the starting point for

the analysis of spectral images in the frequency domain in a range of 0-200 Hz. For the

acquisition of the vibration signal is described in the team uniaxial excitation transducer

was used, whose position and location are standardized by ISO-10816-6, it will pick up

the signal and send the signal conditioning system for data acquisition. Moreover, the

choice of DOE-response surface samples to identify conduct, emphasizing the response

variables, controllable and locking indicated; which induces changes in the engine opera-

tion according to the level in which the factors, can then proceed to the acquisition and

display of spectra is found.

Finally, by using MATLAB and with the aid of the FFT spectra was obtained in the

frequency domain of each sample, for subsequent comparison with standard samples will

allow the characterization of faults. Also, the most representative characteristic of the

spectra was also extracted, which is analyzed using MINITAB, via residual plots, and

surface interactions.

viii

ix

Keywords: CRDi, vibration, spectrum, exhaust gas recirculation (EGR), FFT, DOE.

INDICE

Lista de Figuras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi

Lista de Tablas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii

Lista de Sımbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii

Lista de Siglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv

1 ESTUDIO TERMODINAMICO DE LOS CICLOS DE UN MOTOR

DE ENCENDIDO POR COMPRESION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Sistema CRDi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1 Estructura del Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1.1 Circuito de Baja Presion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.1.2 Circuito de Alta Presion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.2 Funcionamiento del Sistema CRDi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.3 Control del Sistema de Alimentacion CRDi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.4 Ventajas del Sistema CRDi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Ciclos termodinamicos en motores Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.1 Ciclo Teorico Ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.2 Ciclo Real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3.2.1 A-B Carrera de Admision: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3.2.2 B-C Carrera de Compresion: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3.2.3 C-D Expansion: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

x

xi

1.3.2.4 D-E Escape: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3.3 Diferencias entre Ciclo Teorico y Ciclo Real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3.3.1 Perdidas en la admision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3.3.2 Perdidas en la compresion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3.3.3 Perdidas en la explosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3.3.4 Perdidas en el escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4 Recirculacion de gases de escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4.1 Condiciones de Operacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.4.2 Estructura de la EGR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.4.3 Funcionamiento de la EGR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2 EFECTOS DE LA RECIRCULACION DE GASES DE ESCAPE EN

EL PROCESO DE COMBUSTION EN MOTORES CRDI . . . . . . . . . . . 16

2.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 Cambios en la masa admitida por la recirculacion de gases de escape . . . . . 17

2.2.1 Aumento de temperatura por la masa admitida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.2 Reduccion del flujo masico en admision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.3 Cambios en la composicion de la masa admitida . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.4 Adicion de calor especıfico en la masa admitida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.3 Cambios de presion y temperatura en el cilindro por la recirculacion de gases 21

2.3.1 Analisis termodinamico en el proceso de combustion . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3.2 Analisis fenomenologico del proceso de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.4 Efectos en la ignicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4.1 Temperatura adiabatica de llama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.4.2 Tiempo de retraso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4.3 Combustion pre-mezclada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.4.4 Combustion por difusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

xii

2.5 Influencia de la recirculacion de gases de escape en las emisiones contami-

nantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3 EXPERIMENTACION Y PROCESAMIENTO DIGITAL DE SENALES

EN EL DOMINIO DE FRECUENCIA CON FINES DE DIAGNOS-

TICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2 Vibraciones mecanicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.1 Caracterısticas de la vibracion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.1.1 Amplitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.1.2 Frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.1.3 Fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.2 Analisis de una senal de vibracion en su domino . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.3 Analisis matematico mediante la Transformada Rapida de Fourier . . . 39

3.3 Instrumentacion y adquisicion de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.3.1 Equipo de excitacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3.2 Transductores de vibracion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3.3 Sistema de acondicionamiento de senal y adquisicion de datos . . . . . . . 43

3.4 Normativa de vibraciones en motores de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.4.1 Parametros para la medida de vibracion en maquinas reciprocantes . . 45

3.4.2 Instruciones para la medida de vibraciones en maquinas reciprocantes 45

3.4.3 Criterio de severidad de vibracion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.5 Procesamiento digital de senales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.6 Analisis de la transmisibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.7 Diseno de experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.7.1 Eleccion del diseno experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.7.1.1 Superficie de Respuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.7.2 Reconocimiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

xiii

3.7.3 Variable de respuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.7.4 Variables controlables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.7.4.1 Factores y Niveles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.7.5 Variables de bloqueo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.8 Procedimiento para la obtencion y visualizacion del espectro de frecuencia . 57

3.9 Descripcion de las caracterısticas del motor y condiciones del medio . . . . . . 58

3.9.1 Caracterısticas del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.9.2 Condiciones del medio en ejecucion del muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.9.3 Ambiente para la obtencion del espectro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.10 Parametros de operacion de la EGR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.11 Adquisicion de datos y digitalizacion de senales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4 CARACTERIZACION DE FALLOS CONFORME A LAS MUESTRAS

DEL DISENO EXPERIMENTAL Y VALIDACION DE DATOS MEDI-

ANTE EL USO DEL MINITAB R© . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.1 Influencia de la valvula de recirculacion de gases de escape en un motor

CRDi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.2 Determinacion de espectros patrones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.2.1 Parametros de Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.2.2 Espectro patron a ralentı (820 rpm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.2.3 Espectro patron a media carga (1660 rpm). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.2.4 Espectro patron plena carga (2500 rpm). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.3 Nomenclatura para los ensayos del experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.4 Caracterizacion de fallos crıticos en el motor CRDi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.4.1 Caracterizacion del Fallo R1 E1 D2 (820 RPM con 0% de apertura

de la EGR y un diametro para la restriccion de gases de escape de

3,6 cm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

xiv


de la EGR y un diametro para la restriccion de gases de escape de 1

cm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72


de la EGR y un diametro para la restriccion de gases de escape de

3,6 cm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.5 Caracterısticas mas representativas de los espectros y principales compo-

nentes en la recirculacion de gases de escape. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.5.1 Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.5.2 Varianza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.5.3 Desviacion Std . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.5.4 Mediana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.5.5 Maximo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.5.6 Mınimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.5.7 Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.5.8 Energıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.5.9 Factor de Curtosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.5.10 Asimetrıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.5.11 Valor de RMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.5.12 Factor de Cresta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.5.13 Pontencia del intervalo de frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.5.14 Flujo de masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.5.15 Presion del multiple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.5.16 Particulado (P) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.5.17 Constante de Opacidad (K) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.6 Interaccion de Factores en el diseno experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.6.1 Varianza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.6.2 Desviacion std . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

xv

4.6.3 Mediana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.6.4 Maximo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.6.5 Mınimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.6.6 Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.6.7 Energıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101


4.6.9 Asimetrıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.6.10 Valor de RMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.6.11 Factor de Cresta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

4.6.12 Flujo de masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.6.13 Presion del Multiple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4.6.14 Praticulado (P) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

4.6.15 Constante de Opacidad (K) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4.7 Analisis mediante la grafica de superficie de las caracterısticas mas repre-

sentativas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

4.7.1 Maximo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111


4.7.3 Flujo de Masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.7.4 Presion del Multiple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4.7.5 Particulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.7.6 Constante de Opacidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.8 Optimizacion de los parametros de funcionamiento del motor Hyundai

Santa Fe 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

5 Conclusiones y Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.2 Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

xvi

Referencias Bibliograficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

A ANEXO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

B ANEXO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

C ANEXO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

C.1 Diseno experimental para valores de P y k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

D ANEXO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

D.1 Caracterizacion de fallos a 820 RPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

D.2 Caracterizacion de fallos a 1660 RPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

D.3 Caracterizacion de fallos a 2500 RPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

LISTA DE FIGURAS

Figura - 1.1 Estructura del Sistema CRDi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Figura - 1.2 Circuitos de combustible del sistema CRDi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Figura - 1.3 Control del sistema de Alimentacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Figura - 1.4 Efecto de la inyeccion piloto en la combustion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Figura - 1.5 Diagrama del ciclo teorico ideal de un motor Diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Figura - 1.6 Diagrama del ciclo real de un motor Diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Figura - 1.7 Diagrama del ciclo real de un motor Diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Figura - 1.8 Perdidas en el diagrama del ciclo real de trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Figura - 1.9 Estructura del Sistema de Recirculacion de Gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Figura - 1.10 Esquema de un Sistema EGR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Figura - 2.1 Concentracion masica de oxıgeno en la admision en funcion de la tasa de

EGR.�: concentracion de O2. ◦: efecto del CO2 sobre la concentracion

de la admision O2 en el proceso de EGR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Figura - 2.2 Efecto de la TEGR sobre la presion y la temperatura en el interior del

cilindro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Figura - 2.3 Ciclo de trabajo de un motor Diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Figura - 2.4 Representacion esquematica del modelo conceptual de combustion Die-

sel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Figura - 2.5 Variacion de la presion en el cilindro de un MEC cuando se presentan

caracterısticas de golpeteo metalico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Figura - 2.6 Temperatura adiabatica de llama para una mezcla estequiometrica con

distintas concentraciones de O2, Pi, Ti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Figura - 2.7 Combustion premezclada para diferentes tasas de EGR. . . . . . . . . . . . . . 33

Figura - 2.8 Ejemplo del comportamiento del compromiso entreNOx, opacidad (emision

de partıculas) y par en un punto de operacion del motor diesel en el que

se ha variado la tasa de la EGR (medida a traves de la concentracion

xvii

de CO2 en el colector de admision) 1000 rpm y 20 g/cc de combustible

inyectado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Figura - 3.1 Descomposicion de la senal de vibracion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Figura - 3.2 Aplicacion de la FFT-Dominio de frecuencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Figura - 3.3 Efecto Aliasing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Figura - 3.4 Sistema de monitoreo y control de vibraciones en computadoras a traves

de una tarjeta de adquisicion de datos, acondicionamiento de senal y

transductores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Figura - 3.5 Estructura interna del acelerometro piezoelectrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Figura - 3.6 Composicion de la senal de vibracion de acuerdo a las composiciones

espectrales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Figura - 3.7 Puntos y direcciones de medida en motores de encendido por com-

presion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Figura - 3.8 Diagrama de bloques para una ruta de senal tıpica en un instrumento

de medicion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Figura - 3.9 Senal de forma de onda de tiempo en forma analogica desde un ace-

lerometro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Figura - 3.10 Senal de forma de onda de tiempo en forma analogica desde un ace-

lerometro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Figura - 3.11 Diseno de base para aislamiento de la vibracion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Figura - 3.12 Modelado de la deformacion del elemento antivibratorio. . . . . . . . . . . . . 50

Figura - 3.13 Esquema del proceso de un diseno de experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Figura - 3.14 Etapas para la realizacion de un DOE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Figura - 3.15 Representacion del diseno de Box-Behnken para tres factores. . . . . . . . 53

Figura - 3.16 Esquema del factor restriccion de la salida de gases de escape. . . . . . . . 57

Figura - 3.17 Procedimiento a seguir para la obtencion del experimento y los espectros

de frecuencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Figura - 3.18 Equipo de excitacion en camara semianecoica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Figura - 3.19 Medicion de la presion para la apertura de la EGR mediante pistola de

vacıo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Figura - 3.20 Diagrama lineal entre desplazamiento y voltaje en relacion a la presion

xviii

de la EGR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Figura - 3.21 Diagrama de activacion de la EGR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Figura - 3.22 Canales para la adquisicion de Datos A1 (Acelerometro), A2 (Microfono),

A3 (Knock Sensor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Figura - 3.23 Frecuencia Maxima de muestreo y sensibilidad de los canales A1, A2,

A3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Figura - 3.24 Caracterizacion de senales, espectro y filtro GIIT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Figura - 4.1 Espectro patron a ralentı, 820 RPM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Figura - 4.2 Espectro patron a media carga, 1660 RPM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Figura - 4.3 Espectro patron a plena carga, 2500 RPM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Figura - 4.4 Senales de vibracion para las muestras R1 E1 D1 y R1 E1 D2. . . . . . . 71

Figura - 4.5 Senales de vibracion para las muestras R2 E1 D1 y R2 E3 D3. . . . . . 73

Figura - 4.6 Senales de vibracion para las muestras R3 E1 D1 y R3 E3 D2. . . . . . . 75

Figura - 4.7 Diagrama de Pareto para la media. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Figura - 4.8 Grafica de residuos para la media. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Figura - 4.9 Diagrama de Pareto para la varianza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Figura - 4.10 Grafica de residuos para la varianza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Figura - 4.11 Diagrama de Pareto para la Desviacion Std. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Figura - 4.12 Grafica de residuos para la Desviacion Std. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Figura - 4.13 Diagrama de Pareto para la Mediana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Figura - 4.14 Grafica de residuos para la Mediana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Figura - 4.15 Diagrama de Pareto para la Maximo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Figura - 4.16 Grafica de residuos para la Maximo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Figura - 4.17 Diagrama de Pareto para el Mınimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Figura - 4.18 Grafica de residuos para el Mınimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Figura - 4.19 Diagrama de Pareto para la Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Figura - 4.20 Grafica de residuos para la Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Figura - 4.21 Diagrama de Pareto para la Energıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Figura - 4.22 Grafica de residuos para la Energıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Figura - 4.23 Diagrama de Pareto para el Factor de Curtosis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

xix

Figura - 4.24 Grafica de residuos para el Factor de Curtosis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Figura - 4.25 Diagrama de Pareto para la asimetrıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Figura - 4.26 Grafica de residuos para la asimetrıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Figura - 4.27 Diagrama de Pareto para el valor de RMS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Figura - 4.28 Grafica de residuos para el valor de RMS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Figura - 4.29 Diagrama de Pareto para el factor de cresta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Figura - 4.30 Grafica de residuos para el factor de cresta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Figura - 4.31 Diagrama de Pareto para la potencia del intervalo de frecuencia. . . . 89

Figura - 4.32 Grafica de residuos para la potencia del intervalo de frecuencia. . . . . 89

Figura - 4.33 Diagrama de Pareto para el flujo de masa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Figura - 4.34 Grafica de residuos para el flujo de masa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Figura - 4.35 Diagrama de Pareto para la presion del multiple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Figura - 4.36 Grafica de residuos para la presion del multiple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Figura - 4.37 Diagrama de Pareto para el particulado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Figura - 4.38 Grafica de residuos para el particulado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Figura - 4.39 Diagrama de Pareto para la constante de opacidad. . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Figura - 4.40 Grafica de residuos para la constante de opacidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Figura - 4.41 Grafica de interaccion para varianza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Figura - 4.42 Grafica de efectos principales para varianza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Figura - 4.43 Grafica de interaccion para la desviacion std. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Figura - 4.44 Grafica de efectos principales para la desviacion std. . . . . . . . . . . . . . . . 96

Figura - 4.45 Grafica de interaccion para la mediana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Figura - 4.46 Grafica de efectos principales para la mediana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Figura - 4.47 Grafica de interaccion para maximo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Figura - 4.48 Grafica de efectos principales para maximo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Figura - 4.49 Grafica de interaccion para mınimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Figura - 4.50 Grafica de efectos principales para mınimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Figura - 4.51 Grafica de interaccion para potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Figura - 4.52 Grafica de efectos principales para potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

xx

Figura - 4.53 Grafica de interaccion para energıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Figura - 4.54 Grafica de efectos principales para energıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Figura - 4.55 Grafica de interaccion para factor de Curtosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Figura - 4.56 Grafica de efectos principales para factor de Curtosis. . . . . . . . . . . . . . . 103

Figura - 4.57 Grafica de interaccion para asimetrıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Figura - 4.58 Grafica de efectos principales para asimetrıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

Figura - 4.59 Grafica de interaccion para el valor de RMS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

Figura - 4.60 Grafica de efectos principales para el valor de RMS. . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Figura - 4.61 Grafica de interaccion para el factor de cresta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Figura - 4.62 Grafica de efectos principales para el factor de cresta. . . . . . . . . . . . . . . . 106

Figura - 4.63 Grafica de interaccion para el flujo de masa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

Figura - 4.64 Grafica de efectos principales para el flujo de masa. . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

Figura - 4.65 Grafica de interaccion para la presion del multiple. . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

Figura - 4.66 Grafica de efectos principales para la presion del multiple. . . . . . . . . . . . 108

Figura - 4.67 Grafica de interaccion para el particulado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Figura - 4.68 Grafica de efectos principales para el particulado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Figura - 4.69 Grafica de interaccion para la constante de opacidad. . . . . . . . . . . . . . . 110

Figura - 4.70 Grafica de efectos principales para la constante de opacidad. . . . . . . . . 110

Figura - 4.71 Grafica de superficie de Maximo vs Area de Restriccion; %EGR. . . . 112

Figura - 4.72 Grafica de superficie de Factor de Curtosis vs Area de Restriccion;

%EGR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Figura - 4.73 Grafica de superficie del Flujo de Masa vs Area de Restriccion; %EGR.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Figura - 4.74 Grafica de superficie de la Presion del Multiple vs Area de Restriccion;

%EGR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Figura - 4.75 Grafica de superficie del Particulado vs Area de Restriccion; %EGR. 115

Figura - 4.76 Grafica de superficie de la Constante de Opacidad vs Area de Restriccion;

%EGR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Figura - 4.77 Grafica de optimizacion para: opacidad, particulado, flujo de masa,

xxi

factor de curtosis, potencia y maximo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

xxii

LISTA DE TABLAS

Tabla 2.1 Variacion del calor especıfico a presion constante y del exponente adiabatico

en la masa admitida para distintas TEGR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Tabla 2.2 Datos generales del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Tabla 2.3 Analisis de las condiciones del medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Tabla 2.4 Influencia de la masa de gases recirculados en el analisis termodinamico de

un motor Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Tabla 3.1 Especificaciones del acelerometro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Tabla 3.2 Nomenclatura de mediciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Tabla 3.3 Direccion y puntos de medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Tabla 3.4 Caracterısticas de las senales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Tabla 3.5 Orden para la obtencion de muestras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Tabla 3.6 Factores y Niveles del diseno de experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Tabla 3.7 Variables de bloqueo del diseno de experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Tabla 3.8 Condiciones del medio en ejecucion del muestreo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Tabla 3.9 Parametros de operacion de la valvula de recirculacion de gases de escape. 60

Tabla 4.1 Matriz de Fallos para el sistema de recirculacion de gases de escape . . . . 66

Tabla 4.2 Parametros de funcionamiento a diferentes regımenes del motor . . . . . . . . 66

Tabla 4.3 Parametros de funcionamiento a diferentes regımenes del motor . . . . . . . . 69

Tabla 4.4 Nomenclatura usada para los niveles de regımenes del motor. . . . . . . . . . . 70

Tabla 4.5 Nomenclatura usada para los porcentajes de apertura de la EGR. . . . . . . 70

Tabla 4.6 Nomenclatura para la restriccion de gases de escape en el motor CRDi . 70

Tabla 4.7 Parametros de funcionamiento para las pruebas R1 E1 D1 y R1 E1 D2. 71



Tabla 4.10 Caracterısticas mas representativas segun el diagrama de pareto . . . . . . . 94

xxiii

Tabla 4.11 Caracterısticas mas representativas segun la grafica de efectos principales

y sus interacciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

xxiv

LISTA DE SIMBOLOS

NOx Oxidos Nitrosos

CO2 Dioxido de carbono

h2O Vapor de Agua

n2 Nitrogeno

O2 Oxıgeno

Fr Dosado Relativo

Cp Calor especıfico a presion constante

Cv Calor especıfico a volumen constante

h Entalpıa

A/F Relacion aire combustible

C/H Relacion de atomos de carbono e hidrogenos

Rc Relacion de compresion

rc Relacion de corte

Vu Volumen unitario

Vcc Volumen de la camara de combustion

R Constante universal de los gases

m Masa

Qout Calor de salida

Qin Calor de entrada

Wneto Trabajo neto

ηtermico Rendimiento

V Volumen que ocupa la mezcla en el cilindro

T Temperatura en el cilindro

p Presion en el cilindro

xxv

Ge Consumo especıfico de combustible

t Tiempo

Tad Temperatura adiabatica de llama

Z Numero de cilindros

fo Modulo de la fuerza exitatoria

Tr Transmisibilidad

Ft Modulo de la fuerza transmitida al soporte

P Particulado de carbono

k Constante de opacidad

valor − p Relacion entre el predictor y la respuesta

Fm Flujo de masa

X Presion en el multiple de admision

Ar Area de restriccion de los gases de escape

n Revoluciones por minuto

Letras griegas

∆ Incremento

γ Exponente Adiabatico

ρ Densidad

τ Tiempo de retraso

α Nivel de confianza para los intervalos

ε Porcentaje de apertura de la valvula de recirculacion de gases de escape

xxvi

LISTA DE SIGLAS

MEC Motor de encendido por compresion

MCI Motor de combustion interna

CRDi Common rail direct injection

EGR Gases recirculados

ECU Unidad de Control de Motor

MEP Motor de encendido provocado

PMS Punto muerto superior

PMI Punto muerto inferior

AAA Avance a la apertura de admision

RCA Retardo al cierre de admision

AAE Avance a la apertura de escape

RCE Retardo al cierre de escape

VSV Interruptor de Vacıo

TVS Interruptor termostatico

ppm Partes por millon

RPM Revoluciones por minuto

TEGR Tasa de recirculacion de gases de escape

RCO Relacion de concentracion de oxıgeno

PME Potencia media efectiva

Mipm Masa inyectada entre el inicio de inyeccion y el inicio de la combustion por

difusion

Mqpm Masa quemada durante la combustion premezclada

DC Duracion del proceso de combustion

DI Duracion de inyeccion

xxvii

ICO Emisiones de CO

PA Presion de admision

PI Presion de inyeccion

RMS Raız media cuadrada

FFT Transformada Rapida de Fourier

ISO International Standard Organization

BS British International Standard

DSP Digital Signal Processing

ANOVA Analisis de varianza

SPSS Statistical package for the social science

DOE Design of experiments

INEN Instituto Ecuatoriano de Normalizacion

xxviii

1 ESTUDIO TERMODINAMICO DE LOS

CICLOS DE UN MOTOR DE ENCENDIDO

POR COMPRESION

1.1 Introduccion

Los Motores de Encendido por Compresion (MEC) han ido evolucionando desde

su inicio, el mismo que data de 1893 cuando Rudolf Diesel en los talleres de la companıa

MAN SE construye una maquina de combustion que no requerıa de chispa para la infla-

macion de carburante. Esta empleaba alta presion con lo cual conseguıa elevar la energıa

interna y la temperatura del aire, lo suficiente para que al inyectar el combustible al final

de la carrera de compresion este se inflame.

El proposito de Diesel era crear un motor de alta eficiencia aprovechando todo el combus-

tible, lo cual conseguirıa al incrementar la compresion. En sus inicios el motor proporci-

onaba tan solo 25 caballos de fuerza, pero cinco anos mas tarde este paso a brindar 1000

caballos de fuerza capaz de mover barcos.

Posteriormente la potencia continuo incrementandose con la presurizacion del aire, que-

mando mayor cantidad combustible y aumentando de esta forma la potencia del motor.

Basado en este principio se incorporo la sobrealimentacion y la turbo alimentacion, de

lo cual sobresalio esta ultima; pues la sobrealimentacion consumıa potencia del motor

para comprimir el aire, mientras que la turbo alimentacion aprovecha cierta cantidad de

energıa de los gases de escape para el accionamiento del compresor.

La incorporacion de la inyeccion Common Rail fue una innovacion de gran trascendencia

en el desarrollo de los motores, que brindo mayor eficiencia, menor consumo de combus-

tible, sonido y emisiones de gases. Estas ventajas fueron conseguidas con la introduccion

de un acumulador que permitıa tener presion de combustible disponible rapidamente, la

misma que para 1997 fue introducida en el vehıculo Alfa Romeo 156 JTD, obteniendo el

premio “Paul Pietsch Preis” para sus creadores Grupo Fiat y Bosch como una innovacion

1

tecnica para el futuro.

Consecutivamente con el calentamiento global y los gases emitidos por los vehıculos se

impulso en mecanismos que ayuden al medio ambiente, entre los cuales tenemos el Sistema

de Recirculacion de Gases de Escape (EGR), el mismo que reduce las emisiones de NOx

al recircular una pequena porcion de gases de escape hacia el multiple de admision, que

disminuye la cantidad de oxıgeno y por ende la temperatura de combustion. En la actua-

lidad contamos con normas EURO que regulan los lımites de emisiones de gases de escape

de los vehıculos, las mismas que estan en vigencia desde 1993 y continuan evolucionando

hasta llegar a la regulacion vigente.

1.2 Sistema CRDi

1.2.1 Estructura del Sistema

Este sistema Common Rail (Figura 1.1) comprende una etapa de baja presion

para el suministro de combustible, otra etapa de alta presion y la ECU.

Figura 1.1: Estructura del Sistema CRDi. Fuente: [1].

2

1.2.1.1 Circuito de Baja Presion

La etapa de baja presion del sistema de combustible Common Rail incorpora:

(Figura 1.2)

• Deposito de combustible con pre-filtro

• Bomba de alimentacion previa

• Filtro de combustible

• Lıneas de combustible de baja presion

El circuito de baja presion tiene la mision de aspirar el combustible del tanque o deposito

por medio de una bomba de suministro, cuya mision es la de proporcionar el combustible

micro-filtrado con el caudal necesario para garantizar la lubricacion y refrigeracion de la

bomba de transferencia.

1.2.1.2 Circuito de Alta Presion

La etapa de baja presion del sistema de combustible Common Rail incorpora:

(Figura 1.2)

• Bomba de alta presion con valvula reguladora de presion

• berıas de combustible de alta presion

• Rail como acumulador de alta presion con sensor de presion del Rail

• Valvula limitadora de presion

• Limitador de flujo

• Inyectores

• Tuberıas de retorno de combustible

Este circuito es el encargado de generar la presion necesaria para trasladar el combustible

desde la bomba de alta presion hacia los inyectores, para finalmente terminar pulverizando

el gasoil en la camara de combustion.

3

Existen parametros que permiten controlar el volumen de combustible inyectado, como la

duracion de la corriente de excitacion enviada al electro-inyector, la presion de trabajo la

seccion de salida de combustible por la tobera. Todo esto gracias a que esta regulado por

un microordenador que recibe continuamente informacion de todos los sensores colocados

en el motor; los cuales hacen que en funcion de la velocidad de giro, la posicion del

acelerador, de la temperatura ambiente, la temperatura del motor, etc. el microprocesador

procese todas las senales y consiga un funcionamiento optimo.

Figura 1.2: Circuitos de combustible del sistema CRDi. Fuente: [1].

1.2.2 Funcionamiento del Sistema CRDi

El sistema de inyeccion Common Rail, ofrece sin duda alguna ciertas ventajas en

comparacion con los sistemas propulsados por levas, un claro ejemplo esta en la presion

de inyeccion que genera, ya que esta es independiente del regimen del motor y del caudal

de inyeccion [2][3].

El gasoil ubicado en el deposito de combustible es aspirado por una bomba de baja

presion que mantiene el circuito aproximadamente a unos 9 bares, el mismo es filtrado

para posteriormente pasar a la bomba de alta presion; la misma que es accionada por el

motor. Esta bomba elevada considerablemente la presion, obteniendo valores superiores a

los 1300 bares en plena carga o 200 bares en ralentı y carga baja, esta envıa el combustible

a un conducto comun [2][4], este ultimo esta conectado a la entrada de los inyectores, que

4

reaccionaran a los impulsos enviados por la ECU para abrirse o cerrase dejando pasar el

combustible que se inflamara en la camara de combustion.

Lo ideal es poder lograr una pulverizacion mucho mayor que la obtenida en los sistemas

de bomba inyectora ya antes mencionadas, esto con el fin de poder optimizar el proceso de

inflamacion espontanea de la mezcla, que se forma en la camara de combustion al inyectar

el gasoil a una elevada presion.

1.2.3 Control del Sistema de Alimentacion CRDi

La inyeccion electronica diesel es propiamente un sistema de gestion del motor

capaz de monitorear y controlar todas las variables y sistemas involucrados en la entrega

del combustible a los cilindros bajo cualquier condicion de operacion, con la finalidad que

dicha entrega de combustible se de en la cantidad exacta, en el momento preciso y con el

mınimo nivel de emisiones contaminantes.

Es por ello que la regulacion electronica para CRDi se divide en tres bloques de sistema:

Figura 1.3: Control del sistema de Alimentacion. Fuente: Los Autores.

Sensores y transmisores de datos los cuales miden en cada intervalo de tiempo y trans-

forman diversas magnitudes fısicas en senales electricas. Una unidad de control procesa

estas senales electricas de entrada, conforme a procesos de calculos matematicos y algo-

ritmos y envıa diferentes senales electricas de salida. El resultado es una orden emitida

a los actuadores, los cuales transforman estas senales electricas de salida procedentes de

la ECU, en magnitudes mecanicas, con el fin de inyectar el combustible y controlar el

adelanto o atraso de la inyeccion.

Sin duda alguna el efecto de pre y post-inyecciones que se producen en el proceso de

combustion de un motor diesel se ve reflejado en las emisiones contaminantes, temperatura

y presion del ciclo, es por ello la importancia que se les da a las mismas.

5

Una pre-inyeccion se manifiesta en la combustion, de tal manera que el hecho de quemar

una pequena cantidad de combustible previa a la inyeccion principal produce que la can-

tidad de combustible combustionado en premezcla sea menor comparada con la inyeccion

convencional, provocando ası que el tiempo de retraso de la inyeccion principal varıe de

manera directamente proporcional a la cantidad reducida, induciendo que el combustible

inyectado durante esta parte de proceso se quema mediante difusion. Reducir la cantidad

de combustible quemado tiene como consecuencia inmediata la disminucion del gradiente

de presion de la primera etapa del proceso de combustion, y por tanto del ruido de com-

bustion y la marcha dura del motor [5][6]. Ademas, evidentemente modifica la posterior

liberacion de calor, lo que lleva a influir tanto en la presion media indicada del motor

como en la emision de contaminantes. En terminos de consumo especıfico de combustible

se puede obtener beneficios, dependiendo del modo de configuracion de la pre-inyeccion.

Por otro lado, el efecto de retrasar la ultima fraccion de combustible inyectado (post-

inyecciones), lleva a un incremento de la temperatura en las ultimas fases de ciclo termo-

dinamico modificando ası las emisiones contaminantes e incrementando la temperatura

de los gases de escape. Siendo este ultimo efecto el responsable de elevar la temperatura

de los elementos de postratamiento dispuestos en la lınea de escape. Una temperatura

mas alta en estos elementos permite mejorar la eficiencia de los catalizadores y acelera

la regeneracion de los filtros de partıculas. La disminucion en la emision de hollın es la

principal ventaja, y se justifica por el incremento de aire contenido al partir la inyeccion

y por el incremento en la temperatura al final del proceso de combustion.

1.2.4 Ventajas del Sistema CRDi

Entre las principales ventajas que ofrecen este tipo de sistemas tenemos que

nos otorgan un excelente desempeno y eficiencia de combustible, ya que es controlado

electronicamente para cumplir con una combustion optima, ademas de un nivel reducido

de emisiones y de ruidos al medio ambiente, todo esto gracias a la ubicacion en forma

vertical central de los inyectores y la inyeccion piloto1.

Como se puede observar la inyeccion piloto ayudara a reducir de manera considerable

las emisiones de oxido nitrogeno contenidos en el gas de escape y considerablemente el

ruido de la combustion, esta inyeccion pre-inyecta no mas de 1 a 2 milımetros cubicos

1Se trata de pequenas pre y post inyecciones a la inyeccion principal, de cara a mejorar la combustiony, por tanto, el rendimiento, reduciendo las emisiones y al mismo tiempo el ruido.

6

Figura 1.4: Efecto de la inyeccion piloto en la combustion. Fuente: [7].

de combustible en la camara de combustion. Ademas esta operacion tiene un tiempo

aproximadamente de 200 microsegundos y lo que se consigue en realidad es una curva

menos aguda de desprendimiento de calor, que provoca una energıa suministrada de forma

mas progresiva, es por ello que el tiempo de la inyeccion se vera reflejada en los porcentajes

de partıculas del (NOx) y a su vez en el torque suministrado (Nm) [7].

El common rail garantiza mayor eficiencia de combustion y mejores prestaciones, mientras

que la inyeccion piloto permite disfrutar de un funcionamiento mas silencioso, arranques

en frıo mas facil y un nivel de emisiones mas reducido.

7

1.3 Ciclos termodinamicos en motores Diesel

1.3.1 Ciclo Teorico Ideal

La mayor eficiencia y menor costo de combustible de los motores diesel los con-

vierte hoy en dıa en la opcion mas indicada para aplicaciones en las que se requiera

elevadas cantidades de potencia, una de estas ventajas frente a algunos otros sistemas es

que queman el combustible de manera mas completa y la relacion entre masa de aire y

combustible es mucho mayor que los Motores de Encendido Provocado (MEP). Las efi-

ciencias termicas de los motores diesel varıan aproximadamente entre 35 y 40 por ciento

[8][9].

El ciclo teorico de un motor diesel inicia en la carrera de admision, con el piston situado

en PMS, esto con el fin de poder restablecer las condiciones iniciales del fluido operante

(aire). En esta carrera, la valvula de admision se encuentra abierta y el piston inicia

su trabajo desplazandose hacia el PMI, conforme este se desplaza crea un volumen en el

interior del cilindro que es ocupado por el fluido operante nuevo.

En esta carrera no se produce ninguna transformacion del fluido, y ası mismo la presion en

el interior del cilindro permanece constante e igual a la presion atmosferica, en el diagrama

del ciclo teorico real esta representado por la recta 1-2 (Figura 1.5). Posteriormente se

produce la carrera de compresion isentropica, en la que la valvula de admision se encuentra

cerrada y el fluido operante es comprimido por la cabeza del piston contra la camara

de combustion provocando que el volumen ocupado por el fluido disminuya y a su vez

produzca una transformacion adiabatica2 en el. En consecuencia, aumenta la presion y

temperatura, esta transformacion queda representada por la curva 2-3 (diagrama de la

Figura 1.5) [8].

Al final de la carrera de compresion se introduce el combustible pulverizado en la camara

de combustion, con el fin que entre en contacto directamente con el aire comprimido

y provocar la combustion, cuya temperatura supera los 600oC debido al calentamiento

isobarico que se ha generado durante la compresion. Dicha explosion transcurre dentro

del cilindro a presion constante, su representacion es una recta horizontal 3-4 (Diagrama

en la Figura 1.5).

En esta etapa se incrementa la temperatura del fluido pero la energıa calorıfica se va

2Un proceso adiabatico es aquel en el cual un sistema (generalmente un fluido que realiza un trabajo)no intercambia calor con su entorno.

8

liberando mientras el piston se desplaza hacia el PMI y el volumen del fluido se incrementa,

motivo por el cual la presion no aumenta, permaneciendo constante.

Cuando se ha producido la combustion, se da inicio a la etapa comunmente llamada de

expansion. Durante la explosion los gases quemados tienden a ocupar el volumen del

cilindro, provocando que se produzca una expansion adiabatica en el interior del mismo.

Conforme se va desarrollando la expansion adiabatica, los gases quemados empujan al

piston hacia el PMI, provocando que disminuya su presion y temperatura. Dichos valores

de presion estan representados en la curva 5-6 (Diagrama de la Figura 1.5).

Al termino de la carrera de expansion, la valvula de escape procede abrirse, provocando

que los gases quemados sean expulsados fuera del cilindro, efectuado por una nueva carrera

del piston hacia el PMS, denominandose ası carrera de escape. Esta carrera se puede

representar como un tramo horizontal superpuesto a la grafica de admision.

En el diagrama de la Figura 1.5 se puede apreciar una recta vertical 5-2, que corresponde

a un rechazo de calor (enfriamiento isocorico) a volumen constante para restablecer las

condiciones iniciales del fluido operante y poder dar inicio a un nuevo ciclo [8].

Figura 1.5: Diagrama del ciclo teorico ideal de un motor Diesel. Fuente: [8].

1.3.2 Ciclo Real

El ciclo real se determina experimentalmente. El diagrama indicado en la figura

6 refleja las condiciones reales del ciclo ya que presenta un comportamiento diferente con

el teorico, ademas de las consideraciones en ciclos anteriores como por ejemplo perdidas

9

de calor, duracion de la combustion, perdidas debido al rozamiento, a la duracion de la

apertura de las valvulas, entre otros. El llenado maximo del cilindro y un buen vaciado

de los gases residuales se da gracias a los avances y retrasos en los angulos de distribucion

del motor [10][11].

Figura 1.6: Diagrama del ciclo real de un motor Diesel. Fuente: [12].

1.3.2.1 A-B Carrera de Admision:

Con el fin de aprovechar la velocidad de entrada del fluido operante, manteniendo

ası un llenado mas rapido a una presion inferior a la atmosferica en el interior del cilindro,

la valvula de admision se abre antes que el piston llegue al PMS (AAA) y se cierra con

algunos grados despues del PMI (RCA).

1.3.2.2 B-C Carrera de Compresion:

Esta etapa difiere de la teorica, ya que la compresion que se produce en esta

carrera no es adiabatica, provocando que exista un intercambio de calor a traves de las

paredes del cilindro. La relacion de compresion en los MEC oscila entre los 14:1 y 22:1 y

es por ello la diferencia y las ventajas que tiene frente a los MEP.

1.3.2.3 C-D Expansion:

Se puede apreciar que en la figura 6 la inyeccion empieza con un adelanto en

C, que a su vez esta acompanada de un aumento de temperatura y presion de los gases

10

comprimidos. La combustion da comienzo cuando el piston se aproxima al PMS y el

combustible pulverizado se incendia y termina con un cierto avance al PMI.

1.3.2.4 D-E Escape:

En esta etapa se crea una contrapresion que facilitara la evacuacion de los gases

quemados (aproximadamente 1.11 bares), la misma que para que sea de una manera

rapida, la valvula de escape se abre antes del PMI (AAE) y se cerrara con un cierto

retraso despues del PMS (RCE) con el fin de aprovechar la inercia de los gases y su

evacuacion sea lo mas completa posible.

Figura 1.7: Diagrama del ciclo real de un motor Diesel. Fuente: [12].

1.3.3 Diferencias entre Ciclo Teorico y Ciclo Real

Una de las principales discrepancias que aparecen entre en ciclo real y teorico, es

la del menor rendimiento en el funcionamiento del motor, esto debido a las perdidas que

se producen en los diferentes ciclos entre las cuales tenemos: perdidas por bombeo debido

la carga y evacuacion de los gases en el cilindro (volumen inicial menor o rozamientos del

aire), perdidas por el desplazamiento del piston en la carrera de la combustion, perdidas

por el tiempo de evacuacion del calor, perdidas de presion por el llenado defectuoso en

admision (tiempo de apertura y cierre de valvula de admision y escape).

11

Figura 1.8: Perdidas en el diagrama del ciclo real de trabajo. Fuente: [12].

1.3.3.1 Perdidas en la admision

En esta carrera con el desplazamiento del piston se produce dentro del cilindro

un vacıo debido a la resistencia que el filtro de aire, las rigurosidades de los conductos y a

la cabeza de la valvula de admision respectivamente se oponen el paso del fluido operante

y el efecto es que la presion dentro del cilindro es inferior a la atmosferica y por ende

cuesta un poco mas de trabajo llenar el cilindro.

1.3.3.2 Perdidas en la compresion

La transformacion adiabatica mencionada anteriormente no se produce de una

manera adiabatica sino politropica3, debido a que motor no tiene aislamiento termico y

en el desplazamiento del piston hacia el PMS el fluido operante esta en contacto con las

paredes del recipiente que lo encierra, las paredes del cilindro, la cabeza del piston y la

parte superior de la camara de combustion (techo) genera un intercambio de calor entre

ellos. Como resultado la presion y temperatura alcanzadas por el fluido operante en esta

carrera son valores menores a los que tenemos en el ciclo teorico ideal.

3Una transformacion politropica es aquella cuando un fluido gaseoso se expande o se comprime demanera que la presion y el volumen cambian proporcionalmente de forma tal que PV n = Cte, donde npuede tomar un valor cualesquiera, indicando este el calor que ha sido absorbido, expulsado o permanececonstante y si la temperatura sube, baja o permanece invariable en el proceso de compresion o expansion.

12

1.3.3.3 Perdidas en la explosion

La combustion es otro aspecto a tomar en cuenta, ya que el ciclo teorico supone

que este punto se realiza de una manera instantanea, mientras que en el ciclo real de

combustion dura un cierto tiempo. Entonces, si se diera como en el teorico, el combustible

seguira combustionando mientras el piston siga desplazandose hacia el PMI, y que la

consecuencia que trae consigo es la perdida de trabajo. Es por ello que se requiere que la

inyeccion del combustible se realice cuando el piston se encuentre lo mas cerca posible al

PMS, con el fin de poder recuperar algo de trabajo perdido [13].

1.3.3.4 Perdidas en el escape

Cuando se procede abrir la valvula de escape los gases quemados ofrecen una

cierta resistencia al momento de salir del cilindro ya sea bien por la cabeza de la valvula

o por los conductos, que afectan al rendimiento del ciclo. Para reducir estas perdidas

se modifica los momentos de apertura y cierra de valvulas de admision y de escape, y

ademas se adelanta el momento de inyeccion de gasoil.

1.4 Recirculacion de gases de escape

El sistema de Recirculacion de Gases de Escape (EGR) esta disenado para re-

ducir la cantidad de Oxidos de Nitrogeno (NOx) creados en la camara de combustion

durante perıodos que por lo regular resultan en temperaturas de combustion elevadas. La

reduccion de emisiones se realiza al recircular pequenas cantidades de gases de escape o

gases inertes formados de CO2 y H2O en el multiple de admision donde se mezcla con la

carga entrante de aire y combustible, disminuyendo de esta manera la cantidad de oxıgeno

en el interior del cilindro [13]. La reduccion de la temperatura de la llama se consigue

gracias a que el calor especıfico de los gases recirculados es superior al del aire, lo cual

influye en la reduccion de la temperatura y pico de presion, y por ende de las emisiones

de (NOx).

13

1.4.1 Condiciones de Operacion

La recirculacion de los gases de escape sera regulada de manera precisa bajo las

condiciones de operacion en las que se encuentra el motor. El flujo del gas recirculado

sera:

• Alto cuando la temperatura de combustion sea elevada, lo cual ocurre en aceleraci-

ones de medio rango y en velocidades crucero.

• Bajos para los casos de bajas velocidades y condiciones de baja carga de trabajo del

motor.

• Nulo para cuando se arranque el motor e inicie su calentamiento, ralentı o acele-

racion total, puesto que si el sistema funcionara bajo estas condiciones se afectarıa

severamente la operacion del motor sobrepasando el nivel de emisiones de gases y

vibraciones.

1.4.2 Estructura de la EGR

El sistema esta disenado de una la valvula EGR que se encuentra ubicada entre

el colector de admision y el de escape donde hace las veces de comunicador, el cual

necesita de un vacıo de accionamiento para que parte de los gases de escape vuelvan

a la camara de combustion a traves del colector de admision y se vuelvan a quemar.

Tambien posee una manguera que esta conectada al cuerpo de aceleracion por encima de

la placa del acelerador, el modulador de vacıo que controla la senal de vacıo aplicada a

la valvula EGR y un interruptor de vacıo (VSV) controlada por la ECU o un interruptor

termostatico (TVS) que detecta la temperatura de funcionamiento del motor [14].

Figura 1.9: Estructura del Sistema de Recirculacion de Gases. Fuente: [15].

14

1.4.3 Funcionamiento de la EGR

Como ya se menciono con anterioridad, la recirculacion de los gases se realizara

unicamente cuando el motor se encuentre a temperatura normal de funcionamiento o por

encima de los 15◦C. De igual manera si se efectua una aceleracion a plena carga que

equivale a un regimen superior a las 3000 RPM va a existir un vacıo insuficiente para

activar la valvula EGR. Cuando el motor se encuentra en ralentı, la placa del acelerador

bloquea el puerto de vacıo por lo que no llega a la valvula EGR permaneciendo cerrada.

A medida que se acelera se descubre el puerto en el cuerpo del acelerador, la senal de vacıo

se transmite hasta la valvula EGR abriendose lentamente, permitiendo que los gases de

escape circulen al multiple de admision [14][16].

Figura 1.10: Esquema de un Sistema EGR. Fuente: [17].

La ECU para el control de la recirculacion de los gases, mide la concentracion de algun

gas X en escape y admision que sea afectada en el proceso de combustion como el CO2.

La unidad de mando calcula el aire teorico que aspira el motor a partir de la presion

atmosferica y de las revoluciones del motor. Por otra parte, conoce la cantidad de aire

real aspirada por el motor a partir de la informacion proporcionada por el medidor de

masa [18]. Por lo tanto, a partir de la tasa de EGR y el gasto masico de aire fresco es

posible determinar la cantidad de gas recirculado.

EGR =[X]adm − [X]aire[X]EGR − [X]aire

(1.1)

15

2 EFECTOS DE LA RECIRCULACION DE

GASES DE ESCAPE EN EL PROCESO DE

COMBUSTION EN MOTORES CRDI

2.1 Introduccion

En los motores de encendido por compresion se producen ciertos fenomenos fısico-

quımicos antes y durante el proceso de combustion, que les permite alcanzar grandes

prestaciones. Estos fenomenos se veran afectados al realizar la recirculacion de gases de

escape, pues la composicion de la mezcla de admision varıa, reduciendo la cantidad de

oxıgeno e incorporando gases inertes, causando efectos sobre la presion, la temperatura y

la formacion de gases contaminantes.

Las alteraciones que se producen en el proceso de renovacion de carga y combustion,

tambien dependeran del tipo de sistema de recirculacion de gases que posea, por tal

motivo se presenta una clasificacion de EGR de varias formas.

Al tomar en cuenta el lugar donde se realiza la introduccion de los gases de escape se

puede clasificar en EGR interna y EGR externa. En la primera, los gases de escape

son introducidos durante la carrera de admision directamente en el cilindro del motor, a

traves del perfil de las levas. Mientras que en el EGR externa los gases quemados son

introducidos en el ducto de admision, lo cual ocasiona una transmision de calor hasta que

logre ser introducido.

Analizando la presion a la cual se realiza el proceso de recirculacion, se tendra un sistema

de baja presion y otro de alta presion, pues estos estan relacionados con el turbo. La EGR

de baja presion los gases combustionado son tomados despues de la turbina e introducidos

antes del compresor, teniendo una presion atmosferica. Para el caso de EGR de alta

presion, los gases son extraıdos antes de la turbina e introducidos despues del compresor,

obteniendo una elevada presion [13].

16

Teniendo en consideracion que la temperatura es un factor muy importante, pueden ser

examinadas como EGR frıa y EGR caliente. En la EGR frıa los gases combustionados

son conducidos a traves de un circuito que permite la disipacion de calor, reduciendo la

temperatura hasta casi el valor de la mezcla de aire fresca [14].

Por ultimo, dependiendo de la masa total admitida el sistema puede ser estudiado como

EGR de adicion y EGR de sustitucion. El primer caso se da cuando la masa de aire

fresco que ingresa se mantiene constante, tomando a los gases recirculados como una

masa adicional. En cambio en la EGR de sustitucion la masa de aire fresco disminuye a

medida que aumente la masa de los gases recirculados [19].

En la presente investigacion se ha utilizado un motor de un Hyundai Santa Fe 2.0 el mismo

que esta equipado con un sistema de EGR externa, de sustitucion y de alta presion.

2.2 Cambios en la masa admitida por la recirculacion

de gases de escape

La masa de aire fresca que ingresa a los cilindros posee ciertas propiedades fısicas

y quımicas que varıan al reemplazar cierto fragmento de aire freso por gases procedentes

de la combustion, lo cual tendra importantes repercusiones en el proceso de combustion

y por ende en las prestaciones obtenidas por el motor. Por tal motivo se ha considerado

analizar concretamente los efectos que trae consigo el funcionamiento de la EGR [13][14].

2.2.1 Aumento de temperatura por la masa admitida

Los gases recirculados son el producto de la combustion, por tal motivo se en-

cuentran a elevada temperatura al salir del cilindro, en su traslado hacia el colector de

admision para que se mezcle con la masa de aire fresca esta sufrira una transmision de

calor por conveccion hacia las paredes de los conductos, enfriandose hasta temperaturas

del orden de 100 a 150◦C [14]. Esto ocasiona que el gas recirculado en el colector de

admision ingrese con una temperatura mayor al del aire fresco, pero menor al que sale

del colector de escape, ocasionando un incremento de temperatura al final del proceso de

compresion. Por lo tanto, la temperatura de admision puede ser determinada como se

indica en la expresion 2.1, en la cual se puede apreciar que la temperatura de admision

crece con la tasa de EGR (TEGR) [13].

17

TADM = TAIRE · (1− TEGR) + TEGR · TEGR (2.1)

Donde la TEGR sera el cociente entre el gasto de escape recirculado y el gasto total

admitido por el motor [14], como se muestra en la ecuacion 2.2:

TEGR =mEGR

mADM

=mEGR

mAIRE + mEGR

(2.2)

Los cambios que ocasiona el incremento de la temperatura del aire de admision se veran

reflejados en la energıa de las partıculas que conforman el aire, las mismas que a medida

que se incrementa la temperatura van a adquirir mayor energıa, dispersandose y ocupando

de esta manera un mayor volumen, que se vera reflejado en la densidad y limitara la masa

admitida por el motor.

2.2.2 Reduccion del flujo masico en admision

La Ley de Charles establece que un incremento de temperatura del gas resultara

en un incremento de volumen, esto ocasiona una reduccion de la densidad y por ende la

disminucion de la masa admitida, efecto definido por Ladommatos como “estrangulami-

ento termico” [20]. Para cuantificar la magnitud de este efecto se establece que la masa

de aire admitida por el motor es constante, por lo tanto esta sera el resultado de la masa

de aire fresco y la masa de aire de gas recirculado, segun la TEGR, esto se puede apreciar

en la ecuacion 2.3:

mT = mAIRE · (1− TEGR) (2.3)

2.2.3 Cambios en la composicion de la masa admitida

El aire fresco que ingresa al motor tiene una composicion de alto contenido de

oxigeno O2 (21%), la cual sufre cambios al recircular los gases de escape producto de

la combustion en el colector de admision, los mismos que contienen nitrogeno N2 y O2

ademas de otros compuestos como el dioxido de carbono CO2 y el vapor de agua H2O,

que al ser mezclados con el aire fresco van a disminuir la concentracion de O2 como se

puede apreciar en la figura 2.1, lo cual se denomina como “efecto de dilucion”[21].

18

Figura 2.1: Concentracion masica de oxıgeno en la admision en funcion de la tasa de EGR.�:concentracion de O2. ◦: efecto del CO2 sobre la concentracion de la admision O2 en el procesode EGR. Fuente: [13].

Cabe recalcar que la alta temperatura a la cual es sometido el combustible y la nueva

mezcla de aire que ingresa al motor, permitira la disociacion de sus componentes y la

agrupacion de otros en el proceso de combustion, como es el caso de la formacion de CO2

o NOx. Por tal motivo las proporciones de los compuestos que forman los gases de escape

dependeran de dos factores, la relacion de atomos de carbono e hidrogeno (C/H) del

combustible y el dosado relativo4 (FR) segun la TEGR con que trabaje el motor [22][23],

el mismo que es determinado con la ecuacion 2.3:

FR =mf

mAIRE

·(mAIRE

mf

)est

(2.4)

Por lo tanto, el dosado relativo calcula la cantidad de oxıgeno presente en la masa de aire

fresca que ingresa en el cilindro del motor. De ahı que la concentracion de O2 de la masa

admitida puede ser determinada a partir del dosado relativo y la TEGR, teniendo en

consideracion el O2 aportado por el aire fresco admitido y los gases de escape recirculados

[14].

[O2]ADM = [O2]AIRE · (1− FR · TEGR) (2.5)

Molina a partir de esta ecuacion, tambien establece una relacion de concentracion de

oxıgeno (RCO), la cual esta en funcion del dosado relativo y la TEGR, disminuyendo la

RCO cuando cualquiera de estas dos aumente.

4Relacion del gasto de aire admitido y el gasto de combustible inyectado

19

RCO =[O2]ADM

[O2]AIRE

= (1− FR · TEGR) (2.6)

2.2.4 Adicion de calor especıfico en la masa admitida

Al incorporar parte de los gases de escape al conducto de admision, el calor

especıfico a presion constante (cp) tiende aumentar, debido a la mayor capacidad calorıfica

del Dioxido de carbono (CO2) y el agua (H2O) principales productos de la combustion, en

relacion con la que posee el Nitrogeno (N2) y el Oxıgeno (O2). Teniendo estos elementos

su propio efecto sobre las propiedades de la masa admitida, es decir que el calor especıfico

de la masa admitida tiende a aumentar con el uso de la EGR.

Esta variacion del cp se la conoce como “efecto termico”, Ladommatos sostiene que la

contribucion de esta variacion sobre las emisiones es marginal [24]. Sin embargo Dur-

nholz justifica la disminucion del NOx con la reduccion de la temperatura adiabatica de

llama y esta a su vez la relacionan directamente con el incremento del cp de la masa ad-

mitida, estos cambios en el exponente adiabatico y el calor especıfico se veran reflejados

en las propiedades termodinamicas del fluido durante el ciclo de compresion y combustion

[14][25].

Tabla 2.1: Variacion del calor especıfico a presion constante y del exponente adiabatico en lamasa admitida para distintas TEGR. Fuente:[14].

TEGR(%)

FR

Calor especıfico apresion constante

(J/Kg oK)

Variacion de cp(%)

Exponenteadiabatico

Variacion de γ(%)

0 0.5 1139.6 0.00 1.337 0.005 0.52 1145.3 0.50 1.334 -0.1715 0.58 1156.8 1.51 1.330 -0.5125 0.63 1168.3 2.52 1.325 -0.84

Como se puede observar en la tabla 2.1, a medida que la TEGR empieza a crecer el calor

especıfico a presion constante (cp) de la masa de aire admitido aumenta, contribuyendo

a su vez a reducir la temperatura adiabatica de llama en el proceso de combustion. Por

otro parte el cociente de calores especıficos disminuye, provocando que la presion y la

temperatura al final del proceso de compresion reduzcan [26][19][24][25].

20

2.3 Cambios de presion y temperatura en el cilindro

por la recirculacion de gases

La recirculacion de gases de escape en relacion a la presion y a la temperatura

al final del proceso de compresion tiene una relacion directa con los valores al cierre de

admision y con el exponente politropico5 , siendo este ultimo afectado de manera mas

significativa, reduciendo su valor en la medida que se recircula mas cantidad de gases

de escape. La reduccion del exponente politropico esta justificada por la reduccion del

exponente adiabatico6 (γ), tal y como se muestra en la tabla 2.1 [28].

Figura 2.2: Efecto de la TEGR sobre la presion y la temperatura en el interior del cilindro.Fuente: [14].

En el diagrama de la figura 1.1. se puede observar la disminucion del exponente politropico

sobre la presion, produciendose este efecto por la reduccion en la medida que el porcentaje

de la EGR aumenta para una presion de admision constante, por lo contrario el efecto

en la temperatura no es tan evidente, ya que puede compensarse esta disminucion con el

hecho de que la temperatura inicial en compresion se ha incrementado.

En conclusion podemos decir que incrementar el porcentaje de la tasa de recirculacion de

gases de escape lleva a una reduccion en la presion de cilindro, pero la temperatura, puede

aumentar o disminuir en funcion de temperatura de admision y de la tasa de recirculacion

de gases de escape, la misma que sera controlada por dos efectos no concurrentes, como

densidad y el calor especıfico.

5Exponente politropico 1,1 < n < 1,2 [27].6Exponente adiabatico, definido como la relacion entre los calores especıficos molares a presion cons-

tante y a volumen constante, Cp y Cv respectivamente.

21

2.3.1 Analisis termodinamico en el proceso de combustion

A continuacion se presenta un analisis cuantitativo del motor, empleando princi-

pios termodinamicos que permiten visualizar la influencia de la disminucion de masa de

aire fresca a causa de la recirculacion de gases de escape. Para lo cual se tiene a consi-

deracion los siguientes parametros, los mismos que se utilizaran en la obtencion de datos

como calores especıficos de las respectivas tablas [9]:

Tabla 2.2: Datos generales del motor. Fuente: [1].

DATOS DEL MOTORNumero de cilindros 4Cilindrada 1991 cm3

Calibre 8.3 cmCarrera 9.2 cmRc 17.7 : 1rc 1.5Orden de encendido 1 - 3 - 4 - 2Potencia Maxima 110.45 KW

Tabla 2.3: Analisis de las condiciones del medio. Fuente: Los Autores.

CONDICIONES DE ANALISISTemperatura Ambiente 300 oKPresion Atmosferica 1013 hPaCp 1.005 KJ/KgoKCv 0.718 KJ/KgoKR 0.287 KJ/KgoK

Se procede a determinar el volumen unitario (Vu) del cilindro y el volumen de la camara

de compresion (Vcc).

Vu =π ·D2

4· s =

π · (8, 3cm)2

4· (9, 2cm) = 497, 776cm3

Vcc =VU

RC − 1=

497.77cm3

17.7− 1= 29.81cm3

22

Se inicia el analisis termodinamico para el ciclo Diesel .

Figura 2.3: Ciclo de trabajo de un motor Diesel. Fuente: [29].

1 − 2. Compresion S Constante

V1 = Vu + Vcc = 497.77 cm3 + 29.81 cm3 = 527.59cm3

T1 = 300oK

P1 = 1013hPa = 101.3KPa

Rc = V1

V2

T2 = T1

(V1

V2

)K−1

= (300oK) · (17.7)1.4−1 = 946.91oK

P2 = P1

(V1

V2

)K

= (101.3KPa) · (17.7)1.4−1 = 5659.42Kpa

V2 = Vcc

2 − 3. Admision de Calor P = CTE

P3 = P2 = 5659.42Kpa

rc = 1.5

V3 = V3 · rc = (29.81cm3) (1.5) = 44.72cm3

23

P2 · V2

T2

=P3 · V3

T3

→ T3

T3 = T2 ·(P3

P2

)·(V3

V2

)= (946.91oK) ·

(44.71cm3

29.81cm3

)= 1420.37oK

m =P1 · V1

R · T1

=(101.3KPa)

(5, 276x10−4m3

)(0, 287KJ/KgoK) (300oK)

= 6.207310−4 Kg

Qin = m · cp · (T3 − T2)

=(6.207x10−4Kg

)(1.005KJ/KgaK) (1420.37− 946.91) oK

= 295.4J

3 − 4. Expansion

S3 = S4

T4 = T3

(V3

V4

)K−1

= (1377.91oK) ·(

44.72cm3

527.59cm3

)1.4−1

= 529.25oK

4 − 1. Rechazo de Calor

Qout = m ·cv · (T4 − T1)

=(6.207x10−4Kg

)(0.718KJ/KgaK) (513.38− 300) oK

= 102.17J

Wneto = Qin −Qout = (295.4− 102.17) J = 193.18J

ηTerm =Wneto

Qin

=193.18J

295.4J= 0.654 ≈ 65%

24

PME =Wneto

V1 − V1

=193.18J(

5.27x10−4m3)−(2.812x10−5m3

) = 388.09KPa

A continuacion se realiza el analisis termodinamico tomando valores de TEGR y la ecu-

acion 2.3 descrita con anterioridad, para determinar la disminucion de la masa de aire

fresca a medida que se incrementa la TEGR, lo cual se puede observar en la tabla 2.2.

mADM = mAIRE · (1− TEGR) =(6.399x10−4kg

)(1− 0.25) = 4.799x10−4kg

Tomando el volumen inicial y la presion como constantes, y conociendo la variacion exis-

tente en la masa de admision, se puede determinar la nueva temperatura inicial para cada

TEGR, para posteriormente volver a realizar el respectivo analisis termodinamico, teni-

endo en cuenta las variaciones que sufren los calores especıficos y por ende el exponente

adiabatico.

T1 =P1 · V1

R ·m=

(101.3KPa)(5, 276x10−4m3

)(0, 287KJ/KgoK)

(4.799x10−4Kg

) = 388oK

Tabla 2.4: Influencia de la masa de gases recirculados en el analisis termodinamico de un motorDiesel. Fuente: Los Autores.

TEGR(%)

cp(KJ/KgoK)

cv(KJ/KgoK)

madm

(Kg)Qin

(J)Qsale

(J)W(J)

ηtermPME(KPa)

0 1.0050 0.7180 0.0006207 295.36 102.18 193.18 0.6541 388.095 1.0059 0.7188 0.0005897 295.11 102.23 192.88 0.6536 387.4810 1.0070 0.7200 0.0005587 294.84 102.33 192.51 0.6529 386.7525 1.0105 0.7236 0.0004966 294.00 102.63 191.37 0.6509 384.44

Se puede observar que a media que la TEGR aumenta, tanto el calor de entrada en la

combustion como el de salida van disminuyendo, lo cual influye en la reduccion de las

emisiones de gases contaminantes. Por tal motivo la tabla antes mencionada justifica la

importancia de realizar la presente investigacion.

2.3.2 Analisis fenomenologico del proceso de combustion

El analisis fenomenologico describe de una forma cualitativa los fenomenos que ti-

enen lugar durante el proceso global de inyeccion-combustion para dicho ciclo, este trabajo

fue ampliamente desarrollado por Dec [30] quien proporciona un exhaustivo estudio sobre

la evolucion de un chorro de combustible diesel ya sea de una manera temporal como espa-

cial, ademas aporta informacion sobre los procesos fısicos que controlan su combustion. El

25

modelo para dicho estudio, fue elaborado empleando tecnicas no intrusivas de diagnostico,

basadas en el uso de un laser, cuyos resultados permitio obtener diferentes medidas en

procesos que se generan en el interior de un chorro de Diesel, entre las principales variables

a medir tenemos: proporcion entre combustible lıquido y combustible evaporado, mezcla

cuantitativa combustible-aire, concentraciones locales de hollın, entre algunas mas.

De forma esquematica, este proceso se muestra en la figura 1.2.

Figura 2.4: Representacion esquematica del modelo conceptual de combustion Diesel. Fuente:[30].

Una vez inyectado el combustible el primer fenomeno que ocurre es el de la atomizacion,

cuyo resultado es que el combustible que se encuentra en estado lıquido se disgrega en

ligamentos o gotas de pequeno tamano. Este efecto se vera reflejado en el proceso de

evaporacion, ya que cuanto menor sea el tamano de lıquido que se disgrega mejor es

el proceso anteriormente mencionado. Todo esto debido a que los diametros menores

conducen a una mayor transferencia de calor hacia el lıquido, como consecuencia de una

mayor relacion superficie/volumen y a la mejora del coeficiente de pelıcula. La atomizacion

del chorro de combustible terminara cuando el chorro del combustible este solo formado

por gotas y gas ambiental englobado en su interior.

El siguiente efecto que se produce nada mas despues de comenzar el proceso de atomizacion

es el englobamiento de aire. Es uno de los parametros mas importantes que competen a

la combustion del chorro, ya que describe el proceso de mezcla, que a su vez interviene en

la combustion. Entonces las gotas de pequeno tamano de combustible comienzan a ser

rodeadas por aire caliente debido al englobamiento empiezan a evaporarse rapidamente.

La evaporacion completa del combustible termina en la zona denominada longitud lıquida,

esta longitud se reduce aumentado la temperatura dentro del cilindro, empleando para

26

ello un combustible con caracterısticas de volatilidad elevadas o a su vez incrementado la

tasa de mezcla aire/combustible, siendo esta taza alrededor de 2 a 4, y esta mezcla, muy

pobre en oxıgeno, se encuentra a temperaturas del orden de 700-900oK.

Posteriormente a la evaporacion, cuando la mezcla rica formada por combustible evapo-

rado y aire englobado durante el lift-off7 y el inyector, reacciona quımicamente en un

proceso de combustion premezclada debilmente exotermico dando lugar a unos productos

con una temperatura alrededor de 1600oK y con una composicion abundante en monoxidos

de carbono e hidrocarburos sin quemar de cadena corta y la consiguiente formacion de

hollın [31]. Dec [9] asegura que en esta combustion premezclada, previa a la combustion

completa, se libera entre un 10% y un 15% del calor total.

El proceso de combustion exotermico sucede principalmente en el frente de llama. En la

combustion rica premezclada da como resultado unos productos parcialmente oxidados,

los cuales aportan al frente de llama (parte interior de la llama) mediante un proceso

combinado entre conveccion y difusion, por otro lado, la parte exterior de estos productos

se aporta al oxıgeno necesario fundamentalmente por difusion. En el efecto del frente de

llama se libera el resto del contenido energetico del combustible, estando este alrededor

del 80% y el 85%, alcanzando practicamente la temperatura adiabatica de llama. A estas

temperaturas elevadas, gran parte del hollın formado previamente en la etapa anterior

se oxida a CO2 y la tasa de formacion de oxidos de nitrogeno (muy dependiente de la

temperatura), se activa de manera considerable, alcanzando valores muy elevados.

Por ultimo, despues de atravesar el frente de llama los productos de la combustion se

diluyen en el resto de gases presentes en la camara de combustion [30][32] que, unido

al proceso de expansion, causa un enfriamiento de dichos productos y un cambio en su

composicion. Este fenomeno excita la congelacion de las reacciones que conducen a la

formacion y destruccion de determinadas especies contaminantes, como los NOx y el CO.

2.4 Efectos en la ignicion

Entre los principales factores que afectan la combustion en MEC esta la calidad de

combustible, cumpliendo esta caracterıstica con un elevado porcentaje de hidrocarburos

7Lift-off (distancia entre la tobera y el inicio de llama) definida por un equilibrio entre la velocidadde conveccion aguas abajo generada por el propio proceso de inyeccion y la velocidad del frente de llamade combustion premezclada turbulenta que trata de remontar aguas arriba.

27

parafınicos que ayudara para que le proceso de combustion se inicie rapidamente y con

un incremento de presion, ademas de las diferentes propiedades que intervienen sobre

la influencia de la velocidad de formacion de la mezcla. Sin duda alguna si se requiere

mejorar la presion y temperatura al momento de realizar la inyeccion del combustible se

debera tomar muy en cuenta la relacion de compresion, ya que disminuira el retraso a la

inflacion aumentando la velocidad de combustion, logrando ası que el funcionamiento del

motor sea de una manera mas suave [33].

Sin bien es cierto con un angulo de avance de inyeccion pequeno el motor tiene un com-

portamiento de funcionamiento mas moderado, debido a que las altas presiones y tempe-

raturas aseguran un rapido encendido con retrasos muy cortos, provocando a su vez que

la potencia suministrada disminuya por lo que la cantidad de combustible que se quema

durante la carrera de expansion aumenta. Pero si se requiere aumentar la potencia, el

tiempo de inyeccion es el factor primordial para que se produzca dicho efecto, dismi-

nuyendo la duracion de la inyeccion, siempre y cuando se mantenga aproximadamente

invariable el suministro de combustible ciclo a ciclo, ya que con esto se consigue aumentar

la velocidad de crecimiento de la presion. Ademas un efecto no siempre tomado en cuenta

son las revoluciones del motor, ya que tan solo al aumentar las mismas, las condiciones

de pulverizacion del combustible y turbulencia del aire mejoran de manera considerables,

provocando que ahora exista un equilibrio entre el tiempo de retraso de inyeccion y el

angulo de avance, para ası mantener el desarrollo de la presion maxima en cercanıas al

PMS.

Sin embargo, todos estos factores ya mencionados anteriormente producen anomalıas en el

proceso de combustion en MEC, un claro ejemplo lo encontramos en el llamado golpeteo

metalico (baja presion de compresion) produciendo que el encendido del combustible

se prolongue mas de lo normal, razon por la cual se presenta acumulacion de una gran

cantidad de combustible para el instante en que debe ocurrir el fenomeno de autoencendido

(combustible se demora en evaporar) y una vez que esta cantidad de combustible se

enciende, la temperatura y presion de la camara de combustion se incrementa de manera

muy elevada y contribuye positivamente a eliminar las vibraciones de presion debido a

que disminuye el perıodo de retardo a la inflacion como se puede observar en la figura

siguiente.

28

Figura 2.5: Variacion de la presion en el cilindro de un MEC cuando se presentan caracterısticasde golpeteo metalico. Fuente: [33].

Ademas de la baja presion de compresion, el golpeteo metalico puede producirse por

un tiempo prematuro de inyeccion de combustible, una baja presion en la inyeccion del

combustible o a su vez excesiva inyeccion del mismo.

2.4.1 Temperatura adiabatica de llama

El efecto que tiene la recirculacion de gases de escape sobre la temperatura

adiabatica de llama esta directamente relacionada con tres aspectos fundamentales como

son la temperatura y presion al iniciar el ciclo de compresion de la mezcla y ademas incide

de una manera claramente en la composicion de los reactivos.

Figura 2.6: Temperatura adiabatica de llama para una mezcla estequiometrica con distintasconcentraciones de O2, Pi, Ti. Fuente: [34].

En la figura 3.1 se puede apreciar los diferentes ensayos que representan la temperatura

adiabatica de llama para diferentes casos como, la variacion de O2, variacion de presion

inicial y la variacion de la temperatura inicial. El primer caso esta representado por

29

un triangulo, cuya presion y temperatura inicial son constantes para una mezcla este-

quiometrica variando la concentracion de O2 y un combustible C12H22. Como era de

esperar al variar la concentracion de oxıgeno la concentracion de los productos de la com-

bustion se ha visto modificada (CO2, H2O, N2) para diferentes tasas de recirculacion

de gases de escape, entonces, a menor concentracion de O2 (17,375%) la temperatura

adiabatica de llama se ve reducida, caso contrario sucede al aumentar.

Un segundo caso se puede observar, cuya representacion es un cırculo, en donde la presion

inicial se ve afecta, variando entre los 93 y 104 bares, mientras que la Ti se mantiene cons-

tante para un 0% de EGR. Esta variacion de rango en la presion inicial tiene practicamente

un efecto insignificante sobre la temperatura adiabatica de llama para los intervalos de

variacion producidos por la EGR y la presion de admision. Finalmente los cuadrados son

temperaturas adiabaticas de llama, obtenidas gracias a la variacion de la temperatura

inicial entre 980 y 1020 K, para un presion constante y 15% de EGR, cuyo porcentaje de

oxıgeno obtenido oscila entre el 19%. La repercusion que tiene este efecto es relevante,

pero a ser el rango de variacion debido a la EGR pequeno, el efecto real sobre la tempera-

tura adiabatica de llama es apreciablemente menor en comparacion con la concentracion

de O2.

Con estos tres casos calculados para obtener la temperatura adiabatica, se puede llegar a

la conclusion que la principal influencia que tiene la recirculacion de gases de escape en la

temperatura adiabatica de llama se debe a la variacion de la composicion de los reactivos

(concentracion de O2) llegando a aumentar o disminuir la temperatura de una manera

considerable, que repercute en el rendimiento del motor [14][34].

2.4.2 Tiempo de retraso

En un MEC el tiempo de retraso esta controlado por una secuencia de proce-

sos fısicos y quımicos considerablemente complejos, cuya importancia relativa de cada

uno de estos dependera de las condiciones termodinamicas presentes en la camara de

combustion, de las propiedades del combustible y de como se ha ocasionado la mezcla

estequiometrica aire/combustible. Para obtener un estimado del tiempo de retraso se ha

referido a ecuaciones semiempıricas del tipo Arrhenius (2.7).

τ = K · pn · exp(

EA

R · T

)(2.7)

30

En la ecuacion 2.7 explica la dependencia del tiempo de retraso al modificar el angulo de

inyeccion y por lo tanto la presion y temperatura en la camara de combustion del motor,

siendo EA es la energıa de activacion, R es la constante universal de los gases, T es la

temperatura de la mezcla dentro de la camara de combustion (oK) y p es la presion en

bares, siendo K y n constantes que varıan en funcion de los requerimientos del ensayo

y tipo de combustible [35][36]. Sin embargo este tipo de ecuacion no toma en cuenta la

presion de inyeccion que disminuye el tiempo de retraso al aumentar la misma, es por

ello que este efecto fue tenido en cuenta por Pischinger [37], que anadio un nuevo termino

(presion de inyeccion) a la ecuacion anterior.

τ = 0.0212 · p−0.7 · exp(

4861

T

)· PI−0.2 (2.8)

Donde: τ es el tiempo de inyeccion de retraso en ms, p la presion en bar, T es la tempe-

ratura en kelvin y PI es la presion de inyeccion en bar.

En [23][28] mantienen que cuanto se emplea la recirculacion de gases de escape frıo, (Tem-

peratura de masa admitida constante) el tiempo de retraso a la combustion se incrementa,

esto se debe a que la concentracion de oxıgeno en la masa admitida se ve disminuido. Se

puede llegar a determinar el tiempo de retraso, incluyendo una variable (RCO) a la pon-

deracion del efecto de la disminucion del oxıgeno, en las ecuaciones semiempıricas del tipo

Arrhenius, cuyo exponente oscila entre -1.6 a -1.9 [38][39].

Narusawa [40] justifica que el incremento del tiempo de retraso por la variacion del expo-

nente adiabatico (γ) mas no por la disminucion del porcentaje de oxıgeno. Esta justifi-

cacion es valida ya que al momento de disminuir la concentracion de oxıgeno mezclando

la masa admitida con diferentes gases del proceso del final de la combustion (CO2, N2

y otros gases) con distintos valores del exponente adiabatico, se obtienen varios valores

del tiempo de retraso. Todo esto gracias a que los gases usados como inertes poseen di-

ferentes propiedades termodinamicas, que se ven reflejadas en este efecto ya mencionado.

Precisamente los valores mayores del tiempo de retraso se dan cuando se introduce el CO2

ya que la disminucion el exponente adiabatico (γ) es mucho mas grande en relacion al

N2 y otros gases de escape. Cabe recalcar que si se tratara del caso de EGR caliente o

parcialmente frıa, la disminucion de oxıgeno puede compensarse por el incremento de la

temperatura al final del proceso de combustion.

Es por ello que tanto la concentracion de oxıgeno, como la presion y la temperatura

31

desempenan un rol muy importante en la variacion del tiempo de retraso.

2.4.3 Combustion pre-mezclada

Otro fenomeno fısico-quımico producido en la ignicion es la fase de combustion

premezclada, la misma que se caracteriza por la liberacion de calor en un tiempo transi-

torio, donde todo el combustible que se ha mezclado y aun no ha sido quemado reacciona

durante el tiempo de retraso. Segun [14] para determinar la cantidad de combustible

quemado en premezcla se empleara la ecuacion 2.9, en la cual se relaciona la masa que-

mada en premezcla (Mqpm) con la densidad de la camara8 de combustion y la cantidad

de combustible inyectado (Mipm) entre el inicio de combustion y el inicio de combustion

por difusion.

Mqpm = 6.11 · ρm−0.98 ·Mipm1.12 (2.9)

Como se puede observar en la ecuacion antes descrita, la presion de inyeccion influira en

la cantidad de combustible inyectado y por ende en la liberacion de calor. Pero se debe

tomar en consideracion que al incrementar la presion de inyeccion tambien se producira

un efecto adverso como la disminucion del tiempo de retraso segun la ecuacion 2.6.

Se debe tener en cuenta que el combustible requiere de una masa de aire fresco para

su combustion, la misma que como ya se ha mencionado anteriormente al recircular los

gases de escape se modifica la concentracion de oxıgeno. Motivo por el cual Molina [14]

analizo la influencia de la TEGR en la combustion premezclada manteniendo el proceso de

presion de admision constante. Como se observa en la figura 2.22, a la presion de admision

nominal y diferentes TEGR, la combustion premezclada es practicamente igual en las tres

tasas de EGR analizadas, pues a medida que esta aumente, la densidad disminuye y este

efecto es compensado con el incremento del tiempo de retraso.

8La densidad de la camara estara relacionada con la variacion del angulo de inicio de la inyeccion yla masa de combustible inyectada.

32

Figura 2.7: Combustion premezclada para diferentes tasas de EGR. Fuente: [14].

2.4.4 Combustion por difusion

Una fase posterior a la combustion premezclada es la combustion por difusion en

la que cual la mezcla de aire/combustible y la combustion son simultaneas, quemando el

90% del combustible inyectado y por ende liberando mayor cantidad de calor, que influye

en la formacion de compuestos contaminantes. Esta fase se divide en dos subfases, la fase

de combustion por difusion rapida que dura hasta el final del proceso de inyeccion y fase

final o lenta que se extiende hasta la finalizacion del proceso de combustion.

En la primera subfase la mezcla de aire/combustible es controlada por la turbulencia

generada en el cilindro, en la cual se establece un frente de llama estacionario a medida

que la tasa de inyeccion y las condiciones de la camara se estabilizan para una mezcla

casi estequiometria, con un dosado relativo maximo de 0,6 [14]; durante esta subfase la

temperatura de la camara es elevada, lo cual permite la formacion de oxidos de nitrogeno.

Posteriormente en el proceso de combustion por difusion se iniciara la subfase final o lenta,

en la cual disminuye la turbulencia y la tasa de aire /combustible, lo cual ocasionara la

reduccion de la tasa de calor liberado en el proceso de combustion [19].

Como se puede apreciar, en la combustion por difusion la concentracion de oxıgeno en

la mezcla de aire fresco que ingresa es de gran trascendencia. Al recircular los gases

de escape en admision la concentracion de oxigeno se reducira, por lo tanto para poder

quemar la misma masa de combustible se necesitara una mayor masa de gases, obligando al

combustible inyectado recorrer una mayor distancia para mezclarse con el O2; ocasionando

una lenta liberacion de calor y aumentando la duracion del proceso de combustion.

Para determinar la duracion del proceso de combustion (DC) se emplean parametros como

la relacion de concentracion de oxıgeno (RCO) y la duracion de inyeccion (DI), obteniendo

33

esta ultima a partir del diametro de la tobera y la presion de inyeccion segun Molina.

DC = 9.2 ·DI0.78 ·RCO−0.96 · ρm−0.42 (2.10)

2.5 Influencia de la recirculacion de gases de escape

en las emisiones contaminantes

Los efectos que se producen en la combustion se ven reflejados en los porcentajes

de agentes contaminantes expulsados al medio ambiente. De este modo la recirculacion

de gases de escape incide directamente en este problema de las emisiones, estas emisiones

gaseosas en motores diesel son los NOx, CO y HC [13], dandole mas importancia al NOx

y las partıculas, ya que son las principales en el area automotriz.

No cabe duda que el post-tratamiento del NOx ha tenido un evidente avance en los

motores diesel, siendo uno de estos la recirculacion de gases d escape, con una respuesta

positiva desde el punto de vista tecnologico y economico, disminuyendo notablemente los

porcentajes de agentes contaminantes presentes, con el fin de poder cumplir las normativas

vigentes. Si bien estos mecanismos para regular y minimizar la formacion del NOx es el

aumento de la tasa de EGR, dicho efecto se justifica, con la reduccion de la temperatura

en la combustion (llama) paralela a la disminucion de concentracion de oxıgeno disponible

en la camara. Siendo el primer mecanismo el principal factor responsable de la reduccion

de la cantidad de emisiones de los NOx, no obstante la menor concentracion de oxıgeno

se vera reflejada con la reduccion de la temperatura de llama.

En las emisiones de partıculas, el uso de la valvula EGR se ve restringida por el com-

promiso (trade-off9) entre el NOx y partıculas contaminantes, ya que la recirculacion de

gases ademas de reducir la temperatura en la combustion y la concentracion de oxıgeno,

aporta una oxidacion incompleta del hollın formado, es decir, una mala combustion que

se manifiesta en el aumento las emisiones de partıculas [14][20][21]. Una solucion a esto

es la que Ladommatos plantea ir variando la concentracion de oxıgeno en el proceso de

admision desde condiciones atmosfericas hasta un 15% [22]. Como en todo caso de ex-

perimentacion se obtienen varios resultados, siendo la mejor opcion incrementar la EGR

9Trade Off: Balance entre el NOx y las partıculas contaminantes, siendo afectada la EGR, limitandoel uso de la misma.

34

sin disminuir la concentracion de oxıgeno, ya que permite una reduccion sustancial de los

NOx con una pequena penalizacion en las partıculas emitidas [23].

En la figura siguiente se puede observar un ejemplo del comportamiento de un motor

diesel en relacion a la formacion del NOx y partıculas [41].

Figura 2.8: Ejemplo del comportamiento del compromiso entre NOx, opacidad (emision departıculas) y par en un punto de operacion del motor diesel en el que se ha variado la tasa de laEGR (medida a traves de la concentracion de CO2 en el colector de admision) 1000 rpm y 20g/cc de combustible inyectado. Fuente: [14].

Observese el impacto de tasas altas de EGR (emisiones menores deNOX) sobre el consumo

especıfico, esto debido a que al disminuir las emisiones de NOX mediante el aumento de

la tasa de EGR aprovecha el consumo respecto sobre el sistema de inyeccion, los motores

actuales se caracterizan por las elevadas tasas de EGR.

A medida que se aumenta la tasa de la EGR, se observa un maximo nivel de opacidad de

los gases de escape, a partir del cual, si se continua elevando la tasa de EGR se produce

en descenso de la opacidad para unas mismas condiciones [41]. Entonces a partir de un

valor crıtico de EGR, la combustion deja de ser eminentemente por difusion y pasa a

regimen premezclado, reduciendo los niveles de emisiones y en algunos casos elevan el

rendimiento de motor [42]. Sin embargo este tipo de caracterizacion de operacion aun no

esta siendo implementado en motores de serie actuales, debido a su difıcil control [19][24].

Para el presente trabajo de investigacion se considerara que el motor funciona en un

modo de combustion diesel convencional, apartandonos a los diferentes modos avanzados

de combustion actuales [24].

35

3 EXPERIMENTACION Y PROCESAMIENTO

DIGITAL DE SENALES EN EL DOMINIO DE

FRECUENCIA CON FINES DE

DIAGNOSTICO.

3.1 Introduccion

Una de las principales tecnicas de diagnostico acerca del estado de una maquina

es sin duda alguna el analisis de vibraciones, pues permite analizar el estado de una

maquina en funcionamiento, identificando las fuerzas de excitacion que actuan y evitando

perdidas de produccion por paradas programadas o inesperadas. Esta tecnica ha sido

aplicada fundamentalmente en maquinas rotatorias, enfocandose trascendentalmente al

diagnostico de rodamientos, balanceo de rotores, ası como la identificacion de diversos

problemas de montaje.

Un caso particular sucede en lo que respecta al analisis de vibraciones en motores de en-

cendido por compresion; siendo muy limitada la informacion, metodos y software a lo que

concierne al diagnostico vibroacustico (DV). Ya que una maquina de combustion interna

al estar constituida por diferentes subsistemas, tendra distintas fuentes de vibracion que

se debera tomar en cuenta al momento de intentar hacer una interpretacion del com-

portamiento del motor. La complejidad de esta dinamica consiste en la variacion para

cada instante de tiempo de la condicion de carga del ciguenal, dependiendo de la fase de

trabajo en que se encuentre cada cilindro [43].

Segun Hartog [44] dentro del fenomeno de las vibraciones en maquinas alternativas existen

particularmente dos que involucran interes practico:

• Las vibraciones transmitidas por el motor a su anclaje

• Las vibraciones del tipo torsional que presenta el ciguenal.

36

Siendo la principal fuente de vibracion de un motor de combustion interna el sistema de

piston-biela-ciguenal.

Por tal razon en este trabajo se propone el analisis de vibraciones en un motor de encendido

por compresion, con la intencion de detectar los diferentes fallos que se producen en la

combustion con un mal funcionamiento de apertura de la EGR, con base en las condiciones

de operacion del motor.

3.2 Vibraciones mecanicas

Toda maquina en su funcionamiento genera una senal de vibracion, que se pu-

ede considerar como el movimiento repetitivo de las masas alrededor de la posicion de

equilibrio. En los motores, las fuerzas que generan dicha vibracion son producto del

movimiento del sistema dinamico biela-piston-ciguenal, transmitiendo de esta manera in-

formacion sobre el estado de cada uno de sus componentes, la misma que variara si se

altera el funcionamiento de uno de sus componentes.

Para cuantificar la vibracion de la maquina se ejecuta una medicion que tendra que

ser realizada de forma discreta, es decir en la estructura del objeto de analisis y de

forma directa, teniendo en contacto el dispositivo de medicion o transductor con el equipo

generador de vibracion en este caso el motor.

Cabe recalcar que es importante definir la causa de la vibracion, es decir si el cuerpo vibra

debido a una perturbacion instantanea o si existen fuerzas perturbadoras que hacen vibrar

al sistema. Ademas se debe analizar criterios que estan relacionados con el movimiento

oscilatorio, ya que se puede tener una amplitud repetida despues de cierto intervalo de

tiempo con las mismas caracterısticas, ocasionando un movimiento periodico o por el

contrario que dicho movimiento genere una senal senoidal conocido como movimiento

armonico [45][46][47].

3.2.1 Caracterısticas de la vibracion

Estas fuerzas que cambian de direccion o de intensidad son estudiadas a partir

de las caracterısticas de la vibracion, las cuales permiten definir a una senal de vibracion

en su amplitud, frecuencia y fase para su observacion, que pueden ser analizadas en el

tiempo o en la frecuencia [48].

37

3.2.1.1 Amplitud

Refleja la gravedad del problema, indicando la intensidad de la vibracion y puede

ser expresada en unidades de desplazamiento, velocidad o aceleracion. Para medir la

amplitud se utiliza valores pico-pico en desplazamiento y valores pico o valor efectivo

(RMS) en velocidad y aceleracion; de los cuales el mas significativo es el valor RMS ya

que da un valor de amplitud relacionado de la intensidad o energıa de la vibracion teniendo

en cuenta vibraciones anteriores.

3.2.1.2 Frecuencia

Es la medida que indica el ritmo de la vibracion, dando a conocer la rapidez con

que se repite en la unidad tiempo, para lo cual emplea unidades como los Hertz (RPS) o

las revoluciones por minuto (RPM).

3.2.1.3 Fase

Generalmente es representada en grados y es la medida de tiempo de separacion

de dos senales sinusoidales de igual amplitud y periodo, es decir indica el desfase entre

ambas graficas.

3.2.2 Analisis de una senal de vibracion en su domino

Al estudiar una senal de vibracion se debe tomar en cuenta que el analisis se lo

puede realizar en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia. Cabe recalcar que

al obtener una senal de vibracion mediante la instrumentacion y equipo de adquisicion de

datos, esta se adquiere de forma primitiva en el dominio del tiempo en la cual se encuentra

plasmada toda la informacion de la maquina; es decir, se obtuvo una senal de vibracion

compleja equivalente a la suma de las vibraciones de todos sus componentes.

Al realizar un analisis en el dominio del tiempo se llega a un problema, pues las senales

poseen una forma compleja, ya que no permiten distinguir las senales caracterısticas de

los diferentes componentes, lo cual motiva a buscar otras formas para realizar el estudio.

El analisis de la senal de vibracion en el dominio de la frecuencia es una alternativa para

el estudio en cuestion, en la que se relaciona la amplitud con la frecuencia tomando el

nombre de espectro. En el analisis, la muestra pasa por una serie de filtros, obteniendo

38

de esta forma una serie de senales sinusoidales simples representadas en el eje x de la

frecuencia, lo cual se obtiene a partir de la Transformada Rapida de Fourier (FFT).

Figura 3.1: Descomposicion de la senal de vibracion. Fuente: [48].

3.2.3 Analisis matematico mediante la Transformada Rapida deFourier

En el analisis de un espectro de vibracion se requiere la transformacion de una

senal en el dominio del tiempo al dominio de frecuencia, lo cual como ya se lo ha mencio-

nado permitira identificar senales caracterısticas de los diferentes componentes del sistema,

es decir se representara la amplitud de las diferentes senales sinusoidales que lo conforman

como se puede apreciar en la figura 3.1.

Para el procesamiento de la senal, la Transformada Rapida de Fourier (FFT) emplea un

algoritmo computacional que requiere de (N log2 N) para transformar un bloque de N

datos en una salida equivalente a la aplicacion de un numero finito de filtros al registro

temporal discretizado, donde N es el numero de muestras discretas de un segmento. El

numero filtros que se apliquen a la senal equivale al numero de lıneas con que sera calculado

el espectro, en el cual se visualizara que la senal presenta cierta simetrıa respecto al eje

de las ordenadas en cada segmento, mostrando parte positiva y negativa; por tal motivo

se presentara unicamente la primera mitad, planteando que N/2 sera el numero de lıneas

que se representa en el espectro.

39

Figura 3.2: Aplicacion de la FFT-Dominio de frecuencia. Fuente: [46].

La afirmacion de que N/2 es el numero de lıneas del espectro se debe a la amenaza del

“efecto Aliasing”, en la cual se ven inmersa la frecuencia de muestreo y la frecuencia de

las muestras; pues si la frecuencia de las muestras es mayor a la de muestreo vamos a

tener como resultado dicho efecto, mientras que el problema desaparece si se incorpora un

filtro pasa-bajo en el cual la frecuencia de la senal sera menor a la mitad de la frecuencia

de muestreo, que es el objetivo del “criterio de Nyquis” [45][46][49].

Figura 3.3: Efecto Aliasing. Fuente: [45].

3.3 Instrumentacion y adquisicion de datos

Las vibraciones son un gran problema en la industria, ya que ocasionan serias

averıas y por ende elevadas perdidas de tiempo y dinero. Para su estudio se debe uti-

lizar instrumentos de medicion y analisis de vibraciones; los mismos que definiran las

oscilaciones que produce el sistema dinamico, para su posterior procesamiento de senal y

caracterizacion de la anomalıa presente en el sistema [50].

40

Para el procesamiento de las senales de vibraciones se empleara los siguientes instrumen-

tos:

• Equipo de excitacion

• Transductores de vibracion

• Sistema de acondicionamiento de senal y adquisicion de datos.

Figura 3.4: Sistema de monitoreo y control de vibraciones en computadoras a traves de unatarjeta de adquisicion de datos, acondicionamiento de senal y transductores. Fuente: LosAutores.

3.3.1 Equipo de excitacion

El equipo de excitacion o tambien llamado generador de vibraciones es la estruc-

tura a la cual se realizara el analisis de su comportamiento con respecto a su frecuencia

de trabajo. Los generadores de vibracion podran ser de tipo mecanico, hidraulico o elec-

trodinamico. El equipo generador de vibraciones empleado para el presente trabajo es

de tipo mecanico, pues la frecuencia de excitacion sera generado por el un movimiento

alternativo de biela y ciguenal, el mismo que dependera de las R.P.M. del motor.

3.3.2 Transductores de vibracion

Estos son los encargados de transformar la energıa mecanica en energıa electrica,

produciendo de esta manera una senal electrica que es una replica de la vibracion generada

en el equipo de excitacion, los cuales pueden tener de uno a tres ejes de medicion. Entre

los transductores mas comunes segun el principio de funcionamiento tenemos:

• Transductor Magnetico (Desplazamiento)

41

• Transductor Electrodinamico (Velocidad)

• Transductor Piezoelectrico (Aceleracion)

Existen caracterısticas propias de los transductores a tomar a consideracion al momento

de seleccionar uno de estos, tales como:

• Sensibilidad, pues es la relacion entre la magnitud de la senal generada por el trans-

ductor y la magnitud de la vibracion, es decir, se refiere al efecto que una fuerza

ortogonal puede ejercer sobre la fuerza que se esta midiendo.

• Precision, representa el porcentaje de error permisible en la medicion, lo cual permite

deducir el rango de frecuencias a las cuales las mediciones seran confiables.

• Condiciones ambientales, hace referencia a las variables que el transductor debe ser

capaz de manejar como la temperatura de operacion y fuerza maxima de vibracion.

Para el presente estudio se ha empleado un acelerometro piezoelectrico, el cual es un

transductor estandar utilizado en medicion de vibraciones y ademas presenta las siguientes

ventajas al compararlo con otros tipos de transductores:

• Elevado rango de medicion, bajo ruido de salida

• Excelente linealidad en todo su rango dinamico

• Amplio rango de frecuencia

• Tamano compacto

• No lleva partes moviles

• Autogeneracion (No requiere de alimentacion externa)

• Se puede integrar la senal para obtener velocidad y desplazamiento [51].

En el interior del acelerometro, la base del sensor se encuentra en contacto con el cristal

piezoelectrico y a continuacion esta ubicada la masa sısmica, la misma que se sujetada a

la base con un perno axial, que se apoya en un resorte circular. En el momento que el

transductor es sometido a vibraciones, en el elemento piezoelectrico se genera una carga

electrica entre su superficie proporcional a la fuerza aplicada [45][46][50].

42

Figura 3.5: Estructura interna del acelerometro piezoelectrico. Fuente: [45].

Tabla 3.1: Especificaciones del acelerometro. Fuente: [49].

ESPECIFICACIONES TECNCASDescripcion CaracterısticasEjes 1Marca ACSModelo 3411LNSensibilidad [mV/g] 100Grado de Proteccion IP 67Rango [Hz] 0,5 - 15000Temperatura de Almacenaje [oC] -50 - 121Fuente de Alimentacion [V] 18 - 30Ensamble fabricado de acero inoxidableDisenado a prueba de agua

3.3.3 Sistema de acondicionamiento de senal y adquisicion dedatos

Una vez que los transductores adquieran la senal de vibracion, esta es acondi-

cionada a niveles de tension que pueda ser interpretada por el equipo de adquisicion de

datos, maximizando la precision y eliminando senales indeseadas; para lo cual emplea un

circuito electrico que amplifica la senal proveniente de la vibracion a un nivel de voltaje

requerido, para posteriormente digitalizar la senal en el sistema de adquisicion de datos a

traves de un muestreo discreto, que puede ser mediante el dominio del tiempo o mediante

el dominio de la frecuencia [49][50].

Para el estudio de las senales de vibracion se empleara el analisis en el dominio de la frecu-

encia, pues posee la ventaja de permitir separar e identificar los componentes armonicos

que lo conforman, observando su magnitud y la gravedad que representa en el equipo de

excitacion.

43

Figura 3.6: Composicion de la senal de vibracion de acuerdo a las composiciones espectrales.Fuente: [49].

3.4 Normativa de vibraciones en motores de com-

bustion

El proposito que tiene el analisis de vibraciones en maquinas es el poder descubrir

con suficiente anterioridad un aviso, el cual permita encontrar y analizar las causas de

manera que se pueda resolver el problema ocasionando el paro lo menos traumatico posible

en la maquina. Es por ello la gran importancia de conocer la severidad de estas, siendo

la amplitud el valor que expresa la gravedad de la anomalıa. El problema esta en lo

difıcil de establecer los valores lımites de vibracion que detecten un fallo, es por ello el

papel fundamental que poseen las diferentes normativas de maquinas tanto alternativas

y rotativas [51].

En la actualidad existen diversas organizaciones en el ambito internacional destinadas a

establecer los parametros para la estandarizacion de maquinas reciprocantes en lo concer-

niente a evaluar los niveles permisibles de vibracion que se producen las mismas. Cabe

resaltar que la mayor aceptacion y acogida que tienen en la actualidad son dos de ellas,

siendo estas la International Standard Organization (ISO) y la British & International

Standard (BS). De todas las normas emitidas se tomo una de particular interes para la

realizacion de este proyecto de investigacion siendo esta la norma ISO 10816-6:1995 Vi-

braciones mecanicas - Evaluacion de la maquina de vibraciones mediante mediciones en

piezas no rotativas - parte 6: Maquinas reciprocantes con potencias superiores a 100kW

o su equivalente BS 7854-6:1996 que contienen la estandarizacion de maquinas con movi-

mientos alternativos.

44

3.4.1 Parametros para la medida de vibracion en maquinas re-ciprocantes

La norma ISO 10816-6 es aplicable a maquinas de pistones reciprocantes mon-

tadas en apoyos rıgidos o elasticos, y con potencia superiores a 100 kW y hasta una

velocidad de 3000 rpm. [52]. La medicion de la severidad en este tipo de maquinas

engloba las mediciones de valores promedios en los que se debera tomar en cuenta los

parametros cinematicos de desplazamiento, velocidad y aceleracion en un rango de fre-

cuencia de 2 a 100 Hz. El sistema de medicion preferido en esta norma debe proveer los

valores promedios de RMS de los parametros cinematicos de desplazamiento, velocidad y

aceleracion con una precision de 10% para el rango de 10 a 1000 Hz y una precision de

+10 -20% en el rango de 2 a 10 Hz [48].

3.4.2 Instruciones para la medida de vibraciones en maquinasreciprocantes

Para certificar que las mediciones obtenidas de vibracion y las comparaciones

entre maquinas sean de una manera mas congruente, las posiciones y direcciones de me-

dicion de la vibracion se han estandarizado, a continuacion se presenta en la tabla 3.1 la

nomenclatura de mediciones.

Tabla 3.2: Nomenclatura de mediciones. Fuente: [52].

Nomenclatura de las direcciones y puntos de medidaLado de Medida R Mano izquierda de frente al acople

L Mano derecha de frente al acople1 Borde inferior de la bancada

Niveles de Medida 2 Nivel del ciguenal3 Borde superior de la bancada

Puntos de Medida 1 Lado Acoplerelacionados a la longitud 2 Mitad de la maquina

de la maquina 3 Lado libre

A continuacion se presenta en la figura 3.1 los puntos y direcciones de medida para un

motor de encendido por compresion.

45

Figura 3.7: Puntos y direcciones de medida en motores de encendido por compresion. Fuente:[52].

El motor para la realizacion del experimento se trata de un Hyundai Santa Fe 2.0 con cilin-

dros en lınea vertical (Figura 3.7 parte izquierda), por tal razon conociendo la normativa

sobre la ubicacion que rige a los motores alternativos, se procede a ubicar el acelerometro

en las siguientes posiciones:

Tabla 3.3: Direccion y puntos de medida. Fuente: Los Autores.

Direccion y puntos de medidaLado de Medida L Mano izquierda de frente al acople

Niveles de Medida 3 Borde superior de la bancadaPuntos de Medida relacionados a

la longitud de la maquina1 Lado Acople

3.4.3 Criterio de severidad de vibracion

La norma ISO 10816-6 establece los valores permisibles de vibracion para una

maquina reciprocante, estos se pueden visualizar en la tabla 1 del anexo A. Esta severi-

dad esta definida al mayor valor del RMS de las amplitudes de la velocidad de vibracion

obtenida en la banda de frecuencia de 10 a 1000 Hz y medidos en unos puntos preesta-

blecidos de la estructura.

Los valores de vibracion de maquinas de pistones reciprocantes son no solamente afectadas

por las propiedades de las maquinas, si no en gran medida por su cimentacion. Debido

a que una maquina reciprocante puede actuar como generador de vibracion. Por eso, la

respuesta de vibracion de la cimentacion puede tener un efecto considerable en la vibracion

46

de la maquina misma (depende de la transmisibilidad del entorno), y debe ser tenida en

cuenta en la clasificacion de la maquina [53].

3.5 Procesamiento digital de senales

Al proceder a realizar una medicion de una cantidad fısica que varıa con el ti-

empo, espacio o variables independientes el resultado de esta sera una senal que refleja la

informacion que se desea extraer o modificar conforme a las exigencias que se requiere en

la aplicacion deseada. Este tipo de senales son representadas por funciones matematicas

de una o mas variables independientes, siendo la mas comun el tiempo.

Tabla 3.4: Caracterısticas de las senales. Fuente: [54].

Caracterısticas ValoresNumero de variables Una variable Multiples varianlesDimensionalidad Escalar Vectorial (multicanal)Variables independientes Discretas ContinuasValores de la Senal Discretos ContinuosNaturaleza Estadıstica Deterministas Aleatorias

El procesamiento digital de senales de vibracion (Digital Signal Processing o DSP), para

el diagnostico de fallos, derivadas de diversos procesos fısicos se convierte hoy en dıa en

una alternativa superior comparada con el procesamiento analogico, en esta preferencia

se encuentra la modularidad en la programacion de funciones, versatilidad en la creacion

y modificacion de algoritmos, adaptacion a diferentes plataformas de procesamiento [43],

ademas de esto esta metodologıa dependera de los equipos e implementacion disponible,

la cual se concentrara en la representacion, transformacion y manipulacion de senales y

de la informacion que estas contengan.

Figura 3.8: Diagrama de bloques para una ruta de senal tıpica en un instrumento de medicion.Fuente: [55].

EL DSP se puede abordar a partir de dos contextos: el tradicional y el academico e in-

vestigativo. Siendo el primero de estos a utilizarse en el presente trabajo de investigacion,

este tipo metodo se base en el analisis de la senal en el dominio del tiempo y frecuen-

cia, siendo este ultimo el mas relevante debido a una suma de sinusoides con diferentes

frecuencias y amplitudes. Para adquirir el espectro de la senal de vibracion, se utiliza

47

la Transformada rapida de Fourier (FFT) a partir de la senal adquirida mediante del

transductor empleado, en nuestro caso un acelerometro (Figura 3.9), para ello el analista

procede a observar los picos correspondientes con la velocidad de giro y sus armonicos,

con el fin de determinar el estado de funcionamiento de la maquina, segun la amplitud,

comparando con los registros anteriores (espectros patrones figura 3.10) y tomando como

punto de referencia las normas ISO o cartas espectrales, en las cuales se consideran los

valores de vibracion permisibles.

Figura 3.9: Senal de forma de onda de tiempo en forma analogica desde un acelerometro.Fuente: [56].

Existe un numero de parametros de configuracion que se debe tomar en cuenta durante

el proceso de FFT:

• Lıneas de resolucion

• Frecuencia Maxima

• Tipo de promediado

• Numero de promedios

• Tipo de ventana

48

Figura 3.10: Senal de forma de onda de tiempo en forma analogica desde un acelerometro.Fuente: [56].

Dentro del DSP existen una serie de limitaciones que se deberan tomar en cuenta al

momento de realizar el procesamiento de una senal digital para su respectivo analisis, como

por ejemplo, filtros de paso bajo que posibiliten eliminar cualquier frecuencia alta, filtros

paso alto que posibiliten eliminar la DC y el ruido de baja frecuencia, las caracterısticas

del transductor a utilizar ya que limitara eficaces frecuencias mas bajas y mas altas, ası

como tambien una frecuencia de resonancia inherente que magnifica las senales en el punto

deseado [55][57][58][59].

3.6 Analisis de la transmisibilidad

En el analisis de vibraciones es importante eliminar o aislar las fuerzas transmi-

tidas Ft que se introducen a la fuerza excitadora fo en el sistema, por tal motivo se ha

considerado el analisis de la transmisibilidad (Tr). Para determinar que el aislamiento es

factible se requiere que a partir de la siguiente ecuacion la transmisibilidad sea ¡ 1, lo cual

obliga a que la frecuencia de excitacion $ sea por lo menos√

2 veces la frecuencia natural

del sistema ω.

Tr =Ft

fo= D

√1 + 2ξβ (3.1)

En [49] para disminuir a transmisibilidad al sistema se emplea un elastomero, teniendo a

consideracion que un amortiguamiento debil trabaja cerca de resonancia, por tal motivo

49

se ha empleado un coeficiente de amortiguacion del elastomero tal que no produzca un

desplazamiento hacia el motor. El aislamiento se hace con el elastomero o antivibratorio

de caucho en dos secciones superpuestas en los extremos de un elemento de madera [60].

Figura 3.11: Diseno de base para aislamiento de la vibracion. Fuente: [49].

El analisis se presenta en [49], en la cual se puede apreciar que se realizo una simulacion

en SolidWorks obteniendo una deformacion de 0.000267907mm, mientras que en el diseno

experimental de ANOVA de un factor, utilizando el software SPSS, realizando el analisis a

partir de seis muestras se obtuvo 0.0000257mm, con lo que se concluye que las vibraciones

del exterior han sido aisladas y que se pueden realizar los ensayos.

Figura 3.12: Modelado de la deformacion del elemento antivibratorio. Fuente: [49].

50

3.7 Diseno de experimento

Plantear estadısticamente un experimento, con lleva a realizar una prueba o una

sucesion de pruebas, examinando las variables o factores explicativos que poseen mayor

influencia en el ensayo a realizar. Un diseno experimental (DOE) es un metodo en el cual

se aplica metodicamente la estadıstica al proceso de experimentacion [61] realizando un

conjunto de pruebas en las cuales se procedera a realizar cambios voluntarios o delibera-

dos (niveles) a los parametros o factores de control del sistema, con el fin de visualizar

e identificar las razones de los cambios que se producen en la variable de salida [62], si-

endo su objetivo primordial conseguir un mejor rendimiento de un proceso, reduciendo su

inestabilidad o los costos de produccion.

Figura 3.13: Esquema del proceso de un diseno de experimento. Fuente: [63].

El DOE es un proceso altamente efectivo para aquellos procesos, en que su rendimiento

se ve afectado por varios factores. Como afirma Deming [64] no hay conocimiento que

pueda contribuir tanto a mejorar la calidad, la productividad y la competitividad como

el de los metodos estadısticos. A continuacion se presenta las diferentes etapas a seguir

para proceder a la realizacion de un DOE.

51

Figura 3.14: Etapas para la realizacion de un DOE. Fuente: [63].

3.7.1 Eleccion del diseno experimental

3.7.1.1 Superficie de Respuesta

En la presente investigacion el modelo a realizar de diseno del experimento es a

traves del metodo de superficie de respuesta, la cual permitira inspeccionar de manera

visual el resultado promedio para cierta region de los niveles de los factores y ası evaluar

su sensibilidad a dicho factores. Esta tecnica es proporcionar valores razonables de la

variable de respuesta y, posteriormente elegir el modelo matematico que mejor se ajuste a

los datos obtenidos, estableciendo finalmente los valores de los factores que optimizan el

valor de la variable respuesta. En este tipo de modelo experimental tiene que haber por lo

menos tres niveles para cada variable independiente (nivel inferior, intermedio, superior).

Una vez definidas las variables y sus rangos se procede al propio diseno de experimentos.

El diseno de experimentos no es mas que la planificacion ordenada y coherente de los

ensayos a realizar.

Para reducir la cantidad de ensayos experimentales, se empleo el diseno de superficie de

Box-Behnken, con el fin de obtener la maxima informacion razonablemente posible. Este

es un diseno cuadratico independiente que no posee un diseno factorial. A diferencia con

otros sistemas este emplea solo tres niveles para cada factor. Las combinaciones de los

niveles de los factores estan en los puntos centrales del axis del espacio de diseno y en

el centro [65]. Su algoritmo de generacion de experimentos consiste en plantear disenos

factoriales completos a dos niveles, es decir tomando el nivel alto y el bajo, entre parejas

de variables, manteniendo el resto de variables en su nivel intermedio. Ademas se realizan

52

tres replicas del punto central (con todas las variables en nivel intermedio). En la figura

3.15 se muestra un esquema de la generacion de experimentos en un diseno Box-Behnken

con tres variables [66].

Figura 3.15: Representacion del diseno de Box-Behnken para tres factores. Fuente: [66].

El diseno de Box-Behnken se construye con:

• Puntos centrales los cuales sirven para examinar la presencia de curvatura, dar infor-

macion acerca de los efectos cuadraticos y proporcionar una estima de la magnitud

del error experimental.

• Puntos sobre la superficie, de igual distancia del punto central.

Los puntos se generan escogiendo dos factores y alterando en forma completa sus niveles.

Dicha metodologıa se emplea para todos los pares de valores posibles, los puntos del diseno

se localizaran en la mitad de las aristas del cubo centrado de origen, lo cual permitira que

se obtenga valores mas pequenos que en un diseno factorial 32.

En el Anexo B se puede visualizar el diseno de Box-Behnken en el cual consta la tabla

de diseno que se siguio para poder obtener las diferentes muestras en donde se podra

observar que se toma una replicas de 3 muestras, una corrida de base 15, es decir un total

de corridas de 45 y un total de bloques de 1. Siendo A el porcentaje de apertura de EGR,

B las RPM y finalmente C la restriccion de paso a los gases de escape.

Cabe recalcar que el muestreo no se lo realizo en forma aleatoria, por el simple hecho que

existıa el problema de desmontar y montar el factor de restriccion de la salida de gases de

escape, esto con el fin de facilitar la toma de datos. A continuacion se presenta el orden

en el cual se procedio a obtener las muestras.

53

Tabla 3.5: Orden para la obtencion de muestras. Fuente: Los Autores.

Numero deMuestra

EGR(% DE APERTURA)

RPM(# DE REVOLUCIONES

POR MINUTO)

AREA DE

RESTRICCIONDE ESCAPE

1 0 1660 18,095572 100 1660 18,095573 50 820 18,095574 50 2500 18,095575 0 1660 18,095576 100 1660 18,095577 50 820 18,095578 50 2500 18,095579 0 1660 18,0955710 100 1660 18,0955711 50 820 18,0955712 50 2500 18,0955713 0 820 9,44047914 100 820 9,44047915 0 2500 9,44047916 100 2500 9,44047917 50 1660 9,44047918 50 1660 9,44047919 50 1660 9,44047920 0 820 9,44047921 100 820 9,44047922 0 2500 9,44047923 100 2500 9,44047924 50 1660 9,44047925 50 1660 9,44047926 50 1660 9,44047927 0 820 9,44047928 100 820 9,44047929 0 2500 9,44047930 100 2500 9,44047931 50 1660 9,44047932 50 1660 9,44047933 50 1660 9,44047934 0 1660 0,7853935 100 1660 0,7853936 50 820 0,7853937 50 2500 0,7853938 0 1660 0,7853939 100 1660 0,7853940 50 820 0,7853941 50 2500 0,7853942 0 1660 0,7853943 100 1660 0,7853944 50 820 0,7853945 50 2500 0,78539

54

3.7.2 Reconocimiento del problema

Los diferentes problemas en la combustion que trae consigo un mal funcionami-

ento de la valvula EGR produciendo un aumento de emisiones de gases contaminantes que

afecta al medio ambiente, ademas de pronosticar diferentes fallos provenientes con una

erronea apertura de la valvula de recirculacion de gases de escape con el fin de prevenir

alguna anomalıa en el motor a traves del analisis de vibraciones.

3.7.3 Variable de respuesta

Es la caracterıstica del resultado cuyo valor concierne a mejorar mediante el diseno

de experimento, en este caso la respuesta es el porcentaje de partıculas contaminantes, lo

que se desea es obtener una reduccion de las emisiones de gases de escape y ası aprovechar

de mejorar manera la recirculacion de gases de escape para que se produzca una mejor

combustion. Ademas de esta variable a obtener se presenta otra alternativa mediante

la visualizacion del espectro en tiempo y frecuencia, este tipo de variable es una senal

obtenida mediante el acelerometro.

3.7.4 Variables controlables

Un factor es aquella variable de interes en el diseno cuyo posible efecto sobre la

variable de respuesta se quiere estudiar, dentro de cada factor pueden existir diferentes

niveles, siendo estos los tipos, valores o grados especıficos del factor que se tiene en cuenta

en la ejecucion del experimento.

3.7.4.1 Factores y Niveles

A continuacion se presenta cada uno de los diferentes factores que seran contro-

lados, estas variables de proceso se pueden fijar en un punto o en un nivel de operacion,

siendo estos niveles 3 por cada factor.

Tabla 3.6: Factores y Niveles del diseno de experimento. Fuente: Los Autores.

Factores Niveles UnidadesBajo Medio Alto

% de apertura de EGR 0 50 100 %# de RPM 820 1660 2500 RPM

φ Restriccion de Escape 1 3 5 cm

55

Porcentaje de apertura de la valvula EGR

El principal factor para la ejecucion del experimento es el porcentaje de apertura de la

valvula de recirculacion de gases de escape, cuyo niveles se presentaran a continuacion,

lo que se desea es provocar erroneas aperturas a diferentes revoluciones del motor, con

el fin de provocar un equivocado funcionamiento de la valvula y visualizar las diferentes

partıculas contaminantes que son eliminadas al ambiente.

• Nivel Bajo: Porcentaje de apertura 0%

• Nivel Intermedio: Porcentaje de apertura 50%

• Nivel Alto: Porcentaje de apertura 100%

Regimen de giro del motor

Los diferentes niveles regımenes del motor han sido tomados en cuenta de acuerdo a la

norma INEN 2 202 2000 -“Gestion ambiental. Aire. Vehıculos automotores. Determi-

nacion de la opacidad de emisiones de escape de motores de diesel mediante la prueba

estatica. Metodo de aceleracion libre” [67]. El metodo planteado en la norma se obtiene

los niveles que son presentados a continuacion:

• Nivel Bajo: 820 RPM

• Nivel Intermedio: 1660 RPM

• Nivel Alto: 2500 RPM

Restriccion del diametro de escape

Lo que concierne a la restriccion de gases de escape, es simular de una u otra manera la

obstruccion de la salida de los gases combustionados, ya sea por la retencion de partıculas

contaminantes o por algun elemento que impide la salida de los mismos, provocando que

parte de estos vuelvan a reingresar.

• Nivel Bajo: Diametro de escape 1 cm

• Nivel Intermedio: Diametro de escape 3 cm

• Nivel Alto: Diametro de escape 5 cm

A continuacion en la figura 3.16 se puede observar la representacion del factor de res-

triccion de la salida de gases de escape.

56

Figura 3.16: Esquema del factor restriccion de la salida de gases de escape. Fuente: LosAutores.

3.7.5 Variables de bloqueo

Existen variables que no se pueden controlar durante la operacion normal de

proceso, en la tabla 3.6 se presentan las principales variables no controlables que de una

u otra manera influiran en el desarrollo del presente proyecto de investigacion.

Tabla 3.7: Variables de bloqueo del diseno de experimento. Fuente: Los Autores.

Factores Valor UnidadesTemperatura del refrigerante 87 a 93 oCCarga externa al motor 0 %Temperatura Aire 19 a 25 oCHumedad relativa 60 a 90 %

3.8 Procedimiento para la obtencion y visualizacion

del espectro de frecuencia

A continuacion se presenta un procedimiento en el cual se basara el desarrollo de

este proyecto de investigacion, el cual empieza a partir de un diseno de experimento de

superficie de respuesta con el fin de obtener el espectro de frecuencia con los diferentes

factores y niveles que se proponen en el apartado 3.8 de esta investigacion, los cuales

influiran de cierta manera y posibilitara observar e identificar los cambios que se han

producido en la variable de salida. Finalmente se procedera a analizar cada uno de

los espectros obtenidos con los valores permisibles o espectros patrones obtenidos en un

principio con el funcionamiento optimo del motor para ası poder caracterizar cada uno

de los espectros con los fallos que se generaran.

57

Figura 3.17: Procedimiento a seguir para la obtencion del experimento y los espectros defrecuencia. Fuente: Los Autores.

3.9 Descripcion de las caracterısticas del motor y

condiciones del medio

3.9.1 Caracterısticas del motor

Las caracterısticas del motor Hyundai Santa Fe 2.0 se puede visualizar en la Tabla

2.2, la cual consta con todas las especificaciones del mismo.

3.9.2 Condiciones del medio en ejecucion del muestreo

Tomando a consideracion que el medio en que se ejecuta el muestreo es de gran

importancia, se ha tomado en consideracion los principales factores que de una u otra

manera influiran o no en los resultados del experimento. A continuacion se presentan en

la tabla 3.7.

58

Tabla 3.8: Condiciones del medio en ejecucion del muestreo. Fuente: Los Autores.

Factores Valor UnidadesTemperatura del refrigerante 87 a 93 oCTemperatura Ambiente 19 a 25 oCHumedad relativa 60 a 90 %Presion Atmosferica 103 a 104 hPa

3.9.3 Ambiente para la obtencion del espectro

Una camara semianecoica fue el lugar de medicion en el cual se realizaron todas

las muestras del experimento, este tipo de camara es acustica, la cual aısla y absorbe en

su totalidad las reflexiones producidas por ondas acusticas, provocadas por una fuente de

energıa que se encuentra en su interior, en este caso el motor de combustion interna.

El principal factor por el que se procedio a realizar las mediciones en este ambiente es que

se procedera ejecutar pruebas simultaneas de vibracion, ruido y termografıa, esto con el

fin de visualizar y analizar cada uno de estas y tener una base de datos del mismo fallo

pero con diferentes metodos de mantenimiento predictivo. Posteriormente se realizaran

trabajos futuros con las dos tecnicas mencionadas, ruido y termografıa.

Figura 3.18: Equipo de excitacion en camara semianecoica. Fuente: Los Autores.

3.10 Parametros de operacion de la EGR

Se procedio a obtener los diferentes valores de desplazamiento en funcion de la

presion que supuestamente se generaba en el tarado de la valvula de recirculacion de gases

de escape, esto con el fin de poder obtener el porcentaje de apertura de la misma. Para

lo cual se utilizo una pistola de vacıo conectada con la valvula EGR.

59

Figura 3.19: Medicion de la presion para la apertura de la EGR mediante pistola de vacıo.Fuente: Los Autores.

Los valores obtenidos de la prueba de vacıo que se realizo en la valvula de recirculacion

de gases de escape pueden visualizarse en la tabla 3.8. La cual consta con los valores de

desplazamiento y el voltaje conseguido en cada porcentaje de presion.

Tabla 3.9: Parametros de operacion de la valvula de recirculacion de gases de escape. textbf-Fuente: Los Autores

Presion (in Hg) Desplazamiento (cm) Voltaje (V)5 0 4.38 0 4,310 0,07 4,01212 0,2 3,7514 0,49 3,3716 0,72 2,8618 0,85 2,419 0,96 2,2320 1 2,08

Se puede apreciar que el comportamiento del diagrama de la figura 3.20 se da manera

lineal en relacion al desplazamiento con el voltaje de la valvula, por lo que coincide con

la forma de variacion que se deseaba obtener (lınea entrecortada).

60

y = -2,114x + 4,2635R² = 0,9897

0

1

2

3

4

5

0 0,5 1 1,5

vOLT

AJE

(V

)

DESPLZAMIENTO (cm)

Desplazamiento vs Voltaje

Desplazamientovs Voltaje

Lineal

Figura 3.20: Diagrama lineal entre desplazamiento y voltaje en relacion a la presion de laEGR. Fuente: Los Autores.

Para poder activar la valvula de recirculacion de gases de escape con el motor en funci-

onamiento se procedio a comandar la electrovalvula, la misma que funciona a traves de

un ancho de pulso para lo cual se empleaba el simulink de MATLAB R© en conjunto con

el Arduino.

Figura 3.21: Diagrama de activacion de la EGR. Fuente: Los Autores.

3.11 Adquisicion de datos y digitalizacion de senales

Para la adquisicion de los datos de muestreo se comenzo por establecer los dife-

rentes valores de frecuencia de muestreo, en canal se iba a trabajar ya sea en vibracion o

en ruido.

61

Figura 3.22: Canales para la adquisicion de Datos A1 (Acelerometro), A2 (Microfono), A3(Knock Sensor). Fuente: Los Autores.

Ası mismo se calibro la sensibilidad del acelerometro, y se tomo en cuenta el trigger

(tacometro) con la finalidad de que el inicio de la toma de muestra coincida tanto en la

senal de vibracion como en la de ruido.

Figura 3.23: Frecuencia Maxima de muestreo y sensibilidad de los canales A1, A2, A3. Fuente:Los Autores.

Cada uno de los archivos grabados posteriormente se los exporto a wav esto con el objetivo

de que se pueda aplicar la FFT mediante el MATLAB R© y ası poder apreciar cada espectro.

62

Cabe recalcar que ademas de obtener cada una de las senales de vibracion y ruido se

procedio a visualizar el porcentaje de P (particulado de carbono) y k (constante de opa-

cidad) en el medidor de partıculas en cada una de las pruebas que se planteo en el diseno

de Box-Behnken, para posteriormente poder calcular el valor de la opacidad (Anexo C).

Otro dato que se pudo obtener en la ejecucion de cada una de las pruebas es el cambio

que se observo en el flujo masico ası como la presion en el colector de admision. Todos

estos valores se los visualizo en el Scanner VCI CARMAN SCAN R©.

Como ya se lo ha mencionado con anterioridad, el equipo de analisis proporciona una

senal en el dominio del tiempo que debera ser transformada al dominio de la frecuencia;

para lo cual se empleara la FFT mediante el uso del software MATLAB R©. El paso de

la senal a traves de filtros de la interfaz del software ya mencionado permite obtener las

caracterısticas que definen a la senal, como:

• Media

• Varianza

• Desviacion STD

• Mediana

• Maximo

• Minimo

• Potencia

• Energıa

• Factor de Curtosis

• Asimetrıa

• Valor RMS

• Factor de cresta

63

Figura 3.24: Caracterizacion de senales, espectro y filtro GIIT. Fuente: Los Autores.

Posteriormente cada uno de estos datos obtenidos por los espectros a diferentes experi-

mentos, seran la base de la informacion para proceder a analizar y validar estadısticamente

cada uno de los fallos concernientes a la interaccion de los factores ya mencionados.

64

4 CARACTERIZACION DE FALLOS

CONFORME A LAS MUESTRAS DEL

DISENO EXPERIMENTAL Y VALIDACION

DE DATOS MEDIANTE EL USO DEL

MINITAB R©

4.1 Influencia de la valvula de recirculacion de gases

de escape en un motor CRDi

Como criterio empırico se puede llegar a la conclusion que ciertos son los por-

centajes de severidad que varıan de acuerdo a los componentes que normalmente alteran

de una u otra forma el comportamiento del motor, en este caso entre un 10% para cir-

cuitos integrados, 30% sensores y elementos de regulacion y un 60% las conexiones entre

componentes con el exterior [27].

Entonces, a partir de lo anteriormente mencionado y agregando lo citado en el capıtulo

2 concerniente a los problemas de la valvula EGR en la combustion, se le da un enfoque

diferente al sistema de recirculacion de gases de escape, ya que es el principal inconveni-

ente (tabla 4.1) que interviene de manera significativa en el rendimiento del motor, cuyo

porcentaje de estimacion de fallo es del 60% [49].

Lo que repercute en gran medida con la provocacion de este fallo se resumen en la falta de

potencia y el exceso de emisiones contaminantes, claro esta que el principal inconveniente

es el no someterle a carga al motor en estudio.

65

Tabla 4.1: Matriz de Fallos para el sistema de recirculacion de gases de escape. Fuente: [49].

Posible causa de falloen un motor CRDi

Falt

ade

pote

nci

a

Em

anaci

on

de

exce

sode

hum

o

Pre

senci

ade

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oazu

l-

bla

nco

Vib

raci

ones

en

rale

ntı

Mala

ace

lera

cion

Moto

rse

ace

lera

de

manera

esp

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nea

Fals

as

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siones

en

el

moto

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El

moto

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ete

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lafa

sede

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nta

mie

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El

moto

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voca

tiro

nes

El

moto

rexp

eri

menta

para

das

inte

rmit

ente

s

Estimaciondel fallo

Sistema de recirculacionde gases de escape

Si Si Si - - - - Si Si Si 60%

4.2 Determinacion de espectros patrones.

4.2.1 Parametros de Funcionamiento

A continuacion se presenta cada uno de los parametros de funcionamiento del

motor a un diferente regimen de revoluciones, los cuales se los puede observar en la tabla

4.2. Se tomo estos principalmente por la relacion que tienen directamente con la valvula

de recirculacion de gases de escape.

Tabla 4.2: Parametros de funcionamiento a diferentes regımenes del motor. Fuente: LosAutores.

Parametros deFuncionamiento

Regimen del Motor Hyundai Santa Fe 2.0. Unidad

Ralentı Media Carga Plena CargaMasa de Flujo de aire 28.7 68.5 117.9 kg/hTemperatura Aire 30.2 28 27.1 oCSensor Posicion Acelerador 0 10.3 17.1 %Temperatura Refrigerante 90.5 91.8 93 oCVelocidad del Motor 820 1658 2500 RPMSensor Presion Servo 73 77 84 kPa

66

4.2.2 Espectro patron a ralentı (820 rpm)

Tomando en cuando los parametros de funcionamiento a cada regimen de revolu-

ciones del motor y registrando en un transcurso de tiempo de 5 segundos la senal captada

desde el acelerometro hacia el ADASH R©, a cada una de las muestras bases (formato .wav)

del experimento se les aplico la FFT, esto con el fin de poder visualizar el espectro de

vibracion y proceder a caracterizar cada uno de estos como patrones o modelos originales

de una senal del motor en optimo funcionamiento del motor, ademas de comparar y ana-

lizar con los espectros de los factores controlables que influyen de manera insipiente en el

rendimiento del mismo.

Cabe recalcar que para obtener la muestra patron a los diferentes regımenes de revolucio-

nes se grabo 6 registros de audio en el formato .wav con las caracterısticas ya mencionadas

en la tabla 4.2. A partir de estas muestras se procedio a obtener la media aritmetica de la

potencia del espectro temporal1 en el dominio del tiempo, la cual se puede visualizar en la

tabla 4.3. (Pot. Intervalo frecuencia). Esta potencia de senal registrada es inversamente

proporcional al rendimiento del motor.

La banda de analisis que se aplico a cada espectro es la de una ventana Hanning a 200

Hz, ya que a esta frecuencia se generan los fallos mecanicos que seran percibidos en el

espectro.

Figura 4.1: Espectro patron a ralentı, 820 RPM. Fuente: Los Autores.

1Es la cantidad de trabajo efectuado en la vibracion de un MCI en un intervalo de tiempo determinado.

67

4.2.3 Espectro patron a media carga (1660 rpm).

Al igual que la muestra patron a ralentı se registro 6 muestras de audio en formato

.wav de las cuales aplicando la media aritmetica de la potencia se llego a que la muestra

patron a 1660 RPM es la que se presenta en la figura 4.2 cuyo valor de la potencia en el

intervalo de frecuencia de 0 a 200 Hz es de 2, 3841e−08. Esta media influye directamente

en el proceso de seleccion de la muestra patron, ya que existen variaciones en el valor de

potencia espectral en algunas muestras registradas.

Figura 4.2: Espectro patron a media carga, 1660 RPM. Fuente: Los Autores.

4.2.4 Espectro patron plena carga (2500 rpm).

Esta muestra patron difiere un una muestra con las anteriores, siendo esta un

total de 5 registros de audio, y al igual que las demas muestras patrones se obtuve la

media aritmetica de la potencia de la senal de audio, siendo esta de 1,3634e−07.

A partir de la obtencion del espectro patron a cada regimen de revoluciones se establecio

los armonicos correspondientes en cada frecuencia (1x, 2x, 3x, 4x), siendo los dos primeros

los mas importantes y de gran importancia en este caso de estudio, los cuales describen

la frecuencia de revolucion del motor a una determinada velocidad angular (motor sin

carga), mientras que el segundo armonico 2x identifica el proceso de combustion que se

produce cada segunda revolucion del ciguenal en cada uno de los cuatro cilindros.

68

Figura 4.3: Espectro patron a plena carga, 2500 RPM. Fuente: Los Autores.

Ademas de caracterizar cada espectro patron de acuerdo a los parametros y condiciones de

un optimo funcionamiento se procedio a obtener los diferentes valores particulares de cada

uno de ellos, los cuales se los podra visualizar en la tabla 4.3. Estos valores y espectros

patrones seran el punto de partida para proceder a comparar y analizar cuales son los

espectros de los factores que afectan significativamente en el rendimiento del motor.

Tabla 4.3: Parametros de funcionamiento a diferentes regımenes del motor. Fuente: LosAutores.

Caracterısticas Regimen del Motor Hyundai Santa Fe 2.0.820 RPM 1660 RPM 2500 RPM

Media 9,14952E-08 -6,17281E-08 -4,02438E-06Varianza 1,72008E-05 4,59498E-05 0,000561974Desviacion std. 0,004147385 0,006778626 0,023705985Mediana 8,46386E-06 1,90735E-05 2,6226E-05Maximo 0,04637444 0,044515491 0,346580267Mınimo -0,044338465 -0,047866702 -0,359199762Potencia 1,72008E-05 4,59496E-05 0,000561972Energıa 5,636342603 15,05677401 184,1469913Factor de Curtosis 12,94315247 4,639301649 17,13182769Asimetrıa -0,046318013 -0,014062861 -0,002208239Valor RMS 0,004147379 0,006778615 0,023705949Factor de Cresta 11,18162584 6,56704761 14,61997014Pot. Intervalo Frecuencia 5,20234E-09 2,38415E-08 1,36339E-07

69

4.3 Nomenclatura para los ensayos del experimento

A continuacion se presentara la nomenclatura de cada uno de los niveles de los

factores, con el fin de crear una sencilla designacion para grabar la informacion concerni-

ente a cada fallo efectuado y posteriormente analizarlos.

Tabla 4.4: Nomenclatura usada para los niveles de regımenes del motor. Fuente: Los Autores.

Nomenclatura para los regımenes de RPM en el motor CRDi

Simbologıa DescripcionR1 820 RPMR2 1660 RPMR3 2500 RPM

Tabla 4.5: Nomenclatura usada para los porcentajes de apertura de la EGR. Fuente: LosAutores.

Nomenclatura para el porcentaje de apertura de la EGR en el motor CRDi

Simbologıa DescripcionE1 0 % de AperturaE2 50 % de AperturaE3 100 % de Apertura

Tabla 4.6: Nomenclatura para la restriccion de gases de escape en el motor CRDi Fuente:Los Autores.

Nomenclatura para la restriccion de gases de escape en el motor CRDi

Simbologıa DescripcionD1 4,8 cm de diametroD2 3,46 cm de diametroD3 1 cm de diametro

De acuerdo a la nomenclatura a utilizar para caracterizar los diferentes fallos en las tablas

4.4, 4.5 y 4.6. Se propone a continuacion un ejemplo de la designacion de un fallo en

particular, la cual se indica a continuacion:

R3 E3 D3

En donde: R3 es el regimen del motor (2500 RPM), E3 se refiere al porcentaje de apertura

(100%) y D3 al diametro para la restriccion en la salida de gases de escape (1cm).

70

4.4 Caracterizacion de fallos crıticos en el motor CRDi

4.4.1 Caracterizacion del Fallo R1 E1 D2 (820 RPM con 0% deapertura de la EGR y un diametro para la restriccion degases de escape de 3,6 cm)

En la tabla 4.7 se describen los parametros de funcionamiento del motor en es-

tudio, siendo R1 E1 D1 la muestra patron con las caracterısticas originales, en contraste

con la R1 E1 D2 en la cual se puede percibir la variacion de los parametros gracias a las

condiciones que se indujeron en la misma.

Tabla 4.7: Parametros de funcionamiento para las pruebas R1 E1 D1 y R1 E1 D2. Fuente:Los Autores.

Parametros de Funcionamiento Tipo de PruebaR1 E1 D1 R1 E1 D2 Unidades

Masa de Flujo de aire 28,7 29,5 Kg/hTemperatura Aire 30,2 30,1 oC

Temperatura Refrigerante 90,5 88,3 oCVelocidad del Motor 820 819 RPM

Sensor Presion Servo 73 75 kPa

Figura 4.4: Senales de vibracion para las muestras R1 1 1 y R1 E1 D2. Fuente: Los Autores.

Empleando la FFT al archivo .wav, se puede identificar y reconocer las dos senales de

vibracion mostradas en la figura 4, el espectro de color rojo concierne a la senal propia

para el regimen de ralentı en la cual se puede realizar una observacion de las frecuencias

cuando el motor no presenta ningun fallo; es decir es el espectro patron que dara la pauta

para comparar con las demas muestras a ese regimen. En cambio el espectro de color

71

azul pertenece a la muestra R1 E1 D2 cuyo nivel del factor de restriccion de los gases de

escape fue disminuido.

La tecnica mediante el analisis de vibraciones demuestra que existe un fallo evidente,

esto gracias a la deteccion del acelerometro piezoelectrico ubicado en el block motor,

especıficamente en el cilindro 1. A partir de las imagenes espectrales se puede visualizar

las discrepancias de amplitudes que existen a diferentes frecuencias, todas estas menores

a los 200 Hz.

El principal factor que influye en ralentı es la restriccion de la salida de gases de escape,

y el cambio de porcentaje de apertura de la valvula EGR, simulando esta misma que se

queda cerrada por completo, esto se debe a que la valvula esta directamente expuesta a

temperaturas muy elevadas, provocando la acumulacion de partıculas de hollın o restos

de aceites procedentes de la combustion, lo cual dificultara la recirculacion de los gases

de escape al multiple de admision y la salida de los mismos al medio, reduciendo los

porcentajes de particulado y la constante de opacidad. Este efecto no produce cambios

en la masa admitida ni en el flujo masico y por ende disminuye la temperatura de la masa

admitida, provocando ası que la temperatura adiabatica de llama aumente y prolongue el

proceso de combustion, produciendo una lenta liberacion de calor.

La muestra R1 E1 D2 provoca que exista una variacion en la amplitud en el intervalo de

frecuencia hasta los 200 Hz, aumentando ası la potencia espectral a 5, 8734e−09 en relacion

a la R1 E1 D1 que es de 5, 2023e−09.

4.4.2 Caracterizacion del Fallo R2 E3 D3 (1660 RPM con 100%de apertura de la EGR y un diametro para la restriccionde gases de escape de 1 cm)

En la tabla 4.8 se observan los parametros de funcionamiento del motor en estudio

que nos proporciona el scanner VCI CARMAN SCAN R©, siendo R2 E1 D1 la muestra

patron con las caracterısticas originales a 1660 RPM, en disconformidad con la R1 E1 D2

en la cual se puede percibir la variacion de los parametros gracias a las condiciones que

se indujeron en la misma.

72



Masa de Flujo de aire 68.5 19,2 Kg/hTemperatura Aire 28 32,2 oC

Temperatura Refrigerante 91,8 90,5 oCVelocidad del Motor 1658 1646 RPM


Figura 4.5: Senales de vibracion para las muestras R2 E1 D1 y R2 E3 D3. Fuente: LosAutores.

A partir de las imagenes espectrales (figura 4.5) la muestra mas crıtica que se destaca

en el regimen de 1660 RPM o media carga es la R2 E3 D3 cuyos principales factores

son el porcentaje de apertura de la EGR vinculado con la restriccion de la salida de los

gases de escape. En este caso el porcentaje de apertura es del 100% con un diametro de

restriccion a la salida de los gases de escape de 1 cm, cuyo efecto inmediato se refleja en

una combustion ineficiente o irregular, debido a la disminucion de la cantidad de oxıgeno

presente en la camara de combustion.

Este fallo simula que la valvula de recirculacion de gases de escape queda totalmente

abierta, es decir la cantidad de gases combustionados van directamente al multiple de

admision. Este efecto se podrıa dar por la circulacion dentro de la ciudad o a bajas

revoluciones, produciendo ası que se quede demasiado tiempo abierta y eso conlleve que

el colector de admision acabe lleno de carbonilla, y puede pasar que se quede abierta por

suciedad, llevando esto a que ingrese menos aire limpio a la camara.

Todo esto provoca que exista una variacion de cambios en la composicion de la masa

73

admitida por la reduccion del flujo masico esto gracias a la disminucion en la densidad del

aire (temperatura de la masa admitida aumenta). El tiempo de retraso a la combustion

disminuye, induciendo ası una reduccion en la presion del cilindro pero en contraste con

el valor de pico de temperatura de la combustion y por ende una menor tasa de liberacion

de calor en ese punto de tiempo y la inhibicion de aumento de la temperatura adiabatica

de llama, aumentado ası el particulado y la constante de opacidad.

La muestra R2 E3 D3 (figura 4.5) demuestra un cambio de amplitud en los armonicos

ademas de un desfase de 0,22 Hz en 1x, aumentando progresivamente en 2x, 3x, 4x, en los

cuales se puede percibir el fallo ya mencionado, ademas de la frecuencia baja no sincronica

en el intervalo de 0 a 200 Hz, ya que la potencia espectral aumenta significativamente

de 2, 3841e−08 a 4, 6784e−08 en contraste con la de R2 E1 D1, justificando ası que la

cantidad de trabajo aumenta, reflejandose en la vibracion y manifestandose directamente

en el rendimiento del motor, es decir existe un menor trabajo transmitido por el ciclo del

motor hacia los elementos de propulsion.

4.4.3 Caracterizacion del Fallo R3 E3 D2 (2500 RPM con 100%de apertura de la EGR y un diametro para la restriccionde gases de escape de 3,6 cm)

En la tabla 4.9 se observan los parametros de funcionamiento del motor en estudio

que nos proporciona el scanner VCI CARMAN SCAN R©, siendo R3 E1 D1 la muestra

patron con las caracterısticas originales a 2500 RPM, en disconformidad con la R3 E3 D2

en la cual se puede percibir la variacion de los parametros gracias a las condiciones que

se indujeron en la misma, entre los principales tenemos la reduccion del flujo masico y la

presion en el colector de admision.



Masa de Flujo de aire 117,9 65,4 Kg/hTemperatura Aire 27,1 33,3 oC

Temperatura Refrigerante 93 91,8 oCVelocidad del Motor 2500 2571 RPM


74

Figura 4.6: Senales de vibracion para las muestras R3 E1 D1 y R3 E3 D2. Fuente: LosAutores.

A plena carga los factores mas predominantes y perjudiciales vendrıan hacer el porcentaje

de apertura de la EGR y el diametro de la restriccion de gases de escape, influyendo estos

de manera directa en la variacion de amplitudes de los armonicos 1x, 2x, 3x, 4x. El desfase

en 1x es de 1.19 Hz, influyendo ası en un crecimiento de los siguientes armonicos, siendo

estas la percepcion del fallo, tal y como se puede observar en la figura 4.6. Para revalidar

esto se procedio a obtener la potencia espectral patron y compararla con la de la muestra

de fallo, aumentando esta ultima de 1, 3634e−07 a 1, 7235e−07 lo cual influye de manera

inversamente proporcional en el rendimiento del motor, es decir disminuye el rendimiento

del MCI.

Un apertura erronea del 100% de EGR a estas revoluciones provoca que el motor trabaje

de manera anormal, ya que se necesita la entrada de aire mas denso, es decir aire fresco,

mas no la recirculacion de gases. Lo que produce a estas revoluciones es que la mezcla

aire-combustible no sea la indicada, es decir existe una variacion en la composicion de la

masa admitida, esto por la adicion de calor que aportan los gases ya combustionados a la

misma.

Ademas provoca que la camara de combustion se llene de gases de escape, induciendo

que la combustion en ese ciclo se efectue de una manera ineficiente. Disminuyendo ası

la tasa de liberacion de calor y la presion que existe en el colector de admision y en el

cilindro, ademas de obstruir la salida de gases de escape con un diametro de 3,6 cm la

combustion se produce de una manera no uniforme e incompleta con exceso de humos

y falta de potencia. A todo esto se incrementa ligeramente el consumo de combustible,

75

aumentando por consiguiente los niveles de monoxido de carbono y partıculas.

4.5 Caracterısticas mas representativas de los espec-

tros y principales componentes en la recirculacion

de gases de escape.

En el analisis de los espectros y de las principales componentes en la recirculacion

de los gases de escape se identificara las caracterısticas mas significativas, ası como los

factores y sus interacciones que mayor efecto causan; para lo cual se empleara el diagrama

de Pareto y los diagramas de residuos.

En el Diagrama de Pareto se muestra el valor absoluto de los efectos segun su grado de

importancia, los mismos que son considerados como significativos si sobrepasan la lınea

de referencia que se ha establecido en 2,12.

Mientras que en el Diagrama de Residuos se puede visualizar cuatro graficas como la pro-

babilidad normal, Histograma de residuos, residuos frente a valores ajustados y residuos

frente al orden. La grafica de probabilidad normal indica si el error en la muestra es nor-

mal, para lo cual los residuales deberan estar distribuidos y ajustados a lo largo de una

lınea recta. La grafica del Histograma de residuos permitira identificar mediante barras

valores pico o valores irregulares de las muestras, los mismos que deberan ser simetricos

y en forma de campana. En la grafica de residuos frente a valores ajustados permitira

conocer si las varianzas son iguales a todos los tratamientos, para lo cual los puntos deben

estar dispersos aleatoriamente en torno a cero. En la grafica de Residuos frente al Orden

se revisara que los puntos no posean un patron en la distribucion de los datos, lo cual

permite afirmar que los errores son independientes entre sı [68].

4.5.1 Media

Los valores de la media no son representativos, tanto de los factores como de

sus interacciones, puesto que no sobrepasa la lınea de referencia 2,12 en el diagrama de

Pareto. En la grafica de Residuos se puede observar en la probabilidad normal que los

puntos estan ubicados a lo largo de la lınea de referencia; en el histograma los valores

de picos presentan cierta simetrıa respecto del cero y asemeja a la forma de una campa,

con pequenas irregularidades que son producto de condiciones de muestreo por lo que se

76

las puede considerar como insignificantes; ademas los residuos no poseen un patron en la

grafica de ajuste ni en la de orden, estando los puntos dispersos y cerca de cero.

Figura 4.7: Diagrama de Pareto para la media. Fuente: Los Autores.

Figura 4.8: Grafica de residuos para la media. Fuente: Los Autores.

4.5.2 Varianza

Para el caso de la varianza el valor mas representativo que corresponde al de

los niveles de la RPM, puesto que en el diagrama de Pareto es el unico que se extiende

mas alla de la lınea de la referencia. En la grafica de la probabilidad normal se puede

apreciar que los residuos se encuentran a lo largo de la lınea de referencia, con un ajuste

de 98,78%; el histograma presenta simetrıa respecto al cero; mientras que en la grafica

de ajuste las muestras se encuentran alineadas y no se observa un patron a seguir por

77

parte de los residuos, al igual que en la grafica de orden, estableciendo que los errores son

independientes entre sı.

Figura 4.9: Diagrama de Pareto para la varianza. Fuente: Los Autores.

Figura 4.10: Grafica de residuos para la varianza. Fuente: Los Autores.

4.5.3 Desviacion Std

En el analisis de la desviacion standard el valor mas significativo corresponde

al nivel de la RPM, puesto que en el diagrama de Pareto es el unico que se extiende





78



Figura 4.11: Diagrama de Pareto para la Desviacion Std. Fuente: Los Autores.

Figura 4.12: Grafica de residuos para la Desviacion Std. Fuente: Los Autores.

4.5.4 Mediana

En el caso de la mediana, el valor mas significativo corresponde al nivel de las

RPM y de la EGR, puesto que en el diagrama de Pareto estas dos se extienden mas alla

de la lınea de la referencia, siendo la EGR el valor que sobrepasa ligeramente dicha lınea.

En la grafica de la probabilidad normal se puede apreciar que los residuos se encuentran a

lo largo de la lınea de referencia, con un ajuste de 84,76%; el histograma presenta simetrıa

respecto al cero; mientras que en la grafica de ajuste las muestras se encuentran alineadas

79

y no se observa un patron a seguir por parte de los residuos, al igual que en la grafica de

orden, estableciendo que los errores son independientes entre sı.

Figura 4.13: Diagrama de Pareto para la Mediana. Fuente: Los Autores.

Figura 4.14: Grafica de residuos para la Mediana. Fuente: Los Autores.

4.5.5 Maximo

En la grafica de maximos, los valores mas significativos en orden decreciente

corresponden a los factores de RPM, RESTRICCION, RPM* RESTRICCION, EGR*

RESTRICCION, y EGR*RPM puesto que en el diagrama de Pareto estas dos se extienden





80



Figura 4.15: Diagrama de Pareto para la Maximo. Fuente: Los Autores.

Figura 4.16: Grafica de residuos para la Maximo. Fuente: Los Autores.

4.5.6 Mınimo

En la grafica de mınimos, los valores mas significativos en orden decreciente cor-

responden a los factores de RPM, RESTRICCION y RPM* RESTRICCION, puesto que

en el diagrama de Pareto estas dos se extienden mas alla de la lınea de la referencia. En

la grafica de la probabilidad normal se puede apreciar que los residuos se encuentran a lo

largo de la lınea de referencia, con un ajuste de 98,90%; el histograma presenta simetrıa


81



Figura 4.17: Diagrama de Pareto para el Mınimo. Fuente: Los Autores.

Figura 4.18: Grafica de residuos para el Mınimo. Fuente: Los Autores.

4.5.7 Potencia

En el analisis de la potencia el valor mas significativo corresponde al nivel de la

RPM, puesto que en el diagrama de Pareto es el unico que se extiende mas alla de la

lınea de la referencia. En la grafica de la probabilidad normal se puede apreciar que los

residuos se encuentran a lo largo de la lınea de referencia, con un ajuste de 98,78%; el

histograma presenta cierta simetrıa respecto al cero; mientras que en la grafica de ajuste

las muestras se encuentran alineadas y no se observa un patron a seguir por parte de los

residuos, al igual que en la grafica de orden.

82

Figura 4.19: Diagrama de Pareto para la Potencia. Fuente: Los Autores.

Figura 4.20: Grafica de residuos para la Potencia. Fuente: Los Autores.

4.5.8 Energıa

En el analisis de la energıa el valor mas significativo corresponde al nivel de la

RPM, puesto que en el diagrama de Pareto es el unico que se extiende mas alla de la

lınea de la referencia. En la grafica de la probabilidad normal se puede apreciar que los

residuos se encuentran a lo largo de la lınea de referencia, con un ajuste de 98,78%; el

histograma presenta cierta simetrıa respecto al cero; mientras que en la grafica de ajuste

las muestras se encuentran alineadas y no se observa un patron a seguir por parte de los

residuos, al igual que en la grafica de orden.

83

Figura 4.21: Diagrama de Pareto para la Energıa. Fuente: Los Autores.

Figura 4.22: Grafica de residuos para la Energıa. Fuente: Los Autores.

4.5.9 Factor de Curtosis

En la grafica del factor de Curtosis, todos los factores y sus interacciones son

significativos excepto la interaccion RPM*RESTRICCION que es la unica que no se

extiende mas alla de la lınea de la referencia. En la grafica de la probabilidad normal

se puede apreciar que los residuos se encuentran a lo largo de la lınea de referencia, con

un ajuste de 90,57%; el histograma presenta simetrıa respecto al cero; mientras que en la

grafica de ajuste las muestras se encuentran alineadas y no se observa un patron a seguir

por parte de los residuos, al igual que en la grafica de orden, estableciendo que los errores

son independientes entre sı.

84

Figura 4.23: Diagrama de Pareto para el Factor de Curtosis. Fuente: Los Autores.

Figura 4.24: Grafica de residuos para el Factor de Curtosis. Fuente: Los Autores.

4.5.10 Asimetrıa

En la grafica del factor de Curtosis, todos los factores y sus interacciones son

significativos excepto la interaccion RPM*RESTRICCION que es la unica que no se

extiende mas alla de la lınea de la referencia. En la grafica de la probabilidad normal

se puede apreciar que los residuos se encuentran a lo largo de la lınea de referencia, con

un ajuste de 90,57%; el histograma presenta simetrıa respecto al cero; mientras que en la

grafica de ajuste las muestras se encuentran alineadas y no se observa un patron a seguir

por parte de los residuos, al igual que en la grafica de orden, estableciendo que los errores

son independientes entre sı.

85

Figura 4.25: Diagrama de Pareto para la asimetrıa. Fuente: Los Autores.

Figura 4.26: Grafica de residuos para la asimetrıa. Fuente: Los Autores.

4.5.11 Valor de RMS

Para el valor de RMS lo mas significativo corresponde al nivel de la RPM, puesto

que en el diagrama de Pareto es el unico que se extiende mas alla de la lınea de la

referencia. En la grafica de la probabilidad normal se puede apreciar que los residuos se

encuentran a lo largo de la lınea de referencia, con un ajuste de 99,41%; el histograma

presenta cierta simetrıa respecto al cero; mientras que en la grafica de ajuste las muestras

se encuentran alineadas y no se observa un patron a seguir por parte de los residuos, al

igual que en la grafica de orden.

86

Figura 4.27: Diagrama de Pareto para el valor de RMS. Fuente: Los Autores.

Figura 4.28: Grafica de residuos para el valor de RMS. Fuente: Los Autores.

4.5.12 Factor de Cresta

En la grafica de factor de cresta, los valores mas significativos en orden decreciente

corresponden a los factores de RPM, RESTRICCION y RPM* RESTRICCION, puesto

que en el diagrama de Pareto estas dos se extienden mas alla de la lınea de la referencia.






87

Figura 4.29: Diagrama de Pareto para el factor de cresta. Fuente: Los Autores.

Figura 4.30: Grafica de residuos para el factor de cresta. Fuente: Los Autores.

4.5.13 Pontencia del intervalo de frecuencia

Los valores de potencia de intervalo de frecuencia no son representativos, tanto de

los factores como de sus interacciones, puesto que no sobrepasa la lınea de referencia 2,12

en el diagrama de Pareto. En la grafica de Residuos se puede observar en la probabilidad

normal que los puntos estan ubicados a lo largo de la lınea de referencia; en el histograma

los valores de picos presentan cierta simetrıa respecto del cero y asemeja a la forma de

una campa, con pequenas irregularidades que son producto de condiciones de muestreo

por lo que se las puede considerar como insignificantes; ademas los residuos no poseen un

patron en la grafica de ajuste ni en la de orden, estando los puntos dispersos y cerca de

cero.

88

Figura 4.31: Diagrama de Pareto para la potencia del intervalo de frecuencia. Fuente: LosAutores.

Figura 4.32: Grafica de residuos para la potencia del intervalo de frecuencia. Fuente: LosAutores.

4.5.14 Flujo de masa

En la grafica del flujo de masa, todos los factores y sus interacciones son signifi-

cativos excepto la interaccion EGR*RESTRICCION y EGR*RPM*RESTRICCION que

son las que no se extienden mas alla de la lınea de la referencia, teniendo como el factor

mas preponderante a EGR. En la grafica de la probabilidad normal se puede apreciar que

los residuos se encuentran a lo largo de la lınea de referencia, con un ajuste de 99,53%;

el histograma presenta simetrıa respecto al cero; mientras que en la grafica de ajuste las

muestras se encuentran alineadas y no se observa un patron a seguir por parte de los resi-

duos, al igual que en la grafica de orden, estableciendo que los errores son independientes

entre sı.

89

Figura 4.33: Diagrama de Pareto para el flujo de masa. Fuente: Los Autores.

Figura 4.34: Grafica de residuos para el flujo de masa. Fuente: Los Autores.

4.5.15 Presion del multiple

En la grafica de presion del multiple, los factores mas significativos en orden

decreciente son EGR, RPM, RPM* RESTRICCION y EGR*RPM que son las que se

extienden mas alla de la lınea de la referencia, teniendo como el factor mas preponderante

a EGR. En la grafica de la probabilidad normal se puede apreciar que los residuos se

encuentran a lo largo de la lınea de referencia, con un ajuste de 88,52%; el histograma

presenta simetrıa respecto al cero; mientras que en la grafica de ajuste las muestras se

encuentran alineadas y no se observa un patron a seguir por parte de los residuos, al igual

que en la grafica de orden, estableciendo que los errores son independientes entre sı.

90

Figura 4.35: Diagrama de Pareto para la presion del multiple. Fuente: Los Autores.

Figura 4.36: Grafica de residuos para la presion del multiple. Fuente: Los Autores.

4.5.16 Particulado (P)

En la grafica del flujo de masa, todos los factores y sus interacciones son significa-

tivos excepto la interaccion EGR*RPM*RESTRICCION que son las que no se extienden

mas alla de la lınea de la referencia, teniendo como el factor mas preponderante a EGR.






91

Figura 4.37: Diagrama de Pareto para el particulado. Fuente: Los Autores.

Figura 4.38: Grafica de residuos para el particulado. Fuente: Los Autores.

4.5.17 Constante de Opacidad (K)

En la grafica del flujo de masa, todos los factores y sus interacciones son significa-

tivos excepto la interaccion EGR*RPM*RESTRICCION que son las que no se extienden

mas alla de la lınea de la referencia, teniendo como el factor mas preponderante a EGR.






92

Figura 4.39: Diagrama de Pareto para la constante de opacidad. Fuente: Los Autores.

Figura 4.40: Grafica de residuos para la constante de opacidad. Fuente: Los Autores.

4.6 Interaccion de Factores en el diseno experimen-

tal.

En el presente analisis se observara la tenencia de los factores con las principales

caracterısticas, tanto de los espectros como de las condiciones de operacion del sistema de

recirculacion de gases para identificar el grado de influencia de cada factor como de sus

interacciones, observando el cambio de las caracterısticas al variar un factor para distintos

valores de otro factor. En el estudio se empleara las graficas de los efectos principales y

las de sus interacciones, ası como el valor-p de la tabla de analisis de varianza para luego

comprarla con el valor α = 0.05; en el cual debera ser mayor o igual a los valores-p para

que sea representativa [69].

93

En la siguiente tabla se puede observar cuan significativas son las caracterısticas en es-

tudio segun los diagramas de Pareto antes expuestos, por lo que la media y la potencia

de frecuencia de intervalo son descartadas, pues ni los factores ni sus interacciones son

significativas.

Ademas se puede observar que el factor mas influyente en los espectros de vibracion son

las RPM, pues en once ocasiones este es el factor mas representativo en los diagramas de

Pareto, seguido por el area de restriccion y la apertura de la valvula EGR.

Tabla 4.10: Caracterısticas mas representativas segun el diagrama de pareto. Fuente: [2]

CARACTERISTICA FACTORES Unidad

EGR(A)

RPM(B)

RESTRICCON(C)

AB AC BC ABC

MEDIA - - - - - - -VARIANZA - 1 - - - - -DESVIACION STD - 1 - - - - -MEDIANA 2 1 - - - - -

MAXIMO - 1 2 5 4 3 -

MINIMO - 1 2 - - - -POTENCIA - 1 - - - - -

ENERGIA - 1 - - - - -FACTOR DE CURTOSIS 3 1 2 5 4 - 6

ASIMETRIA - 1 - - - - -VALOR RMS - 1 - - - - -FACTOR DE CRESTA - 1 2 - - 3 -POT INTERVALO FREC - - - - - - -FLUJO DE MASA 1 2 5 3 - 4 -

PRESION MULTIPLE 1 2 - 4 - 3 -P (PARTICULADO) 3 6 4 1 2 5 -CONSTANTE DE OPACIDAD 4 - 5 1 2 3

4.6.1 Varianza

En la siguiente grafica se puede apreciar las interacciones de varianza entre los

factores % EGR RPM, % EGR AREA DE RESTRICCION y RPM AREA DE RES-

TRICCION con valor-p de 0.644, 0.534 y 0.853 respectivame, de las cuales se puede

establecer que ninguna interaccion es significativas, pues su valor sobrepasa el 0.005.

94

Figura 4.41: Grafica de interaccion para varianza. Fuente: Los Autores.

En la grafica de efectos principales para varianza se puede apreciar que el % EGR y

el AREA DE RESTRICCION no son significativas, pues sus graficas con respecto a la

varianza se asemeja a una lınea horizontal con valores-p de 0,723 y 0,885 respectivamente;

mientras que las RPM son altamente significativas pues su lınea no es paralela al eje x,

ademas el valor-p es de 0,000 siendo este menor al valor de α, por lo tanto se puede afirmar

que las RPM afectan significativamente a la varianza.

Figura 4.42: Grafica de efectos principales para varianza. Fuente: Los Autores.

4.6.2 Desviacion std

En la siguiente grafica se puede apreciar las interacciones de la desviacion std

entre los factores % EGR RPM, % EGR AREA DE RESTRICCION y RPM AREA DE

RESTRICCION con valor-p de 0.357, 0.070 y 0.949 respectivame, de las cuales se puede

establecer que ninguna de las interacciones son significativas, pues su valor sobrepasa el

valor α.

95

Figura 4.43: Grafica de interaccion para la desviacion std. Fuente: Los Autores.

En la grafica de efectos principales para varianza se puede apreciar que el % EGR y


varianza se asemeja a una lınea horizontal con valores-p de 0,723 y 0,885 respectivamente;


ademas el valor-p es de 0,000 siendo este menor al valor de α, por lo tanto se puede afirmar

que las RPM afectan significativamente a la varianza.

Figura 4.44: Grafica de efectos principales para la desviacion std. Fuente: Los Autores.

4.6.3 Mediana

En la siguiente grafica se puede apreciar las interacciones de la mediana entre

los factores % EGR RPM, % EGR AREA DE RESTRICCION y RPM AREA DE

RESTRICCION con valor-p de 0.054, 0.694 y 0.095 respectivamente, de las cuales se

puede establecer que la segunda y la tercera interaccion no son significativas, pues su

valor sobrepasa el valor α. Sin embargo la primera interaccion supera ligeramente el valor

96

α, por lo que se puede considerar como interaccion estadısticamente significativa dentro

del error.

Figura 4.45: Grafica de interaccion para la mediana. Fuente: Los Autores.

En la grafica de efectos principales para mediana se puede apreciar que el % EGR y


mediana se asemeja a una lınea horizontal con valor-p de 0,096 y 0,094 respectivamente;


ademas el valor-p es de 0,000 siendo este menor al valor de α, por lo tanto se puede

afirmar que las RPM afectan significativamente a la varianza, la misma que disminuira a

partir de las 1400 rpm aproximadamente.

Figura 4.46: Grafica de efectos principales para la mediana. Fuente: Los Autores.

4.6.4 Maximo

En la siguiente grafica se puede apreciar las interacciones de maximo entre los

factores % EGR RPM, % EGR AREA DE RESTRICCION y RPM AREA DE RES-

97

TRICCION con valor-p de 0.005, 0.170 y 0.000 respectivamente, de las cuales se puede

establecer que la primera y la tercera interaccion son significativas aunque los paneles no

nos permitan identificarla visualmente, pues su valor es inferior al valor α con un ajuste de

las muestras al diseno del 99.14%. Sin embargo la segunda interaccion no es significativa,

pues su valor es superior a 0.05.

Figura 4.47: Grafica de interaccion para maximo. Fuente: Los Autores.

En el analisis de efectos principales tales como % EGR, RPM y AREA DE RESTRICCION

para maximo, y tomando su valor-p de 0.507, 0.000 y 0.006 respectivamente, se puede

apreciar que el % EGR no es significativas, pues su lınea es paralela al eje x y ademas su

valor-p es alto. Mientras que los siguientes dos factores son significativos, pues sus valor-p

son inferiores a 0.05, aunque la lınea del AREA DE RESTRICCION no permita observar

correctamente; obteniendo que la media de maximo aumentara a medida que se aumente

las rpm y el area de restriccion.

Figura 4.48: Grafica de efectos principales para maximo. Fuente: Los Autores.

98

4.6.5 Mınimo

En la siguiente grafica se puede apreciar las interacciones para mınimo entre


RESTRICCION RESTRICCION con valor-p de 0.077, 0.351 y 0.000 respectivamente, de

las cuales se puede establecer que la primera y la segunda interaccion no son significativas,

pues son paralelas entre si y su valor es superior al α. En el caso de la tercera interaccion,

sus lıneas se alejan de ser paralelas, por lo que la fuerza de interaccion es mayor y por

ende es significativa, ademas su valor-p es menor a 0.05 con un ajuste del 98.9%.

Figura 4.49: Grafica de interaccion para mınimo. Fuente: Los Autores.


para mınimo, y tomando su valor-p de 0.904, 0.000 y 0.004 respectivamente, se puede

apreciar que el % EGR no es significativas, pues su lınea es paralela al eje x y ademas su

valor-p es alto. Mientras que los siguientes dos factores son significativos, pues sus valor-p

son inferiores a 0.05, afectando de este modo a la media de los mınimos, obteniendo que

la media de mınimo disminuira a medida que se aumente las rpm y el area de restriccion.

99

Figura 4.50: Grafica de efectos principales para mınimo. Fuente: Los Autores.

4.6.6 Potencia

En la siguiente grafica se puede apreciar las interacciones de la potencia entre



las cuales se puede establecer que las tres interacciones no son significativas, pues son

paralelas entre si y su valor es superior al α con un ajuste del 98.78%.

Figura 4.51: Grafica de interaccion para potencia. Fuente: Los Autores.


para potencia, y tomando su valor-p de 0.723, 0.000 y 0.885 respectivamente, se puede

apreciar que el primer y tercer factor antes descritos no son significativos, pues su lınea es

paralela al eje x y ademas su valor-p es alto. Mientras que las RPM si son significativos,

pues la lınea de la media de potencia aumenta a medida que se incrementan las RPM y

ademas posee un valor-p inferior a 0.05.

100

Figura 4.52: Grafica de efectos principales para potencia. Fuente: Los Autores.

4.6.7 Energıa

En la siguiente grafica se puede apreciar las interacciones de la energıa entre


RESTRICCION RESTRICCION con valor-p de 0.644, 0.534 y 0.853 respectivamente,

de las cuales se puede establecer que las tres interacciones no son significativas, pues las

lıneas de las interacciones son paralelas entre si y su valor es superior al α con un ajuste

del 98.78%.

Figura 4.53: Grafica de interaccion para energıa. Fuente: Los Autores.


para energıa, y tomando su valor-p de 0.723, 0.000 y 0.885 respectivamente, se puede apre-

ciar que el primer y tercer factor antes descritos no son significativos, pues su lınea es

paralela al eje x y ademas su valor-p es alto. Mientras que las RPM si son significativos,

pues la lınea de la media de potencia aumenta a medida que se incrementan las RPM y

ademas posee un valor-p inferior a 0.05.

101

Figura 4.54: Grafica de efectos principales para energıa. Fuente: Los Autores.


En la siguiente grafica se puede apreciar las interacciones del factor de Curtosis

entre los factores % EGR RPM, % EGR AREA DE RESTRICCION y RPM AREA DE


las cuales se puede establecer que la primera y segunda interaccion no son representativas,

pues sus lıneas son paralelas y sus respectivos valor-p exceden el valor de α. Mientras que

en la tercera interaccion sus lıneas se alejan de ser paralelas, ademas su valor-p es inferior

a 0.05 con un ajuste del 90.57%.

Figura 4.55: Grafica de interaccion para factor de Curtosis. Fuente: Los Autores.


para el factor de curtosis, y tomando su valor-p de 0.498, 0.000 y 0.002 respectivamente,

se puede apreciar que el primer factor no es significativo, ya que su lınea es practicamente

paralela al eje x y ademas su valor-p es alto. Mientras que el segundo y tercer factos si son

significativos, pues sus lıneas se alejan de ser paralelas al eje x, de las cuales las rpm son

102

mas influyentes pues esta presenta la forma de parabola alcanzando sus valores maximos

a 820 y 2500 rpm; mientras que en el area de restriccion el factor de curtosis aumenta a

medida que se incrementa el area de restriccion.

Figura 4.56: Grafica de efectos principales para factor de Curtosis. Fuente: Los Autores.

4.6.9 Asimetrıa

En la grafica presenta las interacciones de la media de asimetrıa y % EGR RPM,

% EGR AREA DE RESTRICCION y RPM - AREA DE RESTRICCION con valor-p

de 0.345, 0.567 y 0.294 respectivamente, de las cuales se puede establecer que ninguna de

las interacciones son significativas, ya que sus lıneas son practicamente paralelas entre sı,

con valores-p superiores a 0.05 con un ajuste del 81.48%.

Figura 4.57: Grafica de interaccion para asimetrıa. Fuente: Los Autores.


para el factor de curtosis, y tomando su valor-p de 0.498, 0.000 y 0.002 respectivamente,

se puede apreciar que el primer factor no es significativo, ya que su lınea es practicamente

103

paralela al eje x, con su valor-p alto. Mientras que el segundo y tercer factor si son sig-

nificativos, pues sus lıneas se alejan de ser paralelas al eje x, de las cuales las rpm son

mas influyentes pues esta presenta la forma de parabola alcanzando sus valores maximos

a 820 y 2500 rpm; mientras que en el area de restriccion el factor de curtosis aumenta a

medida que se incrementa el area de restriccion.

Figura 4.58: Grafica de efectos principales para asimetrıa. Fuente: Los Autores.

4.6.10 Valor de RMS

En la grafica presenta las interacciones de la media del valor de RMS y % EGR

RPM, % EGR AREA DE RESTRICCION y RPM - AREA DE RESTRICCION con

valor-p de 0.357, 0.070 y 0.949 respectivamente, de las cuales se puede establecer que nin-

guna de las interacciones son significativas, ya que sus lıneas son practicamente paralelas

entre sı, con valores-p superiores a 0.05 con un ajuste del 99.41%.

Figura 4.59: Grafica de interaccion para el valor de RMS. Fuente: Los Autores.

104


para el valor de RMS, y tomando su valor-p de 0.083, 0.000 y 0.934 respectivamente, se

puede apreciar que el primer y tercer factor no son significativos, ya que sus lıneas estan

cercanas a ser paralelas al eje x y ademas sus valor-p son alto. Mientras que el segundo

factor si es significativo, pues sus lıneas se alejan de ser paralelas al eje x y su valor-p es

menor a 0.05, en la cual la media del valor de RMS aumenta a medida que se incrementan

las rpm.

Figura 4.60: Grafica de efectos principales para el valor de RMS. Fuente: Los Autores.

4.6.11 Factor de Cresta

En la grafica presenta las interacciones de la media del factor de cresta y % EGR


valor-p de 0.072, 0.209 y 0.000 respectivamente, de las cuales las dos primeras interacciones

no son significativas, ya que sus lıneas son practicamente paralelas entre sı, con valores-p

superiores a 0.05 y con un ajuste del 92,20%. Mientras que en la tercera interaccion sus

lıneas se alejan de ser paralelas entre sı, por lo cual es considerada como significativa;

ademas su valor-p es inferior a 0.05 con un ajuste del 92.20%.


para el factor de cresta, y tomando su valor-p de 0.989, 0.000 y 0.971 respectivamente, se

puede apreciar que el primer y tercer factor no son significativos, ya que sus lıneas estan

cercanas a ser paralelas al eje x y ademas sus valores-p son altos. Mientras que el segundo

factor si es significativo, su lınea se aleja de ser horizontal, pues la misma posee una forma

parabolica con valores maximos a bajas y altas rpm; ademas su valor-p es menor a 0.05.

105

Figura 4.61: Grafica de interaccion para el factor de cresta. Fuente: Los Autores.

Figura 4.62: Grafica de efectos principales para el factor de cresta. Fuente: Los Autores.

4.6.12 Flujo de masa

En la grafica presenta las interacciones de la media del flujo de masa y % EGR


valor-p de 0.000 para cada interaccion, lo cual nos indica que son altamente significativas,

pues no sobrepasa al valor de 0.05 con un ajuste del 99.53%. Aunque en la grafica no se

observe una interaccion significativa, se debe al panel empleado pues puede ser mas facil

observar la interaccion en uno que en el otro.

En el analisis de efectos principales para el flujo de masa, sus factores poseen un valor-p

de 0.000, por lo que son de gran influencia; ademas en la grafica de efectos principales

se puede apreciar que sus lıneas no son horizontales. Al comparar la media del flujo de

masa con el %EGR se puede apreciar que su lınea tiene forma parabolica, la misma que

tendera a decrecer a medida que se incremente el %EGR.

106

Figura 4.63: Grafica de interaccion para el flujo de masa. Fuente: Los Autores.

Por otra parte el flujo aumentara linealmente a las RPM del motor; mientras que en

el caso del area de restriccion, el flujo aumentara de forma parabolica al incrementar la

restriccion.

Figura 4.64: Grafica de efectos principales para el flujo de masa. Fuente: Los Autores.

4.6.13 Presion del Multiple

En la grafica presenta las interacciones de la presion del multiple y % EGR RPM,

% EGR AREA DE RESTRICCION y RPM - AREA DE RESTRICCION con valor-p de

0.008, 0.356 y 0.008 respectivamente, por lo cual nos indica que el segundo factor no es

significativo, pues su valor excede a 0.005 y sus lıneas son paralelas entre sı. En cambio

la primera y tercera interaccion si es significativa, ya que sus lıneas no son paralelas entre

si y su valor-p no sobrepasa a 0.05 con un ajuste del 88.57%.


para la presion del multiple, y tomando su valor-p de 0.000, 0.000 y 0.001 respectivamente,

107

Figura 4.65: Grafica de interaccion para la presion del multiple. Fuente: Los Autores.

por lo que los efectos antes descritos son de gran influencia; ademas en la grafica de efectos

principales se puede apreciar que sus lıneas no son horizontales. Al comparar la media de

la presion con el %EGR se puede apreciar que su lınea tiene forma parabolica, la misma

que tendera a decrecer a medida que se incremente el %EGR. Por otra parte la presion

aumentara proporcionalmente a las RPM del motor; mientras que en el caso del area de

restriccion, la presion se desarrollara de forma parabolica al incrementar la restriccion.

Figura 4.66: Grafica de efectos principales para la presion del multiple. Fuente: Los Autores.

4.6.14 Praticulado (P)

En la grafica presenta las interacciones del particulado y % EGR RPM, % EGR

AREA DE RESTRICCION y RPM - AREA DE RESTRICCION con valor-p de 0.990,

0.000 y 0.000 respectivamente, por lo cual nos indica que el primer factor no es significa-

tivo, pues su valor excede a 0.05 y sus lıneas son paralelas entre sı. En cambio la segunda

y tercera interaccion si es significativa, ya que sus lıneas no son paralelas entre si y su

108

valor-p no sobrepasa a 0.05 con un ajuste del 83.88%.

Figura 4.67: Grafica de interaccion para el particulado. Fuente: Los Autores.

En el analisis de efectos principales para P(Particulado), sus factores poseen un valor-p

de 0.000, por lo que son de gran influencia; ademas en la grafica de efectos principales se

puede apreciar que sus lıneas no son horizontales. Al comparar el %EGR y RPM con el

particulado, esta se incrementara de forma proporcional al de los factores; mientras que

el particulado tomara una curva parabolica al incremento de la restriccion, siendo mayor

cuando la EGR no esta activada.

Figura 4.68: Grafica de efectos principales para el particulado. Fuente: Los Autores.

4.6.15 Constante de Opacidad (K)

En la grafica presenta las interacciones de la constante de opacidad y % EGR


valor-p de 0.990, 0.000 y 0.000 respectivamente, por lo cual nos indica que el primer

factor no es significativo, pues su valor excede a 0.05 y sus lıneas son paralelas entre sı.

109

En cambio la segunda y tercera interaccion si es significativa, ya que sus lıneas no son

paralelas entre si y su valor-p no sobrepasa a 0.05 con un ajuste del 84.01%.

Figura 4.69: Grafica de interaccion para la constante de opacidad. Fuente: Los Autores.

En el analisis de efectos principales para P(Particulado), sus factores poseen un valor-p

de 0.000, por lo que son de gran influencia; ademas en la grafica de efectos principales se

puede apreciar que sus lıneas no son horizontales. Al comparar el %EGR y RPM con el

particulado, esta se incrementara de forma proporcional al de los factores; mientras que

el particulado tomara una curva parabolica al incremento de la restriccion, siendo mayor

cuando la EGR no esta activada.

Figura 4.70: Grafica de efectos principales para la constante de opacidad. Fuente: LosAutores.

110

4.7 Analisis mediante la grafica de superficie de las

caracterısticas mas representativas.

El presente analisis permitira visualizar los efectos que causa la interaccion de

dos factores a las caracterısticas mas representativas mediante la grafica de superficie.

Para lo cual se ha considerado que los factores a representar son el %EGR y el AREA DE

RESTRICCION con las caracterısticas; pues las RPM es un factor que siempre interviene

en la vibracion y es difıcil de controlar, ya que su relacion es proporcional.

Tabla 4.11: Caracterısticas mas representativas segun la grafica de efectos principales y susinteracciones. Fuente: [2]

CARACTERISTICA FACTORES Unidad

EGR(A)

RPM(B)

RESTRICCON(C)

AB AC BC

VARIANZA - 1 - - - -DESVIACION STD - 1 - - - -MEDIANA - 1 - - - -

MAXIMO - 1 3 2 - 1

MINIMO - 1 2 - - 1POTENCIA - 1 - - - -

ENERGIA - 1 - - - -FACTOR DE CURTOSIS - 1 2 - - 1

ASIMETRIA - 1 - - - -VALOR RMS - 1 - - - -FACTOR DE CRESTA - 1 - - - 1FLUJO DE MASA 1 1 1 1 1

PRESION MULTIPLE 1 1 2 3 - 3P (PARTICULADO) 1 1 1 - 1 1k (CONSTANTE DE OPACIDAD) 1 1 1 - 1 1

Esta tabla indica el grado de importancia de cada caracterıstica en estudio, la misma

que ha surgido del valor-p de los factores, como de sus interacciones; en la cual se puede

visualizar que las caracterısticas mas representativas son el valor de maximo, factor de

curtosis, el flujo de masa, presion del multiple, el particulado y la opacidad.

4.7.1 Maximo

En la presente grafica se muestra como el %EGR y AREA DE RESTRICCION

se relacionan con el valor maximo de los espectros, cuando las rpm se encuentran a 820

y 2500. Para el primer caso a 820 rpm, se puede observar que para minimizar el valor

de maximo del espectro se debe establecer valores altos de area de restriccion y %EGR

alrededor de 18,0956 y 100% respectivamente, obteniendo un valor de maximo de 0.0022.

111

Mientras que para el segundo caso a un nivel alto de rpm, para minimizar el valor de

maximo se debe establecer valores bajos de area de restriccion y %EGR alrededor de

0.7854 y 0% respectivamente, obteniendo un valor de maximo de 0.2997.

Figura 4.71: Grafica de superficie de Maximo vs Area de Restriccion; %EGR. Fuente: LosAutores.

MAXIMO = 0, 3496− 0, 000610 ∗ ε− 0, 000502 ∗ n− 0, 00468 ∗ Ar

+ 0, 00000 ∗ ε ∗ ε+ 0, 000000 ∗ n ∗ n− 0, 000032 ∗ Ar ∗ Ar

+ 0, 000000 ∗ ε ∗ n+ 0, 000013 ∗ ε ∗ Ar + 0, 000003 ∗ n ∗ Ar

(4.1)


En la presente grafica se muestra como el %EGR y AREA DE RESTRICCION se

relacionan con el factor de Curtosis de los espectros, con valores fijos de rpm a 820 y 2500.

Para el primer caso a 820 rpm, se puede observar que para disminuir la concentracion de

los valores se debe establecer numeros altos de area de restriccion y %EGR alrededor de

18,0956 y 100% respectivamente, obteniendo un factor de curtosis de 7.3923. Mientras

que para el segundo caso a un nivel alto de rpm, para minimizar el valor de maximo se

debe establecer valores bajos de area de restriccion y %EGR alrededor de 0.7854 y 0%

respectivamente, obteniendo un valor de maximo de 13.59.

F.CURTOSIS = 29, 97− 0, 0070 ∗ ε− 0, 02982 ∗ n− 0, 593 ∗ Ar

− 0, 000095 ∗ ε ∗ ε+ 0, 000009 n ∗ n+ 0, 00444 ∗ Ar ∗ Ar

+ 0, 000003 ∗ ε ∗ n+ 0, 000771 ∗ ε ∗ Ar + 0, 000353 n ∗ Ar

(4.2)

112

Figura 4.72: Grafica de superficie de Factor de Curtosis vs Area de Restriccion; %EGR.Fuente: Los Autores.

4.7.3 Flujo de Masa


se relacionan con el flujo de masa, con valores fijos de rpm a 820 y 2500; factores que como

se observo en el diagrama de efectos principales presentan tendencias cuadraticas. Para

el primer caso a 820 rpm, se puede observar que el flujo de masa se encuentra reducido

para valores bajos de area de restriccion y altos de %EGR, alrededor de 0.7854 y 100%

respectivamente; mientras que su valor maximo (38.7247) esta establecido al 37% de EGR

y con restriccion de 8.7192. Por otra parte, para el segundo caso a un nivel alto de rpm,

para reducir el flujo de masa se debe establecer valores altos del %EGR (100%), mientras

que el area de restriccion debe de ser de 0.7854 para que el valor del particulado sea de

45.1493; sin embargo su valor maximo de particulado para dicho regimen esta establecido

en 120.8115 con valores de 0% y 14.2489, para EGR y restriccion respectivamente.

Figura 4.73: Grafica de superficie del Flujo de Masa vs Area de Restriccion; %EGR. Fuente:Los Autores.

113

FLUJO DE MASA = −6, 47 + 0, 6139 ∗ ε+ 0, 03274 n+ 1, 045 ∗ Ar

− 0, 006539 ∗ ε ∗ ε+ 0, 000004 n ∗ n− 0, 09368 ∗ Ar ∗ Ar

− 0, 000224 % ε ∗ n+ 0, 00614 ∗% ε ∗ Ar + 0, 000626 ∗ n ∗ Ar

(4.3)

4.7.4 Presion del Multiple


relacionan con la presion del multiple, con valores fijos de rpm a 820 y 2500; factores que

como se observo en el diagrama de efectos principales presentan tendencias cuadraticas.

Para el primer caso a 820 rpm, se puede observar que el flujo de masa se encuentra

reducido para valores altos de area de restriccion y %EGR, alrededor de 18.0956 y 100%



para reducir el flujo de masa se debe establecer valores altos del %EGR (100%), mientras

que el area de restriccion debe de ser de 0.7854 para que la presion del multiple sea de

72.1528; sin embargo su valor maximo de presion para dicho regimen esta establecido en

80.5791 con valores de 16% y 14.0084, para EGR y restriccion respectivamente.

Figura 4.74: Grafica de superficie de la Presion del Multiple vs Area de Restriccion; %EGR.Fuente: Los Autores.

PRESION MULTIPLE = 70, 13 + 0, 0723 ∗ ε+ 0, 00432 ∗ n+ 0, 316 ∗ Ar

− 0, 000739 ∗ ε ∗ ε− 0, 000001 ∗ n ∗ n− 0, 02021 ∗ Ar ∗ Ar

− 0, 000018 ∗ ε ∗ n− 0, 000578 ∗ ε ∗ Ar + 0, 000103 ∗ n ∗ Ar

(4.4)

114

4.7.5 Particulado


relacionan con el particulado, para valores fijos de rpm a 820 y 2500. Para el primer caso a

820 rpm, se puede observar que para minimizar el valor del particulado se requieren valores

bajos de area de restriccion y %EGR alrededor de 0.7854 y 0% respectivamente; mientras

que su valor maximo (792.6017) esta establecido al 100% de EGR y con restriccion de

0.7854. Por otra parte, para el segundo caso a un nivel alto de rpm, para minimizar

el particulado se debe establecer valores bajos del %EGR (0%), mientras que el area

de restriccion debe de ser de 12.0851 para que el valor del particulado sea de 26.927; si

embargo su valor maximo de particulado para dicho regimen esta establecido en 1896.62

con valores de 100% y 18.0956 para EGR y restriccion respectivamente.

Figura 4.75: Grafica de superficie de Factor del Particulado vs Area de Restriccion; %EGR.Fuente: Los Autores.

PARTICULADO = −759 + 10, 98 ∗ ε+ 0, 589 ∗ n− 24, 7 ∗ Ar

+ 0, 0056 ∗ ε ∗ ε+ 0, 000030 ∗ n ∗ n+ 5, 475 Ar ∗ Ar

+ 0, 00004 ∗ ε ∗ n− 0, 812 ∗ ε ∗ Ar − 0, 04553 n ∗ Ar

(4.5)

4.7.6 Constante de Opacidad


se relacionan con la constante de opacidad, para valores fijos de rpm a 820 y 2500. Para

el primer caso a 820 rpm, se puede observar que para minimizar el valor del particulado

se requieren valores bajos de area de restriccion y %EGR alrededor de 6.0746 y 0%



para minimizar la constante de opacidad se debe establecer valores bajos del %EGR (0%),

mientras que el area de restriccion debe de ser de 12.8063, obteniendo una opacidad de

115

0.1770; sin embargo su valor maximo de particulado para dicho regimen esta establecido

en 4.7088 con valores de 100% y 0.7854 para EGR y restriccion respectivamente.

Figura 4.76: Grafica de superficie de la Constante de Opacidad vs Area de Restriccion; %EGR.Fuente: Los Autores.

OPACIDAD = −1, 755 + 0, 02580 ∗ ε+ 0, 001390 ∗ n− 0, 0625 ∗ Ar

+ 0, 000024 ∗ ε ∗ ε+ 0, 000000 ∗ n ∗ n+ 0, 01354 ∗ Ar ∗ Ar

+ 0, 000000 ∗ ε− 0, 001965 ∗ ε− 0, 000110 ∗ n ∗ Ar

(4.6)

4.8 Optimizacion de los parametros de funcionami-

ento del motor Hyundai Santa Fe 2.0

Los datos obtenidos en el presente estudio han peritido establecer valores de

configuracion de los factores que optimicen el funcionamiento del motor. De lo cual,

se pudo establecer que los valores mınimos de potencia, factor de curtosis, particulado

y opacidad se establecen en valores del 100% de la EGR, 1091.51 rpm y 15.30 de area

de restriccion, con una deseabilidad compuesta de 0.979778; cabe recalcar que lo que se

pretende conseguir es una disminucion en la potencia de la vibracion, ası como de los

gases contaminantes y del grado de concentracion de sus valores.

De los resultados de optimizacion se puede verificar que los parametros del diseno son

correctos, pues las caracterısticas presentadas poseen una deseabilidad individual elevada,

cercana a 1. Ademas de los resultados del diseno, se puede destacar que el valor de los

intervalos de las respuestas pronosticadas, tanto la del intervalo de confianza (IC) como la

del intervalo de prediccion (IP) no sobrepasan los lımites superiores de cada caracterıstica,

por lo que en la esquina superior izquierda se establece que los resultados son optimos.

116

Figura 4.77: Grafica de optimizacion para: opacidad, particulado, flujo de masa, factor decurtosis, potencia y maximo. Fuente: Los Autores.

Como es de conocimiento, al elevar las rpm de un motor tambien se elevara la amplitud de

vibracion, por lo que se considera como un factor difıcil de controlar. Sin embargo su efecto

puede ser aun mas perjudicial con valores de EGR y restriccion de escape incorrectos; por

lo que mediante la grafica de optimizacion se puede establecer los parametros de EGR y

area de restriccion en el cual el motor presentara un mayor desempeno, con la deseabilidad

mas alta posible.

117

5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 Conclusiones

El analisis de los resultados experimentales de este trabajo de investigacion per-

mite llegar a las siguientes conclusiones relacionadas con los efectos del sistema de EGR

en el proceso de combustion mediante el analisis de vibraciones:

• Sin duda alguna la ubicacion y direccion del acelerometro tiene un papel fundamen-

tal en la adquisicion de la senal de vibracion, que posteriormente sera admitida y

procesada para la visualizacion del espectro en el dominio de frecuencia, ya que de

esta eleccion dependera un acertado resultado de la condicion del motor. Siendo la

medicion transversal la mas indicada para este caso de estudio, ya que proporciona

mayor informacion util del proceso de combustion, por el simple hecho de que el

principal mecanismo vibratorio del motor es el sistema ciguenal, biela piston, en

comparacion con la medicion en posicion vertical.

• El principal factor que interviene y afecta directamente en el repartimiento del gas

recirculado desde el multiple de admision hacia los cilindros del motor es el regimen

de giro, asociado con un erroneo porcentaje de apertura del sistema de EGR, los

cuales se reflejan en los elevados porcentajes de emisiones contaminantes expulsadas

al medio.

• Con los resultados del experimento se puede fijar criterios generales en funcion de

la condicion de operacion del motor, ya que permiten determinar cuales son los

componentes frecuenciales que participan en forma mayoritaria a la representacion

de la senal para un tipo de fallo considerado. Por lo tanto la variacion de las

amplitudes y presencia de picos notables en la frecuencia de operacion 1x, proceso

de combustion 2x y demas frecuencias como 3x y 4x hacen enfasis a los niveles de

vibracion cuando el motor presenta algun cambio en su funcionamiento, dado por la

118

variacion de los porcentajes de apertura en el sistema de EGR, ası como la variacion

del diametro en la salida de gases de escape y su regimen de giro.

• Cada uno de los fallos mas severos y significativos en los diferentes regımenes del

motor fueron caracterizados en base a la potencia del espectro temporal, siendo

esta el nivel de vibracion obtenida en el dominio del tiempo, la cual proporciona

informacion directa del comportamiento del motor, y es inversamente proporcional

al rendimiento del mismo.

• En las muestras R2 E3 D3 y R3 E3 D2 se muestran desfases en las frecuencias de

los armonicos 1x. 2x, 3x, 4x, por un equivocado porcentaje de apertura de EGR a

altas revoluciones, en este caso 1660 y 2500; provocando que exista una variacion

en las RPM, ademas de un exceso y cambios en la masa admitida, disminuyendo

ası la tasa de liberacion de calor y la presion que existe en el colector de admision

y en el cilindro.

• De las caracterısticas espectrales obtenidas, se puede establecer que el valor para

media y potencia del intervalo de frecuencia (0 - 200 Hz) no son significativas, pues

en el diagrama de Pareto estas no sobrepasan su valor de referencia, por lo cual

fueron excluidas del analisis.

• Las principales interacciones que se generan estan relacionadas con el regimen de

giro del motor, de la cual la mas representativa son las BC, pues estas en su mayorıa

poseen valores-p inferiores a 0.05; seguida de las interacciones AB; y finalmente las

interacciones AC.

• En el correcto funcionamiento del sistema, cuando no existe restriccion de los gases

de escape; los valores de particulado, opacidad y vibracion disminuiran a medida que

se aumente la apertura de la valvula EGR; pero esta disminucion se ve afectada por

la restriccion del escape, pues a medida que este se incremente para areas menores

a 14.5cm2 el valor de estas caracterısticas aumentara, ocasionando severos danos.

5.2 Recomendaciones

• A partir de los resultados obtenidos gracias al diseno experimental y de acuerdo a

las conclusiones planteadas en este trabajo, se abren nuevas lıneas de investigacion

de caracter cientıfico relacionadas con el analisis de vibraciones, encaminadas al

mantenimiento predictivo en motor de combustion interna.

119

• La versatilidad de las diferentes variables controlables puede provocar simulaciones

de fallos erroneos que afectan en el funcionamiento del motor, por lo que se deberıa

enfocar en caracterizar fallos con la carga real del vehıculo, esto con el fin de verificar

y corroborar si los datos obtenidos son correctos.

• A partir del espectro obtenido mediante la FFT se debera obtener la potencia es-

pectral en el dominio de frecuencia hasta los 200 Hz, la cual indicara el nivel de

vibracion que provoca el efecto de las variables controladas en el funcionamiento del

motor. Realizar un estudio en el cual se relacione, el porcentaje de apertura de la

valvula de recirculacion de gases de escape asociada con la variacion del diametro

de restriccion de los gases de escape, en determinados regımenes del motor.

• Realizar un estudio en el cual se relacione, el porcentaje de apertura de la valvula de

recirculacion de gases de escape asociada con la variacion del diametro de restriccion

de los gases de escape, en determinados regımenes del motor.

• A parte de las senales de vibracion captadas por el acelerometro, se procedio a

recopilar informacion del funcionamiento del motor por medio de muestras de senales

gracias a la correcta ubicacion del microfono, las cuales permitiran implementar

diferentes tecnicas predictivas de mantenimiento con fines de diagnostico, como es

el caso del analisis de fallos mediante el ruido.

• Quedara pendiente implementar un sistema de inteligencia artificial, con el fin de

que se encargue de modelar y procesar todos los datos e imagenes espectrales de los

diferentes fallos ya caracterizados.

120

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[69] Montgomery, 2004. Diseno y analisis de experimentos, 2da ed. EDITORIAL LI-MUSA, Mexico.

125

A ANEXO

126

B ANEXO

Diseño de Box-Behnken

Factores: 3 Réplicas: 3

Corridas base: 15 Total de corridas: 45

Bloques base: 1 Total de bloques: 1

Puntos centrales: 9

Tabla de diseño

Corrida Bloq. A B C

1 1 -1 -1 0

2 1 1 -1 0

3 1 -1 1 0

4 1 1 1 0

5 1 -1 0 -1

6 1 1 0 -1

7 1 -1 0 1

8 1 1 0 1

9 1 0 -1 -1

10 1 0 1 -1

11 1 0 -1 1

12 1 0 1 1

13 1 0 0 0

14 1 0 0 0

15 1 0 0 0

16 1 -1 -1 0

17 1 1 -1 0

18 1 -1 1 0

19 1 1 1 0

20 1 -1 0 -1

21 1 1 0 -1

22 1 -1 0 1

23 1 1 0 1

24 1 0 -1 -1

25 1 0 1 -1

26 1 0 -1 1

27 1 0 1 1

28 1 0 0 0

29 1 0 0 0

30 1 0 0 0

31 1 -1 -1 0

32 1 1 -1 0

33 1 -1 1 0

34 1 1 1 0

35 1 -1 0 -1

36 1 1 0 -1

37 1 -1 0 1

38 1 1 0 1

39 1 0 -1 -1

40 1 0 1 -1

41 1 0 -1 1

42 1 0 1 1

43 1 0 0 0

44 1 0 0 0

45 1 0 0 0

127

C ANEXO

C.1 Diseno experimental para valores de P y k

EGR (% DE

APERTURA)

RPM (# DE

REVOLUCIONES POR

MINUTO)

ÁREA DE

RESTRICCIÓN

DE ESCAPE

P

(PARTICULADO)

K

(CONSTANTE DE

OPACIDAD)

0 820 9,44048 31,87 0,139

100 820 9,44048 35,07 0,151

0 2500 9,44048 68,71 0,269

100 2500 9,44048 90,98 0,334

0 1660 0,78539 41,6 0,176

100 1660 0,78539 1520 3,765

0 1660 18,09557 85,62 0,321

100 1660 18,09557 169,5 0,535

50 820 0,78539 25,24 0,112

50 2500 0,78539 1520 3,765

50 820 18,09557 63,35 0,253

50 2500 18,09557 208,9 0,629

50 1660 9,44048 22,52 0,101

50 1660 9,44048 24,38 0,109

50 1660 9,44048 16,49 0,076

0 820 9,44048 28,27 0,125

100 820 9,44048 48,43 0,201

0 2500 9,44048 60,55 0,242

100 2500 9,44048 97,82 0,356

0 1660 0,78539 92,85 0,342

100 1660 0,78539 1520 3,765

0 1660 18,09557 83,16 0,314

100 1660 18,09557 166,5 0,528

50 820 0,78539 12,35 0,057

50 2500 0,78539 1520 3,765

50 820 18,09557 59,29 0,238

50 2500 18,09557 232,5 0,686

50 1660 9,44048 21,89 0,098

50 1660 9,44048 27,14 0,12

50 1660 9,44048 30,12 0,132

0 820 9,44048 32,73 0,142

100 820 9,44048 62,45 0,249

0 2500 9,44048 83,12 0,316

100 2500 9,44048 97,86 0,356

0 1660 0,78539 13,3 0,062

100 1660 0,78539 1520 3,765

0 1660 18,09557 82,07 0,31

100 1660 18,09557 111,9 0,395

50 820 0,78539 35,85 0,154

50 2500 0,78539 3,765 93,1

50 820 18,09557 49,46 0,204

50 2500 18,09557 244,7 0,715

50 1660 9,44048 31,22 0,136

50 1660 9,44048 21,7 0,098

50 1660 9,44048 41,96 0,177

128

D ANEXO

D.1 Caracterizacion de fallos a 820 RPM

Caracterizacion de la muestra R1 E3 D2 (820 RPM con 100% de apertura de la EGR y

un diametro para la restriccion de gases de escape de 3,6 cm)

129

Caracterizacion del Fallo R1 E2 D3 (820 RPM con 50% de apertura de la EGR y un

diA¡metro para la restriccion de gases de escape de 1 cm)

130


diametro para la restriccion de gases de escape de 4,8 cm)

131


Caracterizacion de la muestra R2 E1 D3 (1660 RPM con 0% de apertura de la EGR y un

diametro para la restriccion de gases de escape de 1 cm)

132



133



134


Caracterizacion de la muestra R3 E2 D3 (2500 RPM con 50% de apertura de la EGR y

un diametro para la restriccion de gases de escape de 1 cm)

135



136



137


diametro para la restriccion de gases de escape de 1 cm)

138

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