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Evaluaci�n del torque, potencia y consumo de combustible con la implementaci�n de una celda de hidr�geno en un veh�culo 1.6 lt a gasolina

 

 

Evaluation of torque, power and fuel consumption with the implementation of a hydrogen cell in a 1.6 lt gasoline vehicle

 

Evaluation of torque, power and fuel consumption with the implementation of a hydrogen cell in a 1.6 lt gasoline vehicle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: ivan.sinaluisa@espoch.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 15 de mayo de 2024 *Aceptado: 20 de junio de 2024 * Publicado: �25 de julio de 2024

 

        I.            Facultad de Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, EC060155, Ecuador.

      II.            Facultad de Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, EC060155, Ecuador.

   III.            Facultad de Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, EC060155, Ecuador.

 

Resumen

El crecimiento del parque vehicular en Ecuador ha incrementado el consumo de combustibles f�siles. Este estudio tiene como objetivo determinar la variaci�n en el consumo de combustible, torque y potencia mediante la implementaci�n de un generador de hidr�geno de tipo celda h�meda en un veh�culo hatchback de 1.6 litros, fabricado en 2008. La investigaci�n se llev� a cabo en Riobamba, situada a 2754 metros sobre el nivel del mar, utilizando una metodolog�a experimental de campo. Se elabor� un electrolito de alta conductividad el�ctrica para el generador de hidr�geno. La evaluaci�n del consumo de combustible se realiz� siguiendo la norma SAE J1321:2012, a lo largo de una ruta urbana espec�fica. Las pruebas de torque y potencia se efectuaron en un banco dinamom�trico de rodillos. Los resultados mostraron un aumento en el consumo de gasolina de 63 ml. Sin embargo, se observ� un incremento en el torque de 1.88 lb-ft y en la potencia de 9.01 Hp. Estos hallazgos concluyen que, aunque el generador de hidr�geno incrementa el consumo de combustible, tambi�n mejora significativamente el torque y la potencia del motor de combusti�n interna, verificando que el generador puede potenciar estos par�metros del motor.

Palabras clave: celda de electr�geno; Torque; Potencia; Consumo de combustible; Veh�culo a gasolina.

 

Abstract

The growth of the vehicle fleet in Ecuador has increased the consumption of fossil fuels. This study aims to determine the variation in fuel consumption, torque and power by implementing a wet cell hydrogen generator in a 1.6-liter hatchback vehicle, manufactured in 2008. The research was carried out in Riobamba, located at 2,754 meters above sea level, using a field experimental methodology. A high electrical conductivity electrolyte was developed for the hydrogen generator. The fuel consumption evaluation was carried out following the SAE J1321:2012 standard, along a specific urban route. Torque and power tests were carried out on a roller dynamometer. The results showed an increase in gasoline consumption of 63 ml. However, an increase in torque of 1.88 lb-ft and power of 9.01 Hp was observed. These findings conclude that, although the hydrogen generator increases fuel consumption, it also significantly improves the torque and power of the internal combustion engine, verifying that the generator can enhance these engine parameters.

Keywords: generator cell; Torque; Power; Fuel consumption; Gasoline vehicle.

 

Resumo

O crescimento do parque autom�vel no Equador aumentou o consumo de combust�veis f�sseis. Este estudo tem como objetivo determinar a varia��o do consumo de combust�vel, bin�rio e pot�ncia atrav�s da implementa��o de um gerador de hidrog�nio do tipo c�lula h�mida num ve�culo hatchback de 1,6 litros, fabricado em 2008. A investiga��o foi realizada em Riobamba, localizada a 2.754 metros acima do n�vel do mar, utilizando uma metodologia experimental de campo. Um eletr�lito com elevada condutividade el�trica foi preparado para o gerador de hidrog�nio. A avalia��o do consumo de combust�vel foi realizada seguindo a norma SAE J1321:2012, ao longo de um percurso urbano espec�fico. Os ensaios de bin�rio e pot�ncia foram realizados em bancada dinamom�trica de rolos. Os resultados mostraram um aumento do consumo de gasolina de 63 ml. No entanto, foi observado um aumento do bin�rio de 1,88 lb-ft e da pot�ncia de 9,01 CV. Estas descobertas concluem que, embora o gerador de hidrog�nio aumente o consumo de combust�vel, tamb�m melhora significativamente o bin�rio e a pot�ncia do motor de combust�o interna, verificando que o gerador pode melhorar estes par�metros do motor.

Palavras-chave: c�lula geradora; Bin�rio; Poder; Consumo de combust�vel; Ve�culo a gasolina.

 

Introducci�n

En el pa�s el parque automotriz no es muy grande en comparaci�n con otros pa�ses de Sudam�rica, en el a�o 2021 se registr� 2.5 millones de veh�culos que han sido matriculados en todo el Ecuador, teniendo as� un estimado del 5,6% de crecimiento desde el 2012 hasta el 2021, y del a�o 2020 al 2021 un crecimiento del 7.6%, siendo as� el 29.5% los automotores de clase livianos registrados en este a�o (INEC, 2022, pp. 6-12) como se muestra en la ilustraci�n 1.

 

Ilustraci�n 1: N�mero de veh�culos motorizados matriculados (miles), periodo 2021.

Las ventas registradas de veh�culos en el pa�s desde el a�o 2000 hasta el 2022 que se muestra en la ilustraci�n 2, ha tenido severos cambios a�o tras a�o sin embargo en el a�o 2008 se registra una venta de 112 608 veh�culos vendidos en ese a�o, lo que significa tambi�n un a�o de evidente crecimiento en cuanto a ventas de autom�viles y una media de las ventas de 111770.188 (AEADE, 2022).

 

Ilustraci�n 2: Ventas anuales de veh�culos 2007-2022.

Fuente: AEADE, 2022

 

El incremento del parque vehicular en Ecuador ha crecido a�o tras a�o, lo que se traduce en un mayor consumo de combustible. Este incremento de la demanda ha sido acompa�ado por cambios significativos en los precios de los combustibles, lo que ha motivado la necesidad de optimizar el consumo en los veh�culos. Adem�s, la altitud afecta significativamente el rendimiento del motor, tanto en potencia como en torque, debido a variaciones en la presi�n atmosf�rica, temperatura y humedad, que alteran la mezcla estequiom�trica aire-combustible. Estos factores obligan a la gesti�n electr�nica del motor a modificar par�metros, lo que puede resultar en mezclas ricas o pobres, desvi�ndose de los consumos de combustible estimados por los fabricantes (Arroyo et al., 2020, pp. 150-151).

Los veh�culos est�n dise�ados para un rendimiento �ptimo en condiciones de baja altitud respecto al nivel del mar. Sin embargo, es crucial someter los automotores a pruebas en ciudades de mayor altitud, como Riobamba, ubicada a 2750 metros sobre el nivel del mar, para analizar el comportamiento de los motores de combusti�n interna bajo estas condiciones. La relaci�n inversamente proporcional entre la altura y la densidad del aire provoca un aumento en el consumo de combustible y en las emisiones contaminantes, lo cual es perjudicial para la salud y el medio ambiente (Lapuerta et al., 2006, pp. 21-30).

La gesti�n electr�nica del motor se ver� obligada a cambiar los par�metros inmiscuidos en la inyecci�n de combustible debido a la variaci�n de la altura, afectando as� a la mezcla estequiom�trica en donde se establece que se tendr� 14,7:1 es decir que por 1 gr de combustible se necesita 14,7 gr de aire (MOTORGIGA, 2012).

Actualmente, existen diversos productos automotrices que prometen mejoras en la reducci�n del consumo de combustible y el aumento de torque y potencia, sin afectar la eficiencia del motor. Entre estas alternativas, el hidr�geno se destaca como una soluci�n viable en la industria automotriz. Sin embargo, en Ecuador no existen estudios que avalen el verdadero comportamiento del consumo de combustible con la implementaci�n de celdas de hidr�geno, aunque s� hay bibliograf�a sobre su influencia en la reducci�n de gases contaminantes, Adem�s, la gesti�n electr�nica del motor se ver� obligada a cambiar los par�metros inmiscuidos en la inyecci�n de combustible debido a la variaci�n de la altura, afectando as� a la mezcla estequiom�trica en donde se establece que se tendr� 14,7:1 es decir que por 1 gr de combustible se necesita 14,7 gr de aire (MOTORGIGA, 2012).

En los diferentes mercados internacionales como la Uni�n Europea, Estados Unidos, Jap�n y varias empresas automotrices han optado emplear celdas de hidr�geno, as� como tambi�n ocurre en el mercado ecuatoriano donde se puede encontrar esta tecnolog�a que tienen como tendencia aumentar el rendimiento, optimizar costos y darle m�s autonom�a al veh�culo (S�nchez, 2021, pp. 14-

19).

En este contexto, se llev� a cabo este estudio en Riobamba para obtener datos mediante el uso de un veh�culo hatchback de 1.6 litros, fabricado en 2008, evaluando el consumo de combustible, torque y potencia con y sin la instalaci�n de una celda de hidr�geno. Se traz� una ruta en la circunvalaci�n de la ciudad y se realizaron cinco vueltas por cada prueba. El consumo de combustible se estim� mediante pesajes al inicio y al final de cada prueba, siguiendo la norma SAE J1321:2012.� Los datos de potencia y torque se obtuvieron mediante pruebas en un banco dinamom�trico de rodillos.

 

 

 

Metodolog�a

La investigaci�n se llev� a cabo en la ciudad de Riobamba, ubicada a 2754 metros sobre el nivel del mar. Esta altitud proporciona un entorno desafiante para evaluar el rendimiento del motor y el impacto de la celda de hidr�geno, dado que la densidad del aire en estas alturas puede afectar significativamente el consumo de combustible, torque y potencia. Para garantizar la consistencia y fiabilidad de los datos, se estableci� una ruta urbana espec�fica en Riobamba para las pruebas. Se realizaron cinco pruebas de conducci�n en esta ruta con celda de hidrogeno (ICH) y sin la celda de hidr�geno (SICH) instalada en el veh�culo. Cada prueba se llev� a cabo bajo las mismas condiciones operativas para minimizar las variables externas que pudieran influir en los resultados.

Para desarrollar la investigaci�n se utiliz� el m�todo experimental y se siguieron los pasos descritos en la siguiente ilustraci�n 3.

 

Ilustraci�n 3: Metodolog�a de la investigaci�n.

 

Selecci�n del veh�culo:

�El veh�culo que se utiliz� en la investigaci�n fue un hatchback de 1.6 litros, fabricado en 2008. con sus especificaciones t�cnicas detalladas en la tabla 1, se trata de un veh�culo de bastante aceptaci�n fiabilidad en el pa�s.

 

 

 

Tabla 1: Especificaciones t�cnicas del veh�culo

 

Determinaci�n de la ruta y ciclos de conducci�n

Las pruebas de campo referentes al consumo de combustible se realizaron en una ruta urbana en su totalidad y cubriendo la circunvalaci�n de la ciudad con una distancia� estimada de 17,1 Km, la cual tuvo como punto de inicio y fin la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo en la cual se realiz� cinco vueltas para cada una de las variables planteadas SICH e ICH.

 

Ilustraci�n 4: Ruta establecida en la ciudad de Riobamba.

 

La ruta establecida fue sustentada mediante la elaboraci�n de un ciclo representativo de la misma, esto con la finalidad de corroborar que el trayecto establecido fue netamente urbano permitiendo recolectar datos durante cada una de las pruebas din�micas de consumo.

 

Ilustraci�n 5: Ciclo representativo de la ruta.

 

Tabla 2: Par�metros del ciclo de conducci�n

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Determinaci�n del electrolito

Es una sustancia que contiene iones libres por lo tanto es necesario saber la composici�n que tendr� el electrolito para mejorar la conductividad dentro de la celda de hidr�geno y as� optimizar su producci�n, en la industria automotriz se aprovecha este gas para aumentar la autonom�a del veh�culo (Duque & Masaquiza, 2013: pp.15-21).

Para la selecci�n del electrolito que se us� en el generador de hidr�geno se eligi� el agua con menor cantidad de TDS (Total de Solidos Disueltos) que es una medida de la materia en una muestra de agua que permite determinar la cantidad de todos los metales, minerales y sales.

Esto se realizar� con el instrumento que permite medir la calidad de agua de la marca HoneForest

modelo YL-TDS2-A

 

Ilustraci�n 6: HoneForest YL-TDS2-A.

 

En este caso se consider� dos tipos de agua: una comercial apta para el consumo humano ya que el fabricante de la celda de hidr�geno recomienda usar este tipo de agua, y otra destilada.

Una vez realizadas las pruebas de TDS (Total de s�lidos disueltos) y conductividad de las dos muestras, se seleccion� el agua destilada debido a que tiene mejor conductividad el�ctrica ( tiene 62 �s/cm que el agua convencional) siendo este indicador muy importante para el proceso de la electr�lisis que es el principio por el cual funciona el generador de hidr�geno.

Se seleccion� el soluto a usarse para elaborar el electrolito, el cual fue NaHCO3 (Bicarbonato de Sodio) con un grado de pureza del 100%, menor cantidad de calcificaciones en el electrolito y una buena conductividad, luego de esto se mezcl� 380 ml del agua seleccionada y 1 oz de NaHCO3, se procedi� a dejar reposar por 24 horas para una mejor concentraci�n de la soluci�n y posteriormente efectuar la prueba de TDS y conductividad.

 

Implementaci�n de la celda de hidr�geno en el veh�culo

Para la implementaci�n del� generador� de� hidr�geno� en� el� veh�culo� que� previamente� fue seleccionado hay que considerar las siguientes indicaciones:

Inspeccionar el espacio disponible en el compartimiento del motor para poder colocar el generador de hidr�geno, teniendo en cuenta que no debe estar cercano a lugares como el radiador ya que genera mucho calor y a partes m�viles que pueda causar da�os, para este caso se utiliz� correas pl�sticas para asegurarlo en la carrocer�a.

�         Ubicar todas las mangueras que ingresan al m�ltiple de admisi�n, teniendo en cuenta que la alimentaci�n del hidr�geno tiene que ser despu�s del cuerpo de aceleraci�n, en este caso fue la manguera que sale de la v�lvula PCV (V�lvula Positiva de ventilaci�n de gases del Carter) hacia el colector de admisi�n.

�         La manguera que conduce el hidr�geno desde el generador hacia un acople tipo T es de medida 6 mm la cual luego se conect� con la v�lvula PCV y finalmente a otra manguera que ten�a una medida de 5/16� para as� llegar al m�ltiple.

�         Verificar que no existan fugas de aire tanto en los reductores de manguera, acoples y abrazaderas que se utilizaron en la instalaci�n.

El generador de hidr�geno funciona a partir del voltaje de bater�a, pero tiene un regulador que tiene la finalidad de reducir de 12 a 5 voltios para precautelar la integridad del empaque del cabezote, ya que el hidr�geno al ser de alta inflamabilidad causar�a explosiones muy fuertes da�ando as� dicha junta. Para el funcionamiento de la celda de hidr�geno es necesario una instalaci�n el�ctrica la cual se realiz� como muestra la ilustraci�n 7.

 

Ilustraci�n 7: Esquema el�ctrico de la instalaci�n.

 

Recolecci�n de datos a bordo

Se emple� la aplicaci�n m�vil �Torque Pro�, la cual permiti� la recolecci�n de los datos en tiempo real con la ayuda de un conector inal�mbrico OBD II el cual se conect� al veh�culo en el que se realizaron las diferentes pruebas de consumo de combustible. Esta aplicaci�n permite que el smartphone establezca comunicaci�n con el OBD (Diagn�stico a Bordo) del veh�culo para obtener informaci�n en vivo de ciertos par�metros del motor tales como: RPM, c�digos de aver�a presentes, velocidad, aceleraci�n, temperatura y otras funciones.

Adem�s se utiliz� el conector OBD II se trata de un nuevo esc�ner automotriz multimarca compatible �nicamente con los sistemas operativos Android y Windows, utilizando la interfaz ELM 327 y se us� con la aplicaci�n� Torque Pro, permite el diagn�stico� del veh�culo mediante la� lectura de c�digos gen�ricos, como tambi�n la obtenci�n de la informaci�n de la ECU (Unidad de Control del Motor) del veh�culo, accediendo a los archivos generados por la aplicaci�n los mismos que cuentan con la extensi�n �.csv� para su posterior an�lisis en el ordenador (Electroimpo, 2023).

 

Resultados

En la Tabla 3, se muestra los valores de consumo y su promedio sin implementar la celda de hidr�geno en el automotor con una media de 1351,2 gramos lo que equivale a 1,35 litros de combustible consumido en la prueba de ruta establecida.

 

Tabla 3: Consumo de combustible SICH y ICH.

 

Teniendo as� un promedio de consumo de 0,079 litros por cada kil�metro recorrido. De igual manera en la Tabla 3, que se muestra a continuaci�n son los datos obtenidos pero esta vez implementada la celda de hidr�geno con una media de 1414,6 gramos lo que equivale a tener 1,41litros de gasolina consumida en el mismo trayecto. El promedio de consumo al instalar la celda cambio de 0,079 a 0,083 litros/km.

El consumo de combustible se vio incrementado m�nimamente al implementar la celda de hidr�geno en el veh�culo, el aumento fue de 63,4 gramos equivalente a 0,017 galones y en litros con un valor de 0,063, determinado as� que la celda de hidr�geno implementada no redujo el consumo, debido a que el hidr�geno es otra fuente combustible y en conjunto con la gasolina extra que al combinarse en el proceso de la combusti�n hace que el motor se encuentre funcionando solo en mezcla rica, es decir con un exceso de combustible.

 

An�lisis del torque

Los datos obtenidos a partir de las diferentes pruebas ejecutadas evidenciaron que, con la instalaci�n de la celda de hidr�geno en el veh�culo este present� una ganancia m�nima de 1,88 lb- ft o a su vez 2,55 Nm en cuanto al rendimiento del motor. Afirmando as� que la celda de hidr�geno si aument� levemente el torque, pero con el valor de P que fue de 0,309.

 

Tabla 4: Prueba de torque.

 

An�lisis de potencia

En cuanto a la potencia, en la Tabla 5, se presentan los resultados obtenidos antes y despu�s de instalar el generador de hidr�geno en el veh�culo y as� poder contrastar el rendimiento del motor.

 

Tabla 5: �Prueba de potencia.

En las diferentes pruebas se verific� que con la instalaci�n de la celda de hidr�geno se produjo un incremento de 9,01 Hp comprobando as� que, al aumentar el torque la potencia tambi�n lo har� debido a que son par�metros del motor que tienen una relaci�n directamente proporcional, tomando en cuenta que en la prueba T de Student se obtuvo un valor de P de 0,010 siendo inferior al 5% de error establecido.

 

Comparaci�n de las curvas caracter�sticas obtenidas del motor de combusti�n

En la Ilustraci�n 8, se observa la variaci�n del torque y potencia tanto con la celda de hidrogeno implementada como tambi�n sin la implementaci�n de esta, en donde se puede apreciar un aumento m�nimo del par motor y en cuanto a la potencia un aumento significativo.

 

Ilustraci�n 8: Curvas del motor con las variables SICH e ICH.

 

La variaci�n de voltajes registrados en el esc�ner automotriz se los muestra en la Tabla 6, con lo cual se puede determinar la variaci�n de la presi�n del colector de admisi�n y as� verificar el funcionamiento de la celda de hidr�geno.

 

 

 

 

 

 

 

Tabla 6: Prueba del sensor MAP.

 

Como se muestra en la ilustraci�n 9 el sensor present� una mayor variaci�n en la resistencia de la membrana interna generando as� un aumento de la tensi�n y de la presi�n en el m�ltiple de admisi�n, comprobando de esta manera que la celda si est� suministrando hidr�geno cada vez que se pise el pedal del acelerador.

 

Ilustraci�n 9: Lectura del sensor MAP con el esc�ner.

 

Conclusiones �

�         El� generador� de� hidr�geno� implementado� es� de� tipo� celda� h�meda� que� basa� su funcionamiento en el proceso de la electr�lisis el mismo que se da al suministrar un voltaje de corriente continua en los electrodos de dicha celda, provocando as� que el electrolito se disocie en iones de hidr�geno y de ox�geno presentes en la mezcla del agua destilada junto con el bicarbonato de sodio, el cual mejora la conductividad del electrolito, finalmente el hidr�geno producido es transportado por una v�lvula que se encuentra en la parte externa superior del generador de hidr�geno y que ser� succionado hacia el m�ltiple de admisi�n cada vez que se accione el pedal del acelerador.

�         Se realiz� las pruebas din�micas de consumo bajo la norma SAE J1321:2012 y con la verificaci�n de la ruta urbana mediante el ciclo de conducci�n, las variables SICH e ICH dieron como resultado 1351.20g y de 1414.60g respectivamente teniendo un aumento del 4.69%, verificando as�, que el generador de hidr�geno no reduce el consumo de combustible.

Mediante el modelo estad�stico aplicado se evidenci� que el torque antes de implementar la celda de hidr�geno fue de 67.14 lb-ft y la potencia de 51.88 Hp, se tuvo una variaci�n positiva cuando dicha celda fue implementada en el veh�culo seleccionado, obteniendo valores de 69.02 lb-ft y 60.90 Hp respectivamente, es decir que el torque aumento en un 2.80% y la potencia 17.37%, constatando as� que el generador de hidrogeno instalado si aumenta el torque y la potencia del motor de combusti�n interna y teniendo en cuenta que no se puede reducir el consumo de combustible y aumentar dichos par�metros ya que son directamente proporcionales.

 

Referencias

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� 2024 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).