UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

ESTUDIO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CABEZOTE TWIN CAM

16 VÁLVULAS Y UN SISTEMA SOBREALIMENTADO A UN

CHEVROLET FORSA 1300CC DE 8 VÁLVULAS

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

ACOSTA HERRERA JEFFERSON OMAR

DIRECTOR: ING. JUAN LUCERO.

Quito, noviembre 2017

© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2017

Reservados todos los derechos de reproducción

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 1718688144

APELLIDO Y NOMBRES: Acosta Herrera Jefferson Omar

DIRECCIÓN: Panamericana Norte Km 9 1/2

EMAIL: jefferson_snp@hotmail.com

TELÉFONO FIJO: 023517689

TELÉFONO MOVIL: 0992573044

DATOS DE LA OBRA

TITULO: Estudio e Implementación de un cabezote

Twin Cam 16 válvulas y un sistema

sobrealimentado a un Chevrolet Forsa

1300cc de 8 válvulas

AUTOR O AUTORES: Acosta Herrera Jefferson Omar

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO

DE TITULACIÓN:

Noviembre, 2017

DIRECTOR DEL PROYECTO DE

TITULACIÓN:

Ing. Juan Lucero

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz

RESUMEN: En el Ecuador existe una cantidad

mínima de vehículos circulando de

motor G13B con doble árbol de levas

y siendo más escaso con un sistema

sobrealimentado. El proyecto titulado

“Estudio e Implementación de un

cabezote twin cam 16 válvulas y un

sistema sobrealimentado a un

Chevrolet Forsa 1300cc de 8 válvulas”

tuvo como objetivo implementar un

cabezote twin cam con un sistema

sobrealimentado, mediante varias

pruebas se pudo medir: la

compresión, análisis de gases

contaminantes y con un dinamómetro

se obtuvo los datos de potencia y par

del motor, pudiendo determinar el

estado de funcionamiento del

vehículo. Se desmontó los elementos

internos del motor, permitiendo tomar

datos para los diferentes cálculos

matemáticos y análisis para la

X

selección del turbocompresor y

remplazar algunos elementos internos

por unos de mayor calidad y

rectificado el block con su cigüeñal.

Mediante cálculos matemáticos se

seleccionó el turbocompresor ideal,

para mejorar el rendimiento y

eficiencia del motor, se realizaron

modificaciones: en el sistema de

admisión, se reemplazó el cuerpo de

aceleración de monopunto a

multipunto con su respectivo cableado

y ECM. En sistema de escape se

modificó el múltiple de escape

adaptando una base de acero que

permita fijar al turbocompresor y al

tubo que libera los gases quemados.

Se optimizó el sistema

sobrealimentado, fue necesario

adaptar válvulas, manómetros y un

intercooler, controlando las presiones

elevadas y las altas temperaturas

generadas. Se utilizó un “turbo timer”

que permitió alargar la vida útil del

turbocompresor, estabilizando el

ralentí del motor antes de apagarlo.

Una vez instalado el sistema

sobrealimentado se volvió a realizar

las pruebas anteriores y se comparó

los resultados, obteniendo un

incremento de 88.45 HP y 54.21 Nm,

reduciendo los gases contaminantes:

0.01% de monóxido de carbono, 20

ppm de hidrocarburos y 0.66 % de

oxígeno.

PALABRAS CLAVES: TURBOCOMPRESOR,TWIN CAM,

DINAMÓMETRO, CHEVROLET

FORSA 1300.

ABSTRACT:

In Ecuador there is a minimum

number of vehicles circulating G13B

engine with double overhead cam and

being more scarce with a

supercharged system. The project

entitled "Study and implementation of

a twin cam 16 valve head and a

supercharged system to a Chevrolet

Forsa 1300cc 8 valves" aimed to

implement a twin cam head with a

supercharged system, through several

tests could be measured:

compression, analysis of polluting

gases and with a dynamometer the

power and torque data of the engine

was obtained, being able to determine

the operation status of the vehicle.

The internal elements of the engine

were disassembled, allowing to take

data for the different mathematical

calculations and analysis for the

selection of the turbocharger and

replace some internal elements with

higher quality ones and rectified the

block with its crankshaft. By means of

mathematical calculations the ideal

turbocharger was selected, to improve

the performance and efficiency of the

engine, modifications were made: in

the intake system, the single-point to

multipoint acceleration body was

replaced with its respective wiring and

ECM. In the exhaust system, the

exhaust manifold was modified by

adapting a steel base that allows fixing

the turbocharger and the tube that

releases the burned gases. The

supercharged system was optimized,

it was necessary to adapt valves,

pressure gauges and an intercooler,

controlling the high pressures and the

high temperatures generated. A "turbo

timer" was used that allowed to extend

the useful life of the turbocharger,

stabilizing the idle of the engine before

turning it off. Once the supercharged

system was installed, the previous

tests were carried out again and the

results were compared, obtaining an

increase of 88.45 HP and 54.21 Nm,

reducing the polluting gases: 0.01% of

carbon monoxide, 20 ppm of

hydrocarbons and 0.66% of oxygen.

KEYWORDS

Turbocharger, Twin Cam,

Dynamometer, Chevrolet Forsa 1300.

Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio

Digital de la Institución.

DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN

Yo, ACOSTA HERRERA JEFFERSON OMAR, CI 1718688144 autor del

proyecto titulado: Estudio e Implementación de un cabezote TWIN CAM

16 válvulas y un sistema sobrealimentado a un CHEVROLET FORSA

1300cc de 8 válvulas previo a la obtención del título de INGENIERO

AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.

1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las

Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo

144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la

SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de

graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de

información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión

pública respetando los derechos de autor.

2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial

a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito

de generar un Repositorio que democratice la información,

respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.

Quito, noviembre del 2017

DECLARACIÓN

Yo ACOSTA HERRERA JEFFERSON OMAR, declaro que el trabajo aquí

descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para

ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias

bibliográficas que se incluyen en este documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos

correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de

Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional

vigente.

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Estudio e

Implementación de un cabezote TWIN CAM 16 válvulas y un sistema

sobrealimentado a un CHEVROLET FORSA 1300cc de 8 válvulas”,

que, para aspirar al título de ingeniero Automotriz fue desarrollado por

ACOSTA HERRERA JEFFERSON OMAR, bajo mi dirección y

supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y

cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de

Titulación artículos 19, 27 y 28.

DEDICATORIA

Quiero dedicar este trabajo muy especialmente a mis amados padres

LUPITA HERRERA Y GANDY ACOSTA a mi hermano GANDHI ACOSTA a

mi sobrino GANDHI ALEJANDRO a mi esposa ISABEL GAVILANES y en

especial a mi hijo CRISTOPHER ACOSTA, son todos ustedes la razón de

que me levante cada día esforzarme por el presente y el mañana, son mi

principal motivación.

AGRADECIMIENTO

Yo agradezco primeramente a mi familia que han dado todo el esfuerzo para

que yo ahora este culminando esta gran logro de mi vida en especial quiero

agradecerle a mi madre Lupita, que me apoyo culminar mis estudios

después de las peripecias y sufrimientos que pasamos, tú siempre me das

fuerzas para seguir adelante mamita linda. También quiero agradecer a mi

esposa por darme fuerzas en los momentos más difíciles de mi vida. Por

otra parte quiero agradecer a mi hijo por ser la inspiración de culminar una

de las etapas de mi vida.

Quiero agradecer el gran apoyo recibido por parte de mi tutor de tesis el Ing.

Juan Carlos Lucero por brindarme su apoyo y dedicación, su conocimiento,

su manera de trabajar y su motivación han sido fundamentales para mi

formación como investigador. Gracias a los ingenieros Alex Guzmán y Milton

Revelo por fortalecer mis conocimientos en la realización del proyecto y su

amistad.

Agradezco a mi grupo de trabajo y amigos que me apoyaron siempre en el

momento más difícil de mi vida a Juan Herrera, Steven, Edison, Jhonny,

Juan Molina, Daniel, Fabián y Juan Arteaga.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN 1

ABSTRACT 2

1. INTRODUCCIÓN 3

2. METODOLOGÍA 10

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 12

3.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL MOTOR CHEVROLET

FORSA 1300 12

3.2 DATOS TÉCNICOS Y TEÓRICOS DEL MOTOR 12

3.3 DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS REALES DEL MOTOR 12

3.3.1 BANCO DINAMOMÉTRICO 13

3.3.2 RESULTADO OBTENIDO E INTERPRETACIÓN 14

3.3.3 ANÁLISIS Y COMPARACIÓN DE LOS DATOS TEÓRICOS Y

DE LOS VALORES OBTENIDOS 14

3.3.4 MEDICIÓN DE LOS GASES DE ESCAPE 15

3.3.5 MEDICIÓN DE COMPRESIÓN 17

3.4 CÁLCULOS INICIALES DEL MOTOR CHEVROLET FORSA Y

TRUCAJE 17

3.4.1 VOLUMEN UNITARIO 18

3.4.2 CILINDRADA 18

3.4.3 RELACIÓN DE COMPRESIÓN 19

3.4.4 VOLUMEN UNITARIO MODIFICADO 20

3.4.5 CILINDRADA MODIFICADA 20

3.4.6 RELACIÓN DE COMPRESIÓN MODIFICADA 21

3.4.7 RENDIMIENTO TÉRMICO 22

3.4.8 POTENCIA EFECTIVA 22

3.4.9 POTENCIA INDICADA 22

3.4.10 RENDIMIENTO MECÁNICO DEL MOTOR 22

3.4.11 CAUDAL TEÓRICO 23

3.4.12 MASA TEÓRICO DE AIRE 23

3.4.13 RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO DEL MOTOR 24

3.4.14 RENDIMIENTO ÚTIL DEL MOTOR 24

3.4.15 CONSUMO ESPECÍFICO 25

3.5 SELECCIÓN DE ELEMENTOS 25

3.5.1 ANÁLISIS PARA LA SELECCIÓN DEL TURBOCOMPRESOR 25

3.5.2 DESIGNACIÓN DE TURBO COMPRESOR 26

ii

3.5.3 ANÁLISIS DE LA RELACIÓN DE PRESIÓN 27

3.5.4 CÁLCULO DE FLUJO DE AIRE NECESARIO (CFM) 28

3.5.5 CÁLCULO DE LA PRESIÓN EN EL MÚLTIPLE DE

ADMISIÓN SEGÚN LA POTENCIA (MAP) 29

3.5.6 CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE ADMISIÓN CON EL

TURBOCOMPRESOR 30

3.5.7 VARIACIÓN DE LA RELACIÓN DE PRESIÓN 31

3.5.8 CÁLCULO DEL INCREMENTO DE POTENCIA 32

3.6 IMPLEMENTACIÓN 33

3.6.1 SELECCIÓN DE ELEMENTOS MÓVILES 33

3.6.1.1 Block del motor 33

3.6.1.2 Cigüeñal 33

3.6.1.3 Pistones 34

3.6.1.4 Biela 35

3.6.1.5 Holguras permisibles 35

3.6.2 VOLUMEN DEL EMPAQUE DE LA CULATA 36

3.6.3 IMPLEMENTACIÓN DEL CABEZOTE TWIM CAM 37

3.6.4 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE INYECCIÓN

ELECTRÓNICA MPFI 37

3.6.5 CONSIDERACIONES PARA LA INSTALACIÓN DEL

TURBOCOMPRESOR 39

3.6.6 MODIFICACIÓN DEL SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE 41

3.6.6.1 Intercambiador de Calor 41

3.6.6.2 Válvula de alivio (Blow Off) 42

3.6.6.3 Sistema de admisión de aire 42

3.6.6.4 Cañerías de aluminio 43

3.6.7 MODIFICACIÓN EN EL SISTEMA DE ESCAPE. 44

3.6.8 MODIFICACIÓN EN EL SISTEMA DE LUBRICACIÓN. 45

3.6.8.1 Modificación del carter 46

3.6.8.2 Recolector de aceite 46

3.6.8.3 Turbo timer 47

3.7 PRUEBAS FINALES CON EL SISTEMA SOBREALIMENTADO 48

3.7.1 MEDICIÓN DE COMPRESIÓN 48

3.7.2 MEDICIÓN DE GASES 49

3.7.1 PRUEBA DE DINAMÓMETRO 51

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 55

4.1 CONCLUSIONES 55

4.2 RECOMENDACIONES 56

5. BIBLIOGRAFÍA 57

6. ANEXOS 60

iii

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Ecuaciones fundamentales para la investigación y análisis. 7

Tabla 2. Ficha técnica del Chevrolet Forsa 2 (1996-2004) 12

Tabla 3. Datos de potencia y par motor en el dinamómetro 14

Tabla 4. Análisis de potencia y torque del motor estándar 14

Tabla 5. Cuadro calificativo de gases para la revisión técnica vehicular en

Quito en los vehículos del 2000 en adelante 15

Tabla 6. Valores obtenidos en el analizador de gases de escape con el

motor estándar y sin catalizador 16

Tabla 7. Límites máximos de emisiones de gases 16

Tabla 8. Análisis de los gases de escape del vehículo estándar según

Normas INEN 16

Tabla 9. Valores de compresión Chevrolet Forsa 1300 estándar 17

Tabla 10. Cubicaje de la cámara de combustión motor estándar 19

Tabla 11. Condiciones de rectificación del cilindro 20

Tabla 12. Cubicaje de la cámara de combustión motor modificado 21

Tabla 13. Rendimiento mecánico según el tipo de motor 23

Tabla 14. Poder calorífico de gases y líquidos 25

Tabla 15. Rectificación del cigüeñal del motor G13B 34

Tabla 16. Valores otorgados por el fabricante rines de piston 35

Tabla 17. Valores otorgados por el fabricante rines de piston 35

Tabla 18. Valores otorgados por el fabricante 36

Tabla 19. Valores otorgados por el fabricante 36

Tabla 20. Valores otorgados por el fabricante 36

Tabla 21. Dimensiones del rotor del compresor y turbina del

turbocompresor 40

Tabla 22. Medición de compresión de los cilindros en el motor

sobrealimentado 48

Tabla 23. Análisis de la compresión de los cilindros en las dos etapas

del motor 49

Tabla 24. Valores en la prueba de gases del motor sobrealimentado 49

Tabla 25. Valores obtenidos en el analizador de gases de escape en

las dos fases del motor en ralentí 50

Tabla 26. Valores obtenidos en el analizador de gases de escape en

las dos fases del motor a 2500rpm 50

Tabla 27. Porcentaje de variación de la emisión de gases en ralentí 50

Tabla 28. Porcentaje de variación de la emisión de gases a 2500rpm 50

Tabla 29. Valores de potencia y par del motor sobrealimentado en el

dinamómetro 51

Tabla 30. Valores de potencia obtenido en el dinamómetro en las dos

fases 52

iv

Tabla 31. Valores de torque obtenido en el dinamómetro en las dos

fases. 53

v

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Módulo principal del Banco Dynorace 13

Figura 2. Prueba en el dinamómetro con el Chevrolet Forsa 1300 13

Figura 3. Curvas de potencia y par motor obtenidos en el dinamómetro 14

Figura 4. Banco de medición de gases de escape MAHA MGT-5 15

Figura 5. Medición de gases al motor estándar 16

Figura 6. Medición de compresión al motor estándar 17

Figura 7. Medición del diámetro del cilindro estándar 18

Figura 8. Medición de la cámara de combustión en el cabezote 8 válvulas 19

Figura 9. Medición de la cámara de combustión en el cabezote 16

válvulas. 21

Figura 10. Curvas de selección del turbocompresor 26

Figura 11. Área y radio del turbo 27

Figura 12. Block del motor G13B 33

Figura 13. Cigüeñal del motor G13B 34

Figura 14. Pistón original y pistón del G16A RD 34

Figura 15. Biela estándar y biela del Twin Cam 35

Figura 16. Culata twin cam 16 válvulas 37

Figura 17. Gráfica del tablero interior del vehículo y sus componentes 38

Figura 18. Cuerpo de aceleración del Swift GTI 38

Figura 19. Plaqueta de identificación del turbocompresor 39

Figura 20. Curvas del turbocompresor Garrett TA31 40

Figura 21. Turbo Garrett TA31 41

Figura 22. Radiador del aire de admisión o intercooler 42

Figura 23. Válvula de soplado secuencial HKS 42

Figura 24. Sistema de admisión de aire de un motor sobrealimentado 43

Figura 25. Tubería de 2.5” 43

Figura 26. Múltiple de escape del Forsa 1300 y del Swift GTI 44

Figura 27. Conexiones en la base de acero 44

Figura 28. Tubo de escape acoplado en la base de acero 45

Figura 29. Temperatura de funcionamiento en el turbocompresor 45

Figura 30. Acople en el cárter 46

Figura 31. Recolector de aceite D1 Spec 47

Figura 32. Turbo timer marca HKS 47

Figura 33. Empaque original de asfalto y empaque metálico 48

Figura 34. Medición de compresión al motor sobrealimentado 48

Figura 35. Prueba de gases en el motor sobrealimentado 49

Figura 36. Vehículo modificado sobrealimentado en el dinamómetro 51

Figura 37. Grafica de potencia y par del motor sobrealimentado 52

vi

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

ANEXO 1. Catalogo TA31 de Garrett 60

ANEXO 2. Datos técnicos del modelo TA31 de Garrett 61

1

RESUMEN

En el Ecuador existe una cantidad mínima de vehículos circulando de motor

G13B con doble árbol de levas y siendo más escaso con un sistema

sobrealimentado. El proyecto titulado “Estudio e Implementación de un

cabezote twin cam 16 válvulas y un sistema sobrealimentado a un Chevrolet

Forsa 1300cc de 8 válvulas” tuvo como objetivo implementar un cabezote

twin cam con un sistema sobrealimentado, mediante varias pruebas se pudo

medir: la compresión, análisis de gases contaminantes y con un

dinamómetro se obtuvo los datos de potencia y par del motor, pudiendo

determinar el estado de funcionamiento del vehículo. Se desmontó los

elementos internos del motor, permitiendo tomar datos para los diferentes

cálculos matemáticos y análisis para la selección del turbocompresor y

remplazar algunos elementos internos por unos de mayor calidad y

rectificado el block con su cigüeñal. Mediante cálculos matemáticos se

seleccionó el turbocompresor ideal, para mejorar el rendimiento y eficiencia

del motor, se realizaron modificaciones: en el sistema de admisión, se

reemplazó el cuerpo de aceleración de monopunto a multipunto con su

respectivo cableado y ECM. En sistema de escape se modificó el múltiple de

escape adaptando una base de acero que permita fijar al turbocompresor y

al tubo que libera los gases quemados. Se optimizó el sistema

sobrealimentado, fue necesario adaptar válvulas, manómetros y un

intercooler, controlando las presiones elevadas y las altas temperaturas

generadas. Se utilizó un “turbo timer” que permitió alargar la vida útil del

turbocompresor, estabilizando el ralentí del motor antes de apagarlo. Una

vez instalado el sistema sobrealimentado se volvió a realizar las pruebas

anteriores y se comparó los resultados, obteniendo un incremento de 88.45

HP y 54.21 Nm, reduciendo los gases contaminantes: 0.01% de monóxido

de carbono, 20 ppm de hidrocarburos y 0.66 % de oxígeno.

PALABRAS CLAVE: Turbocompresor, Twin Cam, Dinamómetro, Chevrolet

Forsa 1300.

2

ABSTRACT

In Ecuador there is a minimum number of vehicles circulating G13B engine

with double overhead cam and being more scarce with a supercharged

system. The project entitled "Study and implementation of a twin cam 16

valve head and a supercharged system to a Chevrolet Forsa 1300cc 8

valves" aimed to implement a twin cam head with a supercharged system,

through several tests could be measured: compression, analysis of polluting

gases and with a dynamometer the power and torque data of the engine was

obtained, being able to determine the operation status of the vehicle. The

internal elements of the engine were disassembled, allowing to take data for

the different mathematical calculations and analysis for the selection of the

turbocharger and replace some internal elements with higher quality ones

and rectified the block with its crankshaft. By means of mathematical

calculations the ideal turbocharger was selected, to improve the performance

and efficiency of the engine, modifications were made: in the intake system,

the single-point to multipoint acceleration body was replaced with its

respective wiring and ECM. In the exhaust system, the exhaust manifold was

modified by adapting a steel base that allows fixing the turbocharger and the

tube that releases the burned gases. The supercharged system was

optimized, it was necessary to adapt valves, pressure gauges and an

intercooler, controlling the high pressures and the high temperatures

generated. A "turbo timer" was used that allowed to extend the useful life of

the turbocharger, stabilizing the idle of the engine before turning it off. Once

the supercharged system was installed, the previous tests were carried out

again and the results were compared, obtaining an increase of 88.45 HP and

54.21 Nm, reducing the polluting gases: 0.01% of carbon monoxide, 20 ppm

of hydrocarbons and 0.66% of oxygen .

KEYWORDS: Turbocharger, Twin Cam, Dynamometer, Chevrolet Forsa

1300.

1. INTRODUCCIÓN

3

1. INTRODUCCIÓN

En Ecuador existen algunas limitaciones en las importaciones de vehículos

de competencia, las industrias automotrices implementan diversos

mecanismos de funcionamiento dándoles una categoría a cada vehículo que

permite un mejor rendimiento y potencia del motor.

Se plantea desarrollar el estudio e implementación de un cabezote twin cam

16 válvulas y un sistema sobrealimentado a un Chevrolet Forsa 1300cc de 8

válvulas, identificando los diferentes parámetros de funcionamiento,

estudiando los componentes y partes adecuadas que permitan transformar

un motor atmosférico estándar a turbo alimentado, remplazando el cabezote

original de fábrica del Chevrolet con un cabezote twin cam, permitiendo

mejorar la sincronización de los elementos, agregándole un sistema

sobrealimentado para mejorar la potencia y par motor, obteniendo un mejor

rendimiento.

Como objetivo general se plateó:

Estudiar e implementar un cabezote twin cam 16 válvulas y un sistema

sobrealimentado a un Chevrolet Forsa 1300cc de 8 válvulas.

Como objetivos específicos se plantearon:

Identificar los parámetros y características de funcionamiento del motor a

gasolina del vehículo Chevrolet Forsa 1300.

Seleccionar los componentes y partes adecuadas para la implementación

del cabezote y sistema de sobrealimentación en el motor.

Implementar el cabezote twin cam con un sistema sobrealimentado a un

Chevrolet Forsa.

Realizar pruebas dinámicas de funcionamiento de potencia, torque y gases

contaminantes antes y después de la modificación del motor con el sistema

sobrealimentado.

Analizar y comparar los parámetros de potencia, torque y gases

contaminantes.

Para el desarrollo del proyecto se identificará las partes internas del motor

Chevrolet Forsa de manera visual y mediante las ecuaciones

termodinámicas, matemáticas y datos del fabricante, se determina el par

motor y potencia. Se realiza un estudio de la composición de los pistones,

block y biela. Tomando en cuenta los factores de revolución del motor,

combustión, aire que ingresa a la cámara, temperatura y presión, se

selecciona un sistema de turbo compresor de baja presión, siendo el más

adecuado y sin la necesidad de forjar las partes internas de motor. Se

implementa un cabezote twin cam con un sistema de inyección electrónica

multipunto y se efectúan adecuaciones para la instalación de un sistema

sobrealimentado de baja presión en el motor Chevrolet Forsa 1300. Se

realiza pruebas con un dinamómetro (torque y par motor) y analizador de

gases (HC, CO y O2) antes y después de instalar el cabezote twin cam con

4

el sistema de sobrealimentación, con los datos obtenidos se analiza y

compara el motor atmosférico estándar de 8 válvulas con el motor

sobrealimentado de 16 válvulas en el vehículo Chevrolet Forsa 1300.

En la actualidad los motores de cuatro tiempos son los más utilizados en los

automóviles de competición o de calle. Los motores se encuentran

constituidos internamente por partes móviles, trabajando simultáneamente

con la finalidad de brindar un mejor rendimiento del motor.( Alonso, 2009)

Los cambios a realizar en el motor, será el remplazo del cabezote original de

8 válvulas por uno de dos árboles de levas de 16 válvulas, igualmente se

remplazara el múltiple de admisión original por un múltiple de admisión

Suzuki Swift Gti, implementando varias partes como: cuerpo de aceleración,

riel de inyectores (sistema de inyección multipunto), banda de distribución,

cable de bujías y bujías. La implementación y adaptación de un sistema

sobrealimentado transformándole de un motor atmosférico a un motor

turboalimentado. (Dietsche, 2003)

Para mejor el rendimiento del motor, se efectúa el cambio de la culata de

válvulas de un SOCH (Single Over Heas Cam) a DOCH (Dual Over Head

Cam). DOCH este sistema utiliza doble árbol de levas, dos levas por

cilindro, permitiendo una configuración de 4 válvulas por cilindro. El motor

alcanza con facilidad las altas revoluciones, el par motor y potencia son

mayores. Pero existe un peso adicional convirtiéndose en una carga para el

vehículo. (Martínez, 2012)

Para evitar problemas y obtener el mejor rendimiento del motor, se debe

remplazar mediante un análisis algunos elementos móviles como: pistones,

válvulas, bomba de aceite, bomba de agua, medias lunas, chaquetas de

bancada, chaquetas de biela. Se envía a una rectificadora el bloque de

motor, volante de inercia, cigüeñal y culata para verificar su desgaste y

realizar su reparación si lo amerita. (Valbuena, 2008)

En la actualidad los árboles de levas se han modificado permitiendo dividir

esfuerzos y evitar pérdidas de potencia del motor, se encuentra ubicada en

la culata y tiene una sincronización con el cigüeñal por medio de una cadena

o correa dentada. Es importante calar correctamente la distribución, este

proceso es el de mayor importancia para el funcionamiento y rendimiento

correcto del motor. (Luque, 2013)

Para poder calar debemos localizar el punto muerto superior sin tomar en

cuenta las posibles marcas dispuestas por el fabricante, luego se gira el

cigüeñal para un sentido hasta que toque el vástago con el pistón, se

procede anotar la lectura del disco graduado, se repite el mismo

procedimiento en sentido contrario hasta tocar con el limitador de la carrera,

con la segunda anotación, permite calcular la media aritmética. El

movimiento del pistón es simétrico referente a los puntos muertos, por lo

tanto las dos lecturas deben ser idénticas. A continuación, sin mover el

cigüeñal y girando el disco hasta obtener los grados correctos, este

procedimiento se realiza para el otro sentido comprobando las lecturas, se

5

retira el limitador de carrera gira el motor hasta el Punto Muerto Superior o

0°, este se le considera el Punto Muerto Superior verdadero del motor. Es

importante localizar los puntos correctos sin un menor error de 1°. Además

se puede verificar con las marcas del fabricante. (Suzuki Swift Gti, 1989)

El Chevrolet Forsa tiene un sistema inyección monopunto de alimentación,

se remplaza por un sistema de inyección electrónica multipunto desde cero,

trabaja conjuntamente con sensores, actuadores alrededor del motor y un

módulo electrónico (ECM), el que recepta señales y compara con los datos

almacenados en el módulo, permitiendo un ahorro en el consumo de

gasolina y optimizando la combustión interna. También facilitan la medición

de parámetros de funcionamiento del motor como: las revoluciones del

motor, el aire que ingresa a la cámara de combustión, la temperatura y

velocidad. (El Tiempo, 2016)

Los motores termodinámicos tienen el objetivo de transformar la energía

calorífica en energía mecánica directamente utilizable. Mediante un análisis

termodinámico y matemático con los datos del fabricante, se obtendrá un

modelo matemático más real. Permitiendo seleccionar el turbo compresor

más adecuado para el motor. Se realiza el cálculo con las siguientes

formulas: El volumen unitario o cilindrada, es el área de la sección del

cilindro por la carrera del pistón. La cilindrada total, es el volumen de la

mezcla entre aire y combustible, multiplicado por el número de cilindros que

posee el motor de combustión. La relación de compresión, es la relación

entre el volumen del cilindro cuando el pistón está en el PMI y el volumen

cuando está en el PMS, que indica cuando se reduce por compresión el

volumen del aire. El volumen de la cámara de compresión, es el volumen

unitario más volumen de la cámara de compresión y todo esto dividido para

el volumen de cámara de compresión. La velocidad media del embolo o

pistón, corresponde a un movimiento lineal uniforme supuesto con el cual el

pistón tardara en hace la carrera. (Martínez, 2012)

Ayudando a realizar otros cálculos adicionales como: El par motor, cuyo

valor se obtiene cuando la presión en el interior del cilindro es máxima. El

consumo especifico de combustible, es la relación que existe entre el

combustible que se introduce a la cámara de combustión para ser quemado

y la potencia producida durante un tiempo determinado. El rendimiento

mecánico, es la relación entre el trabajo útil entregado al volante motor y el

trabajo indicado. El rendimiento total, es la relación entre el trabajo obtenido

en el eje motor y el equivalente a la energía calorífica del combustible

consumido y es igual al producto del rendimiento termodinámico por el

mecánico. (Guaita, 2013)

Cada sensor funciona igual, a veces trabajan con diferentes parámetros de

funcionamiento, los sensores más importantes dentro del motor son:

Medidor de flujo de aire, informa al módulo electrónico la cantidad de aire y

temperatura ingresado al múltiple de admisión, y modifica la cantidad de

combustible pulverizado. Medidor de presión de aire, se denomina MAP,

6

permite medir la presión del aire dentro del múltiple de admisión. Sensor de

posición de la mariposa del acelerador, su función es bloquear el

combustible para obtener un consumo menor y ahorrando combustible, y

estando en ralentí los inyectores abren y pulverizan el combustible, evitando

apagarse el motor. Sensor de temperatura del motor, mide la temperatura

del motor por medio del refrigerante o agua que circula por el motor. Sensor

de oxigeno o también conocido como sonda lambda, por lo general se

encuentra en el tubo de escape, mide la cantidad de gases de escape

combustionados, existiendo variación en los parámetros, este sensor permite

medir la cantidad exacta de mezcla estequiometria. (Navarrete, 2010)

Por lo tanto la función que realiza el sistema de inyección electrónica,

consiste en medir el aire del medio ambiente, que absorbe el motor y

controlado por la mariposa de aceleración en función de la carga del motor,

luego dosifica el combustible requerido para la cantidad de aire aspirada,

siendo la mezcla estequiometria más precisa dentro los límites del factor

lambda. (Payri, 2011)

El Eeprom, es la memoria de lectura programable ubicado dentro del módulo

electrónico, permitiendo calibrar y programar, controlando el funcionamiento

correcto del tren motriz. El Eeprom almacena y registra los datos de

funcionamiento determinando cálculos y valores emitidos. (Navarro, 2007)

Para verificar la compresión de los cuatro cilindros, se realiza un test de

compresión mediante un manómetro con sus respectivos conectores y se

procede con el motor caliente, después de calentar el motor apáguelo, se

remueve las bujías y los cables de bujía, desconecte la bobina, instalar el

medidor de compresión, se mantiene el vehículo en neutro y arrancar

manteniendo el pedal del acelerador a fondo ( las válvulas se abren),

alrededor de 10 a 15 segundos, se realiza este mismo procedimiento por

cada cilindro, con los datos obtenidos se verifica los valores teniendo como

referencia la altitud y se procede a colocar las bujías, cables de bujías y

bobina. (Alonso, 2009)

La incorporación de un sistema sobrealimentado a un motor de combustión

interna, permite incrementar la potencia del motor, sin la necesidad de

aumentar sus dimensiones. Los automóviles que circulan a gran altitud sobre

el nivel del mar, se reduce la densidad del aire causando perdida de

potencia en ellos. Para solucionar el problema se implementa un sistema de

sobrealimentación, aprovechando la dinámica de los gases, permitiendo

incrementar el volumen de aire que ingresa normalmente a la cámara de

combustión de los motores atmosféricos (aspiración natural o normal), y a su

vez, se inyecta más combustible dentro del cilindro, obteniendo así un

aumento hasta del 40% de potencia y de par motor. Un motor atmosférico

tiene un límite de potencia que está dado por la cantidad de aire que puede

aspirar a través de su sistema de admisión. (Nuvolari, 2011)

Las temperaturas que circulan dentro del sistema de sobrealimentación son

muy notables y pueden alcanzar temperaturas de 800 a 1000°C, mientras

7

que en el compresor alcanza una temperatura máxima de 80°C. Teniendo

una diferenciación de temperaturas en la turbina y compresor, que dificulta el

diseño y selección de materiales para su construcción. (Morales, 2011)

Se considera la variación de la presión media, el volumen de la cámara y la

relación de compresión, para evitar daños o riesgos de incremento de

temperatura en el motor ocasionado por la sobrealimentación. (Eduardo,

2013)

En el turbo los gases salen a una temperatura de 90 a 120 grados Celsius,

ocasionando el aumento de densidad en los gases, provocando que la masa

de oxigeno por unidad de volumen disminuya, igualmente la eficiencia

volumétrica del motor disminuya la potencia. Para evitar este inconveniente

se coloca un intercooler teniendo un aumento de potencia del 10 al 15 por

ciento, respecto a un motor sobrealimentado sin intercooler. (Luque, 2013)

En el intercooler existe un parámetro denominado grado de intercambio de

calor, que relaciona la refrigeración del aire de admisión con la variación de

la temperatura. Para calcular la temperatura de salida del aire del

intercambiador de calor se obtiene restando la temperatura a la entrada del

Intercooler y el valor de refrigeración. (Navarrete, 2010)

Para poder controlar el funcionamiento adecuado del motor

sobrealimentado, es necesario implementar manómetros, indicando la

presión del aceite, la presión del turbo, temperaturas de sobrealimentación, y

luces indicadoras. (Guaita, 2013)

El mantenimiento del sistema turbo alimentado es muy delicado y muy

costoso, para evitar averías en el sistema de sobrealimentación es

recomendable: Sustituir aceite y filtro en los tiempos establecidos por el

fabricante, evitar arranques bruscos en frio, utilizar aceites sintéticos en los

sistemas de refrigeración y lubricación, dejar en ralentí después de haber

tenido recorridos largos. (Schulbuchverlag, 2012)

Para la repotenciación del motor, se realiza cálculos matemáticos mediante

el uso de fórmulas detalladas en la tabla 1.

Tabla 1. Ecuaciones fundamentales para la investigación y análisis.

Nombre Fórmula Dónde N°

Ecuación

Volumen unitario

Vu: Volumen Unitario d: Diámetro del Cilindro S: Carrera

[1]

Cilindrada

Cil=Vu x n Cil: Cilindrada Vu: Volumen Unitario n: Número de cilindros

[2]

8

Tabla 1. Ecuaciones fundamentales para la investigación y análisis, continuación.

Relación de compresión

Rc= Rc: Relación de

compresión estándar Vu: Volumen unitario Vc: Volumen de la cámara de combustión

[3]

Volumen unitario modificado

: Volumen Unitario

modificado

: Diámetro del Cilindro modificado S: Carrera

[4]

Cilindrada modificada

= x n : Cilindrada modificada

: Volumen Unitario modificado n: Número de cilindros

[5]

Relación de compresión modificada

: =

: Relación de compresión estándar

: Volumen unitario : Volumen de la

cámara de combustión

[6]

Rendimiento térmico

ηt= 1-

ηt: rendimiento térmico Rc: relación de compresión estándar

: constante de gas ideal

con calor específico

[7]

Potencia efectiva

Potencia efectiva

Par motor Revoluciones por

minuto

[8]

Rendimiento mecánico del

motor

: Rendimiento mecánico

Potencia efectiva

Potencia indicada

[9]

Caudal teórico

Qt= Vu x

Qt: Caudal teórico Vu: Volumen unitario n: Número de cilindros

[10]

Masa teórico de aire

δa=

δa: Densidad del aire a 2800 msnm

Masa teórica del aire : Caudal teórico

[11]

Rendimiento volumétrico del

motor

Rendimiento volumétrico

Masa del aire real

[12]

9

Tabla 1. Ecuaciones fundamentales para la investigación y análisis, continuación.

Rendimiento útil del motor

Rendimiento útil

Rendimiento térmico Rendimiento del

diagrama

Rendimiento mecánico

[13]

Consumo específico

: Consumo específico

de combustible a 2800 msnm

Poder calorífico de la gasolina

Rendimiento útil

[14]

(Pardiñas, 2012)

2. METODOLOGÍA

10

2. METODOLOGÍA

Se inició aplicando el método investigativo, se recopiló toda la información

necesaria en libros, revistas científicas y páginas web, referente a la

adaptación de un sistema sobrealimentado en un motor a gasolina,

estudiando los diferentes sistemas que son sometidos a modificación,

además se realizó un estudio del funcionamiento del motor teniendo como

referencia los datos provistos por el fabricante y el estado del motor.

Con la ayuda del método cuantitativo se realizó dos test por cada equipo de

comprobación; antes de implementar el cabezote twin cam con el sistema

sobrealimentado y después implementado lo anterior mencionado. Midiendo

con un manómetro de presión en un taller automotriz, la compresión en cada

cilindro para verificar fugas de presión. Luego se subió el vehículo en los

rodillos del banco dinamométrico, obteniendo la gráfica de torque y potencia

en relación de sus revoluciones por minuto. También se analizó el

comportamiento de los gases: hidrocarburos, monóxido de carbono, dióxido

de carbono y oxigeno con un analizador de gases, estando el motor en

ralentí y a 2500rpm.

Una vez realizadas las pruebas, se procedió a desconectar todos los sockers

del sistema eléctrico, abrazaderas de las cañerías y mangueras con un

alicate o destornilladores, localizados alrededor del motor Chevrolet Forsa.

Se procedió a extraer el aceite de motor y caja de cambios. Luego se

desmontó la tapa válvulas, desacoplando el múltiple de admisión y escape

de la culata.

Se sujetó el motor con las cadenas del tecle, con la ayuda de la gata

hidráulica se aflojó los pernos de las bases del motor, para elevar y colocar

el motor en la mesa de trabajo. Para luego desinstalar la distribución,

desmontando con facilidad el cabezote de 8 válvulas con su respectivo árbol

de levas, analizando mediante una inspección visual el desgaste de los

cilindros, con un calibrador pie de rey se medió el diámetro del cilindro,

carrera del pistón y con jeringuillas llenas de aceite se obtuvo el volumen de

la cámara de combustión, permitiendo calcular: volumen unitario, cilindrada,

relación de compresión.

Se desmontó las partes internas del block y se verificó el estado de las

chaquetas de bancada, chaquetas de biela, lunas y cigüeñal.

Además se envió a una rectificadora el cigüeñal, volante de inercia, culata

twin cam y block de motor para verificar su estado y se realizó la respectiva

reparación.

Mediante el método deductivo se analizó matemáticamente los datos

obtenidos en la rectificadora, se seleccionaron las partes más adecuadas

para el proyecto como son: pistones, bielas, rines, chaquetas de bancada,

chaquetas de biela, juego de ½ lunas, válvulas admisión, válvulas escape,

sellos de válvulas, juego de empaques.

11

Las herramientas que se utilizó para armar las partes internas del motor

rectificadas son los siguientes: juego de llaves mixta, juego de dardos con

acoples y rachas de diferente tamaño, palanca de fuerza, taquímetro, juego

de puntas (estrella, recta, hexágonos, cruz, etc) y juego de pinzas. Se

procedió a colocar el cabezote twin cam con las 16 válvulas, empaque

metálico, bomba de agua, bomba de aceite, propulsores, juego de bujías,

juego de cables de corriente, bomba de gasolina y kit de distribución nuevas.

Se remplazó el sistema de inyección monopunto por un sistema de

inyección electrónica multipunto con su módulo electrónico (ECM), siendo

necesario desmontar el tablero, remplazando el cableado completo, porta

fusilera interna y externa con sus respectivos sokers, sustituyendo el cuerpo

de admisión con sus sensores y actuadores. También se remplazó el módulo

de encendido, distribuidor, bujías y cables de bujías.

Se realizó un estudio por medio de parámetros de revoluciones del motor, el

aire que ingresa a la cámara, cilindrada, combustión, temperatura,

considerando la variación de presión media, el volumen de la cámara y la

relación de compresión. Se seleccionó correctamente el sistema del turbo

compresor más adecuado para el motor.

Luego de verificar el correcto armado del motor. Se instaló el sistema de

sobrealimentado, se adquirió un turbocompresor e intercooler ideal para el

motor. Se modificó la admisión y la base del escape para acoplar con el

turbocompresor, se modificó el cárter para que exista un retorno de aceite al

turbocompresor con su respectivo recolector de aceite con mangueras

adicionales. Se instaló una válvula de alivio y manómetros de presión

visibles en el parante izquierdo del vehículo. Una vez concluido el proceso

de armado, se completó el aceite de motor, aceite de caja, niveles de agua.

Verificando constantemente de forma visual fugas o consumo de agua o

aceite.

Con la ayuda del método cualitativo, se precedió a comparar los resultados

obtenidos en el dinamómetro y analizador de gases. Con el motor

modificado e implementado el cabezote twin cam de 16 válvulas y el sistema

de sobrealimentación. Se realiza un cuadro comparativo de torque, potencia

y comportamiento de los gases. Cumpliendo con los objetivos del proyecto.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

12

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL MOTOR 3.1

CHEVROLET FORSA 1300

En el desarrollo del proyecto, se utilizó un vehículo Chevrolet Forsa 1300 cc

de 8 válvulas posee un motor de 4 tiempos a gasolina con 4 cilindros en

línea con un sistema de distribución SOCH, que es alimentado

atmosféricamente con un sistema monopunto.

DATOS TÉCNICOS Y TEÓRICOS DEL MOTOR 3.2

Se requiere conocer los datos técnicos del motor, antes de implementar un

sistema de sobrealimentación en un motor de combustión interna.

Permitiendo comparar los valores teóricos de funcionamiento del motor con

los valores reales obtenidos en el dinamómetro.

En la tabla 2 se observa los valores proporcionados por el fabricante en condiciones ideales y a nivel del mar.

Tabla 2. Ficha técnica del Chevrolet Forsa 2 (1996-2004)

Combustible Gasolina

Alimentación Monopunto

Posición Transversal

Cilindrada 1298

Diámetro x Carrera 74.0 x 75.5 mm

Válvulas 8 Válvulas

Relación de compresión 9.5

Potencia 68 CV or 50 kW @ 6000 rpm

Par máximo 99 Nm or 73 lb.ft @ 3500 rpm

Caja de cambios 5 velocidades manual

Consumos – Medio 5.9 L/100km

Consumos - Extra Urban 4.8 L/100km

Consumos – Urbano 7.8 L/100km

Capacidad del depósito 40 L

Autonomía 677 Km

Emisiones de 141 g/Km

(Manual Técnico Suzuki, 2000)

DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS REALES DEL 3.3

MOTOR

La potencia y el torque son dos indicadores del funcionamiento del motor.

Para medirlo, se utilizó un banco o freno dinamométrico, obteniendo

gráficamente las curvas de par y potencia dependiendo a las revoluciones

del motor.

13

Los análisis reales de los parámetros del motor Chevrolet Forsa 1300cc, se

realizó a través de pruebas en el laboratorio de motores de la Universidad

Internacional del Ecuador (UIDE), utilizando el dinamómetro, y en el taller

automotriz (Hemi–Motors) se procedió a las pruebas de compresión y gases,

el que se encuentra en el sector de la Pulida.

3.3.1 BANCO DINAMOMÉTRICO.

El banco dinamométrico pertenece a la Universidad Internacional del

Ecuador (UIDE), consta con dos módulos, el principal se encuentra a un

costado de la computadora como se observa en la figura 1 y el módulo

secundario se encuentra cerca de los rodillos con varios cables que

trasmiten la información y cañerías neumáticas para el control del elevador.

Figura 1. Módulo principal del banco dinamométrico

El funcionamiento, el eje principal del vehículo gira su capacidad al máximo

sobre los rodillos que frenan de forma gradual y mide la fuerza con que se

está frenando, como se observa en la figura 2. En el display se observa la

siguiente información:

Temperatura atmosférica: 19.4 °C

Presión atmosférica: 757 mmbar = 0.747 atm

Medida del neumático: 205/40 R16

Diámetro de la rueda: 570 mm

Figura 2. Prueba en el dinamómetro con el Chevrolet Forsa 1300

14

3.3.2 RESULTADO OBTENIDO E INTERPRETACIÓN

En la prueba realizada en el banco dinamométrico, el tiempo de duración fue

26.6 segundos, donde se generaron las curvas de potencia y torque

respectivamente en la figura 3 y tabla 3 se observa los datos obtenidos.

Tabla 3. Datos de potencia y par motor en el dinamómetro

Parámetro Unidad RPM Valor

Potencia Max CV/HP/kW 5200 48.13/47,45/35.4

Torque Max Kgm/Nm 3000 8,37/82.1

Figura 3. Curvas de potencia y par motor obtenidos en el dinamómetro

3.3.3 ANÁLISIS Y COMPARACIÓN DE LOS DATOS TEÓRICOS Y DE

LOS VALORES OBTENIDOS

El análisis de los valores reales obtenidos en el banco dinamométrico, se

realiza una comparación de valores dados por el fabricante. Mediante el

análisis se considera la prueba realizada en la ciudad de Quito, cuya ciudad

se encuentra a una altitud de 2800 m sobre el nivel del mar, refiriéndose las

pérdidas de altura, por cada 1000 metros sobre el nivel se resta un 10%

indicado por el fabricante. (Castro, 2015)

Los datos obtenidos se detallan a continuación en la tabla 4.

Tabla 4. Análisis de potencia y torque del motor estándar

Dato fabricante

Dato a 2800

msnm (dato

del fabricante

menos el 28%)

Dato

dinamómetro Porcentaje

Potencia (HP) 67 HP 48.24 HP 47,45HP 1.64%

Torque

(lbs-ft) 73 lbs-ft 52.56 lbs-ft 60.55 lbs-ft 15.20%

15

Los datos reales varían con los valores indicados por el fabricante por la

altura que se realizó la prueba del dinamómetro en la ciudad de Quito.

Se realizó una comparación de la potencia existiendo una disminución del

1.64 % con respecto a los valores de 2800 msnm. Mientras para el torque

existe un aumento del 15.20% respecto al dato a 2800 msnm.

Una vez realizado la comparación de datos, se determina el estado actual

del motor. Permitiendo realizar las siguientes pruebas de medición de gases

y compresión.

3.3.4 MEDICIÓN DE LOS GASES DE ESCAPE

El equipo utilizado para la medición de los gases y visualización de

resultados del motor Chevrolet Forsa 1300cc, fue proporcionado por el taller

Hemi- Motors marca Maha, modelo MGT-5, como se observa en la figura 4.

Figura 4. Banco de medición de gases de escape MAHA MGT-5

El medidor de gases de escape permite obtener valores de las porciones de

dióxido de carbono ( ), hidrocarburos (HC), oxígeno ( ) y monóxido de

carbono (CO) y factor Lambda, por medio de sensores electroquímicos,

sensor de temperatura y una cámara Peltier para retener condensados los

gases e imprimir los resultados en un periodo de tiempo. Cabe mencionar,

previa a la matriculación vehicular en la ciudad de Quito, es obligado aprobar

la revisión técnica vehicular de DMQ, realizando la medición de gases a los

automotores, el cual se basan en los datos de la tabla 5.

Tabla 5. Cuadro calificativo de gases para la revisión técnica vehicular en Quito en los

vehículos del 2000 en adelante

ok Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3

No pasa

(%)V 3.0 3.5 4.5 4.6

HC (ppm) 160 180 199 200

CO (%)V 0.6 0.7 0.9 1.0

(Revisión técnica vehicular DMQ, 2 010)

Los resultados obtenidos en la medición de gases de escape del vehículo

Chevrolet Forsa 1300cc del año 2002, se detallan en la tabla 6.

16

Tabla 6. Valores obtenidos en el analizador de gases de escape con el motor estándar y sin

catalizador

CO (%)V HC (ppm) (%)V

Ralentí 0.44 222 2,93

2500 RPM 0.42 74 2,90

Al comparar entre la tabla 5 con la tabla 6, se determinó que el vehículo solo

cumple el CO (monóxido de carbono) y el (oxigeno) encontrándose dentro

de los parámetros establecidos para la aprobación de la revisión técnica

vehicular y es necesario la implementación de un catalizador para reducir el

HC (hidrocarburos). En la figura 5 se observa cómo se miden los gases.

Figura 5. Medición de gases al motor estándar

El Instituto Ecuatoriano de Normalización INEN, establece valores en la

Norma NTE 2004, mostrando el índice de cada gas dependiendo del año de

fabricación del vehículo y los metros sobre el nivel del mar que se encuentre

el automóvil. En la tabla 7 se puede verificar si un vehículo cumple con la

norma de emisión de gases.

Tabla 7. Límites máximos de emisiones de gases

Año

% CO Vol ppm HC

0 a 1500

msnm

1500 a 3000

msnm

0 a 1500

msnm

1500 a 3000

msnm

2000 y Posteriores 1 1 200 200

1990 a 1999 3,5 4,5 650 750

1989 y Anteriores 5,5 6,5 1000 1200

(Instituto Ecuatoriano de Normalización INEN Norma NTE 2004)

Mediante un análisis de los valores obtenidos con la tabla 8, se determina

que el vehículo Chevrolet Forsa de 1300 cc del año 2002 no cumple el HC

(hidrocarburos) en ralentí dentro de los valores establecidos por la norma

INEN.

Tabla 8. Análisis de los gases de escape del vehículo estándar según Normas INEN

CO(%)V HC (ppm)

Valor INEN 1 200

Ralentí 0.44 222

2500 RPM 0.42 74

17

3.3.5 MEDICIÓN DE COMPRESIÓN

Para medir la compresión y sea fiable primero se calienta el motor a temperatura normal o 85°, luego se desacopla todos los cables de alta tensión de las bujías (apagado el motor). Segundo se procede a desenroscar las bujías y colocar el manómetro en el orificio de la culata. Tercero se acciona el motor de arranque durante unos segundos con el pedal del acelerador hasta el fondo. El mismo procedimiento se realiza en los otros cilindros. Los resultados obtenidos en la medición de compresión del motor Chevrolet

Forsa 1300cc, se indican en la tabla 9.

Tabla 9. Valores de compresión Chevrolet Forsa 1300 estándar

# Cilindro Presión (PSI) Presión (bar)

1 126 8.687

2 126 8.687

3 126 8.687

4 126 8.687

Se verificó que el motor se encuentra en óptimas condiciones, manteniendo

la estanquidad de la mezcla en el interior del cilindro, además la presión es

estable en cada cilindro manteniendo los 126 PSI en los 4 cilindros,

indicando que se puede realizar una adaptación de un sistema

sobrealimentado. En la figura 6 se aprecia la medición de la compresión.

Figura 6. Medición de compresión al motor estándar

Los valores obtenidos con el motor estándar permiten realizar un cuadro

comparativo con los valores en la implementación del sistema

sobrealimentado evitando sobre esfuerzos al motor.

CÁLCULOS INICIALES DEL MOTOR CHEVROLET FORSA 3.4

Y TRUCAJE

Una vez realizadas las pruebas ya mencionadas, se determina el estado del

motor. Se procede a realizar las mediciones iniciales y cálculos del motor

estándar.

18

3.4.1 VOLUMEN UNITARIO

El volumen o cilindrada unitaria, es el volumen comprendido entre el PMS y

el PMI, por el desplazamiento del pistón en una carrera, se expresa en

centímetros cúbicos (cc). En la figura 7 se observa la medición del diámetro

del cilindro.

Figura 7. Medición del diámetro del cilindro estándar

Para realizar el cálculo de volumen unitario, es necesario obtener los valores

de la carrera, diámetro del cilindro, los que se detallan a continuación:

Carrera (S): 75.5mm=7.55cm

Diámetro del cilindro (d)=74.5 mm=7.45cm

Rectificado +20: 0.5mm=0.05cm

Para obtener el volumen unitario, se aplica los valores en la ecuación [1].

Vu= 329.116

3.4.2 CILINDRADA

La cilindrada total, es el producto del volumen unitario por el número de

cilindros que tiene el motor.

Una vez obtenido el volumen unitario para los 4 cilindros que posee el motor,

se procede aplicar en la ecuación [2]

Cil = 329.11 x 4

Cil = 1316.44

La cilindrada del motor es mayor en comparación con la cilindrada otorgada

por el fabricante, este valor obtenido es mayor e influye directamente en el

volumen unitario, debido a que el motor tiene una rectificación de +20, es

decir el diámetro del cilindro tiene un aumento de 0.5mm (74.5mm).

19

3.4.3 RELACIÓN DE COMPRESIÓN

El volumen de la cámara de combustión está comprendido, cuando el pistón

se encuentra en el PMS entre la cabeza del pistón y la superficie de la

culata.

En la figura 8 se aprecia el método para determinar el volumen de la cámara

de combustión y luego calcular la relación de compresión (Rc), es

indispensable saber con exactitud el volumen real de la cámara de

combustión.

Para la medición se realiza el siguiente procedimiento:

Primero se coloca la culata a 180° de su posición normal en una

superficie plana, las válvulas debes estar cerradas.

Segundo se limpia los residuos de carbonilla dentro de la cámara.

Tercero se coloca aceite por medio de una jeringa dentro de la

cámara de combustión, dejándolo totalmente llena a nivel de la

superficie de la culata.

Figura 8. Medición de la cámara de combustión en el cabezote 8 válvulas

En la tabla 10 se detallan los datos en la medición de cubicaje.

Tabla 10. Cubicaje de la cámara de combustión motor estándar

# Jeringas Cantidad (ml)

1 5 ml

2 5 ml

3 5 ml

4 5 ml

5 5 ml

6 5 ml

7 5 ml

8 3.3 ml

TOTAL 38.3 ml

20

La medida de la cámara de combustión fue de 38.3ml equivalente a 38.3

. Permitiendo aplicar los valores en la ecuación [3].

Rc=

Rc= 9.59:1

La relación de compresión (Rc) inicial del motor es similar al dato otorgado

por el fabricante que es 9.5:1.

La relación de compresión para motores sobrealimentados debe ser menor y

para motores Otto se encuentra de 8-11:1

3.4.4 VOLUMEN UNITARIO MODIFICADO

El diámetro del cilindro estándar según el fabricante es de 74.00mm del

motor Suzuki G13B, el diámetro inicial del cilindro era de 74.5mm tiene una

rectificación de +20. Por motivos al instalar un sistema sobrealimentado se

deberá rectificar +40 ya que los pistones del cabezote twin cam son del

motor G16A y sus pistones de serie son 75mm estándar. En la tabla 11 se

detallan los valores de condiciones de rectificación.

Tabla 112. Condiciones de rectificación del cilindro

RECTIFICACIÓN DIÁMETRO

ESTÁNDAR (STD) DIÁMETRO

INICIAL DIÁMETRO

FINAL

STD 74mm

+20 74.5 mm

+40 75 mm

Los datos de la rectificación son los siguientes para la aplicación en la ecuación [4]. Carrera (S): 75.5mm=7.55cm

Diámetro del cilindro (d)=75.0 mm=7.5cm

Rectificado +40: 1.00mm=0.1cm

= 333.548

3.4.5 CILINDRADA MODIFICADA

= 333.548 x 4

= 1334.19

21

La cilindrada del motor aumento respecto a la cilindrada brindada por el fabricante, este aumento es debido a la rectificada +40 al diámetro de los cilindros, en el block del motor.

3.4.6 RELACIÓN DE COMPRESIÓN MODIFICADA

Al implementar la culata del twin cam 16 válvulas, se obtiene el cubicaje de

la cámara de combustión. Se realizó el anterior procedimiento con la jeringas

para la obtención del dato real como se observa en la tabla 12.

Tabla 12. Cubicaje de la cámara de combustión motor modificado.

# Jeringas Cantidad (ml)

1 5 ml

2 5 ml

3 5 ml

4 5 ml

5 5 ml

6 5 ml

7 5 ml

8 1.6 ml

TOTAL 36.6 ml

En la figura 9 se aprecia el procedimiento para la medición de la cámara de

combustión.

Figura 9. Medición de la cámara de combustión en el cabezote 16 válvulas

Se obtuvo la medida de la cámara de combustión del cabezote twim cam es

36.6ml equivalente a 36.6 . Se emplea en la ecuación [6].

=

= 10.11:1

La relación de compresión del motor aumento proporcionalmente respecto dada por el fabricante.

22

3.4.7 RENDIMIENTO TÉRMICO

El rendimiento térmico, no tiene relación con la cilindrada del motor, sino

solamente con la relación de compresión, entre más elevada sea la Relación

de compresión mejor será su rendimiento, esto quiere decir que es el

resultado de un proceso donde no existe perdidas de calor. Como se

muestra en la ecuación [7] donde el valor numérico de es 1.4 constante.

ηt=1-

ηt= 0.5952

ηt= 59.52 %

El rendimiento de un vehículo influye en los valores teóricos con los reales.

Siendo el rendimiento mayor al nivel del mar y menor en la ciudad de Quito a

2800 msnm. Es porque la variación de la densidad y estado del aire

interviene en el aumento o disminución de la potencia del motor.

3.4.8 POTENCIA EFECTIVA

La potencia efectiva es la fuerza de la explosión aplicada a la biela y

transmitida por ésta al codo del cigüeñal para hacerle girar, produce un

esfuerzo de rotación que se conoce con el nombre de par motor. Se la

puede medir empleando un dispositivo frenante que al aplicarse al eje del

motor, se opone al par motor permitiendo medir su valor, como se muestra

en la siguiente ecuación [8].

3.4.9 POTENCIA INDICADA

Para determinar la potencia indicada se puede realizar por medio de la

presión media indicada, dato que se obtuvo en el dinamómetro.

Pi= 35.4 kW

3.4.10 RENDIMIENTO MECÁNICO DEL MOTOR

Es la relación que existe entre el trabajo teórico y el trabajo útil que se

obtiene en el volante. El valor del rendimiento mecánico oscila entre los 80 y

90% para motores a gasolina. En el trabajo efectivo se encuentra las

23

pérdidas mecánicas por fricción de los componentes en movimiento. Como

se muestra en la ecuación [9].

El rendimiento mecánico queda de la siguiente manera con los datos obtenidos:

0.72853

El rendimiento mecánico tiene algunas perdidas por algunos componentes y

se encuentra permisible los valores en la tabla 13.

Tabla 133. Rendimiento mecánico según el tipo de motor

TIPO DE MOTOR

Cuatro Tiempos Gasolina 0.8 a 0.9

Diesel 0.75 a 0.85

Dos Tiempos Gasolina 0.85 a 0.95

Diesel 0.85 a 0.90

(Sanz Gonzalez, 2003)

3.4.11 CAUDAL TEÓRICO

El caudal teórico se lo obtiene por el producto del volumen unitario por el

número de cilindros y aspiraciones a 3000 rpm sobre dos. Se lo aplica en la

siguiente ecuación [10].

Qt= 329.116 x

Qt= 1974696

Qt= 0.03291

3.4.12 MASA TEÓRICO DE AIRE

Para el valor de la masa teórico de aire se realiza el siguiente cálculo por medio de la ecuación [11].

δa= [11]

928

24

30.54048 g

3.4.13 RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO DEL MOTOR

El rendimiento volumétrico de los gases ( en el interior del cilindro,

también conocido como grado de llenado. Se aplica en la siguiente ecuación

[12].

= =% [12]

Dónde:

Rendimiento volumétrico

Masa del aire real

Masa teórica de aire

El rendimiento volumétrico está relacionado con la potencia del motor. En la

prueba de gases se obtuvo el peso de aire que se introdujo en el cilindro. Se

hará el cálculo a 2800 msnm que se encuentra la ciudad de Quito.

Entonces como a 3000 rpm =0.724 sin turbo compresor. Se despeja la

masa del aire real. El valor del rendimiento volumétrico para los motores

turbo alimentados esta entre el 80 y 90%. Para el estudio se toma un valor

bajo de = 80 % para los siguientes cálculos.

0.724

22.111 g

3.4.14 RENDIMIENTO ÚTIL DEL MOTOR

El rendimiento es un valor obtenido mediante la multiplicación de los

rendimientos del motor. Permitiendo calcular el consumo específico del

combustible y determinar el tipo de turbocompresor adecuado para la

implementación. Dentro del cálculo se debe tomar en cuenta la altura que se

encuentre el vehículo, la ciudad de Quito se encuentra a 2800 msnm y otro

factor que interviene es el rendimiento del diagrama que al compararlo con el

teórico, el grado de calidad está comprendido entre 75 y 90 %; tomado como

referencia el 75% y aplicando en la ecuación [13].

0.72853

0.32521

25

32.52 % de rendimiento útil a 2800 msnm

3.4.15 CONSUMO ESPECÍFICO

El consumo específico de combustible a 2800 msnm, está indicado por la

cantidad de combustible absorbido por el motor en gramos por cada caballo-

hora (CV/h) de potencia útil, puede variar el valor dependiendo el número de

revoluciones por minuto y la carga. En la tabla 14 indica el poder calorífico.

Tabla 14. Poder calorífico de gases y líquidos

GASES Índice de octano Poder calorífico cal/kg

Butano 90 10900

GLP 102 10950

Metano 125 11500

Propano 125 11000

LÍQUIDOS Índice de octano Poder calorífico cal/kg

Alcohol etílico 100 6500

Alcohol metílico 120 5050

Gasolina 95 95 10400

Gasolina 98 98 10550

Benzol 100 9600

(Dante, 2012)

La gasolina de nuestro país es de 87 y 92 octanos. Para los siguientes

cálculos se escoge la gasolina 98, tiene más resistencia al autoencendido

que la gasolina de 95 octanos. La fórmula para calcular el consumo

especifico de combustible del motor, se muestra en la ecuación [14].

184.2921

SELECCIÓN DE ELEMENTOS 3.5

3.5.1 ANÁLISIS PARA LA CORRECTA SELECCIÓN DEL

TURBOCOMPRESOR

La selección del turbocompresor se basa principalmente en la cilindrada del

motor, debido a que su régimen de trabajo dependerá de la cantidad de

26

gases de escape según el giro del motor. La selección debe ser la correcta

para evitar daños y aumentar las modificaciones del diseño del mismo.

El turbocompresor se define por el caudal de aire que necesita el motor. Los

fabricantes de turbocompresores brindan gráficas o también conocidos

mapas de compresión, como se indica en la figura 10, indicando el

rendimiento de un turbo cargador como es: flujo de aire, capacidad de

aspiración, eficiencia y la velocidad del eje del turbo. Es posible aumentar la

potencia del mismo en un 50% con ciertas modificaciones en los

componentes del motor.

Figura 10. Curvas de selección del turbocompresor

(Honeywell , 2017)

3.5.2 DESIGNACIÓN DE TURBO COMPRESOR

El turbo compresor en la parte técnica se debe tomar los parámetros de la

relación entre el área y el radio (A/R), es una relación que se obtiene al

dividir el área interior de la turbina o del compresor en donde se encuentran

las aspas, por el radio de la caracola desde el centro de la misma hasta su

lengua. Un A/R grande indica un volumen mayor y un A/R pequeño indica un

volumen interior de la turbina pequeño. Como se observa en la figura 11.

27

Figura 11. Área y radio del turbo

(Turbomaster)

A menor A/R se consigue una respuesta del motor a bajas revoluciones pero

en altas revoluciones no se consigue el caudal necesario para un buen

funcionamiento del motor.

Tomando en cuenta las consideraciones para la selección del

turbocompresor, existirá un incremento de temperatura y de presión a causa

de la sobrepresión que genera el mismo. Se procede a realizar un cálculo

matemático que permita indicarnos cual turbocompresor es el más adecuado

en la implementación del sistema sobrealimentado a un motor Chevrolet

Forsa 16 válvulas.

3.5.3 ANÁLISIS DE LA RELACIÓN DE PRESIÓN

Es la relación de presión que existe entre la presión de salida de aire del

turbo ( ) con la presión de entrada de aire ( ), los valores son en psi o bar.

La relación de presión queda establecida en la siguiente ecuación [15].

PR= [15]

Dónde:

PR: Relación de presión.

Presión de salida de aire del compresor.

: Presión de entrada de aire al compresor.

Los fabricantes de turbocompresores toman un valore contante para la

presión de salida de aire del compresor ( ) de 10 psi a 12psi (0.689 bar a

0.8268 bar); además se suma el valor de la presión atmosférica de la ciudad

de Quito, en este caso se encuentra a 2800 msnm y su presión atmosférica

es de 10.42 psi (0.718 bar). Por limitaciones de los diferentes conductos de

admisión y filtro de aire, la presión atmosférica sufre una depresión de 1 psi

(0.0689 bar) en la presión de entrada de aire al compresor ( ). Para el

siguiente cálculo matemático se toma en cuenta el valor de depresión para

el turbo, se puede determinar el valor de la presión de entrada al compresor

28

del turbo como la diferencia entre el valor de la presión atmosférica como la

presión de admisión y el valor de la depresión.

= 0.718 bar -0.0689 bar

= 0.6491 bar

= 9.4143 psi

Con el valor obtenido se calcula el valor de la relación de presión (RP),

tomando en cuenta que a la presión del turbo se suma la presión atmosférica

para obtener un valor real ya que los fabricantes no consideran la presión

atmosférica. Se aplica la siguiente ecuación [16].

PR= [16]

Dónde:

PR: Relación de presión.

Presión de salida de aire del compresor

Presión de entrada de aire al compresor

P: Presión atmosférica.

Se selecciona el valor medio de presión otorgada por el fabricante del

turbocompresor, el valor en este caso de la presión a la salida del

turbocompresor es de ( ) = 11 psi o 0.75 bar.

PR=

PR= 2.2615

3.5.4 CÁLCULO DE FLUJO DE AIRE NECESARIO (CFM)

Es la masa de aire que fluye a través del compresor para luego pasar al

múltiple de admisión del motor. El flujo de aire se expresa en las siguiente

unidades: Kg/s (lb/min) o en unidades de volumen /s ( ) el

volumen de aire se convierte en masa de aire multiplicado por la densidad

del aire. De esta manera se expresa en la ecuación [17].

CFM= P x 14.7 x [17]

Dónde:

CFM: Flujo de aire necesario.

P: Potencia del motor medida en el banco de pruebas.

14.7: relación estequiometria aire/ combustible.

: Consumo especifico de combustible a 2800 msnm.

29

El flujo de aire es indispensable y necesario para la ubicación en el mapa del

turbo cargador y su correcta selección. Hay que tener en cuenta en todos los

motores de gasolina con turbocompresores generan de 9,5 a 10,5 HP por

cada lb/min de flujo de aire.

Transformación de unidades:

Se aplica el valor trasformado a las unidades correspondientes en la

ecuación [17].

CFM= 47.45HP x 14.7 x

CFM= 4.8058

3.5.5 CÁLCULO DE LA PRESIÓN EN EL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN

SEGÚN LA POTENCIA (MAP)

Es la presión absoluta en el múltiple de admisión y tiene relación con la

potencia requerida del motor. Se muestra en la siguiente ecuación [18].

MAP= [18]

Dónde:

MAP: Presión en el múltiple de admisión.

CFM: Flujo de aire necesario.

R: Constante de gases ideales 639.6

: Rendimiento volumétrico motor turboalimentado.

Revoluciones por minuto a potencia máxima.

T1: temperatura del múltiple de admisión.

Cil: Cilindrada trasformada a

MAP=

MAP= 10.673 psi

30

MAP= 0.7358 bar

Una vez obtenido la presión en el múltiple de admisión y considerando que

el motor ya posee el sistema sobrealimentado, se procede calcular

matemáticamente la relación de presión (PR) teniendo en cuenta las

pérdidas de presión entre el compresor, las uniones y curvas hacia el

conducto de admisión. Se denomina ∆p es igual a 2 psi a la suma de

pérdidas de presión que posee el sistema de alimentación.

∆p = 2psi o a.137 bar

Permitiendo calcular un valor aproximado de la presión de aire de admisión

que tendrá el sistema de turbocompresor. Se muestra en la siguiente

ecuación [19].

∆p [19]

Dónde:

Presión de salida de aire del compresor.

MAP: Presión en el múltiple de admisión.

∆p: Variación de presión.

10.673 psi + 2 psi

12.673 psi

0.8737 bar

Suponiendo que ya posee el sistema de sobrealimentación en el motor, con

el valor de presión . Permitiendo calcular finalmente la relación de presión

en la ecuación [15]. Como se muestra a continuación.

= 0.6491 bar

PR=

PR= 1.346

3.5.6 CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE ADMISIÓN CON EL

TURBOCOMPRESOR

Al implementar un turbocompresor a más de aumentar la presión del aire,

aumenta también la temperatura ya que los gases de escape pasan por la

turbina calentando al compresor.

Para calcular la temperatura de admisión del motor sobrealimentado ( ,

se aplica la siguiente ecuación [20].

31

[20]

Dónde:

Temperatura de admisión del motor sobrealimentado.

: Temperatura del múltiple de admisión.

Presión de salida de aire del compresor.

Presión de entrada de aire al compresor.

X: Exponente adiabático, en este caso se toma un valor en relación al

obtenido de la relación de presión (PR).

3.5.7 VARIACIÓN DE LA RELACIÓN DE PRESIÓN

Se debe calcular la presión de compresión (Pc) con el motor estándar y con

turbocompresor para comparar los valores y determinar la relación de

compresión (Rc) adecuada para el motor sobrealimentado. Con el sistema

sobrealimentado su valor ascenderá, por lo que es necesario disminuir el

valor de la relación de compresión.

La presión de compresión está dada por la siguiente ecuación [21].

Pc= p x [21]

Dónde:

Pc: Presión de compresión motor de aspiración normal.

p: Presión atmosférica a 2800 msnm.

Relación de compresión.

y: Valor termodinámico de una compresión por embolo. Constante 1.5

Pc= 0.718 bar x

Pc= 21.323 bar

Pc= 309.26 psi

La presión de compresión con el motor estándar y sobrealimentado (

considerando la compresión original. Para verificar si aumenta la presión de

compresión. Mediante la siguiente ecuación [22].

= x [22]

32

Dónde:

: Presión de compresión con turbocompresor.

Presión de salida de aire del compresor.

Relación de compresión.

y: Valor termodinámico de una compresión por embolo. Constante 1.5

= 0.8737 bar x

= 25.947 bar

= 376.33 psi

Existe un aumento en la presión de compresión, con un alta de relación de

compresión y aumento de potencia producida por el sistema

sobrealimentado no es recomendable para los elementos internos del motor.

3.5.8 CÁLCULO DEL INCREMENTO DE POTENCIA

Para obtener un valor del incremento de potencia que el motor obtendrá con

la implementación del sistema sobrealimentado en el vehículo. Para el

cálculo de incremento de potencia lo realizamos con la siguiente ecuación

[23].

= P x [23]

Dónde:

Potencia a 3000rpm a 2800msnm con el sistema de

sobrealimentación.

P: Potencia en atmosfera estándar.

Presión de salida de aire del compresor.

p: Presión atmosférica a 2800 msnm.

: Temperatura del múltiple de admisión.

Temperatura de salida del aire de admisión es 313.66

= 47, 45 HP x

= 55.71 HP

La potencia teórica obtenida en el motor es de 55.71 HP a 2800 msnm, con

el sistema sobrealimentado.

33

IMPLEMENTACIÓN 3.6

3.6.1 SELECCIÓN DE ELEMENTOS MÓVILES

Antes de implementar la culata se procedió el cambio y rectificación de

elementos móviles para obtener el mejor rendimiento del motor. La

rectificación se lo realizo por medio de la Rectificadora Pazmiño en la ciudad

de Quito.

3.6.1.1 Block del motor

En la figura 12 se indica el bloque de cilindros del motor G13B, su

configuración es 4 cilindros en línea, siendo un motor equilibrado, está

constituido de una aleación ligera de aluminio (G-AlSi10Mg), permitiendo ser

ligero en peso y teniendo una buena conductividad térmica.

Figura 12. Block del motor G13B

La rectificación se realizó solo en los cilindros con +40 (1mm), aumentando

el diámetro de los cilindros eliminando la conicidad y ovalamiento. Por los

nuevos esfuerzos que realizan el motor y cambios elevados de temperatura

y presión se procede a efectuar el cambio de pistones por unos de mayor

diámetro.

3.6.1.2 Cigüeñal

El cigüeñal del motor G13B, que se observa en la figura 13, está constituido

de acero forjado 37MnSi5, teniendo una resistencia mecánica elevada.

34

Figura 13. Cigüeñal del motor G13B

Es el elemento que mayormente está sometido a carga mecánica por lo

tanto fue sometido a un balanza miento, se detalla en la tabla 15, para tener

un mejor rendimiento y evitar problemas a futuro, su peso es de 18kg,

teniendo una tolerancia de 2. 5 grados a 1200rpm con radio de 64 mm.

Tabla 154. Rectificación del cigüeñal del motor G13B

1272-1271 RPM Plano 1 Plano 2 Tolerancia

Inicial 31.6 g 25.2 g No

Final 0.6 g 0.3 g Si

3.6.1.3 Pistones

Los pistones de origen japonés, como se muestra en la figura 14, tienen una

aleación ligera de aluminio (AlSi12CuNi) teniendo varias ventajas como: baja

densidad, baja dilatación térmica, poca resistencia al rozamiento, elevada

conductividad y resistencia.

Figura 14. Pistón original y pistón del G16A RD

Seleccionando los pistones de fábrica de origen japonés RD (Racing

Development) para el motor G16A, el pistón estándar empieza en los 75mm,

permitiendo soportar a mayores cargas mecánicas y térmicas, por este

motivo se aumentó el diámetro de los cilindros en el bloque.

35

3.6.1.4 Biela

Los brazos de biela tienen aleaciones de acero de alta resistencia con

cromo, molibdeno y silicio. Son estos elementos sometidos a mayores

cargas mecánicas por la compresión, torsión, flexión y tracción. Para la

implementación del sistema sobrealimentado es necesario instalar las bielas

RD Twin Cam G13, que se muestra en la figura 15, la ventaja de estas bielas

son más resistentes y evacuan el calor almacenado más rápidamente y su

constitución es más gruesa con el mismo peso que la original.

Figura 15. Biela estándar y biela del Twin Cam

3.6.1.5 Holguras permisibles

Se opta según el fabricante tomar los valores máximos como norma general

en el trucaje del motor a serie, evitando el agarrotamiento entre los

elementos. Como se indican en la tabla 16-20

Tabla 16. Valores otorgados por el fabricante rines de piston

Rines de pistón

Ítem Estándar Límite

Anillo superior

0.20 – 0.30 mm

(0.0079 – 0.0118 in.)

0.7 mm

(0.0275 in.)

Segundo anillo

0.20 – 0.30 mm

(0.0079 – 0.0118 in.)

0.7 mm

(0.0275 in.)

Anillo de aceite 0.20 – 0.60 mm

(0.0079 – 0.0236 in.)

1.7 mm

(0.0669 in.)

(Manual, 1989 )

Tabla 17. Valores otorgados por el fabricante rines de piston

Holgura de la cabeza de biela

Estándar Límite

0.10 – 0.20 mm

(0.0039 – 0.0078 in.)

0.35 mm (0.137 )

(Manual, 1989 )

36

Tabla 18. Valores otorgados por el fabricante

Límites del arco de biela del motor

Límite del arco 0.05 mm (0.0020 in.)

Límite de torsión 0.10 mm (0.0039 in.)

(Manual, 1989 )

Tabla 19. Valores otorgados por el fabricante

Medida de chaquetas de bielas

Tamaño del rodamiento de

biela

Diámetro del rodillo del

cigüeñal

Estándar

41.982 – 42.000 mm

(1.6529 – 1.6535 in.)

0.25 mm (0.0098 in.)

Tamaño inferior

41.732 – 41.750 mm

(1.6430 – 1.6437 in.)

(Manual, 1989 )

Tabla 20. Valores otorgados por el fabricante

Limitaciones de las chaquetas de bielas

Fuera del limite 0.01 mm (0.04 )

(Manual, 1989 )

3.6.2 VOLUMEN DEL EMPAQUE DE LA CULATA

Se remplazó el empaque original de asbesto de 0.91 mm de espesor por un

nuevo empaque metálico con espesor de 1.6 mm. Mediante la siguiente

ecuación [24]

[24]

Dónde:

: Volumen de empaque de la culata.

: Diámetro del cilindro modificado en mm.

L: Espesor del empaque.

5.44

0.544

Para obtener el volumen real de la cámara de combustión modificada, se

suma el volumen del empaque más el volumen de la cámara de combustión

del twin cam.

37

c

0.544 + 36.6

La relación de compresión queda de la siguiente manera:

=

= 9.98: 1

3.6.3 IMPLEMENTACIÓN DEL CABEZOTE TWIM CAM

Para realizar un mejoramiento del rendimiento del motor se cambió la culata

de un eje de levas de 8 válvulas a doble eje de levas de 16 válvulas

conocido con el nombre twin cam, se observa en la figura 16, tiene una

ligera alineación de aluminio (G-AlSi10Mg) permitiendo ser más ligero y con

una buena conductividad térmica.

Figura 16. Culata twin cam 16 válvulas

Una vez montado los elementos móviles con sus respectivos ajustes dentro

del bloque se procede a fijar cuidadosamente el empaque metálico hasta

fijar la culata al bloque del motor y la sincronización del cigüeñal con los ejes

de levas, hasta tener armado completamente el motor.

3.6.4 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE INYECCIÓN ELECTRÓNICA

MPFI

El sistema de admisión original del vehículo era monopunto, para

implementar el nuevo sistema de admisión multipunto. En la figura 17 se

indica el cableado que se remplazó todo el cableado con sus respectivos

sockers, porta fusileras y principalmente la ECM D6 a la ECM I2, el cual

recibe señales y los compara con los datos de funcionamiento que se

encuentran archivados en el módulo. Siguiendo con esto, el sistema consta

también de sensores como el sensor lambda que censa la cantidad de

38

oxigeno que se encuentran en los gases combustionados, el sensor MAP el

cual mide la presión de aire con la ingresa al múltiple de admisión, el sensor

MAF que controla el flujo de aire y en la parte de actuadores se tiene a los

cuatro inyectores que reciben la señal del módulo para inyectar en un

determinado momento.

Figura 17. Gráfica del tablero interior del vehículo y sus componentes

(Suzuki, 1993)

1. Tierra.

2. Hacia el Aire Acondicionado.

3. Hacia la Luz interior.

4. Cableado de motor número 5.

5. Módulo transmisión automática.

6. Switch de luz de stop.

7. Switch de embrague para encendido.

8. ECM.

9. Hacia el cableado del panel de instrumentos número 2.

10. Bloque de conjunción.

11. Cableado de piso posterior número 3.

12. Hacia el motor de Pluma posterior.

13. Cableado principal número 1.

14. Socket para el controlador de transmisión.

15. Switch de diagnóstico transmisión automática.

En la figura 18 detalla los elementos electrónicos de sensores, actuadores y

principalmente del módulo controlando varios parámetros de funcionamiento

del motor como: la temperatura, las revoluciones del motor y la velocidad.

Logrando una óptima combustión y dando como resultado un ahorro en el

consumo de combustible.

Figura 18. Cuerpo de aceleración del Swift GTI

39

1. Cuerpo de aceleración.

2. TPS.

3. Múltiple de admisión.

4. Válvula IAC.

5. Flauta de inyectores.

6. Inyectores.

3.6.5 CONSIDERACIONES PARA LA INSTALACIÓN DEL

TURBOCOMPRESOR

Al momento de instalar un sistema sobrealimentado existirá un aumento de

temperatura y presión del aire. A causa de la propia sobrepresión que

genera el turbocompresor.

Dentro del mercado existen varios tipos de compresores para un motor de

cilindrada 1300 cc y tomando en cuenta los resultados obtenidos como el

flujo de aire necesario y la relación de compresión. Se optó en implementar

un turbo Garrett, como se muestra en la figura 19 y posee las siguientes

características:

Figura 19. Plaqueta de identificación del turbocompresor

Marca: GARRETT

Modelo: TA31

País de Fabricación: Reino Unido

Tipo: Turbocompresor de geometría variable.

Desplazamiento Recomendado: 1.3L - 1.8L

Rendimiento: 150 - 310 HP

Características Internas:

Cojinete de bolas doble

Doble rodamiento de bolas de cerámica

Sistema de cojinetes refrigerado por aceite

Puerta de descarga interna sin actuador

Rueda de la turbina Inconel y alojamiento HighNickel "Ni-Resist" de la

turbina

40

La tabla 21 detalla las dimensiones del rotor del compresor y turbina del turbocompresor.

Tabla 21. Dimensiones del rotor del compresor y turbina del turbocompresor

TA31 COMPRESOR TURBINA

Turbo

PN

CHRA

PN

Ind Whi

Dia

Exd

Whi Dia Trim A/R

Whi

Dia Trim A/R

465506-

5001S

409172-

01 44.50mm 59.40mm 56 0.42 53.90 62 0.64

(CatalogoGarrett)

TA31, 59.4mm, 56 Trim, 0.42 A/R

Figura 20. Curvas del turbocompresor Garrett TA31

(turbobygarrett, 2017)

En la figura 20 se observa la gráfica del turbo compresor a usar, el punto

obtenido es el resultado de la intersección de los valores obtenidos de CFM=

4.8 lb/min y PR=1.35, el rendimiento del turbo según la gráfica será de 65%.

La sobrealimentación aumenta la potencia y el par motor sin variar la

cilindrada.

El turbocompresor que se observa en la figura 21, está constituido por una

turbina y un compresor que se encuentran acoplados por un eje en sus

respectivas carcasas de caracol. Los rodetes de la turbina y compresor

permiten el aumento de presión de alimentación durante el funcionamiento.

También se encuentra en su parte exterior una válvula de descarga

(wastergate) encargada de controlar la presión del turbo, desviando una

cantidad de gases combustionados directamente al escape sin pasar por la

turbina. Cuando el motor se encuentra funcionando a un régimen de

revoluciones bajas, la salida de los gases de escape es mínima. Pero

cuando el motor se eleva su régimen de funcionamiento, existe más flujo de

41

gases de escape permitiendo a la turbina aumentar su giro transmitiendo al

compresor, el cual genera altos valores de sobrepresión. La presión

recomendada de trabajo para coches sin intercooler puede variar de "0,45"

hasta "0,60" bar. En coches con sistema de intercooler la presión de trabajo

puede variar de "0,60" hasta "0,90" bar de manera que dispone de una

válvula de seguridad, la cual impida sobrepasar estos valores de

sobrepresión.

Figura 21. Turbo Garrett TA31

3.6.6 MODIFICACIÓN DEL SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE

En los sistemas sobrealimentados, existe aumento de temperatura en la

cámara de combustión que alcanzan valores de hasta 3000ºC durante la

explosión de la mezcla, los gases resultantes de la explosión son evacuados

al exterior con temperaturas aproximadas a 1000ºC por los colectores. Para

reducir la alta temperatura y la presión se utilizó los siguientes elementos:

cañerías de aluminio para disipar con más eficiencia el calor, intercooler,

juntas de caucho, cañerías y bridas. También se implementara dispositivos

de seguridad como: reguladores de presión e indicadores que controlen el

perfecto funcionamiento del sistema.

3.6.6.1 Intercambiador de calor

Para mejorar el rendimiento del motor sobrealimentado es factible la

instalación de un intercooler o radiador del aire de admisión, como se

observa en la figura 22, permitiendo refrigerar el aire que viene del

turbocompresor antes de ingresar a la cámara de combustión, entre 40ºC y

50ºC. Consiguiendo de esta manera llenar los cilindros con aire refrigerado,

incrementando a su vez la cantidad de oxígeno en la mezcla de aire –

combustible de esta manera brinda varios beneficios como la reducción de

las emisiones de gases contaminantes, un ahorro en el consumo de

combustible, el motor se encuentra a temperaturas equilibradas y un

incremento en el nivel de potencia.

42

Figura 22. Radiador del aire de admisión o intercooler

3.6.6.2 Válvula de alivio (Blow Off)

En el sistema de admisión cuando la mariposa de aceleración cierra o abre

genera variaciones en la presión. Para evitar este inconveniente se instala

una válvula de alivio (blow off) de marca HKS Super (válvula de soplado

secuencial), como se observa en la figura 23, utiliza una estructura de

válvula secuencial única y un sistema de control de presión diferencial, lo

que permite un amplio rango de funcionamiento desde un bajo impulso hasta

un alto refuerzo, siendo muy importante en el sistema sobrealimentado,

permitiendo regular el exceso de presión en el sistema y evitando que se

regrese y provocando un frenado brusco en el turbo.

Figura 23. Válvula de soplado secuencial HKS

3.6.6.3 Sistema de admisión de aire

Los motores sobrealimentados tienen diferente trayectoria de aire al

momento de ingresar al motor en comparación con los motores

atmosféricos. El sistema de aire comienza por el filtro de aire que se conecta

con el compresor del turbo, al salir de este por medio de conductos de

aluminio, lleva el aire comprimido a través del intercooler para

posteriormente ingresar el aire comprimido por el múltiple de admisión hacia

el motor. Como se muestra en la siguiente figura 24.

43

Figura 24. Sistema de admisión de aire de un motor sobrealimentado

(SAMunidad09, 2008)

3.6.6.4 Cañerías de aluminio

El turbo al momento de generar presión de aire calienta, por estar en

contacto con los gases de escape, para disipar las altas temperaturas se

utiliza tubos de aluminio y al momento de pasar aire por el turbo el sistema

se encuentra bajo presión de aire, para evitar fugas de aire se conectan las

cañerías con bridas de presión y con juntas de caucho resistentes.

El diámetro de las tuberías se encuentra en función de las características del

turbocompresor, para de esta manera evitar pérdidas de presión o

disminución de caudal en el ingreso del aire. En nuestro caso el

turbocompresor seleccionado es un turbo Garrett TA31, A/R=0.42,

Compresor Trim= 56”. El diámetro de salida del aire comprimido del turbo se

especifica por el Trim, el cual esta expresado en milímetros, donde equivale

el Trim= 2.2”, este valor nos da el diámetro a usarse, teniendo una tolerancia

de ± 0.5”. Con una tolerancia de 2.2” + 0.5 = 2.7” = 68.58mm y 2.2” - 0.5 =

1.7” = 43.18mm. Los valores del diámetro de la tubería en la instalación del

sistema están entre 2.7” y 1.7”, estos valores deben respetar, ya que al

exceder la medida de los conductos, el sistema jamás llega a presurizarse.

En la instalación se utilizó tubería de 2.5”, como se muestra en la figura 25.

Figura 25. Tubería de 2.5”

44

3.6.7 MODIFICACIÓN EN EL SISTEMA DE ESCAPE

El funcionamiento del sistema de escape de gases en los motores

sobrealimentados, es muy diferente a los motores atmosféricos. En los

motores sobrealimentados influye primordialmente el desempeño del

turbocompresor, dependiendo de las características constructivas, evitando

perdidas de presión y teniendo una evacuación rápida de los gases.

El turbocompresor es fijado en el múltiple de escape y este se acopla a la

culata por medio de tuercas y pernos, este el elemento esencial donde

circulan los gases quemados en interior de la cámara de combustión hacia la

turbina del turbo compresor. Antes de instalar el turbocompresor, se

reemplazó el múltiple de escape del Chevrolet Forsa 1300 por el múltiple de

escape del Suzuki Swift GTI es de acero conformado (fundición), como se

observa en la figura 26, se realizó algunas modificaciones, con la finalidad

de construir una base que aloje y asegure el correcto funcionamiento del

turbocompresor, como se muestra en la siguientes figuras.

Figura 26. Múltiple de escape del Forsa 1300 y del Swift GTI

El tubo de escape es el encargado de conducir los gases de escape hacia el

silenciador de escape o terminal. Se encuentra sujeto al turbo compresor

mediante pernos al cuerpo de acero o base. Como se muestra en la figura

27.

Figura 27. Conexiones en la base de acero

45

En la figura 28 se observa el tubo de acero que tiene un diámetro de 3

pulgadas, permitiendo que los gases de escape evacuen con facilidad y

rápidamente.

Figura 28. Tubo de escape acoplado en la base de acero

3.6.8 MODIFICACIÓN EN EL SISTEMA DE LUBRICACIÓN

La lubricación es un factor muy importante en un motor turbo alimentado,

cumpliendo con el objetivo de lubricar los elementos internos del motor y

lubricar al eje del turbo compresor, ya que trabaja a altas revoluciones como

son a 120000rpm. Si llegara el caso de no existir una buena lubricación el

eje inmediatamente se fundería por la fricción y a las altas temperaturas que

se encuentra trabajando dentro de turbocompresor, como se indica en la

figura 29. El flujo de aceite, debe ser abundante y constante. Esto es

fundamental para el correcto funcionamiento del turbocompresor que se

encuentre instalado en el motor.

Figura 29. Temperatura de funcionamiento en el turbocompresor

(Alvear, 2003)

46

Se adaptó un manómetro de presión de aceite del motor, es esencial tener

un indicador de presión en un sistema sobrealimentado. El turbo es muy

sensible a la insuficiencia de aceite, debido a la pequeña área de contacto

con los cojinetes y a la velocidad de rotación del eje, es necesario controlar

la presión de aceite, que nunca opere menos de 2.068 bar (30 PSI). Se

recomienda tener cuidado en los cabios de lubricantes sintéticos y filtros.

3.6.8.1 Modificación del carter

El cárter es elemento encargado en acaudalar todo el aceite con el cual

opera el motor. La diferencia principal entre el cárter de los motores

atmosféricos con el cárter de los motores sobrealimentados, es la capacidad

de almacenamiento de aceite. Para nuestro caso una vez instalado el

sistema de sobrealimentación, se realiza una adaptación de un acople, con

la finalidad de poder retornar al sistema de lubricación, una vez que pase el

aceite por el turbo compresor con presión de la bomba, y lubrique al eje

común del compresor y turbina, cae el aceite por gravedad al cárter. La

posición del orificio se realiza en el punto más alto del cárter y dirigida al sitio

donde se concentra menos cantidad de aceite, siempre y cuando el vehículo

este estacionado en una superficie plana. Como se muestra en la siguiente

figura 30.

Figura 30. Acople en el cárter

3.6.8.2 Recolector de aceite

El motor por su funcionamiento trabaja altas temperaturas y el aceite que

circula por el sistema se calienta, al momento de calentarse una parte se

evapora, siendo estos gases perjudiciales. Los fabricantes de motores

optaron en reciclar esos gases a la admisión permitiendo ingresar

nuevamente al motor.

47

Para el proyecto se implementó un recolector de aceite, como se observa en

la figura 31, siendo un accesorio bastante útil en el enfriamiento del aceite,

haciendo que regrese a su estado líquido el aceite y caiga a un colector

para que vuelva a caer al cárter, también consta con respiradero de gases

de aceite, su función principal es de aliviar presiones dentro del cárter y

culata, evitando una mala lubricación, cuando se encuentra un presión en

contra que no permita la circulación del aceite por las partes internas del

motor.

Figura 31. Recolector de aceite D1 Spec

3.6.8.3 Turbo timer

Los turbocompresores funcionan con aceite de motor para fines de

lubricación y refrigeración. A medida que el motor y el turbo llegan altas

temperaturas bajo la conducción normal, el aceite se caliente. Si se apaga

el motor mientras que el aceite caliente todavía circula por el

turbocompresor, se incrementa el riesgo de los cojinetes se recalienten en el

turbo. Para lo cual se implementó un dispositivo temporizador de turbo de

marca HKS, como se observa en la figura 32, manteniendo el motor en

ralentí durante un tiempo predeterminado cuando se retira la llave de

contacto. Esto asegura la duración de los rodamientos y componentes del

turbocompresor.

Figura 32. Turbo timer marca HKS

48

PRUEBAS FINALES CON EL SISTEMA 3.7

SOBREALIMENTADO

3.7.1 MEDICIÓN DE COMPRESIÓN

Se realizó la prueba de compresión del motor sobrealimentado. Al momento

de instalar el turbocompresor, las presiones de alimentación se incrementan

y sobrepasan a la presión atmosférica, para evitas problemas como de

picado en el motor o autoencendido, se utiliza un empaque de cabezote

metálico de 1.06 mm, como se observa en la figura 33 con mayor espesor

que el original, evitando el soplado de empaque y a su vez ocasiona la

reducción de la relación de compresión, disminuyendo el valor de las

cámaras de compresión.

Figura 33. Empaque original de asbesto y empaque metálico

Los valores obtenidos se muestran en la siguiente tabla 22.

Tabla 22. Medición de compresión de los cilindros en el motor sobrealimentado

# Cilindro Presión (PSI) Presión (bar)

1 120 8.27

2 120 8.27

3 120 8.27

4 120 8.27

La presión obtenida en el manómetro, como se indica en la figura 34, se

observa que el valor es constante en los cuatro cilindros.

Figura 34. Medición de compresión al motor sobrealimentado

49

Los valores demuestran que el motor se encuentra en buenas condiciones.

Se hace un análisis comparativo con los valores obtenidos del motor

estándar, para observar la variación de compresión. Como se demuestra en

la siguiente tabla 23.

Tabla 23. Análisis de la compresión de los cilindros en las dos etapas del motor

Valores de compresión del motor (PSI)

# Cilindro Motor Estándar Motor con Turbo

1 126 120

2 126 120

3 126 120

4 126 120

Al realizar el análisis se observa que los valores de compresión del motor

sobrealimentado son menores a los valores del motor estándar.

3.7.2 MEDICIÓN DE GASES

Al tener instalado el sistema de sobrealimentación se procedió la prueba de

movimiento ausente, realizando a dos velocidades a ralentí y a 2500rpm,

dando el porcentaje de oxigeno ( ), número de partículas por millón de los

hidrocarburos no combustionados y el porcentaje de monóxido de carbono

(CO).

Figura 35. Prueba de gases en el motor sobrealimentado.

En el vehículo sobrealimentado se realizó la prueba de emisiones de gases,

en diferentes regímenes del motor; obteniendo los siguientes valores que se

detalla en la tabla 24.

Tabla 24. Valores en la prueba de gases del motor sobrealimentado

CO (%)V HC (ppm) O2 (%)V

Ralentí 0.46 202 2.27

2500 RPM 0.42 73 2.26

50

Los valores obtenidos en el analizador de gases con el motor

sobrealimentado se comparan con los valores conseguidos en la primera

fase con el motor estándar. Como se observa en la tabla 25 y tabla 26.

Tabla 25. Valores obtenidos en el analizador de gases de escape en las dos fases del motor

en ralentí

Valor de emisiones de gases en ralentí

Medidas Motor Estándar Motor con Turbo

CO (%)V 0.44 0.46

HC (ppm) 222 202

O2 (%)V 2,93 2.27

Tabla 26. Valores obtenidos en el analizador de gases de escape en las dos fases del motor

a 2500rpm

Valor de emisiones de gases en 2500 rpm

Medidas Motor Estándar Motor con Turbo

CO (%)V 0.42 0.41

HC (ppm) 74 73

O2 (%)V 2,90 2.26

Al tener implementado el sistema de sobrepresión, compensa la perdida de

presión del aire, no afectando la altitud en el caso se realizó en la ciudad de

Quito que está a 2800msnm. Al compensar el aire en el motor, la mezcla de

aire-combustible llega a ser perfecta y la combustión en su totalidad.

A continuación se obtiene la diferencia de porcentaje y las ppm, comparando el motor estándar con el motor modificado como se muestra en la tabla 27 y tabla 28.

Tabla 27. Porcentaje de variación de la emisión de gases en ralentí

Valor de emisiones de gases en ralentí

Medidas Motor Inicial Motor Final ∆=i -f

CO (%)V 0.44 0.46 -0.02 %

HC (ppm) 222 202 20 ppm

O2 (%)V 2,93 2.27 0.66%

Al analizar los valores del motor estándar con el motor modificado en la

prueba de emisión de gases en ralentí, se obtuvo en el monóxido de carbono

(CO) aumento un 0.02%, los hidrocarburos disminuyo 20 ppm y el oxígeno

disminuyo el 0.66%

Tabla 28. Porcentaje de variación de la emisión de gases a 2500rpm

Valor de emisiones de gases en 2500 rpm

Medidas Motor Inicial Motor Final ∆%=i -f

CO (%)V 0.42 0.41 0.01 %

HC (ppm) 74 73 1 ppm

O2 (%)V 2,90 2.26 0.64 %

51

Al analizar a 2500 rpm, se obtuvo en el monóxido de carbono (CO)

disminuye un 0.01%, los hidrocarburos disminuyo 1 ppm y el oxígeno

disminuyo el 0.64%. El vehículo al ser modificado redujo la contaminación

en bajas cantidades pero dentro de los parámetros de la Norma de emisión

de gases, no pasa la revisión vehicular, siendo necesario implementar un

catalizador para reducir los hidrocarburos.

3.7.1 PRUEBA DE DINAMÓMETRO

Se realizó el mismo proceso en el banco dinamométrico de la Universidad

Internacional del Ecuador, como se indica en la figura 36, para poder obtener

las curvas de potencia y par motor máximo del vehículo con el sistema

sobrealimentado. Son necesarios los siguientes datos externos:

Altura: 2800 msnm

Temperatura Atmosférica: 24.0 °C

Presión Atmosférica: 752 mmbar = 0.742 atm

Marcha de prueba: Cuarta

Medida del neumático: 205/40 R16

Diámetro de la rueda: 570mm

Figura 36. Vehículo modificado sobrealimentado en el dinamómetro

Los valores obtenidos durante la prueba del dinamómetro, se observa en la

figura 37 las curvas de potencia y par del motor y se detalla en la tabla 29.

Tabla 29. Valores de potencia y par del motor sobrealimentado en el dinamómetro

Parámetro Unidad RPM Valor

Potencia Max CV/HP/kW 5700 148.0/145.97/101.36

Torque Max Kgm/Nm 4800 13.9/136.31

52

Se observa en la figura 37, las curvas descienden regular hasta un punto

máximo sin ocasionar daños en el motor.

Figura 37. Grafica de potencia y par del motor sobrealimentado

Con los datos obtenidos se realiza un cuadro comparativo que se indica en

la tabla 30 del motor estándar con el motor modificado. Se toma en cuenta

el tiempo de aceleración en la prueba.

Tabla 30. Valores de potencia obtenido en el dinamómetro en las dos fases

Valores obtenidos en el dinamómetro

Vehículo Estándar Vehículo Modificado

Potencia máx.,(kW) 35.4 101.36

RPM máx. 5200 5700

Tiempo de aceleración 26.6 37.6

En las dos etapas del vehículo, se observa un aumento de potencia con el

motor sobrealimentado. Mediante un análisis comparativo, se obtiene la

siguiente relación.

Δ potencia del motor =

Δ potencia del motor = 101.36 kW – 35.4 kW

Δ potencia del motor = 65.96 kW

Δ potencia del motor = 88.45 HP

El vehículo con el cabezote twin cam más el sistema sobrealimentado tiene

un aumento de 88.45 HP en su potencia máxima en un mayor número de

revoluciones en comparación con el motor estándar. A continuación se

muestra la siguiente relación.

Δ rpm =

Δ rpm = 5700 rpm – 5200 rpm

Δ rpm = 500 rpm

53

Se tiene el porcentaje de aumento de las rpm es el siguiente.

5700 rpm – 100%

500 rpm – x

X=

X= 8.77 %

Las rpm aumento un 8.77% en comparación con el vehículo estándar,

superando la potencia original a mas rpm.

La variación del tiempo de aceración es la siguiente:

Δ t =

Δ t = 37.6 s – 26.6 s

Δ t = 11s

El aumento de porcentaje en el tiempo de aceleración es:

37.6 s – 100%

11s – X

X=

X= 29.2%

Se tiene un aumento del 29.2 % en el tiempo de aceleración en la prueba del

dinamómetro en relación a la primera etapa con el motor estándar.

Se procede a realizar un análisis comparativo de torque, en la siguiente tabla

31.

Tabla 31. Valores de torque obtenido en el dinamómetro en las dos fases

Valores obtenidos en el dinamómetro

Vehículo Estándar Vehículo Modificado

Torque máx.,(Nm) 82.1 136.31

RPM máx. 3000 4800

Tiempo de aceleración 26.6 37.6

Se observa un incremento de torque con respecto al vehículo estándar, con

los valores obtenidos por dinamómetro.

Δ torque del motor =

Δ torque del motor = 136.31 Nm – 82.1Nm

Δ torque del motor = 54.21Nm

El vehículo modificado con el sistema sobrealimentado tiene un incremento

de 54.21 Nm en su torque máximo a mayor rpm en relación con el motor

estándar.

54

Δ rpm =

Δ rpm = 4800 rpm – 3000rpm

Δ rpm = 1800 rpm

El vehículo sobrealimentado con el cabezote twin cam, aumento potencia

máxima y torque máximo a mayores revoluciones alargando varios

segundos en la prueba del dinamómetro en comparación a la primera etapa

con el motor estándar.

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

55

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES 4.1

El sistema de sobrealimentación permitió recuperar la potencia perdida, al

compensar las pérdidas de presión de aire especialmente en ciudades que

se encuentran a gran altitud referente al nivel del mar a diferencia de los

motores atmosféricos, tienden a perder potencia un 28% en la ciudad de

Quito.

Para evitar incrementos excesivos de presiones dentro del motor

sobrealimentado fue obligado bajar la relación de compresión de 10.11:1 a

9.98:1 mediante una junta metálica de mayor espesor de 1.6 mm entre el

cabezote y el block del motor, aumentando la cámara de combustión.

Al implementar el cabezote doble árbol de levas con mayor número de

válvulas y reemplazando la admisión de monopunto a multipunto, ayudó al

sistema sobrealimentado en rendimiento y eficiencia.

Mediante cálculos matemáticos, el aumento de potencia teórica es de 55.71

HP a 2800 msnm y cumplió la ganancia del 65% de rendimiento del turbo en

la gráfica otorgado por el fabricante. Se obtuvo un incremento de 88,45 HP

reales en el vehículo modificado.

Una vez obtenido los datos mediante cálculos matemáticos y al realizar las

diferentes pruebas técnicas al vehículo estándar y luego con la instalación

del sistema sobrealimentado, se obtuvo la disminución de gases

contaminantes: 0.01% de monóxido de carbono, 20 ppm de hidrocarburos y

0.66 % de oxígeno, aumento la potencia un 65.07% y torque un 39.76 %.

56

RECOMENDACIONES 4.2

Se recomienda antes de implementar un turbocompresor, investigar los

diferentes diseños y tipos de compresores aptos para el motor.

Se recomienda realizar un análisis y estudio previo, mediante cálculos o

software que faciliten direccionar los ángulos de los tubos y elementos del

sistema sobrealimentado sin afectar a los alrededores del motor.

Tener precaución al momento de seleccionar un turbocompresor, podría

resultar desfavorable obteniendo elevadas presiones y altas temperaturas en

la admisión, como a su vez altos niveles de emisiones de gases

contaminantes y aumento excesivo en el consumo de combustible.

Se debe realizar mantenimientos periódicos del motor, como son: cambios

de filtros de aire y esencialmente cambios de aceite sintético para el motor.

Realizar un mantenimiento completo del turbocompresor en lugares

certificados cada 6 años o 100 000 km de recorrido.

5. BIBLIOGRAFÍA

57

5. BIBLIOGRAFÍA

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6. ANEXOS

60

6. ANEXOS

Anexo 1.

Catalogo TA31 de Garrett

61

Anexo 2.

Datos técnicos del modelo TA31 de Garrett