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Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, VII Edición 2018, No. 7 (14)
Artículo Cientíco / Scientic Paper
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 7 Vol. 1 / 2018 (14) ISSN 1390 - 7395 (7/14)
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ORTIZ J., CALDERON C., ZAMBRANO V., QUIROZ J., DETERMINACIÓN DEL TORQUE Y POTENCIA DEL MOTOR DAEWOO SOHC 1.5 LT
UTILIZANDO MATERIAL TERMOPLÁSTICO EN EL COLECTOR DE ADMISIÓN.
DETERMINACIÓN DEL TORQUE Y POTENCIA DEL MOTOR DAEWOO SOHC 1.5 LT
UTILIZANDO MATERIALES TERMOPLÁSTICOS EN EL COLECTOR DE ADMISIÓN.
DETERMINATION OF THE TORQUE AND POWER OF THE DAEWOO SOHC
ENGINE 1.5 LT USING THERMOSLASTIC MATERIALS IN THE ADMISSION
COLLECTOR.
Juan Ortiz
1
, Carlos Calderón
2
, Víctor Zambrano
3
, José Quiroz
4
1
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Facultad de Ingeniería Automotriz, Latacunga, Ecuador
Jcortiz2@espe.edu.ec
1
, cfcalderon@espe.edu.ec
2
, vdzambrano@espe.edu.ec
3
, jlquiroz@espe.edu.ec
4
RESUMEN
La investigación se basó en determinar el torque y
potencia de un motor Daewoo SOCH 1.5 lt. al cambiar
el múltiple de admisión estándar por otros de material
termoplástico, se realiza la modelación en el Software
CAD e impresión en la impresora 3D del colector de
admisión en tres diferentes materiales termoplásticos
ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno), PLA (Ácido
Poliláctico) y PET (Polietileno Tereftalato).
Se implementa cada uno de los múltiples y se
realizaron las pruebas de torque, potencia bajo las
mismas condiciones para cada tipo de colector de
admisión, se presentan los diagramas de torque y
potencia, se tabulan los datos obtenidos para generar
un registro de las variaciones de los parámetros
característicos del motor SOHC en función de los
tres diferentes materiales y se determina que material
ayuda a mejorar las características del motor.
Palabras clave:
ABS (acrilonitrilo butadieno estireno), Múltiple de
admisión, PET (polietileno tereftalato), PLA (ácido
poliláctico), Potencia, Torque.
ABSTRACT
The investigation is based on determining the torque
and power of a Daewoo SOCH engine 1.5 lt. When
changing the standard admission manifold for others
of thermoplastic material, the modeling is done in
the CAD Software and printing in the 3D printer of
the intake manifold in three different thermoplastic
materials ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene),
PLA (Polylactic Acid) and PET (Polyethylene
Terephthalate).
Each of the manifolds is implemented and torque,
power under the same conditions for each type of
intake manifold, torque and power diagrams are
presented, data are tabulated for Generate a register
of the variations of the characteristic parameters of
the SOHC engine according to the three different
materials and determines which material helps
to improve the characteristics of the engine, this
research is developed in the Laboratory of Internal
Combustion Engines of the University of The Armed
Forces ESPE Extension Latacunga.
Keywords:
Knock sensor, accelerometer, microphone, transient
events, temporal window, frequency spectrum,
crankshaft and camshaft.
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1. INTRODUCCIÓN
La falta de aprovechamiento de los materiales
termoplásticos como el ABS (Acrilonitrilo Butadieno
Estireno), PLA (Ácido Poliláctico) y PET (Polietileno
Tereftalato) para replicar piezas automotrices
generan una dependencia excesiva de los materiales
tradicionales metálicos para la fabricación en piezas
automotrices, el presente proyecto permitirá establecer
si es posible utilizar repuestos alternos fabricados con
materiales termoplásticos.
El avance de la tecnología y la falta de equipos para
la construcción de autopartes direccionan a nuevas
investigaciones que permitan variar el mercado
automotor, incentivando a la línea de investigación en
el Ecuador.
Los múltiples metálicos que se encuentran en el
mercado automotriz presentan una mayor resistencia
al ujo de aire, haciendo que el desempeño del motor
se vea afectado al no tener un llenado eciente en la
cámara de combustión.
El desconocimiento de nuevas técnicas de fabricación
de autopartes hace que en el Ecuador se importen los
repuestos de diferentes países. Al investigar sobre
materiales alternos y su fabricación se apoya al
cambio de la matriz productiva y conlleva a generar
nuevas fuentes de trabajo.
La investigación se origina por la necesidad de los
propietarios de vehículos por tener una alternativa
diferente para adquirir un componente de un motor
de combustión interna, como es el caso del colector
de admisión.
En la actualidad se dispone de la tecnología que permite
fabricar componentes de un vehículo en materiales
termoplásticos, y se puede determinar si los nuevos
materiales en un vehículo de combustión interna
mantienen o mejoran las características mecánicas
del motor, bajo las condiciones de funcionamiento
normal.
Las características inherentes de los termoplásticos
han sido las principales cualidades para su uso en
vehículos, estos incluyen peso ligero, menores costos
para grandes volúmenes y la posibilidad de ser
fabricado como un componente complejo único.
Los múltiples de admisión son diseñados para reducir
en lo posible el rozamiento del aire, para asegurar
un ujo con un mínimo de turbulencias para evitar
pérdidas y condensaciones, al utilizar termoplásticos
se reduce la rugosidad, ya que su supercie es lisa,
por lo tanto, la turbulencia y condensación será menor
que al utilizar un material metálico como el aluminio
que tiene un coeciente de rugosidad de SCOBEY de
0.40.
2. MÉTODOS Y MATERIALES
2.1 Par motor
La fuerza de la explosión producida en un motor
durante el proceso de combustión enviará rápidamente
el pistón hacia su PMI. Esto generará el movimiento
rotacional del cigüeñal por la acción de la biela. Esta
fuerza rotacional se llama par motor. [1]
Se debe considerar que, a mayor poder explosivo
dentro del cilindro, mayor será el resultado del par
motor, y mayor la fuerza generada por él. Cuando
el cigüeñal gira, realiza ese giro en un determinado
lapso. [1]
Si el par motor es el resultado de la fuerza que ejerce
la explosión de la mezcla sobre el giro del cigüeñal, la
potencia es el resultado de dicho par motor realizado
en un determinado lapso. [1]
Par=F*d (1)
F= Fuerza. [N]
d= Distancia. [m]
Figura 1. Representación par motor
En los motores de combustión, la curva de par empieza
siendo ascendente hasta llegar a las revoluciones
donde el motor rinde el par máximo, que es el punto
de diseño óptimo. A partir de ese momento, el par
comienza a disminuir progresivamente. [2]
En la gura 2 se representa en el eje horizontal las
revoluciones por minuto (r. p. m.) del régimen giro (n)
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del motor y en el eje vertical el par (T) que proporciona
durante todo su rango de funcionamiento. En los
motores de combustión, la curva de par empieza
siendo ascendente hasta llegar a las revoluciones
donde el motor rinde el par máximo (T1), que es el
punto de diseño óptimo. A partir de ese momento, el
par comienza a disminuir progresivamente. [3]
Figura 2. Curva del par motor y potencia
2.2. Potencia del motor
Potencia efectiva del motor
Es la potencia que se tiene en las ruedas, y es menor
al valor de la potencia indicada debido a las pérdidas
que tienen lugar hasta la salida al eje de tracción. Se
la puede obtener midiendo con máquinas frenantes
apropiadas o matemáticamente. [4]
Ne= (2*pme*Vh*n*i)/(10^3*τ) (2)
Ne = potencia efectiva del motor (KW)
pme = presión media efectiva (Pa)
Vh = volumen del cilindro (m^3)
n = frecuencia de rotación del motor (r.p.s)
i = número de cilindros
τ = número de tiempos del motor
Potencia indicada
La potencia es el trabajo o la energía desarrollada
en la unidad de tiempo. En el caso de un motor, la
potencia se desarrolla durante el desplazamiento del
vehículo y a diferentes estados de carga a una cierta
velocidad. [5]
P=T/t (3)
P= Potencia. [Watt]
T= Trabajo. [Joule]
t= Tiempo. [s]
En la gura 3, la potencia que puede ofrecer un motor
de combustión interna aumenta conforme sube de
régimen de giro, hasta un máximo que se alcanza
cuando gira a n (r. p. m.). En estas condiciones,
aunque se acelere más la velocidad del motor, este no
es capaz de entregar más potencia dado que la curva
entra en su tramo descendente. El límite máximo de
revoluciones a la que puede girar el motor lo marca
nmax, establecido por las propias limitaciones de los
elementos mecánicos que lo constituyen. [3]
Figura 3. Curva de potencia
2.3 MÉTODOS
La metodología que se usó en esta investigación es la
siguiente:
Figura 4. Cuadro metodológico
El banco dinamométrico tiene la propiedad de
generarle al motor del vehículo una resistencia a la
tracción del mismo mediante un freno que contrarresta
el par motor en forma dinámica y permite absorber
la potencia y transformarla en calor por ejemplo para
un freno hidráulico. El calor resultante se transere el
agua y permite que las pruebas sean de una duración
suciente.
La medición se realiza con una celda de carga adosada
al estator del freno y el cálculo de potencia se completa
con las RPM que se leen del eje del freno. [4]
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Características del dinamómetro de rodillos
Tabla 1. Características del dinamómetro motorroll
Alcance de revoluciones 20000 RPM
Brazo de palanca 256 mm
Alcance de potencia 200 HP – 150 KW
Tipo de dinamómetro Rodillos
Sensor de velocidad Óptico
Electrónica utilizada Interfaz Motorroll con
conexión a pc.
Diámetro de rodillos 165 mm
Tipo de freno Hidráulico
Software del dinamómetro
Toda la información obtenida desde el módulo de
adquisición de datos se despliega en un software
que funciona bajo Windows. Se los puede visualizar
en tiempo real o como un informe con valores
instantáneos, máximos, promedios, así como las
curvas de potencia y torque del motor. Estos valores
puedes compararlos para medir las diferencias ante
cualquier cambio o alteración que se haya hecho al
motor.
Figura 5. Software del dinamómetro
Múltiple de ABS (Acrilonitrilo Butadieno
Estireno)
El ABS es un copolímero perteneciente a la familia
de los Polímeros de Estireno y debe su nombre a
los tres monómeros utilizados para su fabricación.
Acrilonitrilo, Butadieno y Estireno. [5]
Al combinar tres monómeros, cada uno de ellos
conere sus propiedades sin afectar las otras:
Acrilonitrilo: Imparte resistencia química,
estabilidad térmica, dureza supercial y resistencia al
envejecimiento.
Butadieno: Proporciona resistencia al impacto,
tenacidad y retención de propiedades a bajas
temperaturas.
Estireno: Contribuye con brillo, rigidez y facilidad de
procesamiento.
La composición de los monómeros de ABS varía en
función del proceso de polimerización que se utilice
siendo los rangos más comunes los siguientes:
Acrilonitrilo 25 - 35%
Butadieno 15 - 30%
Estireno 45 - 55%
Figura 6. Múltiple de material ABS
Múltiple de PLA (Ácido poliláctico)
El PLA es un polímero biodegradable, tiene su origen
en el almidón proveniente de vegetales como: maíz,
yuca, trigo, remolacha o caña de azúcar, lo que facilita
su fuente de extracción alejándola de los procesos de
transformación de los hidrocarburos que caracterizan
la obtención de otros polímeros.
De esa forma se asegura una reinserción natural a lo
largo de su ciclo de vida, al contrario que plásticos
derivados de hidrocarburos como el ABS.
Figura 7. Múltiple de material PLA
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Múltiple de PET (Polietileno tereftalato)
El PET es un Poliéster Termoplástico y se produce
a partir de dos compuestos principalmente: Ácido
Terftálico y Etilenglicol.
Pertenece al grupo de los materiales sintéticos
denominados poliésteres y a partir de 1946 se lo
empezó a utilizar industrialmente. [5]
La aplicación principal en el mercado del PET son los
envases rígidos, a partir de 1976.
Figura 8. Múltiple de material PET
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Pruebas de torque y potencia
Antes de realizar las respectivas pruebas estándar y
con los diferentes múltiples termoplásticos, se realizó
el mantenimiento del motor, el cual consta de cambio
de ltro de aire, cambio de ltro de combustible,
reemplazo de bujías y cables de bujías, limpieza de
inyectores.
Una vez calibrado el software del dinamómetro y
tomando las respectivas consideraciones de seguridad
y ubicación del vehículo, se procede a encender el
ventilador y el motor para que llegue a su temperatura
normal de funcionamiento.
Se procede a acelerar el vehículo hasta que llegue a
la cuarta velocidad que es donde tiene una relación
más cercana a 1:1 y se acelera a fondo, el software
se auto inicia de acuerdo a la calibración que se puso
anteriormente y corta la prueba al llegar a 5500 rpm
obteniendo la siguiente curva.
3.1. Curva del torque y potencia con el colector
de admisión estándar.
Figura 9. Torque y potencia con el múltiple estándar.
Tabla 2 Datos obtenidos prueba estándar
Aceleración 100 %
Combustible Gasolina extra
Marcha de la prueba Cuarta velocidad
Tiempo de aceleración 20,82 seg.
Potencia del motor 79,6 hp
Revoluciones de corte 5501 rpm
Torque máximo 11,99 Kgm
Potencia efectiva medida 69,2 hp
3.2. Curva del torque y potencia con el
colector de admisión ABS.
Figura 10. Torque y potencia con el múltiple ABS.
Tabla 3. Datos obtenidos prueba con ABS
Aceleración 100 %
Combustible Gasolina extra
Marcha de la prueba Cuarta velocidad
Tiempo de aceleración 25,68 seg.
Potencia del motor 84,1 hp
Revoluciones de corte 5494 rpm
Torque máximo 12,73 Kgm
Potencia efectiva medida 73,1 hp
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3.3. Curva del torque y potencia con el
colector de admisión PLA.
Figura 11. Torque y potencia con el múltiple PLA.
Tabla 4. Datos obtenidos de la prueba con PLA.
Aceleración 100 %
Combustible Gasolina extra
Marcha de la prueba Cuarta velocidad
Tiempo de aceleración 24,92 seg.
Potencia del motor 83,4 hp
Revoluciones de corte 5501 rpm
Torque máximo 12,54 Kgm
Potencia efectiva medida 72,6 hp
3.4. Curva del torque y potencia con el colector
de admisión PET.
Al encender el vehículo para que alcance a su
temperatura normal de funcionamiento y proceder
a realizar la prueba dinamométrica, el múltiple
de material PET no resistió la temperatura que se
transmitió del motor hacia el múltiple a través de los
pernos que se encuentran en los cilindros número dos
y tres. [6]
Figura 12. Deformación del múltiple PET en los cilindros dos y
Como se mencionó anteriormente el múltiple de
material PET se deformó antes de realizar las primeras
pruebas, por los que no se lo tomará en cuenta para los
análisis.
3.5. Potencia
Figura 13. Comparación de potencia estándar vs ABS
Donde el color rojo representa la curva del múltiple
de material ABS y el color negro el colector estándar.
Figura 14. Comparación de potencia estándar vs PLA
Donde el color rojo representa la curva del múltiple
de material PLA y el color negro el colector estándar.
Tabla 5. Potencia obtenida de los diferentes múltiples.
Múltiple de
admisión
Tiempo de
prueba
RPM del
motor
Potencia
del motor
Estándar 20,82 seg 5501 79,6 hp
ABS 25,68 seg 5494 84,1 hp
PLA 24,92 seg 5501 83,4 hp
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75
80
85
Estandar ABSP LA
83,4
Potencia HP
Múl ples
Potencia máxima del motor
79,6
84,1
Figura 15. Comparación de las potencias del motor
La potencia del motor con los múltiples de material
termoplástico tuvo un incremento de 4,5 hp para el de
ABS lo que representa un 5,65 % y de 3,8 hp para el de
PLA que es un 4,77 % en comparación con el estándar,
por motivo de que los materiales no transeren el
calor y el aire a la salida del múltiple se encuentra
más frio y tiene una mayor densidad, haciendo que
entre una cantidad mayor de aire al motor y tenga un
mejor llenado. [7]
También los múltiples de ABS y PLA presentan
supercies más lisas que el de aluminio, haciendo que
cuando se acelere a fondo el aire que entra al motor
encuentre menos resistencia, por lo que su llenado es
más eciente.
3.6. Torque
Figura 16. Comparación de torque estándar vs ABS
Donde el color ver representa la curva del múltiple del
material ABS y el color azul el colector estándar. [8]
Figura 17. Comparación de torque estándar vs PLA
Donde el color verde representa la curva del múltiple
de material PLA y el color azul el colector estándar.
Tabla 6. Torque obtenido de los diferentes múltiples.
Múltiple de
admisión
Tiempo de
prueba
RPM del
motor
Torque del
motor
Estándar 20,82 seg 5501 117,58 Nm
ABS 25,68 seg 5494 124,84 Nm
PLA 24,92 seg 5501 122,98 Nm
Figura 18. Comparación de los torques del motor
El torque del motor con los múltiples de material
termoplástico tuvo un aumento de 7,26 Nm para el de
ABS lo que representa un 6,17 % y de 5,4 Nm para el
de PLA que es un 4,59 % en relación con el estándar,
recordando que el torque es directamente proporcional
a la potencia, se justica que a mayor potencia, mayor
será el torque. Como se puede ver en las guras 190 y
191, hay más torque desde el inicio de las pruebas en
ambas comparaciones. [9]
4. CONCLUSIONES
Se construyó diferentes colectores de admisión, en
una impresora 3D de material ABS (Acrilonitrilo
Butadieno Estireno), PLA (Ácido Poliláctico) y
PET (Polietileno Tereftalato) para comprobar los
parámetros mecánicos del motor DAEWOO SOHC
con respecto al fabricante.
Se realizó las pruebas para determinar la potencia
y torque del motor DAEWOO SOHC del vehículo
Chevrolet Aveo Family 1.5 lt. cuando se utilizó los
diferentes tipos de colectores fabricados.
La temperatura de funcionamiento del colector de
admisión termoplástico ABS es mucho más baja que
el colector de aluminio (43 y 68 °C) respectivamente,
lo cual es muy oportuno, ya que así el aire que ingresan
110
115
120
125
Estandar ABSP LA
122, 98
Torque N*m
Múl ples
Torque máxima del motor
117,58
124,84
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a los cilindros para la combustión entra más frío, y así
se tiene mayor masa de aire en los cilindros.
La temperatura de fusión del termoplástico ABS es
de 250 °C, lo cual evita que el colector de admisión
resista la temperatura de funcionamiento del motor
que es aproximadamente 95 °C.
La potencia obtenida por los colectores de admisión
ABS, PLA y estándar, fueron 84.1, 83.4 y 79.6 HP
respectivamente; en lo cual se puede concluir que, si
se obtiene una mayor potencia utilizando el colector
de admisión ABS, y su diferencia con el estándar es
de 4.5 HP. El porcentaje en incremento es de 5.65%.
En relación al torque con el termoplástico ABS se
obtuvo 124.84 Nm, y con el colector estándar 117.58
Nm, lo que indica que el torque también aumento
considerablemente, y el vehículo por tal tendrá
mejores rendimientos en carretera con pendientes
con ángulos muy pronunciados. El porcentaje en
incremento es de 6.17%.
5. REFERENCIAS
[1]. Pesis, Hernán. (2015). Motos: motores de 2 y 4
tiempos, Fox Andina. (pág. 73). Buenos Aires.
[2]. Heywood, J. (1998). Internal combustion engine
fundamentals, McGraw-Hill. New York.
[3]. Rodríguez, Hermenegildo. Ingemecánica. (30 de
Mayo de 2017). Obtenido de http://ingemecanica.
com/tutorialsemanal/tutorialn63.html
[4]. Mena, Luis. (2011). Compilador de ejercicios de
motores de combustión intera Diesel-Gasolina.
Nueva Aurora. (págs. 48). Ecuador, Quito.
[5]. Sánchez, Mariano. (2012). Mantenimiento
de motores térmicos de dos y cuatro tiempos.
Innova. Málaga.
[6]. Motorroll, Argentina. (18 de Julio de 2015).
Motorroll. Obtenido de http://www.motorroll.
com/
[7]. Hoechst. (1997). Enciclopedia del plástico. Impi
(pág. 155). México.
[8]. Castro. dima3d. (17 de Febrero de 2015).
Obtenido de http://www.dima3d.com/pla-
material-interes-y-consejos-de-impresion-3/
[9]. PET. Tecnología de los Plásticos. Fabricación de
Piezas Automotrices con el Mejor Termoplástico.
(30 de Mayo de 2011). Obtenido de http://
tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2011/05/
pet.html
[10]. Accudyno. (08 de Enero de 2017). Accudyno
PRO. Obtenido de http://www.accudyno.com/
accudyno-pro/
[11]. Montes, M., Muñoz, M., & Rovira, A. (2014).
Ingeniería térmica. UNED. Madrid, España.
6. BIOGRAFÍA
Juan Carlos Ortiz Reyes nació
en Latacunga, Ecuador, el 6 de
mayo de 1993, culminó sus
estudios secundarios en el
Centro Educativo Quevedo
ext. de la Academia Naval
Guayaquil en el 2010
graduándose de bachiller en
Ciencias Físicas y
Matemáticas, es Ingeniero
Automotriz en la Universidad de las Fuerzas Armadas
ESPE. Realizo asesoramiento en mecánica y
electromecánica de vehículo.
Calderón Carlos, nació en La
Joya de los Sachas provincia de
Orellana en Ecuador. Graduado
en la carrera de Ingeniería
Automotriz en la Universidad
De Las Fuerzas Armadas – ESPE
en la ciudad de Latacunga,
Ecuador. Actualmente es jefe de
adquisiciones y materiales.
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Víctor Zambrano, nació en la
ciudad de Quito, Ecuador. Es
Ingeniero Automotriz, Máster en
Gestión de la Producción,
estudios de posgrado en
Autotrónica, Sistemas
Automotrices, Actualmente
desempeña el cargo de Director
de carrera de Ingeniería Automotriz en la Universidad
de las Fuerzas Armadas ESPE.
3
José Quiroz, Ingeniero
Automotriz, Magíster en Gestión
de Energías, Diploma Superior en
Autotrónica, Diploma Superior
en Gestión para el aprendizaje
universitario. Jefe de Laboratorio
de Autotrónica, Docente de la
Universidad de Fuerzas Armadas
ESPE – Departamento de Ciencias de la Energía y
Mecánica.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 24 julio 2018
Fecha aceptación 18 septiembre 2018
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