1. Introducción
La resistencia aerodinámica influye en diversos aspectos relacionados con el rendimiento del vehículo, tales como la potencia, el consumo de combustible, ruido, estabilidad, etc., por ello se ve la necesidad de realizar un estudio en el cual se analiza cómo afecta en el vehículo viajar a varias velocidades con las ventanas en diferentes posiciones.
Viajar en el vehículo con las ventanas abiertas a velocidades inferiores a 90 km/h, con el aire acondicionado encendido consume más combustible que si se viajara a la misma velocidad y con las ventanas abiertas, pero si se viaja a velocidades mayores a los 90 km/h, conviene ir con las ventanas cerradas y el aire acondicionado encendido, ya que el consumo de combustible es menor, en comparación a lo que se consumiría por la resistencia de arrastre. [1]
La potencia adicional que requiere un motor al activar el aire acondicionado va desde 1,87 Hp hasta 5,56 Hp. [2]
El ruido que se produce al viajar en un vehículo con las ventanas abiertas se puede reducir dándoles la apertura adecuada, que incluso permite la suficiente circulación de aire para los ocupantes. [3]
Es posible obtener diversos valores de resistencia aerodinámica cuando un automóvil circula en una carretera urbana con diferentes niveles de apertura de ventanas, tanto en pruebas de túnel de viento como en simulación numérica aerodinámica. [4]
Se puede utilizar un modelo de vehículo 3D para probar el efecto de la apertura de las ventanas sobre las características de arrastre, mediante un estudio numérico. [5]
Para conocer los valores del Cx a diferentes velocidades y a varias posiciones de las ventanas, se realizan pruebas de carretera en el vehículo de estudio, luego los datos obtenidos se analizan en el software Minitab®.
Además, para corroborar los resultados obtenidos, se realiza un análisis en el software SolidWorks®, lo cual nos permite conocer de mejor manera cómo influye en el Cx la apertura de las ventanas en el vehículo.
Para desarrollar el experimento y obtener los valores óptimos de Cx, basados en las diferentes posiciones de las ventanas y diversas velocidades, se utiliza un diseño experimental de superficie de respuesta para determinar el mejor arreglo de las configuraciones con la cual se presente una mejor eficiencia aerodinámica en el vehículo.
El diseño experimental es un método a través del cual se realiza una serie de pruebas experimentales en donde los datos obtenidos se analizan estadísticamente, de modo que se pueda constatar resultados válidos y objetivos para el mejor funcionamiento del motor. [6]
Las pérdidas aerodinámicas de un vehículo cuando viaja en carretera son responsables de una gran parte del consumo de combustible y contribuyen hasta el 50 % de su consumo total a velocidades de autopista. Reducir la resistencia aerodinámica ofrece una solución económica para mejorar la eficiencia del combustible. [7]
Al disminuir la resistencia aerodinámica, consecuentemente se logra reducir el consumo de combustible y las emisiones contaminantes. [8] El consumo de combustible al activar el aire acondicionado (A/A) tiene un incremento de entre 0,75 l/100 km y 0,83 l/100 km. [9]
2. Métodos y materiales
2.3. Cronómetro
Un cronómetro es un instrumento de precisión que se emplea para medir fracciones muy pequeñas de tiempo.
2.4. Resistencia al movimiento
Un vehículo circulando a velocidad constante sobre una superficie no horizontal, está sometido a los esfuerzos resistentes que se muestran a continuación. [11]
Resistencia aerodinámica al avance: Fxa
Resistencia a la rodadura: Rr
Resistencia gravitatoria: Rg
La resistencia total al movimiento es la que se expresa en la fórmula 1. [11]
En la Figura 2 se observan los esfuerzos resistentes presentes en un vehículo. [11]
La resistencia a la rodadura se expresa en la fórmula 2. [11]
La resistencia gravitatoria es la componente del peso en dirección paralela a la superficie de rodadura y, por tanto, se tiene la fórmula 3. [11]
La resistencia aerodinámica al avance en función de la velocidad se obtiene a través de la fórmula 4 que se muestra a continuación. [11]
Todas las fórmulas mostradas anteriormente son las que permiten calcular los valores de los coeficientes aerodinámico y de fricción.
2.5. Obtención de datos
Para obtener los diferentes valores que permitan calcular el Cx y Fr, se realizan varios ensayos con diversas velocidades del vehículo y con las ventanas en tres posiciones de apertura (0 % la ventana totalmente cerrada; 50 % la ventana abierta a la mitad y el 100 % la ventana completamente abierta), obteniendo de esta manera el tiempo en que el vehículo se desplaza sin acelerar y disminuye 10 km/h en su velocidad. En la Tabla 3 se muestran los datos obtenidos en los ensayos.
2.6 Modelado y simulación en SolidWorks®
Se realiza un modelado del vehículo en estudio que se muestra en la Figura 3 y posteriormente se efectúa una simulación en SolidWorks®, para obtener los valores de Cx, variando las aperturas de las ventanas (0 %, 50 %, 100 %); además, cabe señalar que la velocidad utilizada en las pruebas de simulación en el programa es de 120 km/h.
El modelado del vehículo se realiza sobre la base de las dimensiones reales del mismo (escala 1:1), y para la simulación se consideran las condiciones geográficas de la ciudad de Cuenca, que se muestra en la Tabla 4.
3. Resultados y discusión
3.1. Cálculo de Cx y Fr
De acuerdo con los datos obtenidos y mediante la resolución de los sistemas de ecuaciones lineales, se puede calcular los valores de Cx y Fr para las diferentes velocidades del vehículo y las ventanas en las tres posiciones. En la Tabla 5 se muestran los resultados obtenidos.
3.2. Resultados de la simulación
En la Figura 4 se muestra el modelado del vehículo de estudio, con un análisis aerodinámico, en este caso las ventanas están totalmente cerradas (0 % de apertura) y se puede observar que el aire fluye alrededor del vehículo sin ingresar al mismo.
Cuando las ventanas se abren un 50 %, el aire ingresa en cierta parte al habitáculo del vehículo, como se observa en la Figura 5, influyendo en un porcentaje de variación del Cx.
Con un 100 % de apertura de las ventanas se puede observar en la Figura 6 como ingresa el aire al vehículo, afectando considerablemente al Cx.
En la Tabla 6 se muestra el resumen de los resultados obtenidos en la simulación realizada en Solid-Works®, con las diferentes posiciones de apertura de las ventanas del vehículo y a la velocidad de 120 km/h.
Como se puede observar, los valores de Cx que se obtienen en la simulación realizada tienen buena concordancia con los resultados obtenidos en función de la solución de ecuaciones basadas en los datos adquiridos en las pruebas de carretera.
3.3. Análisis experimental
Se realiza un análisis experimental mediante un diseño experimental factorial de dos niveles para determinar la influencia de la apertura de las ventanas y la velocidad del vehículo como variables de entrada sobre el Cx y Fr como variables de salida. Luego de ello se realiza un diseño experimental de superficie de respuesta para optimizar los valores de Cx y Fr.
Según el diagrama de Pareto mostrado en la Figura 7, existen dos efectos significativos, de los cuales se puede observar que el efecto más grande es la apertura de las ventanas del vehículo (A), con lo cual varía el valor de Cx, influyendo así en el consumo de combustible y por consiguiente la reducción de emisiones contaminantes. El efecto de interacción entre las variables (AB) es muy pequeño y no influye en la variación del Cx.
Como se observa en el diagrama de Pareto ilustrado en la Figura 8, el efecto más grande es la velocidad del vehículo (B), con lo cual varía el Fr, que influye en la adherencia de los neumáticos a la calzada.
La posición de las ventanas en diversos niveles influye en los valores de Cx, así como también lo hace la velocidad tal como se muestra en la Figura 9, por lo que se puede definir que el Cx tiene cierta dependencia de la apertura de las ventanas y de la velocidad del vehículo.
El Fr no varía con la posición de apertura de las ventanas, pero sí depende de la velocidad del vehículo como se puede observar en la Figura 10.
El Cx aumenta su valor conforme se abren las ventanas y se va aumentando la velocidad del vehículo, como se indica en la Figura 11, por lo tanto, se define que el valor óptimo de Cx es de 0,36. Este valor permite obtener ahorro de combustible y reducir las emisiones contaminantes.
Cuanta más alta sea la velocidad del vehículo, el Fr va a tener un mayor valor, tal como se muestra en la Figura 12; además, se observa que la apertura de las ventanas no influye en el valor de Fr, y se determina que su valor óptimo es de 0,22. Esto indica que el vehículo tendrá buena adherencia a la calzada.
Para obtener valores bajos de Cx, conviene viajar en las condiciones que muestra la franja blanca de la Figura 13, donde se puede identificar que cuando se desee ir a velocidades superiores a los 90 km/h, conviene ir con las ventanas parcial o completamente cerradas y para velocidades inferiores a los 90 km/h, no interesa si se viaja con las ventanas abiertas o cerradas ya que la influencia en el Cx es mínimo.
En función del estudio y análisis realizado se determina que para viajar a velocidades inferiores a los 90 km/h conviene abrir las ventanas del vehículo y apagar el aire acondicionado (A/A), ya que no existe una variación significativa en el valor de Cx; en cambio, para velocidades superiores a los 90 km/h es mejor cerrar las ventanas y encender el aire acondicionado, ya que el valor de Cx sufre una variación lo cual representa mayor consumo de combustible y por ende un incremento en las emisiones contaminantes.
En la Tabla 7 se muestra la velocidad a la cual se debería abrir o cerrar las ventanas del vehículo y a su vez encender o apagar el A/A.
Circular con las ventanas abiertas a velocidades inferiores a los 90 km/h y con el aire acondicionado apagado, representa una disminución en el consumo de combustible, lo cual significa una reducción de emisiones contaminantes.
4. Conclusiones
Los valores de Cx fueron obtenidos a raíz de los datos que nos brindaron las pruebas realizadas en carretera con las ventanas en diferentes posiciones de apertura y a distintas velocidades del vehículo, lo cual tiene gran similitud con los valores obtenidos en la simulación realizada en SolidWorks®.
Los resultados nos muestran que el Cx tiene poca variación cuando la velocidad es inferior a 90 km/h, sin importar la posición de las ventanas; en cambio, para velocidades mayores a 90 km/h, el valor del Cx sufre un incremento considerable, lo cual representa una mayor resistencia al avance del vehículo y por ende que exista mayor consumo de combustiblee incremento en las emisiones.
Para velocidades superiores a los 90 km/h, se debería considerar cerrar las ventanas y encender el aire acondicionado, pero para velocidades inferiores a los 90 km/h, es mejor abrir las ventanas y apagar el aire acondicionado.