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La importancia de las caracter�sticas principales en las perdidas mec�nicas de los motores de combusti�n interna alternativos

 

The importance of the main characteristics in the mechanical losses of reciprocating internal combustion engines

 

A import�ncia das caracter�sticas principais nas perdas mec�nicas dos motores alternativos de combust�o interna

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: iguerra@tecnoecuatoriano.edu.ec

Ciencias t�cnicas y aplicadas

Art�culos de investigaci�n

 

*Recibido: 19 de junio de 2021 *Aceptado: 15 de julio de 2021 * Publicado: 10 de agosto de 2021

        I.            Magister en Administraci�n de Empresas,Docente investigador, Docente Investigador, Instituto Superior Tecnol�gico, Ecuador.

     II.            Magister en Dise�o Mec�nico, Docente Investigador, �Coordinador de Carrera de Mec�nica Y Electromec�nica Automotriz, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

  III.            Participante Investigador, Estudiante Tecnolog�a Superior en Electromec�nica Automotriz, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

  IV.            Participante Investigador, Estudiante Tecnolog�a Superior en Electromec�nica Automotriz.Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.�

 

Resumen������

En los autom�viles un tercio de la energ�a del combustible se utiliza para superar la fricci�n en el motor, la transmisi�n, los neum�ticos y los frenos. Elobjetivo de este trabajo fue caracterizar las caracter�sticas principales de las perdidas de fricci�n en los elementos del motor y sus accesorios, se analiza varias variables como medio de identificaci�n de las perdidas como las presiones medias de rozamiento y presi�n media de bombeo, as� como los accionamientos de los accesorios auxiliares que son parte de la operaci�n del motor para brindar su operaci�n normal. Esto en busca de la eficiencia del veh�culo en la actualidad que tanto es requerido para la sostenibilidad del planeta. Se propone varias alternativas para reducir las p�rdidas mec�nicas como influir en la lubricaci�n con bajas viscosidades de los aceites y aditivos nano lubricantes, dise�os de los componentes de los motores tanto internos como externos de formainnovadora que se est�n optimizando para ahorra combustible e implementando estrategias de control a los accesorios de forma discontinua generando mayor eficiencia.

Palabras clave: Veh�culo; p�rdida por fricci�n; fricci�n del motor; an�lisis de sistemas; gesti�n de accesorios.

 

�Abstract

In automobiles, one-third of the energy in fuel is used to overcome friction in the engine, transmission, tires, and brakes. The objective of this work was to characterize the main characteristics of the friction losses in the engine elements and their accessories, several variables are analyzed as a means of identifying the losses such as the average friction pressures and average pumping pressure, as well as the auxiliary accessory drives that are part of engine operation to provide normal operation. This in search of the efficiency of the vehicle today that is required so much for the sustainability of the planet. Several alternatives are proposed to reduce mechanical losses such as influencing lubrication with low viscosities of oils and nano lubricant additives, designs of both internal and external engine components in an innovative way that are being optimized to save fuel and implementing strategies of control to the accessories in a discontinuous way generating greater efficiency.

Keywords: Vehicle; friction loss; engine friction; systems analysis; accessories management.

 

Resumo

Nos autom�veis, um ter�o da energia do combust�vel � usado para superar o atrito no motor, transmiss�o, pneus e freios. O objetivo deste trabalho foi caracterizar as principais caracter�sticas das perdas por atrito nos elementos do motor e seus acess�rios, diversas vari�veis ​​s�o analisadas como forma de identificar as perdas como as press�es m�dias de atrito e press�o m�dia de bombeamento, bem como os acionamentos Acess�rios auxiliares que fazem parte da opera��o do motor para proporcionar uma opera��o normal. Isso em busca da efici�ncia do ve�culo hoje que tanto � necess�rio para a sustentabilidade do planeta. Diversas alternativas s�o propostas para reduzir as perdas mec�nicas, como influenciar a lubrifica��o com baixas viscosidades de �leos e aditivos nano-lubrificantes, projetos de componentes internos e externos do motor de forma inovadora que est�o sendo otimizados para economizar combust�vel e implementando estrat�gias de controle. gerando maior efici�ncia.

Palavras-chave: Ve�culo; perda de fric��o; atrito do motor; an�lise de sistema; gerenciamento de acess�rios

 

Introducci�n

La mejora de la econom�a de combustible de los autom�viles est� adquiriendo una importancia cada vez mayor en la actualidad. El problema ha sido abordado por muchos fabricantes al evaluarse el peso del veh�culo, las p�rdidas por fricci�n en el motor, la resistencia aerodin�mica en la carrocer�a y la resistencia a la rodadura en la interfaz neum�tico / carretera, etc.(Hoshi, 1984). Seg�n la Agencia Internacional de Energ�a (AIE), se prev� que los motores de combusti�n interna (ICE) funcionar�n como importantes fuentes de energ�a para veh�culos h�bridos enchufables o veh�culos el�ctricos h�bridos hasta 2050. Para mejorar el rendimiento de ICE, la utilizaci�n de tecnolog�a que sea centrado en reducir la p�rdida de calor y la p�rdida por fricci�n es fundamental(Mihara, 2017).

Adem�s, en un intento de la industria del autom�vil por reducir el consumo de combustible en el motor de combusti�n de los veh�culos autom�viles, es importante se�alar que la reducci�n de la fricci�n y el desgaste juega un papel importante en la reducci�n de la energ�a consumida y en la garant�a de la eficiencia energ�tica. Ha sido informado por Holmberg et al. (2012) que se requiere aproximadamente un 11,5% de energ�a para superar la fricci�n en un motor de combusti�n de un autom�vil de pasajeros como se ve en la Figura 1, y el resto de las p�rdidas en general(Kolawole et al., 2020).

 

Figura 1 Estimaci�n de consumo de energ�a de los autom�viles de turismo(Kolawole et al., 2020).

 

Los par�metros del motor, como la velocidad del motor, la carga, la viscosidad del aceite, el tama�o del cilindro, la potencia de frenado, la potencia de fricci�n, la potencia indicada, se consideran para el an�lisis de las p�rdidas por fricci�n(Patil et al., 2019), que influye en los componentes como se muestra en la figura X dando valores de presi�n de referencia. Un modelo de fricci�n del motor de encendido por chispa desarrollado por Patton et al. a finales de la d�cada de 1980� que dan idea del comportamiento de las perdidas (Sandoval & Heywood, 2003). Por otro, existe otros factores que se puede trabajar como la tendencia de detonaci�n del motor disminuye, por lo que la sincronizaci�n del encendido se puede avanzar m�s y la econom�a del motor se puede mejorar. En comparaci�n con la eficiencia t�rmica de los frenos del motor de l�nea de base, el resultado final despu�s de la optimizaci�n de la simulaci�n aumenta del 34,6% al 35,6%, lo que representa una mejora del 2,9%(Pan et al., 2020). Adem�s el efecto de aumentar la compresi�n de los cilindros al 20%, y reducir la diferencia de presi�n (Padgurskas et al., 2020)

 

Figura 2 Componentes de fricci�n de la presi�n media efectiva para un motor de encendido por chispa de cuatro cilindros (Rostek et al., 2017)

 

Las p�rdidas mec�nicas que se desarrollan en el motor se pueden agrupar debido al proceso de producirlas: en p�rdidas de fricci�n son debidas al rozamiento entre las piezas m�viles, p�rdidas de bombeo realizado por el pist�n contra los gases durante el proceso de admisi�n y de escape, p�rdidas de accionamiento de auxiliares son originadas por los diferentes elementos auxiliares del motor. Por ejemplo, se considera a los componentes en las propiedades del material dependientes de la temperatura, el comportamiento del material el�stico-pl�stico, el contacto con la fricci�n, el par de torsi�n del conjunto del perno de la culata, las cargas t�rmicas y la presi�n m�xima del cilindro representan el comportamiento preciso del conjunto del motor que influye directamente en el estudio de la p�rdidas mec�nicas(Yang, 2020).

Aprovechando la nueva tecnolog�a para la reducci�n de la fricci�n en los turismos, las p�rdidas por fricci�n podr�an reducirse en un 18% a corto plazo y en un 61% a largo plazo.Se estima que las p�rdidas de energ�a relacionadas con la fricci�n en un autom�vil el�ctrico son solo aproximadamente la mitad de las de un autom�vil de pasajeros de combusti�n interna. Las posibles acciones para reducir la fricci�n en los autom�viles de pasajeros incluyen el uso de recubrimientos avanzados y tecnolog�a de texturizado de superficies en los componentes del motor y la transmisi�n, nuevos lubricantes y aditivos de baja viscosidad y bajo cizallamiento, y dise�os de neum�ticos que reducen la fricci�n de rodadura(Holmberg et al., 2012). La evoluci�n de la tecnolog�a en los componentes busca aprovechar la energ�a de su trabajo normal y as� aportar en la operaci�n de nuestro veh�culo en la actualidad. Por este motivo se propone analizar las perdidas mec�nicas estudiadas hasta el momento bajo distintos estudios.

 

Reducci�n de las perdidas mec�nicas por fricci�n

Para aumentar el rendimiento efectivo de las maquinas se trabaja en dos sentidos, lo primero ser� mejorar los proceso termodin�mico y la segunda incrementar el rendimiento mec�nico, es decir reduciendo las perdidas de contacto a trav�s varios factores como la reducci�n de cargas, aligeramiento de pist�n y biela, reducci�n de la tensi�n radial de los segmentos, reducci�n del n�mero de segmentos, incremento de las tolerancias, optimizaci�n del aceite, reducci�n de viscosidad, modificadores de fricci�ntodo esto en zonas principales del motor como el pist�n, el cig�e�al y el tren de v�lvulas(Ciulli, 1937).

Se describen los detalles que predice la presi�n media efectiva de fricci�n (fmep) para motores de encendido por chispa. El modelo, que se bas� en una combinaci�n de leyes de escala fundamentales y resultados emp�ricos, incluye predicciones de p�rdidas por fricci�n del cig�e�al, componentes alternativos y del tren de v�lvulas, p�rdidas auxiliares de los accesorios del motor y p�rdidas de bombeo de los sistemas de admisi�n y escape. La suma de estas predicciones proporcion� estimaciones confiables de la fmep del motor de encendido por chispa y sirve como una herramienta �til para comprender c�mo el dise�o principal del motor y las variables operativas afectan la fricci�n de los componentes individuales(Patton et al., 1989). En suma, otro modelo, que se bas� en una combinaci�n de leyes de escala fundamentales y resultados emp�ricos, incluye predicciones de p�rdidas por fricci�n del cig�e�al, componentes alternativos y del tren de v�lvulas, p�rdidas auxiliares de los accesorios del motor y p�rdidas de bombeo de los sistemas de admisi�n y escape. Por lo tanto, se hicieron modificaciones a la tensi�n del anillo del pist�n y las contribuciones de la carga de presi�n del gas a la fricci�n del conjunto del pist�n, el impacto de la rugosidad del revestimiento y la fricci�n del mecanismo del tren de v�lvulas. El modelo mejorado ahora proporciona estimaciones razonables de los componentes de fricci�n individuales y la presi�n efectiva media de fricci�n total del motor de encendido por chispa. La inclusi�n de la escala de la viscosidad del aceite con la temperatura da como resultado predicciones de fricci�n del motor fr�o de aproximadamente el doble del valor para los motores calentados(Sandoval & Heywood, 2003)

Por otra parte, las fuerzas de fricci�n causadas por los movimientos del pist�n y del anillo del pist�n dentro del cilindro para calcular las fuerzas netas experimentadas por el motor de prueba. Los resultados mostraron que las fuerzas netas cambian de acuerdo con el �ngulo de la manivela y alcanzan un valor m�ximo cerca del punto muerto superior. En consecuencia, necesit�bamos concentrarnos en analizar la tensi�n del cig�e�al, la biela y el pist�n en estas posiciones. Los resultados de la investigaci�n son la base para optimizar el dise�o de estos componentes y proporcionan un m�todo para extender la vida �til de los motores de combusti�n interna en experimentos operativos reales (Nguyen & Duy, 2018). Por otro lado, se ha desarrollado un nuevo enfoque denominado m�todo (P-ω) para determinar la fricci�n instant�nea y sus componentes en los motores de combusti�n interna. El m�todo se basa en el hecho de que las fuerzas instant�neas del gas del cilindro y las fuerzas instant�neas de fricci�n, inercia y carga provocan la variaci�n instant�nea de la velocidad angular del volante. Los componentes se clasifican en dos categor�as: p�rdidas del conjunto del pist�n y p�rdidas del conjunto del c�rter. Las correlaciones se han aplicado a un motor di�sel de varios cilindros y uno de un solo cilindro para calcular las p�rdidas por fricci�n en condiciones de funcionamiento y de motor(Rezeka & Henein, 1984)

En suma, se analiza los sistemas de componentes desde el punto de vista de la mec�nica b�sica, destacando algunos de los fen�menos clave que producen la fricci�n. Se ilustrar�n diferentes reg�menes de fricci�n lubricada utilizando un diagrama de Stribeck gen�rico, con un enfoque en la carga y las velocidades relativas. Adem�s los efectos de los lubricantes en la fricci�n de los componentes individuales del motor, as� como presentar� los datos generados utilizando lubricantes en varias pruebas de banco, pruebas de detecci�n de motores encendidos y una versi�n modificada de la prueba de consumo de combustible SAE J1321 (Comfort, 2003)

Las p�rdidas mec�nicas y la influencia de par�metros espec�ficos de dise�o de los principales componentes considerados en el modelo son: el conjunto pist�n-aro, tren de v�lvulas, cojinetes y auxiliares (bomba de inyecci�n, bomba de aceite y bomba de refrigerante). Para cada uno de estos componentes, el modelo se desarroll� en base a par�metros geom�tricos, condiciones de operaci�n y la f�sica que gobierna la fricci�n.Adem�s, la correlaci�n entre el n�mero de anillos montados en el pist�n y la fuerza de fricci�n se presenta en la Figura 3, tambi�n muestra la diferencia entre condiciones de inundaci�n total (culata removida y aceite rociado en el cilindro) y condiciones de falta de agua (motor motorizado con la culata en su lugar).Las condiciones de inundaci�n total, como se supone en el modelo, nunca ocurren en un motor real. A medida que el pist�n se mueve, el OFT disponible para un cierto anillo en el paquete corresponde al OFT m�nimo dejado por el anillo situado delante, con respecto a la direcci�n del movimiento. En el movimiento ascendente, el anillo superior solo obtendr� la pel�cula de aceite que quede ensu movimiento de carrera hacia abajo. Este proceso de falta de aceite determinar� un coeficiente de fricci�n m�s alto que el predicho por el modelo completamente inundado y debe tenerse en cuenta en el modelo simplificado (Taraza et al., 2000).

 

Figura 3: La fuerza de fricci�n promedio para diferentes combinaciones de anillos de pist�n y condiciones de operaci�n (motorizado, 500 rpm)(Taraza et al., 2000)

 

La Figura 4 presenta la comparaci�n entre la fuerza de fricci�n promedio medida y calculada, para diferentes condiciones de operaci�n. Como puede verse, el modelo simplificado de la fricci�n PRA estima bastante bien la fuerza de fricci�n promedio para un ciclo de motor. La Fuerza de fricci�n promedio de PRA comparada entre c�lculos y experimentos (disparadomotor a carga parcial).La validaci�n experimental del modelo se obtuvo comparando la variaci�n de velocidad del cig�e�al simulado con la velocidad instant�nea medida por un codificador de eje. Las simulaciones mostraron una concordancia bastante buena con las mediciones, tanto para condiciones de operaci�n de estado estacionario como transitorias(Taraza et al., 2000).

 

Figura 4 La fuerza de fricci�n promedio de PRA. Comparaci�n entre c�lculos y experimentos (motor encendido a carga parcial)(Taraza et al., 2000)

 

Por otro lado, reducir la fricci�n interna del motor es uno de los objetivos de desarrollo m�s importantes en el dise�o de motores. Para poder clasificar el potencial de los revestimientos de faldones de pist�n a medida que se realizaron los estudios de par�metros, tambi�n se probaron tres materiales de revestimiento diferentes con respecto a la fricci�n y el desgaste. los revestimientos se probaronen un motor encendido para determinar la resistencia al desgaste y el rendimiento de la potencia de fricci�n. El desgaste y el alisado de los distintos recubrimientos despu�s de un per�odo de tiempo definido se muestran en la parte izquierda de la figura 5 donde se aprecia un menos desgaste al uso de los recubrimientos, en la parte derecha, muestra adem�s el potencial de ahorro de p�rdida de potencia por fricci�n de las distintas capas de fald�n, seg�n se determina en el motor. Por lo tanto, las presiones efectivas medias de fricci�n para cada variante se integran en el mapa de funcionamiento del motor y se muestran en comparaci�n(Deu� et al., 2011)

 

Figura 5: Desgaste relativo y suavizado en%, mejora de la fricci�n del motor sin auxiliares en% (prueba del motor)

 

Tambi�n la comparaci�n de los motores de gasolina permite comparar un concepto de motor convencional y un concepto de motor reductor de alta potenciade p�rdidas por fricci�n. Los resultados se presentan en la Figura 6en cada r�gimen del motor, se indican dos puntos de carga diferentes. La condici�n de operaci�n motorizada se muestra en el lado izquierdo, la condici�n de operaci�n de carga en el lado derecho.Por razones de comparabilidad, todas las investigaciones realizadas en este trabajo se han llevado a cabo utilizando el mismo lubricante SAE 5W30 moderno. Al analizar los motores de gasolina, se nota una diferencia importante en las p�rdidas por fricci�n del tren de v�lvulas. Especialmente a bajas velocidades del motor, la diferencia FMEP es mayor con ∆FMEP = 0,28 bar.Cuando la velocidad del motor aumenta, la diferencia FMEP disminuye a ∆FMEP = 0,10 bar a una velocidad del motor de n = 5000 rpm. La raz�n de la gran diferencia se debe al diferente dise�o del tren de v�lvulas. Para el motor de gasolina 1, el accionamiento de la v�lvula est� dise�ado como un taqu� de base plana, lo que especialmente a bajas velocidades del motor da como resultado desventajas significativas en comparaci�n con el sistema de seguidor de leva tipo rodillo utilizado en el motor de gasolina 2. La comparaci�n de fricci�n para los cojinetes del mu��n del cig�e�al muestra peque�as diferencias para los puntos de operaci�n del motor investigados. Las p�rdidas por fricci�n del cojinete principal oscilan por debajo de ∆FMEP = 0,02 bar. La mayor diferencia en los niveles de FMEP para los cojinetes de cabeza de biela es ∆FMEP = 0,03 bar a una velocidad del motor de n = 5000 rpm. En general los motores de gasolina surgen desventajas especialmente a bajas velocidades del motor. Al utilizar el enfoque combinado desarrollado, fue posible asignar reg�menes de lubricaci�n mixtos en los sistemas de trenes de v�lvulas y en los grupos de pistones (Knauder et al., 2019)

 

 

 

 

Figura 6: Los resultados de comparaci�n de dos motores gasolina de motor a

�temperatura de suministro de 90 ◦C

 

Acerca de la interfaz del anillo del pist�n y la pared del cilindro es generalmente el mayor contribuyente a la fricci�n del motor. Un aceite completamente sint�tico se mezcl� de manera homog�nea con cinco combustibles formulados como mezcla de gasolina (E0), gasolina-etanol al 10% (E10), gasolina-etanol al 20% (E20), gasolina-etanol al 30% (E30) y gasolina-85 % de etanol (E85). Estas mezclas se probaron luego en un probador de desgaste de cuatro bolas de acuerdo con la prueba est�ndar ASTM D4172.La diluci�n de combustible reduce la eficiencia de lubricaci�n y la protecci�n contra el desgaste del aceite del motor. Todas las muestras de aceite diluido en combustible tienen mayores p�rdidas por fricci�n y desgaste, en comparaci�n con el aceite sint�tico nuevo. E10 tiene efectos leves sobre el comportamiento de fricci�n y desgaste del aceite del motor. Por lo tanto, todav�a tiene un alto potencial para ser ampliamente utilizado como combustible de transporte para motores de gasolina existentes(Khuong et al., 2017)

En suma, se realiz� un estudio anal�tico de la din�mica de un pist�n en un motor alternativo. El an�lisis, que incorpora un modelo de lubricaci�n hidrodin�mica, se aplic� a un motor de encendido por chispa automotriz V-8. La variaci�n de la posici�n transversal del pist�n y la rotaci�n con el �ngulo del cig�e�al y la p�rdida de potencia por fricci�n del pist�n y la falda se calcularon para diferentes ubicaciones de pasadores de mu�eca, holguras de pist�n a cilindro y viscosidades del lubricante. Los resultados obtenidos indican que el movimiento del pist�n se ve fuertemente afectado por la ubicaci�n del pasador de mu�eca y que la fricci�n del pist�n-fald�n aumenta significativamente si el pasador de mu�eca est� en una posici�n desfavorable. Adem�s, se descubri� que la din�mica de los pistones es sensible a la holgura del cilindro del pist�n y a la viscosidad del lubricante, lo que subraya su importancia en el dise�o del motor(Li & Ezzat, 1983)

Adicionalmente el prop�sito del sistema de lubricaci�n del motor de combusti�n interna es proporcionar las condiciones �ptimas para la formaci�n de la pel�cula de aceite en todos los pares de fricci�n, como un pist�n-cilindro, anillos de pist�n-cilindro, cojinetes principales, etc. La pel�cula de aceite est� dise�ada para minimizar el desgaste. de los elementos asegurando las menores p�rdidas por fricci�n posibles. La falta de continuidad de la pel�cula de aceite y, por lo tanto, las condiciones de fricci�n l�mite o mixta, obviamente tienen un efecto negativo sobre las p�rdidas por fricci�n. Sin embargo, la pel�cula continua de aceite, dependiendo de las condiciones de su formaci�n, puede caracterizarse por diferentes valores de p�rdidas por fricci�n. Uno de los factores que pueden afectar las condiciones de formaci�n de la pel�cula de aceite es el valor de la presi�n del aceite en el sistema de lubricaci�n (Rostek et al., 2017)

 

Reducci�n de las p�rdidas por bombeo

En la figura 7 se muestra las l�neas que representa la evoluci�n de los procesos de admisi�n y escape de un motor de 4T, esta zona pintada conforma el trabajo de bombeo, al evaluar el trabajo neto del ciclo. Al experimentar modificaciones en este sentido se estudia en el motor el trabajo en plena carga, la optimizaci�n de los conductos de admisi�n y escape, el incremento de la secci�n de paso de v�lvulas, la carga parcial en MEP, el control de la carga mediante distribuci�n variable, la reducci�n de la carrera del pist�n, y la implementaci�n de la inyecci�n directa de gasolina GDI y reducir las p�rdidas de bombeo en beneficio de los motores de combusti�n interna (Payri y Desantes, 2011).

 

Figura 6: Lazo de bombeo del diagrama indicador de un motor 4T.

 

As� se estudia el trabajo transitorio de la fricci�n de los componentes individuales del motor de combusti�n interna durante el calentamiento simulado del motor.Utilizando la forma de onda del par motor y los datos promediados por ciclo de un motor de combusti�n interna de encendido por chispa. Adem�s,el lubricante y el refrigerante se calentaron de 25 a 85 � C. El m�todo de motorizaci�n est�ndar se emple� nuevamente para determinar los valores de l�nea base para las p�rdidas por fricci�n y bombeo. Se adjuntaron todos los componentes del motor de producci�n, incluido el cig�e�al,bomba de aceite y filtro, pistones y bielas, �rbol de levas de admisi�n. Los valores de fricci�n se muestran en la Figura 7 para evaluar la variabilidad entre conjuntos de datos, el mayor valorse obtuvo con el motor completo a 25�C (0,004 MPa) yel m�s peque�o (9 � 10−5 MPa) con solo el cig�e�al instalado en85�C.El conocimiento adicional de los efectos transitorios de la temperatura del motor puede ayudar a los futuros dise�adores a mitigar la fricci�n y el desgaste de los componentes, mejorando as� los costos generales de mantenimiento, el consumo espec�fico de combustible y las emisiones(Daniels & Braun, 2006)

 

 

Figura 7: Comparaci�n de las contribuciones de la presi�n efectiva media de los componentes individuales para completar la presi�n efectiva media del motor a una temperatura variable del agua a una velocidad del motor de 1700 rpm

 

Espec�ficamente se presenta la simulaci�n preliminar de un motor de encendido por chispa de cuatro tiempos. La transferencia de calor del cilindro, la fricci�n y las p�rdidas de bombeo tambi�n se tuvieron en cuenta para predecir la presi�n efectiva media del freno, la eficiencia t�rmica del freno y el consumo de combustible espec�fico del freno. Se estudian la mayor�a de los par�metros que pueden afectar el rendimiento de los motores de encendido por chispa de cuatro tiempos, como la relaci�n de equivalencia, la sincronizaci�n de la chispa, la tasa de liberaci�n de calor, la relaci�n de compresi�n, el �ndice de compresi�n y el �ndice de expansi�n. El uso de una curva de combusti�n real tiene una profunda influencia en la similitud del perfil de presi�n-volumen con el visto para el motor real. Obviamente, el proceso de modelado se est� acercando a la realidad y ahora vale la pena seguirlo como ayuda para el dise�o(Abd Alla, 2002). Espec�ficamente el EFLP considera cinco componentes de p�rdida principales en un motor automotriz: el cig�e�al, pist�n, tren de v�lvulas, componentes auxiliares y p�rdidas de bombeo. Se utilizan reg�menes hidrodin�micos, mixtos y de capa l�mite para modelar los fen�menos de fricci�n. Los principales componentes b�sicos de EFLP son los modelos emp�ricos de fricci�n del motor basados en datos experimentales(Kamil et al., 2014).

 

Reducci�n de las p�rdidas por accionamiento de elementos auxiliares

Hoy en d�a, los auxiliares a menudo son impulsados ​​mec�nicamente por el motor y est�n obligados a girar con una relaci�n fija a la velocidad del motor. Esta restricci�n mec�nica da como resultado p�rdidas de energ�a(Pettersson & Johansson, 2006). Por esta raz�n se motiva a que estos elementos anexos al motor se modifiquen de tal modo que su accionamiento sea discontinuo y por otro lado la optimizaci�n de los elementos se realice a nivel de aleaciones o de forma estructural.

Para comenzar, a nivel mundial, un cami�n de una sola unidad utiliza un promedio de 1500 l de combustible di�sel por a�o para superar las p�rdidas por fricci�n; una combinaci�n de cami�n y remolque, 12.500 l; un autob�s urbano, 12.700 l; y un autocar, 7100 l. Aprovechando la nueva tecnolog�a para la reducci�n de la fricci�n en veh�culos pesados, las p�rdidas por fricci�n podr�an reducirse en un 14% a corto plazo (4 a 8 a�os) y en un 37% a largo plazo (8 a 12 a�os). Se espera que la hibridaci�n y electrificaci�n penetren solo en determinados nichos del sector de los veh�culos pesados. En el caso de los autobuses urbanos y los camiones de reparto, la hibridaci�n puede reducir el consumo de combustible entre un 25% y un 30%, pero hay poco que ganar en el caso de los autocares y los camiones de largo recorrido. Reducir el tama�o del motor de combusti�n interna y utilizar la energ�a de frenado de recuperaci�n tambi�n puede reducir las p�rdidas por fricci�n.Los posibles nuevos remedios para reducir la fricci�n en veh�culos pesados ​​incluyen el uso de recubrimientos avanzados de baja fricci�n y tecnolog�a de texturizado de superficies en componentes de transmisi�n y motor de deslizamiento, balanceo y movimiento alternativo, nuevos lubricantes y aditivos de baja viscosidad y bajo cizallamiento, y llantas nuevas. dise�os que reducen la fricci�n de rodadura(Holmberg et al., 2014)

Para ilustrar se desarroll� una toma de fuerza de velocidad constante (CS-PTO) para impulsar equipos auxiliares en camiones de distribuci�n hasta un nivel de 30 kW. El objetivo de este sistema es reducir el ruido, as� como el consumo de combustible y las emisiones de escape. El rendimiento del equipo auxiliar se puede aumentar considerablemente cuando se conduce a una velocidad constante. Puede soportar cargas axiales elevadas, sin embargo, muestra muy poca fricci�n. Esto permite una alta eficiencia incluso con carga parcial, al reducir la sobrecarga innecesaria. La relaci�n se establece variando la distancia central entre la polea de entrada y la de salida. De esta forma la polea primaria puede tener una geometr�a fija. Para el accionamiento de la polea primaria se ha dise�ado un dispositivo innovador que permite un accionamiento sencillo con un motor. Para reducir a�n m�s las p�rdidas, la CVT se ha dise�ado de manera que se evite la desalineaci�n de las poleas. (Van Boxtel et al., 2007)

Ante todo, la fricci�n entre dos superficies deslizantes es probablemente uno de los problemas m�s antiguos de la mec�nica. P�rdidas por fricci�n en cualquier I.C. motor var�an entre el 17% y el 19% de la potencia total indicada. El rendimiento de los motores de combusti�n interna en t�rminos de p�rdida de potencia por fricci�n, consumo de combustible, consumo de aceite y emisiones de escape nocivas est� estrechamente relacionado con la fuerza de fricci�n y el desgaste entre las partes m�viles del motor, como el conjunto del pist�n, el tren de v�lvulas y los cojinetes. Para resolver este problema, la mayor�a de las investigaciones modernas en el �rea de Nanotribolog�a (Nano lubricantes) tienen como objetivo mejorar las propiedades de la superficie, reducir las p�rdidas de potencia por fricci�n, aumentar la eficiencia del motor y reducir el combustible consumido y el costo de mantenimiento. Los nano lubricantes contienen diferentes nanopart�culas como Cu, CuO, TiO2, Ag, Al2O3, diamante y �xido de grafeno(Ali & Xianjun, 2015).

Por otra parte, evaluar el impacto de la temperatura del aceite en las p�rdidas por fricci�n en los principales nodos de fricci�n del motor de combusti�n. Adem�s de las p�rdidas por fricci�n en los cojinetes del cig�e�al y los aros del pist�n en un grupo cilindro-pist�n, se midieron las p�rdidas por fricci�n debidas al intercambio de carga en el cilindro, la transmisi�n del sistema de distribuci�n y la bomba de aceite(WR�BLEWSKI & FINKE, 2017). Del mismo modo el sistema de lubricaci�n del motor es un elemento vital para la salud del motor, pero provoca una carga par�sita en el motor que aumenta el consumo de combustible: esta carga se puede reducir haciendo coincidir el flujo de aceite con los requisitos de lubricaci�n mediante una bomba de aceite de desplazamiento variable. Los experimentos sobre el ciclo New European Drive mostraron reducciones en el consumo de combustible de hasta un 3,4% y hasta un 5,8% durante la fase urbana del ciclo. Finalmente, un an�lisis de flujo de energ�a mostr� que la bomba de aceite de desplazamiento variable puede reducir el consumo de energ�a de la bomba de aceite en 160 kJ (32%) pero que esto condujo a una reducci�n de 400 kJ en la fricci�n y el trabajo de accesorios(Burke et al., 2015). De modo similar las mejoras realizadas en un motor di�sel de inyecci�n indirecta de 2.0 litros para lograr un aumento del 20 por ciento en la potencia de salida. Para la reducci�n de p�rdidas auxiliares, se introduce un embrague t�rmico en el ventilador de refrigeraci�n para aumentar la potencia neta del motor(Rao et al., 2001)

En suma,el modelo de simulaci�n se utiliza en el sistema de direcci�n de adaptaci�n de flujo electrohidr�ulico. Al comparar la eficiencia energ�tica entre el sistema de detecci�n de carga y el sistema de adaptaci�n de flujo electrohidr�ulico, los resultados de la simulaci�n muestran que el consumo de energ�a en condiciones sin carga con baja y alta velocidad se puede reducir en aproximadamente un 36% y 37% respectivamente cuando se usa este m�todo. Adem�s, el consumo de energ�a bajo carga positiva y desequilibrada con velocidad media se puede reducir en aproximadamente un 39% y 28% respectivamente. Esto se debe principalmente a que el sistema de direcci�n de adaptaci�n de flujo electrohidr�ulico puede evitar no solo las p�rdidas por desbordamiento cuando aparece alta presi�n, sino tambi�n la p�rdida media de descarga(Yan et al., 2015)

Para terminar los sistemas auxiliares considerados y su consumo de energ�a m�ximo y m�nimo en un cami�n Scania a una velocidad de motor de 1400 rpm se muestran en la figura 8. Los consumos de energ�a se indican para la gama completade las condiciones de funcionamiento (a la velocidad fija del motor).Tenga en cuenta que, para la bomba de agua y la bomba de aceite, el consumo de energ�a es constante a una velocidad constante del motor. Para los dem�s auxiliares, el consumo depende de varios factores.A continuaci�n, se analiza el caso sobre el control �ptimo del sistema de refrigeraci�n. Los actuadores de control son el generador el�ctrico, el ventilador de refrigeraci�n y la bomba de agua. Se supone que el ventilador y la bomba son accionados el�ctricamente. El dise�o de control se basa en un modelo simplificado derivado de principios f�sicos. Las simulaciones indican que el consumo de combustible causado por las unidades auxiliares est� en el rango de 5-7% del consumo total (Pettersson & Johansson, 2006)

 

 

Figura 8: Resumen de las unidades auxiliares con su m�nimo y m�ximo consumo de energ�a cuando operan auna velocidad del motor igual a 1400 rpm

 

 

Conclusiones y recomendaciones

En este art�culo presentamos las perdidas mec�nicas son debidas a la fricci�n, al lazo de bombeo y al accionamiento de auxiliares, debido a los diferentes fen�menos, las pruebas y los resultados del an�lisis derivado en sus distintas fases de evoluci�n a trav�s del tiempo en los motores de combusti�n interna.

La fricci�n depende fundamentalmente del r�gimen de giro del motor y para esto se aprecia varios m�todos de reducci�n que va desde la lubricaci�n con bajas viscosidades hasta dise�os de los componentes innovadores y minimizar las perdidas tanto de fricci�n como de auxiliares que afectan al motor de combusti�n interna.

El proceso de escape y admisi�n condicionan las perdidas por bombeo que solo son importantes en los motores, se trabaja de forma permanente en el dise�o de motores y sistemas tecnol�gicos que aportan a minimizar estos par�metros resultantes y optimizar su eficiencia energ�tica en la operaci�n normal.

 

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