ARROYO E., ROCHA J., LLANES E., MENA L., EVALUACIÓN DEL MULTIPLE DE ESCAPE PARA EL MOTOR DE G13B SUZUKI METODOLOGÍA
DIGITAL Y EXPERIMENTAL.
Artículo Científico / Scientific Paper
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, VII Edición 2018, No. 14 (14)
EVALUACIÓN DEL MULTIPLE DE ESCAPE PARA EL MOTOR G13B SUZUKI.
METODOLOGÍA DIGITAL Y EXPERIMENTAL.
EVALUATION OF THE EXHAUST MANIFOLD FOR THE G13B SUZUKI ENGINE. DIGITAL
AND EXPERIMENTAL METHODOLOGY.
Edwin Arroyo
1
, Juan Rocha-Hoyos
2
, Edilberto Llanes Cedeño
3
, Luis Mena Navarrete
4
1
Universidad Internacional SEK, Facultad de Arquitectura e Ingenierías, Casilla 17-03-02, Quito - Ecuador
2
Universidad Técnica del Norte, Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Casilla 199, Ibarra - Ecuador
3
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Departamento de Energía y Mecánica, Sangolquí - Ecuador
e – mail :
1
esarroyo@utn.edu.ec,
2
carlos.rocha@uisek.edu.ec ec ,
3
antonio.llanes@uisek.edu.ec,
4
lamena@espe.edu.ec
Resumen
La presente investigación tiene como objetivo
diseñar el múltiple de escape para un vehículo
Suzuki con motor G13B Twin Cam, mediante el uso
del software de código libre 1D OpenWAM, para
la obtención de las dimensiones y configuración
de mayor potencia máxima. Se fabrica el múltiple
de escape por dos métodos, denominados A
(doblado de tubos con aplastamiento en la zona
de curvatura) y B (unión de tubos predoblados
de sección constante), a fin de observar el efecto
del proceso de construcción en el desempeño del
motor. Se logra un incremento de potencia máxima
de 8 % y 10 % para el tipo A y B, respectivamente.
Finalmente se corrobora los resultados de
simulaciones con pruebas experimentales en
un dinamómetro, encontrando una diferencia
promedio menor al 8 %, con gran semejanza en la
silueta de las curvas características, lo cual asegura
el proceso computacional, reduciéndose el costo y
tiempo de diseño y experimentación.
Palabras clave:
Simulación 1D, OpenWAM, múltiple de escape,
torque y potencia del motor.
Abstract
The present research aims to design the exhaust
manifold for a Suzuki vehicle with G13B Twin
Cam engine, by using the free code 1D OpenWAM
software, in order to obtain the dimensions and
configuration of power maximum. The exhaust
manifold is manufactured by two methods, known
as A (bending of tubes with flattening in the
curvature zone) and B (joining of pre-bent tubes
of constant section), in order to observe the effect
of the construction process on the performance of
the motor. It achieves a maximum power increase
of 8% and 10% for type A and B, respectively.
Finally, the confirm the results of simulations
with experimental tests in a dynamometer, finding
an average difference less than 8%, with great
similarity in the silhouette of the characteristic
curves, which ensures the computational
process, reducing the cost and time of design and
experimentation
Keywords:
1D simulation, OpenWAM, exhaust manifold,
engine torque and power.
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1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad el desarrollo de autopartes apunta
a la disminución de tiempos de diseño, reducción
de costosos ensayos experimentales e incremento
de las prestaciones de los vehículos y sus sistemas,
mediante la aplicación de software especializado,
con la capacidad de representar diversas geometrías
y complejidad de los motores [1, 2]. En este sentido
OpenWAM es una herramienta gas-dinámica 1D
que permite representar el motor mediante bloques
y conductos, a los cuales se asigna los parámetros
y variables facilitando la obtención de información
de acuerdo a los cambios generados en cualquier
elemento simulado [3, 4].
El diseño adecuado del múltiple de escape permite
reducir las pérdidas por bombeo y mejorar la
eficiencia volumétrica de un motor, de manera que,
la configuración y longitudes de los conductos
influyen directamente en su desempeño [5, 6, 7].
Si bien es cierto, el análisis a partir del cálculo
computacional mediante modelos matemáticos
reduce las opciones de diseño y selección de
elementos, se hace aún necesario el ensayo
experimental en los diseños finales para obtener
resultados precisos, ya que pueden existir ligeras
variaciones en función de las pérdidas mecánicas
y desgastes provocados en los motores durante el
funcionamiento [7].
En este trabajo se emplea el software OpenWAM
para modelar el motor G13B Suzuki de encendido
provocado de cuatro tiempos. Mediante el análisis
de las curvas de torque y potencia se trabaja en
la selección de configuración y dimensiones del
múltiple de escape que aporte mayor desempeño
al motor, validando el proceso computacional
mediante pruebas en un dinamómetro de chasis.
2. MATERIALES Y METODOS
El presente trabajo considera un método de
investigación computacional aplicando software
de modelación OpenWAM y de experimentación
en dinamómetro para evaluar las prestaciones del
motor.
Motor de experimento
Se utilizó un vehículo Suzuki Twin Cam, motor
de cuatro cilindros en línea, con cuatro válvulas por
cilindro. Las características del motor se describen
en la tabla 1.
Tabla 1. Especificaciones del motor
Nota: Elaboración propia
Simulación OpenWAM
OpenWAM sirve en el modelado de un motor de
combustión interna (MCI), de encendido provocado
(MEP), de cuatro cilindros y cuatro tiempos (4T),
el cual trabaja con un sistema de bloques donde se
ingresan los datos de cada componente del motor,
desde la admisión de aire fresco hasta la salida de
gases combustionados, según el modelo que se
requiere analizar; en la tabla 2, se visibiliza estas
variables.
Tabla 2.Variables principales del software OpenWAM
Tipo B
loque D
efinición
- 122 -
Nota: Elaboración propia
ESPE
Motor 4T
Motores
Cilindro 4T
Nodos de
unión
Ramificación
Unión entre dos
conductos
Extremo a la
atmósfera
Unión a depósito
Conexiones
Válvula de
admisión
Válvula de escape
Elementos Cámara de
0D volumen constante
Condiciones
Otros
iniciales
Línea de conexión
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Establecimiento de las variables del motor
TRANSFERENCIA DE CALOR
Espesor de pared de cilindro (mm) 7
En el bloque del motor 4T, se abre un cuadro
de diálogo (figura 1), en el cual se definen los
parámetros de condiciones de trabajo, transferencia
de calor, geometría, pérdidas mecánicas y demás
variables que en la tabla 3 se visibiliza a detalle.
Conductividad del material del
cilindro (W/mK)
Densidad del material del cilindro
(kg/m
3
)
Calor específico del material del
cilindro (J/kgK)
150
7413
700
Espesor de pared del pistón (mm) 25
Conductividad del material del
pistón (W/mK)
Densidad del material del pistón
(kg/m
3
)
Calor específico del material del
pistón (J/kgK)
150
4019.64
1000
Espesor de pared del cabezote (mm) 15
Conductividad del material del
cabezote (W/mK)
Densidad del material del cabezote
(kg/m
3
)
Calor específico del material del
cabezote (J/kgK)
250
4842
1000
Área de pistón (cm
2
) 43.01
Temperatura media de pistón (ºC) 400
Área de cabezote (cm
2
) 41.85
Temperatura media de cabezote (ºC) 350
Temperatura media del cilindro (ºC) 300
Coeficiente de ajuste de
transferencia de calor en la admisión
5
Coeficiente de ajuste de
transferencia de calor en el escape
1
Temperatura del refrigerante (ºC) 90.2
Figura 1. Cuadro de diálogo para motor 4T.
Tabla 2.Variables principales del software OpenWAM
Coeficiente de transferencia de calor
CW1
Coeficiente de transferencia de calor
CW2
3.122
0.2
Parámetro Valor
CONDICIONES DE TRABAJO
Tipo de motor MEP
Condición de operación
Steady state
Cálculo EGR No
Número de ciclos 10
Cálculo de temperatura de pared Constant
Velocidad de motor (rpm) 6500
Presión de admisión en el cierre de
1
admisión (bar)
Masa en el cierre de admisión (g) 0.5
Presión en el cilindro a la apertura
Calculated
de válvula de escape
Presión en el cierre de escape (bar) -
Masa de combustible inyectado
(mg)
-
Relación relativa aire-combustible 1
Eficiencia de combustible 1
Coeficiente de transferencia Xpe 1.5
Torque a máxima potencia (Nm) 112.5
GEOMETRIA DEL MOTOR
Longitud de biela (mm) 120
Carrera de pistón (mm) 75.5
Diámetro de cilindro (mm) 74
Relación de compresión 10
Diámetro de la cámara en el pistón
(mm)
0
Altura de la cámara en el pistón
(mm)
0
Distancia entre válvulas (mm) 37
Definición del modelo
En el bloque de ejecución (EJEC) se definen los
datos del método de cálculo, número de ciclos de
Poder calorífico del combustible
(kJ/kg)
41870
convergencia (mínimo recomendado 10 ciclos),
Densidad de combustible (kg/m3) 854
Hacer referencia
condiciones de temperatura y presión, sustancia de
combustible, como se muestra en la figura 2. Los
Número de conductos de eficiencia
volumétrica
al conducto de
ingreso de aire
fresco en la
admisión
métodos de resolución para el sistema de ecuaciones
se pueden clasificar de acuerdo a la precisión en la
solución, siendo éstos de primer orden (método de
Modelo de combustión
Imposing Heat
Release Law
Mezcla constante -
las características, Lax-Friedrichs, Lax-Wendroff),
segundo orden (Lax-Wendroff de dos pasos,
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McCormack predictor-corrector o Godunov) o
alta resolución (Flux Corrected Transport-FCT,
Total Variation Diminution-TVD); estos últimos
permiten obtener soluciones no difusivas y sin
sobreoscilaciones, pero con un costo computacional
más elevado [8].
Figura 2. Definición de modelo.
Montaje de motor
VÁLVULAS.- Se establecen en dos válvulas de
admisión y dos de escape por cilindro, considerando
los diámetros, ángulos de apertura y cierre como se
indica en la tabla 4.
abiertas 224º, mientras que las de escape 232º.
Figura 3. Diagrama de distribución de válvulas.
SISTEMA DE ADMISIÓN.- En el sistema de
admisión del motor se consideran tres secciones:
la primera hace referencia al ingreso de aire fresco
al múltiple de admisión, la segunda los conductos
desde el múltiple de admisión al cabezote y la
tercera los conductos dentro del cabezote, como se
indica en la figura 4.
Figura 4. Secciones del sistema de admisión
Diámetro de referencia para
cálculo Cd (mm)
Intervalo de levantamiento
(mm)
29.1 24.9
1 1
Los datos empleados en cada sección del sistema
de admisión se resumen en la tabla 5, siendo los
más representativos los diámetros y longitudes de
cada uno de ellos.
Tabla 5. Parámetros de conductos de admisión
Para comprobar los daños en el maniquí de pruebas
de impacto, se mide la aceleración en las partes
principales como se puede observar en la figura 2,
en donde la curva verde pertenece al ensayo sin
atenuador y la curva azul al ensayo con atenuador,
las unidades están expresadas en mm/s
2
.
Los ángulos de apertura de las válvulas se determinan
en función del diagrama de distribución, con los
respectivos avances y retrasos como se muestra en
la figura 3. Las válvulas de admisión permanecen
conducto (mm)
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MECÁNICA
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Tabla 4. Parámetros de válvulas
Admisión
Escape
Diámetro de válvula (mm) 2
9.1
24.9
Ángulo de apertura de
válvula (º)
352
138
Control de velocidad M
otor
Motor
Velocidad
-
-
Relación de velocidad
1
1
Variables Sección 1
Sección 2
Sección 3
Espacio de malla
0.05 0
(m)
.05
0.005
Tipo de conducto I ntake pipes
Intake pipes
Intake pipes
Cálculo de
temperatura de Constant C
pared
onstant
Constant
Rugosidad de
0.15 0
.15
0.15
Temperatura
inicial de pared 20 2
0
20
(ºC)
Temperatura
inicial del gas (ºC)
20
20
20
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del gas (bar)
del gas (m/s)
transferencia de
de intercooler
entrada (mm)
salida (mm)
Modelo final
Dentro del software OpenWAM se modelaron dos
configuraciones de múltiples: 4-1 y 4-2-1, en busca
del que aporte mejores resultados de potencia al
motor.
En la configuración 4-1 se unen los conductos de
escape de los cuatro cilindros en un solo colector,
como se muestra en la figura 5.
Figura 5. Configuración 4-1 en OpenWAM
En la configuración 4-2-1, mostrada en la figura
6, se conectan los cilindros desfasados 360º según
el orden de encendido, en este caso inicialmente se
unen los cilindros 1-4 y 2-3, para luego ensamblarse
en un colector final. El múltiple de escape original
del vehículo Suzuki de igual manera trae esta
configuración.
Figura 6. Configuración 4-2-1 en OpenWAM
Una vez definidos los elementos y sus parámetros
se realiza una compilación de archivos con lo cual
se da inicio a la simulación. Si existe algún error en
el modelo, OpenWAM indicará donde se encuentra
el problema que se debe corregir para poder correr
la simulación nuevamente, como se presenta en la
figura 7.
Figura 7. Inicio de simulación
Finalizadas las simulaciones se tiene para cada
caso dos archivos de resultados con la extensión
*.DAT, correspondientes a los instantáneos (INS)
y promedios (AVG), que pueden ser abiertos con
Excel, para su procesamiento.
Pruebas Dinamométricas
Para la determinación de la potencia y torque
experimentalmente, se utilizó el dinamómetro
de rodillos marca MAHA (Maschinenbau
Haldenwang) LPS 3000, desarrollando los ensayos
a 2850 msnm. Las pruebas dinamométricas se
llevaron a cabo según la norma INEN 960 [9],
basada en la ISO 1585 y la ISO 3173, obteniendo las
curvas características del vehículo mediante cinco
ensayos con cada múltiple de escape analizado.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Evaluación modelado 1D
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Presión inicial
1
1
1
Velocidad inicial
0
0
0
Coeficiente de
corrección de la
1
1
1
temperatura
Coeficiente de
corrección de 1
1
1
fricción
Número de ductos
1
1
1
Diámetro de
73.2
44
44
Longitud (mm) 31 2
50
85
Diámetro de
73.2
44
29.1
Método numérico
Lax
Lax
Lax
Wendroff
Wendroff
Wendroff
Submodelo
Without
Without
Without
correction
correction
correction
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El múltiple original, fabricado en dos piezas de
hierro fundido utiliza una configuración 4-2-1,
uniendo los cilindros 1-4 y 2-3 en los conductos
primarios de 273 mm de longitud, para conectarse
posteriormente en los conductos secundarios de
318 mm de longitud.
Para la configuración 4-2-1 se realizó un estudio
paramétrico inicial a 6500 rpm (figura 8),
modificando las variables de longitud del colector
en un rango de 250 a 400 mm, tanto para primario
como para secundario. En las combinaciones de
primario-secundario (mm): 250-350, 350-350,
400-350, 250-400, 300-400, 350-400, se alcanza
mejores resultados de potencia. Se seleccionó
la configuración 350-400 mm para simularla
en el rango de 2500 a 7500 rpm y observar el
comportamiento en todo el rango de revoluciones.
Figura 8. Comparación de potencia para varias dimensiones en la
configuración 4-2-1
En la configuración 4-1 se varia la longitud de
la tubería de 650 a 800 mm en pasos de 25 mm,
analizando inicialmente a 6500 rpm (figura 9). Con
la dimensión de tubería de 775 mm el motor alcanzó
mejor rendimiento por lo que se analizó con esta
característica en todo el rango de revoluciones.
Figura 9. Comparación de potencia para longitudes entre 650 a 800
mm, cada 25 mm
Construcción de múltiples, configuración 4-1
En base a los resultados analizados, se seleccionó
la configuración 4-1 para la construcción del
múltiple por dos métodos, denominados A y B, en
acero ASTM A500 de 1.5 mm de espesor.
El tipo A, de la figura 10, se realizó mediante
el doblado de los tubos con una dobladora
hidráulica, en el cual, se produjo deformación de
la sección transversal en las curvaturas. El tipo
B, se fabricó mediante la unión de secciones de
tubos previamente doblados, los cuales mantienen
constante la sección circular de la tubería durante
todo el trayecto.
Figura 10. Múltiple de escape 4-1, tipo A (izquierda), Múltiple de
escape 4-1, tipo B (derecha)
En la figura 11, se muestran las curvas comparativas
de potencia y en la figura 12 las curvas de torque,
en donde el múltiple de construcción tipo A
presenta una diferencia promedio 8 % con la curva
obtenida del proceso computacional, mientras que
el colector tipo B tiene una variación promedio
menor, cercana al 4 %. Dentro de la simulación
en OpenWAM los diámetros de conductos se
consideran constantes durante todo el trayecto
del múltiple, por tal motivo, los resultados tienen
mayor semejanza con la construcción tipo B.
Figura 11. Comparación de curvas de potencia para múltiple 4-1
según los resultados de la simulación 1D y los múltiples tipo A y B
probados en el dinamómetro.
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Figura 12. Comparación de curvas de torque para múltiple 4-1 según
los resultados de la simulación 1D y los múltiples tipo A y B probados
en el dinamómetro.
La tabla 6 consiste en un cuadro estadístico en
donde se analiza la variación de resultados de la
simulación 1D respecto al ensayo experimental
con el múltiple 4-1 de construcción tipo A y tipo
B, expresado en porcentaje para cada velocidad
de giro de motor. Al comparar los resultados de
OpenWAM con las pruebas dinamométricas se
tiene que, las variaciones más importantes se
dan a bajas revoluciones; sin embargo, en las
revoluciones de interés, es decir mayor a 6000 rpm,
el error computacional es menor al 4 %, otorgando
confiabilidad al proceso de simulación.
En la figura 13, se muestran los resultados de
potencia de las pruebas dinamométricas al probar
el múltiple original y los dos múltiples construidos
tipo A y tipo B. Con el diseño y dimensiones
analizadas en OpenWAM se obtuvo una ganancia
de potencia máxima entre 8 % a 10 %; el tipo
de construcción tiene una fuerte influencia, ya
que el método tipo B (sección circular de tubería
constante [10]) mejora el desempeño del motor en
todo el rango de revoluciones.
Figura 13. Comparación de curvas de potencia para múltiple original
y construcciones tipo A y tipo B.
4. CONCLUSIONES
El modelo unidimensional entrega resultados
acordes al funcionamiento del motor, por tanto,
es válida su aplicación en la optimización de
longitudes y diámetros de múltiples de escape.
El modelado 1D, requiere proporcionar al
programa datos experimentales de la geometría
y funcionamiento del motor analizado, para la
obtención de resultados acertados.
En el caso del múltiple 4-1 de construcción tipo A
(tubos doblados), existe un error promedio del 8 %
entre los resultados de los ensayos experimentales
respecto a la simulación 1D, que se atribuye a los
cambios de sección transversal de la tubería en la
zona de las curvaturas. Mientras que al comparar
los resultados computacionales con los ensayos
del múltiple 4-1 de construcción tipo B se tiene un
error promedio de apenas 4 %.
El múltiple de escape propuesto de configuración 4-
1 incrementa la potencia máxima en 8 % para el
tipo A y 10 % para el tipo B, así como también un
incremento de torque máximo de 3 % para el tipo
A y 9 % para el tipo B, en relación al sistema
original; ayudando al mejor desempeño del motor
en altas revoluciones, esto es, sobre las 5 000 rpm.
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[2] Mackey, D., Crandall, J., Charfield, G., y
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ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
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Valencia. Didapatkan dari http://www.cmt.
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of Mechanical and Materials Engineering,
2(1), 40-47.
6. BIOGRAFÍAS
1
Edwin Salomón Arroyo Terán,
nació en Quito, Ecuador. Es
Ingeniero Automotriz, Magíster
en Diseño Mecánico con
mención en fabricación de
autopartes. Docente en la
Universidad Técnica del Norte.
Imparte servicios de asesoramiento y capacitación
en diseño mecánico.
2
Juan Rocha Hoyos.- Ingeniero
Automotriz, Universidad de
las Fuerzas Armadas ESPE,
Magister en Sistemas
Automotrices, Escuela
Politécnica Nacional. Investiga
en temas: Elementos de los
sistemas automotrices, motores y sus emisiones,
además de la electrónica automotriz. Ha trabajado
como docente en la Universidad de las Fuerzas
Armadas ESPE y actualmente profesor auxiliar en
la Universidad Internacional SEK Quito – Ecuador.
3
Edilberto Antonio Llanes
Cedeño. Ingeniero Mecánico
Automotriz y Master en
Eficiencia Energética por la
Universidad de Cienfuegos
- Cuba y PhD en Ciencias
Técnicas por la Universidad
Politécnica de Madrid - España.
Investiga en temas de: Eficiencia Energética,
Energía y Ambiente. Posee 15 años de experiencia
en la docencia entre la Universidad de Granma –
Cuba, Universidad de Zambeze – Mozambique y la
Universidad Internacional SEK Quito – Ecuador.
4
Luis Antonio Mena Navarrete;
Ingeniero Mecánico,
Universidad “Amistad de los
Pueblos” de Moscú Rusia,
Magister en Ciencias en
Ingeniería. Investiga en temas
relacionados con las rugosidades
de los elementos automotrices,
El rendimiento de los motores gasolina, El
comportamiento del biodiesel en motores de
combustión interna, autor de la obra “Compilador
- 128 -
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MECÁNICA
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