Novasinergia 2022 5(1), 43-60. https://doi.org/10.37135/ns.01.09.04 http://novasinergia.unach.edu.ec
Artículo de Investigación
Metodología para inferir el mapa de desempeño y el consumo de
combustible de un motor de combustión interna alternativo
Methodology for inferring the performance map and fuel consumption of an
alternative internal combustion engine
Andrés López1, Francisco Torres1, Benjamín Pla2, Byron Romero1, Diego Bravo1
1 Centro de Investigaciones ERGON, Escuela de Ingeniería Automotriz, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad del Azuay,
Cuenca, Ecuador; 010204; alopezh@uazuay.edu.ec; bromeromgm@es.uazuay.edu.ec; diegobravopitss@gmail.com
2 Departamento de Máquinas y Motores Térmicos, CMT – Motores Térmicos, Universidad Politécnica de Valencia, Valencia,
España; 460101; benplamo@mot.upv.es
*Correspondencia: ftorres@uazuay.edu.ec
Citación: López, A., Torres, F., Pla,
B., Romero, B., & Bravo, D., (2022).
Metodología para inferir el mapa
de desempeño y el consumo de
combustible de un motor de
combustión interna alternativo.
Novasinergia. 5(1). 43-60.
https://doi.org/10.37135/ns.01.09.04
Recibido: 10 noviembre 2021
Aceptado: 29 enero 2022
Publicado: 31 enero 2022
Novasinergia
ISSN: 2631-2654
Resumen: El objetivo de este trabajo fue calcular el consumo de
combustible mediante el mapa del motor. Para identificar las zonas de
trabajo del motor en su rango de funcionamiento se midió la velocidad,
carga del motor, par y potencia. El consumo de combustible fue
medido mediante el método gravimétrico y por el sistema de
diagnóstico abordo. Para determinar la relación entre el régimen de
giro del motor, la presión media efectiva o el par efectivo y el consumo
específico de combustible se desarrolló un algoritmo que relaciona el
estado del motor con el consumo de combustible. Se midió el consumo
de combustible en tres escenarios de desempeño del vehículo. En el
recorrido extra urbano se obtuvo un rendimiento de 4.9 L/100 km,
existiendo un aumento del 29% relacionado a los datos del fabricante.
Concluyendo que los factores que afectan sustancialmente el
rendimiento del motor y que originan un aumento de consumo de
combustible son: el combustible y altura sobre el nivel del mar. Así, las
zonas de consumo de combustible en el mapa de motor determinan el
comportamiento del motor en diferentes lugares de desempeño del
vehículo.
Palabras clave: Consumo de combustible, curva de par motor y
potencia, dinamómetro de chasis, mapas de motor, motor de
encendido provocado, poder calorífico de combustible, presión media
efectiva.
Copyright: 2022 derechos
otorgados por los autores a
Novasinergia.
Este es un artículo de acceso abierto
distribuido bajo los términos y
condiciones de una licencia de
Creative Commons Attribution
(CC BY NC).
(http://creativecommons.org/licens
es/by/4.0/).
Abstract: The objective of this work was to calculate fuel consumption using
the engine map. Speed, engine load, torque, and power were measured to
identify the working zones of the engine in its operating range. The fuel
consumption was measured by the gravimetric method and the onboard
diagnostic system. To determine the relationship between engine speed, mean
effective pressure or effective torque, and specific fuel consumption, an
algorithm was developed that relates engine condition to fuel consumption.
Fuel consumption was measured in three scenarios. In the extra-urban route,
an efficiency of 4.9 L/100 km was obtained, increasing 29% compared to the
manufacturer's data. It was concluded that the factors that substantially affect
engine performance and cause an increase in fuel consumption are: fuel and
altitude above sea level. Thus, the fuel consumption zones on the engine map
determine the engine's behavior in different performance locations of the
vehicle.
Keywords: Average effective pressure, chassis dynamometer, engine maps,
fuel calorific value, fuel consumption, spark ignition engine, torque curve,
power curve.
Novasinergia 2022, 5(1), 43-60 44
Lista de símbolos/siglas, Unidad
OBD
On Board Diagnostics
-
AMEM
Aproximación al mapa de eficiencia del motor
-
PID
Parameter ID
-
CEC
Consumo específico de combustible
g/kWh
pme
Presión media efectiva
bar
MIL
Malfunction Indicator Light
-
n
Régimen de giro del motor
min-1
MAP
Manifold absolute pressure sensor
kPa - psi
SAE
Sociedad de Ingenieros Automotrices
-
MCIA
Motor de combustión interna alternativo
-
TPS
Throttle Position Sensor
%
MEC
Motor de encendido por compresión
-
1. Introducción
Las normativas para hacer frente a emisiones de vehículos con motores de
combustión interna alternativos (MCIA), son cada vez más estrictas, sin embargo, la
diferencia entre las predicciones (basadas en las pruebas reglamentarias) y el uso de
combustible y las emisiones en el mundo real es cada vez mayor. Una forma de aumentar
la precisión de las predicciones es utilizar mapas de motor precisos simulados en ciclos de
conducción del mundo real (Bishop, Stettler, Molden, & Boies, 2016). El mapa de motor es
la representación de las zonas de operación del motor, basado en el régimen de giro del
motor, la pme o el par motor y el CEC. Los ciclos de conducción representan el tiempo y la
velocidad aplicados para una ruta específica, por la cual se desplaza un vehículo. En la
actualidad la tendencia de los fabricantes de motores de combustión interna es ofrecer
motores de bajo cilindraje, económicos y menos contaminantes, entre los 1000 a 1600 cm3 de
capacidad del motor, que proporcionen mayor potencia y menor consumo de combustible.
El funcionamiento del motor se basa en el mapa considerando carga y especialmente el CEC
que relaciona la masa de combustible con la energía proporcionada, con ello se pueden
adecuar motores para diferentes aplicaciones, como pueden ser motores estacionarios
generadores de electricidad, motores para vehículos de carga y de pasajeros, motores para
vehículos fabricados en serie y de competición, buscando el mejor rendimiento y eficiencia.
Los mapas característicos de los MCIA de encendido provocado o de compresión, indican
el comportamiento del motor según el régimen de giro del motor (min-1), la pme (bar) o el
par desarrollado por el motor (Nm) y se relacionan con el CEC (g/kWh). De esta manera se
analiza el comportamiento del motor según la carga aplicada y con ello se establecen las
zonas de CEC, dichas curvas representan isoconsumo e isopotencia. El mapa de motor
impone los parámetros de funcionamiento para las distintas condiciones de operación, se
puede modificar en función del desempeño necesario según su aplicación, su diseño se
puede orientar para mayor potencia o menor consumo de combustible, también se puede
sacrificar la durabilidad de los componentes a cambio de un aumento en las prestaciones
(Gismero, 2017). La configuración óptima de un MCIA conduce a diferentes mapas
dependiendo del parámetro a determinar, como puede ser el mapa de ignición que indica
régimen de giro del motor, con la pme y el avance al punto de ignición en la bujía, otro tipo
de mapa es mediante el régimen de giro del motor, la pme y el volumen de inyección de
combustible, reproduciendo la forma y la magnitud del uso de combustible y las emisiones
observadas por segundo, permitiendo establecer el nivel de emisiones contaminantes
generadas y aplicar dispositivos para la reducción de los gases emitidos.
Los mapas de motor generalmente no son proporcionados por todos los fabricantes y en
caso de ofrecer dicha información no consideran todas las zonas de funcionamiento y son
mediciones realizadas en condiciones de laboratorio, efectuadas a nivel del mar, con
Novasinergia 2022, 5(1), 43-60 45
temperaturas controladas, y debido a que se trata de motores que aspiran aire para su
funcionamiento la calidad del mismo influye en el rendimiento. Las curvas ofrecidas son
simplificadas y no abarcan el rendimiento en condiciones distintas de operación, debido a
ello la obtención de mapas de motor requiere de amplios recursos y pruebas exhaustivas
para obtener curvas de rendimiento en diferentes situaciones de carga. Mediante los mapas
de motor, el análisis del consumo de combustible se aporta al objetivo 13 Acción por el clima,
mediante la calibración y modificación del consumo de combustible se puede disminuir la
cantidad de emisiones contaminantes que aportan al calentamiento global.
El objetivo de este trabajo fue desarrollar una metodología para inferir una aproximación al
mapa de eficiencia de motor y de esta manera identificar regiones de desempeño del motor
en diferentes condiciones experimentales. Esta aproximación al mapa de motor facilitara la
determinación del consumo de combustible en diferentes condiciones experimentales, entre
otros parámetros de interés.
2. Metodología
2.1. Aspectos básicos.
Para comprender el desempeño del MCIA es necesario obtener el AMEM, que
considera el régimen de giro del motor y la carga del motor y también se incluye la curva
de par motor, los mapas de rendimiento pueden tener un impacto significativo en la
eficiencia de un motor, una de las principales razones por las que la mayoría de los usuarios
u operadores no tienen un mapa de rendimiento creado para sus respectivas aplicaciones
de motor se debe a que la creación de un mapa de rendimiento requiere mucho tiempo y
recursos, la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) desarrolló un estándar que muestra
el detalle de lo que se requiere para crear un mapa de desempeño o de eficiencia (Keller,
2014).
Para caracterizar correctamente el consumo de combustible y el rendimiento general de un
vehículo, es esencial un mapa completo del motor que describa el consumo de combustible
del motor en todo su rango operativo, incluido el ralentí, el acelerador completamente
abierto, el par motor mínimo y la velocidad operativa máxima. Durante la evaluación
comparativa del motor, el Centro Nacional de Tecnología Avanzada (NCAT), ubicado en el
Laboratorio Nacional de Emisiones de Vehículos y Combustibles de la Agencia de
Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) en AnnArbor, Michigan recopila datos de
prueba tanto en estado estacionario como transitorios para caracterizar estas diferentes
condiciones de operación, utilizando métodos y procedimientos de prueba científicos
(Dekraker, Barba, Moskalik, & Butters, 2018)
Dentro de los puntos en la construcción de un mapa de eficiencia de consumo de
combustible es establecer el rango de operación que debe cubrirse, esto se hace generando
curvas para el par o par máximo y mínimo frente al régimen de giro del motor, para ello se
deben considerar los siguientes puntos:
1. Definir el entorno operativo que cubrirá el mapa.
Novasinergia 2022, 5(1), 43-60 46
2. Define la cuadrícula de velocidad y carga para la construcción del mapa de combustible.
3. Generar mapa de consumo de combustible a partir de datos de entrada.
4. Examinar el mapa de combustible resultante y revisar los datos si es necesario.
La figura 1 muestra los puntos a determinar para la obtención del mapa de motor, el mismo
fue realizado en un motor Honda Civic 1.5L 2016 y una transmisión CVT, la zona de ralentí
indica un funcionamiento a carga baja del motor dentro del par y potencia mínimo, la zona
del núcleo del mapa indica una carga baja y media del motor dentro del par y potencia
medios, en donde se muestra los puntos de estado estable de funcionamiento del motor, la
zona de carga alta indica los puntos de cambio de carga media a carga alta en donde se
alcanza el par máximo.
Figura 1: Puntos de datos de prueba de mapeo del motor (Dekraker et al., 2018).
Las curvas características multiparamétricas de una AMEM, indican la variación del CEC
en relación a valores fijos de régimen de giro del motor y de la pme, de esta manera se
obtienen mapas de motor bidimensionales indicando el comportamiento del motor (Payri
& Desantes, 2011).
La figura 2 indica un mapa de motor de encendido provocado (MEP) sobrealimentado de
2000 cm3 donde se indica las zonas de CEC a diferente régimen de giro del motor y pme.
Figura 2: Curvas de isoconsumo de un motor sobrealimentado (Payri & Desantes, 2011).
Novasinergia 2022, 5(1), 43-60 47
El CEC del motor por lo general es presentado en un mapa de dos dimensiones, en lugar de
expresarlo analíticamente, donde se indica principalmente la eficiencia del motor en
relación al CEC y es importante el análisis de funcionamiento para establecer mediante una
simulación cual es el comportamiento del motor dependiendo de la carga aplicada (Ben-
Chaim, Shmerling, & Kuperman, 2013). La figura 3 indica un ejemplo de mapa de motor, en
el cual se expresa la curva de potencia del motor e incluye las zonas de CEC según el
régimen de giro del motor. Para determinar la potencia y el par generado por el motor bajo
condiciones estándar de funcionamiento, es necesario hacerlo en un dinamómetro de chasis,
de lo cual la curva de potencia máxima establece la línea óptima de funcionamiento del
motor (Ben-Chaim et al., 2013)
Figura 3: Mapa de motor y consumo específico de combustible (Ben-Chaim et al., 2013).
Para calcular los valores de CEC y la pme es necesario partir de la potencia y par efectivos,
los mismos que son determinados en el dinamómetro de chasis, para ello se considera el
funcionamiento del motor en condiciones estándar. La tabla 1 muestra las relaciones usadas
en los cálculos. El rendimiento efectivo (ɳe) (Ecuación (1), Tabla 1), es la relación entre la
potencia efectiva (Ne) desarrollada por el motor y el consumo por unidad de masa de
combustible y la potencia térmica del combustible (PCI). La pme (Ecuación (2), Tabla
1) es la presión constante que durante la carrera de expansión producirá un trabajo igual al
trabajo efectivo, se basa en Ne para el tipo de motor de cuatro tiempos (i = 0.5) por el régimen
de giro del motor (n) y por el cilindraje del motor (Vt). El CEC (gef) (Ecuación (3), Tabla 1) es
el consumo de combustible en relación a la potencia producida (Payri & Desantes, 2011).
Los valores típicos en un MCIA genérico de encendido provocado de ɳe es del 35%, el es
de 240 g/kWh y pme de 13 bar (Payri & Desantes, 2011).
Tabla 1: Ecuaciones para calcular rendimiento efectivo, presión media efectiva y consumo específico de combustible (Payri
& Desantes, 2011).
Relación
Unidad
Ecuación No.
%
(1)
bar
(2)
g/kWh
(3)
Novasinergia 2022, 5(1), 43-60 48
La figura 4 muestra el mapa de un MEC donde al disminuir el régimen de giro del motor,
la pme es elevada y se mantiene en la zona de menor CEC de 197 g/kWh (Narayanan, 2011).
Figura 4: Mapa de un motor de encendido provocado (Narayanan, 2011).
La obtención de los mapas de eficiencia de consumo de combustible en MEP o MEC es
mediante datos experimentales, determinando las variables de entrada como es el par, el
régimen del motor y la variable de salida es el CEC, en la figura 5 se muestra un ejemplo de
un mapa de eficiencia de consumo de combustible en un MEC (He, Tang, & Wang, 2013).
Figura 5: Mapa de consumo específico de combustible en un motor de encendido por compresión (He et al., 2013).
3. Materiales
Los materiales necesarios que se utilizaron en la obtención de los mapas de motor y
CEC son:
(1) Vehículo con MCIA de encendido provocado
Novasinergia 2022, 5(1), 43-60 49
El vehículo utilizado es un Kía Picanto, año de fabricación 2019, motor 1250 cm3, uno
de los automóviles más vendidos a nivel nacional con 2533 unidades en el año 2019,
representado el 6% de ventas en la categoría automóviles que para el año 2019 se
comercializaron 54192 automóviles en el Ecuador (Asociación de Empresas Automotrices
del Ecuador, 2020). La tabla 2 presenta las características técnicas del motor que utiliza el
vehículo Kia Picanto.
Tabla 2: Características técnicas Kia Picanto (Kia Motors, 2019).
Motor
1.2 CVVT
Cilindrada, cm3
1248
Número de cilindros
4
Diámetro x Carrera, mm
71 x 78.8
Relación de compresión
10.5:1
Potencia máxima, kW@ min-1
62 @ 6000
Par máximo, Nm @ min-1
122 @ 4000
Consumo, L/100 km
Urbano
5.9
Extra urbano
3.8
Combinado
4.6
Emisiones de CO2, g/km
Urbano
137
Extra urbano
89
Combinado
106
(2) Dinamómetro de chasis
El par y la potencia efectivos de un motor se puede medir mediante un dinamómetro
de chasis, este equipo tiene un freno magnético que utiliza solenoides de corrientes de Eddy
(generadas cuando un conductor atraviesa un campo magnético) para generar resistencia al
giro de los rodillos que están conectados por un eje al freno de Eddy, dicho eje es impulsado
por las ruedas del vehículo. Este magnetismo se incrementa y se disminuye dependiendo
de la corriente aplicada a las bobinas del freno de Eddy, la corriente es medida para realizar
el cálculo de cuanto se necesita para generar una fuerza determinada de resistencia, con
objeto de frenar los rodillos del dinamómetro (Astudillo, Saldaña & Torres, 2018). Para este
estudio se utilizó un dinamómetro de chasis AutoDyn 30 del fabricante SuperFlow
(Wisconsin, Estados Unidos), mide la fuerza y potencia efectivos que el motor del vehículo
entrega, en la tabla 3 se indican las características técnicas del dinamómetro.
Tabla 3: Características dinamómetro de chasis ( Torres, Coello, Rockwood. Vidal, & Inga, 2019).
Especificación
Marca
SuperFlow AutoDyn 30
Velocidad máxima
362 km/h
Exactitud de control
0.2 km/h
Potencia de rueda máxima (prueba
de inercia)
894 kW
Carga máxima del eje
3629 kg
Distancia entre ejes AWD
234-356 cm
Novasinergia 2022, 5(1), 43-60 50
(3) Combustible Ecopaís
El combustible utilizado corresponde a la gasolina comercializada en el medio para
uso automotriz, que es la gasolina Ecopaís, con un nivel de octanaje de 85 RON
(Research Octane Number), describe el comportamiento del combustible a bajas velocidades
y temperaturas; y un contenido de 5% en volumen de etanol, la tabla 4 muestra un resumen
de las características relevantes del combustible Ecopais.
Tabla 4: Características del combustible Ecopaís (Torres et al., 2019; Quimbita & Guallichico, 2017).
Requisitos
Unidad
Valor
Número de octano (RON)
-
87
Poder Calorífico
kJ/kg
44916.195 -45583.695
Densidad
kg/m3
749
Presión de vapor
kPa
60
Corrosión a la lámina de cobre (3h a 50º C)
-
1
Contenido de gomas
mg/100 mL
3
Contenido de azufre
%
0.065
Contenido de aromáticos
%
30
Contenido de benceno
%
1
Contenido de olefinas
%
18
Estabilidad a la oxidación
Min
240
Contenido de oxígeno
%
2.7
Contenido de plomo, manganeso y hierro
mg/L
No detectable
4. Adquisición y procesamiento de información
Adquisición de datos mediante OBDII
El sistema OBDII (On Board Diagnostics) es utilizado para realizar un diagnóstico
abordo en vehículos, el cuál puede detectar fallos de funcionamiento del motor, debido a
que mediante el reconocimiento de mal funcionamiento de los sensores o actuadores que
tiene el sistema de inyección de combustible, informa al conductor de fallas en el motor
mediante una luz de advertencia MIL (Malfunction Indicator Light) ubicada en el tablero de
instrumentos. El sistema OBDII transmite los parámetros de funcionamiento de los sensores
y actuadores, es decir de un factor físico es transformado mediante la computadora del
vehículo a un valor eléctrico, es por ello que se puede obtener datos como el régimen de giro
del motor, temperatura del motor, consumo de combustible, nivel de carga, entre otros.
Mediante el software Torque-Pro® para Android, que es desarrollado por Ian Hawkins
(Milton Keynes, Inglaterra), la versión 1.10.120 y actualizado el 16 de junio de 2021, se
almacenan los datos en tiempo real de funcionamiento del motor que provee la
computadora del mismo y se generan los archivos con los datos de los sensores del motor
para ser interpretados en un software de algoritmos matemáticos.
Torque- Pro® permite obtener información sobre multitud de parámetros del motor y del
trayecto que está realizando el vehículo. Sin embargo, no todas las variables salen
directamente del motor. Para algunas de estas variables, Torque muestra directamente el
valor que le proporciona el CAN bus de información del vehículo, con el protocolo OBDII.
Para el resto de variables, Torque debe realizar un cálculo por fórmulas para obtenerlas y
Novasinergia 2022, 5(1), 43-60 51
mostrarlas (Nespereira & Solé, 2020). Torque puede solicitar información al bus a partir de
unos Parameter ID’s (PID), que son los códigos que se usan para esas solicitudes. Cada
parámetro medido por los sensores -físicos o virtuales- del vehículo tiene un PID asociado,
estandarizado según el protocolo OBDII (Nespereira & Solé, 2020). La adquisición de los
datos de comportamiento del motor mediante el sistema de diagnóstico abordo (OBD) se
realizó mediante el dispositivo ELM327 V1.5, fabricado en Ontario, Canadá por ELM
Electronics para traducir la interfaz OBD, según normativa ISO 9141, KWP2000 y compatible
con SAE J1850 y CAN bus, que permite registrar los parámetros de funcionamiento del
motor con valores instantáneos a una frecuencia de 1 Hz, como es el régimen de giro del
motor, temperatura de líquido refrigerante (oC), temperatura de ingreso de aire (oC), presión
absoluta del colector de aire (Manifold Absolute Pressure Sensor MAP, kPa), posición del
acelerador (Throttle Position Sensor TPS, %), consumo de combustible en el instante de
tiempo en que es medido (cm3), velocidad del vehículo (km/h), avance de ignición (grados).
Sistema de alimentación de combustible, de medición y de posición geográfica
Con la finalidad de medir la cantidad de combustible que consume el motor durante
las pruebas, se utilizó un sistema de alimentación de combustible paralelo al del vehículo,
que consta de una bomba de combustible, un regulador de presión de combustible, un
depósito de combustible alterno y una balanza. De esta manera, se mide el volumen de
combustible final, se calcula la masa y con ello determinar el consumo generado. El
dispositivo GPS para determinar la posición geográfica del vehículo y la velocidad, sirve
para determinar el patrón de movimiento en la ruta urbana, extra urbana y combinada, con
ello determinar las zonas de mayor velocidad y de menor velocidad en donde el
comportamiento del motor cambia y el CEC también. El dispositivo empleado corresponde
a la marca VBOX, modelo Sport, procedente de Buckingham, Reino Unido; puede ser usado
como un registrador independiente para medir el rendimiento del vehículo o los tiempos
por vuelta, registra datos con una frecuencia de 20 Hz, registro de tarjeta SD, con seis horas
de autonomía y una antena GPS, la velocidad (máx - mín) 1800-0.1 km/h y una resolución
de 0.01 km/h (Torres et al., 2019).
Medición de par y potencia
Los mapas de eficiencia de CEC necesitan: El par y potencia efectivo del motor,
obtenido en un dinamómetro de chasis y el CEC relacionado con el MAP o la carga del
motor. Medición de par y potencia efectivos: En el dinamómetro de chasis se obtienen los
valores y las gráficas de par y potencia efectivos del motor. Los mismos que están
considerados según la normativa ECE R24 bajo condiciones ambientales estándar como es
presión atmosférica 0.99 bar, temperatura ambiente de 25oC, temperatura de combustible
de 40oC, tipo de combustible CEC RF03A84 (Márquez, 2005). La medición de par y potencia
consiste en acelerar al 100% el vehículo en cuarta marcha desde los 40 km/h hasta 130 km/h,
de esta forma se obtiene las curvas de par máximo y potencia máxima para cada rango de
min-1. Se realizaron 7 pruebas de barrido de datos con 900 s cada una, con la velocidad del
dinamómetro limitada a 32, 40, 48, 56, 64, 72 y 80 km/h respectivamente. El objetivo de la
Novasinergia 2022, 5(1), 43-60 52
limitación de velocidad es obtener datos en todo el rango de carga del motor y presión del
MAP para distintos niveles de min-1.
Rutas urbanas, extra urbana y combinada: Para medir el consumo de combustible del motor
se aplicaron dos métodos, el primero mediante la adquisición de MAP (psi), el flujo de
combustible (cm3/min) y el régimen de giro del motor, que informa la computadora del
motor mediante el conector OBD II, la aplicación Torque-Pro® y el dispositivo EML327. El
segundo método para comprobar el consumo de combustible mediante el método
gravimétrico, que consiste en medir el volumen de combustible al inicio de una ruta y luego
al final, considerando la masa del combustible y su densidad; para ello se recorrieron tres
rutas, una urbana, extra urbana y combinada en la tabla 5 se indican las condiciones de las
rutas.
Tabla 5: Datos del recorrido de las rutas.
Ruta
Distancia, km
Tiempo medio de
recorrido, min
Urbana
15.02
82
Extra urbana
38.88
36
Combinada
23.68
67
La figura 6, indica las rutas: a) urbana, que implica el centro de la ciudad y la zona de más
afluencia de vehículos por motivos de actividades laborales de la ciudadanía, b) extra
urbana, que implica la autopista Cuenca - Azogues y c) combinada, que implica rutas por
la zona urbana y por las afueras de urbe. En las figuras las zonas de color azul indican
velocidades de 60 a 100 km/h, y las zonas de color amarillo a verde indican velocidades de
20 a 59 km/h y las zonas de color rojo de 0 a 19 km/h.
(a)
(b)
(c)
Figura 6: Rutas: a) urbana, b) extra urbana y c) combinada.
La tabla 6, mediante la ecuación (3), lista los valores de CEC según el régimen de giro del
motor y la pme en las rutas propuestas.
Novasinergia 2022, 5(1), 43-60 53
Tabla 6: Datos de consumo específico de combustible y presión media efectiva.
Consumo específico de
combustible, g/kWh
Presión media
efectiva, bar
Ruta
Máximo
Mínimo
Máximo
Mínimo
Urbana
466
36
9
4
Extra urbana
477
52
9
4
Combinada
680
45
9
4
El CEC y el valor del MAP aplicado el modelo del mapa de motor en las rutas, se puede
observar en la figura 7, de lo cual se obtiene que el régimen de giro del motor en el que se
produce el mayor funcionamiento del mismo es de 600 a 3100 min-1. El mayor CEC y el que
se mantiene con mayor frecuencia se encuentra en valores de 100 a 300 g/kWh, también se
muestra la relación del MAP según el régimen de giro del motor. En la ruta urbana desde
velocidad de ralentí hasta 2150 min-1 hay más datos que indican la zona de funcionamiento
del motor. En la ruta extra urbana la distribución de los datos es más dispersa y con mayor
concentración de datos en más de 2000 min-1. En la ruta combinada la distribución de los
datos mayor en bajas revoluciones y comparando con el CEC son similares al
comportamiento del motor en la misma ruta.
Figura 7: Distribución de datos de consumo de combustible en el mapa de motor.
Mapas de motor: A partir de las pruebas de barridos de datos realizados en el dinamómetro
de chasis, que consisten en mantener la velocidad inicialmente a 32 km/h y obtener datos de
consumo de combustible, régimen de giro del motor, de MAP y de par y potencia. Continuar
con las mediciones a velocidades de 40 km/h, de 48 km/h, de 56 km/h, de 64 km/h, de 72
km/h y finalmente a 80 km/h, una vez obtenidos los datos en cada una de las velocidades se
forma una nube de puntos en color rojo, sobre la cual se crea una superficie que representa
la media del consumo instantáneo para cada régimen de giro del motor y de MAP. Con ello
se obtiene un mapa de motor basado en el régimen de giro del motor, la presión MAP y el
consumo instantáneo de combustible, en la figura 8, se muestra el mapa obtenido. Los
puntos de color rojo representan el comportamiento del consumo instantáneo de
Novasinergia 2022, 5(1), 43-60 54
combustible, en donde a bajas revoluciones se mantiene un consumo de combustible
estable, así como también la presión MAP y cuando se produce una aceleración se genera
un mayor consumo de combustible, pero los valores de la presión MAP y el régimen de giro
del motor se estabilizan en una posición hasta estabilizar el régimen de giro del motor según
la demanda de aceleración.
Figura 8: Mapa motor en dinamómetro de chasis.
En la figura 9 se muestra el consumo de combustible mediante los puntos rojo, en el modelo
aplicado a la ruta combinada. Cuando existe un cambio de régimen de giro del motor, se
estabiliza el MAP, aumenta el consumo de combustible y el régimen de giro del motor se
estabiliza.
Figura 9: Mapa motor en ruta combinada.
Debido a la variación de los valores de datos del consumo de combustible obtenido por el
método de adquisición OBDII y el método gravimétrico, como se indica en la tabla 7, se
corrige el mapa de consumo instantáneo inicial en base a las zonas de funcionamiento del
motor.
Tabla 7: Datos de medición de consumo de combustible.
Ruta
OBDII, L
Gravimétrico, L
Diferencia, L
Variación entre
mediciones, %
Urbana
1.65
1.35
-0.30
-22.22
Combinada
1.87
1.52
-0.35
-23.02
Extra urbana
2.15
1.93
-0.22
-11.40
Novasinergia 2022, 5(1), 43-60 55
En base a la distribución de datos según los rangos de min-1, en los mapas obtenidos de cada
ruta y comparando la distribución de los puntos rojos entre los mapas, se determina que el
porcentaje de datos en ralentí en la ruta urbana llega al 30% y en la ruta combinada alcanza
un 26%, a diferencia de la ruta extra urbana donde este porcentaje llega al 7.5%. Los
porcentajes de datos de consumo de combustible en ralentí y la diferencia de consumos
entre OBDII y el método gravimétrico tienen la misma tendencia, con esto aplicando el
modelo y sabiendo que el consumo instantáneo a bajas min-1 obtenido desde el OBDII es
mayor al real, por lo que, es el punto de partida para obtener el mapa de motor. Las
variaciones entre las mediciones de consumo de combustible permiten establecer un valor
medio de consumo en base al aumento del régimen de giro del motor, con ello se realiza la
corrección del mapa de motor, en la figura 10 se muestra el incremento porcentual que
permite la corrección al consumo de combustible según el aumento de régimen de giro del
motor.
Figura 10: Valores del factor de corrección en función del régimen de giro del motor.
En la figura 11 se indica el diagrama de flujo para inferir el consumo de combustible con el
mapa motor, que se obtiene mediante el régimen de giro del motor, el MAP.
Figura. 11: Diagrama de flujo para inferir el mapa de motor.
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5. Resultados
El consumo de combustible en cada una de las rutas, se relaciona con el mapa de
motor en función de los valores del MAP y régimen de giro del motor. Para proponer el
mapa de motor se corrige el valor de consumo de combustible obtenido mediante el sistema
OBDII con el valor de consumo de combustible obtenido en la prueba gravimétrica, dicho
valor es la diferencia porcentual expresada en la tabla 7, de esta manera se acerca a los
valores reales de consumo de combustible. En la tabla 8 se muestra los valores finales de
consumo de combustible para cada ruta, luego de realizar la sumatoria total de los valores
obtenidos en OBDII y corregidos, dicho mapa se indica en la figura 12.
Tabla 8: Datos de medición de consumo de combustible corregidos.
Ruta
OBDII, L
Gravimétrico, L
Diferencia, L
Diferencia (%)
Urbana
1.33
1.35
0.02
1.50
Combinada
1.52
1.52
0.00
0.00
Extra urbana
1.92
1.93
0.01
0.520.3
Figura 12: Distribución de datos en las rutas.
Mediante la corrección en el consumo de combustible según el régimen de giro del motor y
con los valores del MAP se obtiene el mapa de motor que se muestra en la figura 13.
Figura. 13: Mapa motor corregido considerando la variación de consumo de combustible.
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La figura 14 muestra como varía el par y la potencia efectiva en función del régimen de giro
del motor, determinado en el dinamómetro de chasis, donde la potencia máxima es de 40.2
kW @ 4950 min-1 y el par máximo es de 88.5 Nm @ 3928 min-1. En relación con los valores
máximos de par y potencia del fabricante, existe una disminución del 54% con la potencia y
del 38%, que se atribuye a la altura sobre el nivel del mar en la medición (2560 msnm), el
tipo de combustible y la temperatura ambiente.
Figura 14: Valores de par efectivo () y potencia efectiva () en función del régimen de giro del motor.
La zona de funcionamiento del motor en las rutas es desde el ralentí hasta las 3000 min-1, el
CEC presenta valores entre 36 a 680 g/kWh y la pme tiene un valor de 4 a 9 bar, donde los
puntos del mapa de motor coinciden con los valores. Relacionando los datos de CEC con el
rendimiento del motor en cada ruta se obtuvo que el motor tiene un consumo de
combustible de 4.9 L/100 km en la ruta extra urbana, urbana de 8.9 L/100 km y combinada
de 6.4 L/100 km. El consumo de combustible en la ruta extra urbana tiene un aumento del
29% con relación a los datos del fabricante, urbano del 51% y combinado de 39%, dichas
diferencias pueden ser debidas al tipo de combustible, la medición es realizada a 2560 msnm
y en condiciones ambientales y de velocidad diferentes a las que realiza el fabricante.
6. Discusión
Los mapas de motor permiten analizar el consumo de combustible en diferentes
zonas de funcionamiento, al analizar cuál es el comportamiento del motor en tres rutas
diferentes se constató que desde ralentí hasta las 3000 min-1 es la zona en que el motor
funciona más. Los datos que se obtienen mediante el sistema OBDII, como son el MAP, el
consumo instantáneo de combustible y el régimen de giro del motor establecen los tres ejes
fundamentales para conocer las zonas de funcionamiento del motor, con ello se puede
modificar variables como el tiempo de inyección o el adelanto a la ignición para modificar
la potencia y el consumo de combustible. Dentro de los objetivos de desarrollo sostenible
(ODS), el objetivo 11 Ciudades y comunidades sostenibles, indica inversiones en transporte
público, por lo que, obtener y modificar los mapas de motor ayudará a disminuir el
consumo de combustible y con ello disminuir la emisión de gases contaminantes. En
Ecuador el consumo de energía en transporte corresponde al 49% de la producción
energética y de ello el 44% es el uso de gasolinas y el 44% de diésel. El objetivo 12 producción
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y consumo responsable, adecuando mapas de motor para disminuir el consumo sin
sacrificar la potencia del motor se disminuirá notablemente la producción y consumo de
combustibles fósiles destinados al transporte.
7. Conclusiones
Se obtuvo la AMEM, relacionando carga del motor, régimen de giro del motor y CEC,
estableciendo las condiciones de operación en rutas urbanas, extra urbana y combinada, con
ello se puede relacionar el estado de funcionamiento del motor según la ubicación en la ruta
y saber cuál es el consumo de combustible provocado. Las pruebas dentro de la
investigación se realizaron en la Ciudad de Cuenca - Ecuador, ubicada a 2560 msnm, con
una temperatura promedio de 15oC, y la densidad del aire aproximada de 0.957 kg/m3
(Avalos & Torres, 2020). El par y la potencia máximos en el dinamómetro de chasis en una
ciudad de altura a 2560 msnm, es menor con relación a los valores descritos por el fabricante,
existiendo una diferencia en el par de 38% y en la potencia del 54%, dicha disminución
puede ser debido a la densidad del aire, temperatura ambiente y el tipo de combustible, más
las pérdidas mecánicas por la caja de cambios y diferencial. Para obtener de mapas de
motor, basado en el par, potencia, consumo de combustible y MAP, sería importante
realizar la investigación a diferentes alturas sobre el nivel del mar y así comparar los mapas
de motor obtenidos en ciudades de altura con las ciudades del llano y con ello establecer
una diferencia en el comportamiento del motor. Con ello para otra investigación se puede
determinar la cantidad de emisiones contaminantes que se generan al simular condiciones
reales y cotidianas de funcionamiento de un vehículo.
Contribuciones de los autores
En concordancia con la taxonomía establecida internacionalmente para la asignación
de créditos a autores de artículos científicos (https://casrai.org/credit/). Los autores declaran
sus contribuciones en la siguiente matriz:
López, A.
Torres, F.
Pla, B.
Romero, B.
Bravo, D.
Conceptualización
Análisis formal
Investigación
Metodología
Recursos
Validación
Redacción – revisión y edición
Conflicto de Interés
Los autores declaramos que no existen conflictos de interés.
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Agradecimiento
Este trabajo ha sido financiado por el proyecto de investigación: Modelo predictivo
de consumo de combustible basado en el mapa de eficiencia del motor.
Los autores desean expresar su agradecimiento especial a las autoridades de la Universidad,
de manera especial al Ing. Jacinto Guillén Vicerrector de Investigaciones y al Decano de la
Facultad Ing. Andrés López PhD, quienes con su apoyo y convicción en el proyecto
generaron los medios adecuados para su desarrollo, al grupo ERGON por la amistad y
apoyo incondicional en la realización del proyecto.
Referencias
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