3.1 Unidad Experimental

La unidad experimental utilizada para la realización de las pruebas es un vehículo pick up cuyas características se muestran en la Tabla 1.

Como se muestra en la Figura 1, para el desarrollo del experimento se hizo uso del banco dinamométrico MAHA LPS 3000 que consta de un freno dinamométrico de corrientes parásitas que permite generar carga a más de medir la fuerza tractora y la potencia simultáneamente, la potencia se determina según (^{ISO, 2010}).

Figura 1.  Vehículo en el banco dinamométrico 

Para el análisis de la concentración de emisiones contaminantes en los gases de escape y el consumo de combustible se usa el analizador de gases MGT 5 y el contador AIC fuel respectivamente, cuya incertidumbre de medición es del 0.6% según datos del fabricante. Las características se muestran en la Tabla 2.

3.2 Diseño Experimental

Se plantea un diseño experimental factorial de dos niveles con el objetivo de hallar la relación entre los factores de estudio y las variables de salida. Para la optimización se utiliza un diseño experimental de Superficie de respuesta Box Behnken cuyo objeto principal es encontrar un punto de operación del motor diferente del impuesto por el fabricante en el cual el comportamiento de una o más variables de respuesta sea mejor que el actual, dadas las condiciones especiales de la ciudad de Cuenca. De acuerdo a (^{Abu-Nada, Al-Hinti, Akash, & Al-Sarkhi, 2007}) las variables más significativas dentro del funcionamiento del motor ciclo Otto son las que se describen a continuación.

3.3 Corridas Preliminares

Para poder determinar el efecto de cada factor sobre las salidas del sistema son necesarios dos niveles, el objeto de incluir un nivel intermedio es para determinar si el comportamiento de la salida dentro del dominio de análisis es lineal o presenta curvatura. Para determinar los niveles de los factores se recurre a corridas preliminares en las que se varía un solo factor a la vez con el fin de establecer el rango de operación de cada factor.

3.3.3 Lambda

Si bien se puede incrementar las prestaciones del motor a través de la modificación de la relación aire combustible no se debe descuidar el incremento que esto ocasiona en las emisiones contaminantes. Los valores de emisión de monóxido de carbono y de hidrocarburos no combustionados están limitados por (^{INEN, Gestión Ambiental Aire Vehículos automotores límites permitidos de emisiones producidas por fuentes móviles terrestres de gasolina, 2002}). Para la corrida preliminar se sustituye el sensor de oxígeno del vehículo por un sensor de banda ancha y mediante un lazo de control se altera la relación aire combustible con el fin de obtener los valores de las emisiones en ralentí que se muestran en la Figura 2.

Figura 2.  CO y HC vs. λ 

Los valores de λ mostrados en la Tabla 5 son limitados por el 60% de lo que se señala en (^{INEN, Gestión Ambiental Aire Vehículos automotores límites permitidos de emisiones producidas por fuentes móviles terrestres de gasolina, 2002}), con el fin de evitar que por efecto de otros factores se superen dichos límites.

Tabla 5.  Valores límites de emisión 

Variable	Límite Normado	Límite Admisible	Intervalo
CO	1%	0.6 %	0.975 < λ
HC	200 ppm	120 ppm	0.926 < λ < 1.05

El límite superior de λ es 1.05, el valor original al que funciona el motor es 1, por lo que por simetría el nivel inferior se establece en 0.95.

3.3.4 Adelanto al Encendido

La variación del adelanto al encendido puede incrementar o disminuir las prestaciones del motor al igual que las emisiones contaminantes. Los valores de adelanto para los niveles de carga y régimen de giro se muestran en la Tabla 6.

Tabla 6.  Valores de adelanto al encendido 

Régimen [ rpm ]	Carga [ % ]	Adelanto [ ° ]
700	0	10
2500	0	32
700	100	9
2500	100	24

El excesivo adelanto puede generar autoencendido y desembocar en el incremento de emisión de óxidos nitrosos, en cambio un punto de encendido retrasado genera pérdida de potencia y excesivo consumo de combustible. La detonación producida a causa de la modificación del adelanto al encendido se cuantifica basada en (^{Patente nº US8639432 B2, 2014}), para lo cual es necesario extraer características de las señales de vibración adquiridas en las mismas condiciones de funcionamiento con 6 diferentes adelantos al encendido que parten desde el punto determinado por fabricante con incrementos de 2.5° hasta 12.5°. Para tal efecto se dispone de un acelerómetro que se ubica según (^{Rivera & Chica, 2015}) que aplica a motores reciprocantes con potencias superiores a 100Kw. De las señales de aceleración adquiridas [m/s2] se extraen características estadísticas temporales como la energía ( E ), potencia ( P ), RMS, factor de cresta ( FC ) y curtosis ( C ). Con el fin de evaluar el efecto de la detonación en un solo factor, se ha generado el índice normalizado IN que se forma de la media de los efectos individuales de cada factor respecto del valor del motor original. El índice normalizado se calcula con la Ecuación (1) que se muestra a continuación:

IN=EE0-1+CC0-1+RMSRMS0-1+FCFC0-1+PP0-15 (1)

El valor de IN para el motor original es 0 y mientras menor sea la detonación el valor del índice se mantendrá bajo como se señala en la Tabla 7.

Tabla 7.  Índice Normalizado 

ɳ [rpm ]	ƈ [ % ]	Incremento [ ° ]	α [ ° ]	IN
2500	100	0	24	0
2500	100	2.5	26.5	0,52
2500	100	5	29	0,57
2500	100	7.5	31.5	0,66
2500	100	10	34	0,88
2500	100	12.5	36.5	1,89

En la Figura 3. Se puede observar que acorde al incremento al adelanto al encendido el valor del índice se incrementa abruptamente a partir del valor de 7.5°, por lo cual adelantos generaran una fuerte detonación.

Figura 3.  Índice Normalizado  

El valor límite de incremento al adelanto al encendido es 7.5°, sin embargo a lo largo de la experimentación se llevan a cabo tratamientos con mezclas pobres y ricas que incrementan la posibilidad de generar detonación, por lo que se establece el nivel de incremento al adelanto al encendido en 5°, a partir de ello el valor del nivel medio es 0°, es decir el valor original del motor y por simetría el nivel mínimo es -5°. Para muestra de lo establecido se dispone de un sensor de presión en la bujía del cilindro número 1 para adquirir el comportamiento de la presión al interior del cilindro. La Figura 4 y la Tabla 8 describen que para los niveles de adelanto de 19° y 24° no se generan oscilaciones en el interior del cilindro que si se producen para el adelanto de 29°, el incremento de la amplitud de estas oscilaciones se ve reflejado en el valor del índice normalizado.

Figura 4.  Presión en el cilindro 1 

Tabla 8.  Niveles de adelanto al encendido 

RÉGIMEN	CARGA	NIVEL MÍNIMO	NIVEL CENTRAL	NIVEL MÁXIMO
[ RPM ]	[ % ]	( -5 )	0	( +5 )
700	0	5°	10°	15°
2500	0	27°	32°	37°
700	100	4°	9°	14°
2500	100	19°	24°	29°

3.4 Tratamientos

Una vez seleccionados los niveles de cada uno de los factores que se muestran en la Tabla 9 se procede a determinar los tratamientos de la corrida experimental.

Para el diseño experimental factorial de cinco factores y dos niveles tenemos 32 tratamientos en una repetición; cada tratamiento es una combinación única de los 5 factores en total se realizaron tres repeticiones lo que genera 96 tratamientos que incluyendo los 45 tratamientos con puntos centrales de la superficie de respuesta generan un total de 141 corridas experimentales.

3.4.2 Protocolo de medición

Para garantizar la reproducibilidad y repetibilidad del experimento se tomaron las muestras con el algoritmo que se describe en la Figura 5. Este algoritmo fue desarrollado con el objetivo de disminuir los efectos no deseados en la adquisición de datos basados en (^{Rivera & Chica, 2015}).

Figura 5.  Protocolo de medición  

4.1 Efectos principales y cruzados

Mediante el análisis de los diagramas de Pareto se obtiene la ponderación de los factores en las variables de respuesta del experimento. En la Tabla 10 se muestran los factores e interacciones que superan e nivel de significancia, ordenados desde el más influyente.

Las concentraciones de CO, HC y NOx en los gases de escape son sensibles a los factores e interacciones del experimento, su comportamiento se muestra en el diagrama de efectos principales mostrado en la Figura 6.

Figura 6.  Efectos principales para la emisión de CO, HC y NOx 

4.2 Monóxido de Carbono

La emisión de CO depende principalmente del factor lambda, mientras más rica es la mezcla más alta es la emisión de CO, contrario a lo que ocurre cuando la mezcla es pobre. La mayor interacción es la producida por los factores lambda y carga. La condición crítica para el incremento la tasa de emisión de monóxido de carbono se da a 2500rpm, 100% de carga y utilizando gasolina súper, esta condición se representa en la superficie que se detalla en la Figura 7.

Figura 7.  Emisión de CO en condición crítica 

4.3 Hidrocarburos no combustionados

Los valores mínimos de emisión de HC no se consiguen en el punto original de funcionamiento del motor respecto del factor lambda y del adelanto al encendido, a más que disminuye considerablemente al aumentar el régimen de giro del motor y el octanaje del combustible. Los factores lambda y adelanto al encendido son los que más promueven las interacciones con otros factores en especial con el combustible. En la Figura 8 se muestra la condición de mayor emisión de HC. Los valores de emisión de HC se incrementan ya sea para mezclas extremadamente ricas o pobres, igual que para elevados valores de adelanto al encendido. Para condiciones de funcionamiento con mezcla rica y estequiométrica la emisión de HC disminuye considerablemente utilizando gasolina de mayor octanaje, caso contrario de lo que ocurre con la aplicación de mezclas pobres, donde la emisión disminuye con el uso de combustible de bajo octanaje.

Figura 8.  Emisión de HC en condición crítica 

Para el caso del adelanto al encendido los valores de menor emisión de HC se consiguen en cualquier condición con valores de ligero retraso al encendido respecto del punto original de funcionamiento. En la Figura 9 se puede apreciar que existe una condición de emisión mínima de HC que depende del combustible utilizado.

Figura 9.  Mínima emisión de HC 

Considerando los efectos principales e interacción de los factores se obtuvieron los valores mínimos de emisión de HC que se detallan en la Tabla 11.

4.4 Óxidos Nitrosos

La emisión de NOx es muy sensible a todos los factores y se incrementa bajo condiciones de mezclas pobres, adelantos pronunciados al encendido, altos regímenes de giro, a más del alto octanaje del combustible y la elevada carga externa del motor. Los NOx incrementan su concentración en los gases de escape en condiciones que generen elevadas presiones y temperaturas en la cámara de combustión, como las detalladas en las Figura 10.

Figura 10.  Emisión de NOx  

4.5 Prestaciones del motor

Según lo expuesto en la tabla 10 la potencia y el torque son directamente proporcionales a ɳ y ƈ. Otros factores influyen de menor manera sobre estas prestaciones como se muestra en la Figura 11.

Figura 11.  Representación macro del proyecto a desarrollar  

Los valores máximos de F y P se mostrados en la Tabla 12 se consiguen a 2500 rpm, 100 % de carga y distan de ser los que menores niveles de emisiones contaminantes generan.

En la Figura 12 se muestra que la fuerza tractora y la potencia incrementan su valor mientras mayor es el adelanto al encendido si se utiliza combustible de alto octanaje.

Figura 12.  Fuerza tractora y Potencia en la rueda 

4.6 Optimización de respuesta

Cada una de las variables de respuesta tiene su propia meta, cuyo objetivo es aumentar las prestaciones y disminuir la concentración de contaminantes en los gases de escape. Los valores objetivos de optimización se muestran en la Tabla 13. Para la optimización se utiliza el método de la máxima pendiente.

Como se ha dicho anteriormente las emisiones de CO y HC están restringidas por (^{INEN, Gestión Ambiental Aire Vehículos automotores límites permitidos de emisiones producidas por fuentes móviles terrestres de gasolina, 2002}), pero el resto de prestaciones no tienen punto de referencia, es por ello que se generan funciones de NOx, F, P y C normalizadas respecto del estado de funcionamiento normal del motor es decir λ= 1, α = 5 y R=91.3. En la Figura 13 se muestra los contornos generados por estas funciones en 2500 rpm y 100% de carga para a) gasolina súper y b) gasolina extra. Los límites establecidos corresponden a zonas en las que las que F y P se incrementan y Cesp junto a NOx disminuyen respecto del estado normal del motor. En la Figura 13 se puede observar de blanco las zonas de funcionamiento en las que se incrementan las prestaciones del motor sin que la emisión de CO y HC superen los límites normados y la emisión de NOx sea igual o inferior al motor original. La principal restricción que presenta el uso de gasolina súper al incremento de P y F es la emisión de CO, HC y NOx. El uso de gasolina extra conlleva la necesidad de trabajar con mezclas más ricas que las necesarias con súper para incrementar las prestaciones de igual forma limitadas por la emisión CO, HC y NOx.

Figura 13.  Zona de optimización para combustibles a)Súper b)Extra  

Mediante el método de máxima pendiente se optimizó el proceso para obtener los resultados mostrados en la Tabla 14.

Las mejores prestaciones y disminución de contaminantes no se pueden conseguir con λ y α fijos, es por ello que se aplica los resultados de la optimización a diferentes condiciones de funcionamiento y combustibles. En la Figura 14 se muestran las mejores configuraciones de funcionamiento del motor para gasolina súper y extra en función del régimen de giro, la carga del motor y la interacción de estos dos factores.

Figura 14.  Optimización de λ y α en función de ɳ y ƈ 

Los dos combustibles pueden trabajar con mezclas ligeramente pobres a bajas velocidades con niveles de carga externa baja; la mezcla debe enriquecerse acorde el motor se acelera y la carga aumenta. La gasolina súper puede trabajar en altas condiciones de carga y régimen de giro con mezcla ligeramente rica y un adelanto al encendido superior al prestablecido por el fabricante, contrario a lo que ocurre con la gasolina extra que no puede trabajar con adelantos superiores a los ya establecidos, debido a la pérdida de potencia e incremento del consumo de combustible y HC.