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1. Introducción
El consumo interno de derivados del petróleo en el Ecuador para el año 2019 fue de 91 millones de barriles, de los cuales el Diésel 2 y el Diésel premium representan un 36,20 % que se utiliza el sector de transporte de carga, y las gasolinas con un 33,14 % razón por la cual varias instituciones han emprendido estudios para optimizar el consumo de combustible (Petroecuador, 2019).
El parque automotor del Ecuador lo componen los vehículos livianos con 2’259.104 unidades y vehículos comerciales con 333.328 unidades, de este último los camiones tienen una representación con 237.336 unidades (AEADE, 2020).
Estudios realizados en Estados Unidos de un tracto-camión donde utilizan un carenado superior y lateral, consiguen una reducción del 15 % en el coeficiente de arrastre y un 6,5 % en el consumo de combustible (Hirz & Stadler, 2013).
Al evaluar el coeficiente de arrastre mediante la utilización de un software computacional en dinámica de fluidos (CFD), utilizando un semirremolque cisterna sometido bajo diferentes condiciones atmosféricas en la provincia de Chimborazo se obtuvo 1,18 y en la provincia del Guayas el valor fue de 0,86 estos resultados son adimensionales (Remache, Tipanluisa, Salvador, & Erazo, 2015).
Estudios realizados en Chile bajo la norma SAE J-1321 demuestra que al comparar las cabinas de un tracto-camión Freigthliner (Argosy y Columbia) se obtiene un 3,96 % en el ahorro de combustible por el diseño aerodinámico que posee la cabina Columbia del tracto-camión (Villalobos, Gavilan, Salazar, & Rojas, 2012).
Otro estudio realizado en Chile bajo la norma SAE J-1321 indica que al utilizar varios dispositivos aerodinámicos (carenado superior, frontal y lateral, generador de vórtices y cubre tanque) se logra una reducción del 15.4 % del consumo de diésel de un tracto-camión (Villalobos, Arancibia, Retamal, Olivo, & Vásquez, 2011).
En Ecuador el consumo de combustible al utilizar un deflector de aire (carenado superior) bajo la norma DIN 70 030-2 se indica un ahorro de 4.63% para un camión de carga mediana (Pachacama & Simbaña, 2017).
El presente estudio, estima el valor del coeficiente y fuerza de arrastre de un camión y su deflector de aire, para ello se requiere varios datos del estudio realizado en Ecuador del consumo de combustible, de manera que estén relacionados entre sí.
2. Materiales y métodos
2.1. Vehículo seleccionado
Se utiliza un camión de marca HINO que registra 4210 unidades vendidas en el 2019, de los cuales el 28.7 [%] corresponden a chasis de buses y 71.3 [%] a camiones. Un estudio previo de consumo de combustible en carretera realizado por la Escuela Politécnica Nacional utiliza un camión de carga mediana modelo GD8JLSA, razón por la cual se considera para nuestro estudio (AEADE, 2019).
El deflector de aire es un modelo realizado bajo especificaciones de la cabina y zona de carga en fibra de vidrio su costo es de $600 dólares, el camión y el deflector de aire.
2.2. Metodología
Se utiliza una metodología experimental en la cual se analiza la geometría de un camión y su deflector de aire, mediante la ecuación unidimensional de la fuerza de arrastre, variando los parámetros de la cual está constituida, acorde a las normas y reglamentos establecidos por las instituciones de control.
Con un software de dinámica de fluidos computacional (CFD), se establece el coeficiente de arrastre y la fuerza de arrastre del camión con y sin el uso del deflector de aire, de manera de obtener un porcentaje de reducción que se validará este modelo con estudios realizados en este campo, además se visualizará el comportamiento del flujo de aire.
3. Discusión y resultados
Utilizando un túnel de viento se determinó el coeficiente de arrastre de 0,706 para un modelo a escala 1:32 de un camión y su remolque (Bayindirli, Akansu, & Salman, 2016). El coeficiente de arrastre para un camión sin ayudas aerodinámicas es de 0,78 (SAE-J2188, 2018).
Los registros de las mediciones meteorológicas por parte del INAMHI son variantes a cada momento, para el punto de monitoreo Santo Domingo de los Colorados con una presión atmosférica de 985,7 hPa y los datos antes mencionados se puede estimar la densidad del aire con un valor de 1,1330 kg/m3 (CENAM, 2020).
La geometría utilizada es la de un camión Hino 500 cuya área frontal medida es de 7,743 m2, la velocidad máxima que puede alcanzar es de 120 km/h según datos del catálogo de la marca (HINO, 2015).
Los datos que serán utilizados para los cálculos se indican en la tabla 1, los cuales fueron obtenidos al momento de realizar las pruebas.
Mediante la ecuación unidimensional de la fuerza obtenemos que la potencia de arrastre es directamente proporcional a la fuerza de arrastre por la velocidad del camión, estos valores se indican la tabla 2.
De los valores expuestos de la tabla 2, obtenidos de la ecuación unidimensional de la fuerza obtenemos la figura 1, donde se indica el comportamiento de estos valores de fuerza y potencia, conforme se incremente la velocidad del camión, por lo tanto, vemos como es directamente proporcional la velocidad del camión con la fuerza de arrastre y la potencia de arrastre.
La potencia del motor según catalogo es de 194 kW, por tanto, en una vía urbana la velocidad máxima permitida para un vehículo de carga es de 40 km/h y se requiere 6,99 kW para mantener dicha velocidad, a diferencia de una recta en carretera que se puede alcanzar los 70 km/h como límite máximo y se requiere de 33,97 kW, considerando solo la fuerza de arrastre que tiene que vencer el vehículo.
Al cambiar las dimensiones de la zona de carga, por las máximas permitidas, se incrementa el aéreo frontal a 10,4 m2 con ello utilizando nuevamente la ecuación unidimensional de la fuerza obtenemos que hay un aumento en los valores de potencia de arrastre como se indica en la tabla 3
Cuando el vehículo circula a 40 km/h se requiere 9,39 kW para mantener la velocidad y a 70 km/h se requiere45,63 kW, de esta manera si seguimos aumentando la velocidad la potencia que requiere el camión seguirá aumentando como se visualiza en la figura 2.
A mediados de enero del 2019 se ha emito un boletín de advertencia por parte del INAMHI debido a la existencia de ráfagas de viento que podrían superar los 50 km/h (13,89 m/s).
Al variar la velocidad del viento a 13,89 m/s conlleva un incremento de la potencia de arrastre que se indica en la tabla 4.
Cuando el vehículo circula a 40 km/h se requiere 27,95 kW y a 70 km/h se requiere 86,97 kW, este aumento se visualiza en la figura 3.
Los camiones transportan carga (alimentos, maquinaria, ropa, medicinas, accesorios, etc.) a distintos lugares del Ecuador (Litoral, Sierra y Amazonia) por lo que se considera que la densidad del aire varía según el lugar donde se encuentre, para ello se dispone de tres puntos de análisis en donde se encuentran instaladas estaciones de monitoreo, como se indica en la tabla 5.
Los valores de los parámetros atmosféricos de las estaciones en el 24/06/2020 a las 10:00 de la mañana se indican en la tabla 6.
Los valores de densidad del aire para las estaciones de monitoreo seleccionadas se indica en la tabla 7. Donde podemos observar su variación según el punto geográfico donde nos encontremos
Utilizando esta variable se tiene las curvas correspondientes a la fuerza de arrastre para diferentes alturas, y podemos observar como la fuerza de arrastre varía según la zona geográfica donde se encuentre trabajando el camión, como se indica en la tabla 8
Al utilizar un software CFD, en primer lugar se debe obtener la geometría para la simulación, de preferencia un modelo simplificado a escala real por el gasto computacional del equipo (horas de simulación), el dominio tiene las siguientes dimensiones 8x18x6 [m].
Al utilizar un software CFD, en primer lugar se debe obtener la geometría para la simulación, de preferencia un modelo simplificado a escala real por el gasto computacional del equipo (horas de simulación), el dominio tiene las siguientes dimensiones 8x18x6 [m].
Las características del mallado se indican en la tabla 9.
Las partes curvas del modelo tienen un refinamiento de malla fino.
Las condiciones de frontera requeridas por el programa de simulación se indican en la tabla 10.
Tanto las paredes del dominio como la superficie del camión tienen la condición de pared deslizante libre, el flujo de aire no experimenta ningún tipo de restricción al momento de acerca a esas superficies
El valor de la velocidad del aire que se ingresa a la simulación es de 120 km/h (33.33 m/s), esta velocidad se incrementa hasta los 300 km/h (83.33 m/s) en las superficies con aristas vivas, se observa que el flujo de aire choca con la parte superior de la estructura de carga y se desplace al interior, disminuyendo la velocidad del aire.
La fuerza de arrastre que se determina mediante la simulación tiene un valor de 4361.67 [N] utilizando los datos anteriores se estima un coeficiente de arrastre de 0.7010.
Al utilizar el deflector, el flujo de aire choca y de desplaza a lo largo de la estructura de carga, de manera que la fuerza de arrastre disminuye a 4117.01 [N], el coeficiente de arrastre baja a un valor de 0.6617, en cuanto a la velocidad se mantiene alto en las aristas vivas de la cabina, como se indica en la figura 5.
Al incorporar un dispositivo aerodinámico (deflector de aire) en la cabina del camión de este estudio complementario se consigue disminuir la fuerza de arrastre y coeficiente de arrastre en 5.607 [%], un estudio previo de consumo de combustible en carretera realizado en la Escuela Politécnica Nacional, con los mismos materiales (camión y deflector) obtienen un 4.63 [%] en el ahorro de consumo de diésel (Pachacama & Simbaña, 2017).
4. Conclusiones
Los parámetros atmosféricos de los distintos lugares por donde circula el camión afectan a la fuerza de arrastre, debido en mayor medida, a la influencia de la presión atmosférica que restringe el movimiento del flujo de aire a través del camión.
Con una geometría básica del camión se obtuvo un coeficiente de arrastre de 0.7010 sin la ayuda de dispositivos aerodinámicos, valor similar al que se establece en la norma SAE J2188.
Los datos experimentales obtenidos del estudio reflejan una disminución del coeficiente de arrastre en 0.0393, con ello reduce la fuerza de arrastre en 244.66 [N], estos valores se relación con el 4.63 [%] del ahorro de consumo de combustible en carretera, realizado con los mismos materiales.
Al existir una gran cantidad de dispositivos aerodinámicos que ayudan a reducir la fuerza de arrastre y por consiguiente el consumo de combustible en el transporte de carga terrestre, se deja planteado una alternativa de estudio que se puede ampliar a dichos dispositivos.
