DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA PORTADA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ TRABAJO DE TITULACIÓN, PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ TEMA: INVESTIGACIÓN DEL DESEMPEÑO Y EMISIONES DEL MOTOR DIESEL MZR – CD 2.5L CRDI AL IMPLEMENTAR EL CONJUNTO SCR CON INYECCIÓN DE ADBLUE EN EL SISTEMA DE ESCAPE. AUTORES: MARCO JAVIER FLORES MANOSALVAS CRISTIAN FRANCISCO TOAPANTA AGUILAR DIRECTOR: ING. LEONIDAS QUIROZ MSc LATACUNGA 2018 ii DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ CERTIFICACIÓN Certifico que el trabajo de titulación, “INVESTIGACIÓN DEL DESEMPEÑO Y EMISIONES DEL MOTOR DIESEL MZR – CD 2.5L CRDI AL IMPLEMENTAR EL CONJUNTO SCR CON INYECCIÓN DE ADBLUE EN EL SISTEMA DE ESCAPE” realizado por los señores MARCO JAVIER FLORES MANOSALVAS Y CRISTIAN FRANCISCO TOAPANTA AGUILAR, ha sido revisado en su totalidad y analizado por el software anti-plagio, el mismo cumple con los requisitos teóricos, científicos, técnicos, metodológicos y legales establecidos por la Universidad de Fuerzas Armadas ESPE, por lo tanto me permito acreditarlo y autorizar a los señores MARCO JAVIER FLORES MANOSALVAS Y CRISTIAN FRANCISCO TOAPANTA AGUILAR para que lo sustenten públicamente. Latacunga, 02 de marzo de 2018 Ing. Leonidas Quiroz DIRECTOR iii DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ AUTORÍA DE RESPONSABILIDAD Nosotros, MARCO JAVIER FLORES MANOSALVAS, con cédula de identidad N° 1004012348, Y CRISTIAN FRANCISCO TOAPANTA AGUILAR, con cédula de identidad N° 0503342297, declaramos que este trabajo de titulación “INVESTIGACIÓN DEL DESEMPEÑO Y EMISIONES DEL MOTOR DIESEL MZR – CD 2.5L CRDI AL IMPLEMENTAR EL CONJUNTO SCR CON INYECCIÓN DE ADBLUE EN EL SISTEMA DE ESCAPE” ha sido desarrollado considerando los métodos de investigación existentes, así como también se ha respetado los derechos intelectuales de terceros considerándose en las citas bibliográficas. Consecuentemente declaramos que este trabajo es de nuestra autoría, en virtud de ello nos declaramos responsables del contenido, veracidad y alcance de la investigación mencionada. Latacunga, 02 de marzo de 2018 iv DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ AUTORIZACIÓN Nosotros, MARCO JAVIER FLORES MANOSALVAS Y CRISTIAN FRANCISCO TOAPANTA AGUILAR, autorizamos a la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE publicar en repositorio de la institución el presente trabajo de titulación “INVESTIGACIÓN DEL DESEMPEÑO Y EMISIONES DEL MOTOR DIESEL MZR – CD 2.5L CRDI AL IMPLEMENTAR EL CONJUNTO SCR CON INYECCIÓN DE ADBLUE EN EL SISTEMA DE ESCAPE”, cuyo contenido, ideas y criterios son de nuestra autoría y responsabilidad. Latacunga, 02 de marzo de 2018 v DEDICATORIA Con mucho amor y cariño dedico mi trabajo a Dios y la Virgencita del Quinche por todas las bendiciones derramadas en el transcurso de toda mi vida estudiantil y permitirme llegar a cumplir unos de mis sueños tan anhelados. A mis padres Marco Flores y Rosa Manosalvas, que me han inculcado valores y principios, por todo el apoyo y amor incondicional que siempre me han brindado a pesar de mis comportamientos, por su esfuerzo y sacrificio que han realizado para cumplir una de mis primeras metas, y que sepan perdonarme todos mis errores y malas decisiones. A mi sobrino Marco Alejandro le dedico mi trabajo ya que es la persona que ocupa gran parte de mi corazón, a mi hermana Evelyn, que ha sabido apoyarme en los momentos más difíciles, deseando que le sirva como ejemplo, para que logre todos sus sueños, junto con su hogar y a mi hermano Daniel, ya que a pesar de mis malos ejemplos ha sabido ser un buen hermano, un excelente hijo haciéndome sentir muy orgulloso de él y esperando que sea un excelente profesional en el futuro. Marco Javier Flores vi DEDICATORIA El presente trabajo se lo dedico a Dios por darme las fuerzas, la paciencia y el conocimiento necesario para terminar esta carrera, por darme la maravillosa familia que tengo. A mi madre Carmen Aguilar, quien es la persona más importante de mi vida, la cual siempre está presente para cuidarme y darme su bendición, la persona quien me educo y me enseño buenos valores, gracias a su apoyo pude terminar esta gran etapa de mi vida. A mis hermanas María, Yadira y Nicol quienes nunca dejaron que abandone mis sueños y que con su ejemplo pude seguir adelante. A toda mi familia quienes estuvieron pendientes de mi a cada momento. Cristian Francisco Toapanta Aguilar vii AGRADECIMIENTO Doy las gracias a Dios y a la Virgencita del Quinche por brindarme la salud y vida para lograr culminar mi carrera. A mis amados padres Marco Flores y Rosa Manosalvas por brindarme su amor y dedicación por enseñarme el inmenso sacrificio que cuesta ganarse un dólar, les agradezco de corazón por siempre buscar mi bienestar y felicidad, por siempre brindarme un consejo antes que reprenderme. A sobrino Marco Alejandro y mis hermanos Evelyn y Daniel les agradezco por la paciencia y sobre todo su amor, sabiendo que había momentos difíciles supieron brindarme su apoyo y comprensión por no estar en casa, enseñándome la verdadera importancia que tiene la Familia. . A todos mis tíos, primos que me han ayudado cuando lo he necesitado y sobre todo a mi abuelita Luz María que es como mi segunda madre, que supo criarme desde niño y darme todo su amor incondicional. A la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga por la formación académica brindada a sus docentes por los conocimientos impartidos, en especial al Ing. Leonidas Quiroz por brindarnos sus conocimientos, ayudarnos en la culminación del proyecto y principalmente brindarme su sincera amistad, agradezco también al Ing. Germán Erazo por servirnos de ejemplo como profesionales y personas de bien, pero sobre todo por haberme sabido dar un consejo como un amigo. Marco Javier Flores viii AGRADECIMIENTO Quiero expresar un agradecimiento muy especial a Dios, que ha sido testigo de todo este camino de formación y ayudarme a tomar las decisiones correctas en mi vida. A mi tutor el Ing. Leonidas Quiroz por su asesoramiento, colaboración y paciencia en el desarrollo de este proyecto de titulación. A mi madre por sus buenos consejos y alentarme en cada momento de mi proceso de formación de mi carrera. A mis hermanas María, Yadira y Nicol que siempre me mantuvieron de pie en todos los momentos difíciles. A mi novia Johanna por siempre estar a mi lado y ser mi ejemplo, y a toda su familia por dejarme entrar a sus corazones. A la familia que uno no escoge que son mis amigos y amigas por su apoyo incondicional, su ayuda y por todos los momentos compartidos. A todos los docentes que conforman la Carrera de Ingeniería Automotriz por los conocimientos compartidos en las aulas de clases. A la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE extensión Latacunga por abrirme las puertas permitiéndome formarme en sus aulas y salir por la puerta grande siendo un profesional. Cristian Francisco Toapanta Aguilar ix ÍNDICE DE CONTENIDOS PORTADA ...................................................................................................... i CERTIFICACIÓN........................................................................................... ii AUTORÍA DE RESPONSABILIDAD ............................................................ iii AUTORIZACIÓN .......................................................................................... iv DEDICATORIA .............................................................................................. v DEDICATORIA ............................................................................................. vi AGRADECIMIENTO .................................................................................... vii AGRADECIMIENTO ....................................................................................viii ÍNDICE DE CONTENIDOS ........................................................................... ix ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................. xv ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................. xix ÍNDICE DE ECUACIONES ......................................................................... xxi RESUMEN..................................................................................................xxii ABSTRACT ............................................................................................... xxiii CAPÍTULO I 1. INTRODUCCIÓN .............................................................................. 1 1.1. Antecedentes investigativos .............................................................. 1 1.2. Planteamiento del problema ............................................................. 4 1.3. Descripción resumida del proyecto ................................................... 6 1.4. Justificación e importancia ................................................................ 7 1.5. Proyectos relacionados ..................................................................... 8 1.6. Objetivos del proyecto....................................................................... 9 1.6.1. Objetivo general ................................................................................ 9 1.6.2. Objetivos Específicos ........................................................................ 9 x 1.7. Metas .............................................................................................. 10 1.8. Hipótesis ......................................................................................... 10 1.9. Variables de la investigación ........................................................... 11 1.10. Operacionalización de variables ..................................................... 11 1.11. Metodología de la investigación ...................................................... 12 CAPÍTULO II 2. MARCO TEÓRICO ......................................................................... 16 2.1. Normas Internacionales de Emisiones y Opacidad ......................... 16 2.1.1. Normas EURO ................................................................................ 16 2.2. Normas Nacionales ......................................................................... 17 2.2.1. NTE INEN 2207:2002 ..................................................................... 17 2.3. Curvas características del motor Diésel .......................................... 18 2.3.1. Torque o par motor ......................................................................... 18 2.3.2. Potencia ......................................................................................... 18 2.4. Sistema de escape del motor MZR 2.5L-CD ................................... 19 2.4.1. Colector de escape ......................................................................... 20 2.4.2. Catalizador ...................................................................................... 20 2.4.3. Tubo de escape .............................................................................. 21 2.4.4. Silenciador ..................................................................................... 21 2.5. Sensores del motor MZR 2.5L-CD ................................................. 22 2.5.1. Sensor de Temperatura del Motor (ECT) ....................................... 22 2.5.2. Sensor de posición del árbol de levas (CMP) ................................. 23 2.5.3. Sensor de posición del acelerador (APP) ....................................... 23 2.6. Compuestos contaminantes derivados de la combustión ............... 24 2.6.1. Óxidos nítricos (NOx) ..................................................................... 24 xi 2.6.2. Hidrocarburos (HC) ........................................................................ 25 2.6.3. Monóxido de Carbono (CO) ............................................................ 25 2.6.4. Dióxido de Carbono (CO2) .............................................................. 25 2.6.5. Oxígeno (O2) .................................................................................. 26 2.6.6. Partículas sólidas ........................................................................... 26 2.7. El sistema SCR (Reducción Catalítica Selectiva) ........................... 26 2.7.1. La reacción química básica del proceso SCR ................................ 27 2.7.2. Componentes ................................................................................ 28 2.7.3. AdBlue ........................................................................................... 29 2.7.4. Depósito de AdBlue ....................................................................... 30 2.7.5. Catalizador SCR ............................................................................ 31 2.7.6. Inyector .......................................................................................... 33 2.7.8. Módulo de control de inyección de AdBlue .................................... 34 2.7.9. Sensor de nivel .............................................................................. 35 2.8. Ley de Ohm ................................................................................... 36 2.9. Número de Reynolds ..................................................................... 36 2.9.1. Perdidas de energía ....................................................................... 37 2.10. Ecuacion general de la energía ...................................................... 38 2.11. Arduino .......................................................................................... 38 2.12. Equipos .......................................................................................... 39 2.12.1. Analizador de Gases Brain Bee AGS-688 ...................................... 39 2.12.2. Opacímetro .................................................................................... 40 2.12.3. ElmScan 5 ..................................................................................... 40 2.12.3. Dinamómetro de rodillos MAHA 3000 LPS..................................... 41 xii CAPÍTULO III 3. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA SCR DE INYECCION DE ADBLUE. ........................................................... 43 3.1. Levantamiento de requerimientos ................................................... 43 3.2. Diseño ............................................................................................ 43 3.3. Diseño Mecánico ............................................................................ 44 3.3.1. Tubo de escape .............................................................................. 44 3.3.2. Catalizador SCR ............................................................................. 45 3.3.4. Construcción e implementación ...................................................... 46 3.3.5. Simulación ...................................................................................... 46 3.4. Diseño Hidráulico ............................................................................ 48 3.4.1. Selección de la bomba .................................................................... 48 3.4.2. Selección de la cañería. .................................................................. 48 3.4.3. Sensor de nivel de AdBlue .............................................................. 49 3.4.4. Depósito de AdBlue ........................................................................ 51 3.4.5. Sistema hidráulico ........................................................................... 52 3.4.7. Simulación ...................................................................................... 53 3.4.6. Implementación............................................................................... 54 3.5. Diseño Eléctrico ............................................................................. 54 3.5.1. Batería ........................................................................................... 54 3.5.2. Conmutador electromagnético ....................................................... 55 3.5.3. Determinación del sistema de protección ....................................... 55 3.5.4. Selección del cable conductor........................................................ 56 3.5.5. Control de activación de la bomba ................................................. 57 3.6. Diseño Electrónico ......................................................................... 58 3.6.1. Señal del sensor de posición del árbol de levas CMP .................... 58 xiii 3.6.2. Señal del sensor de temperatura ECT ........................................... 60 3.6.3. Señal del sensor de posición del pedal de aceleración APP .......... 63 3.6.4. Selección del controlador Arduino .................................................. 65 3.6.5. Selección de la termocupla ............................................................ 66 3.6.6. Circuito regulador de tensión ......................................................... 67 3.6.7. Programación ................................................................................ 68 3.6.7. Implementación.............................................................................. 71 CAPÍTULO IV 4. ANÁLISIS DE LA INCIDENCIA DE IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA SCR. ............................................................................ 73 4.1. Puesta a punto del vehículo ............................................................ 73 4.2. Pruebas de torque y potencia ......................................................... 75 4.2.1. Protocolo......................................................................................... 75 4.2.1. Resultados ..................................................................................... 77 4.2.2. Análisis ........................................................................................... 78 4.3. Pruebas de opacidad ...................................................................... 80 4.3.1. Protocolo ........................................................................................ 80 4.3.2. Resultados ...................................................................................... 83 4.3.3. Análisis ........................................................................................... 84 4.4. Pruebas de emisiones .................................................................... 87 4.4.1. Protocolo......................................................................................... 87 4.4.2. Resultados ...................................................................................... 89 4.4.3. Análisis ........................................................................................... 94 4.5. Consumo de combustible .............................................................. 107 4.5.1. Protocolo....................................................................................... 107 4.5.2. Circuito para la prueba .................................................................. 108 xiv 4.5.3. Resultados .................................................................................... 110 4.5.4. Análisis ......................................................................................... 110 4.6. Pruebas consumo del inyector de AdBlue .................................... 112 4.5.1. Resultados .................................................................................... 114 4.6.1. Análisis ......................................................................................... 115 CAPÍTULO V 5. MARCO ADMINISTRATIVO. ........................................................ 117 5.1. Recursos....................................................................................... 117 5.1.1. Recursos humanos ....................................................................... 117 5.1.2. Recursos institucionales ............................................................... 117 5.1.3. Recursos materiales ..................................................................... 118 5.1.4. Recursos tecnológicos .................................................................. 119 5.2. Presupuesto de la investigación. ................................................... 119 5.2.1. Presupuesto de los recursos materiales. ...................................... 119 5.2.2. Presupuesto de los recursos tecnológicos. ................................... 120 5.2.3. Presupuesto total .......................................................................... 121 5.3. Cronograma de actividades. ......................................................... 121 CAPITULO VI 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................ 122 6.1. Conclusiones ................................................................................ 122 6.2. Recomendaciones ........................................................................ 128 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 130 NETGRAFIA .............................................................................................. 131 NORMAS .................................................................................................. 136 ANEXOS ................................................................................................... 137 xv ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Análisis del problema. ................................................................... 4 Figura 2. Curva de par motor. .................................................................... 18 Figura 3. Curva de potencia del motor. ...................................................... 19 Figura 4. Sistema de escape del vehículo Mazda BT-50. .......................... 19 Figura 5. Colector de escape con turbocompresor..................................... 20 Figura 6. Esquema de funcionamiento de un catalizador. .......................... 21 Figura 7. Tubo de escape del motor. ......................................................... 21 Figura 8. Ubicación de los silenciadores. ................................................... 22 Figura 9. Sensores del vehículo Mazda BT-50. ......................................... 22 Figura 10. Circuito Sensor ECT ................................................................... 23 Figura 11. Circuito sensor CMP ................................................................... 23 Figura 12. Conector del sensor APP ............................................................ 24 Figura 13. Sistema SCR .............................................................................. 27 Figura 14. Estructura del sistema SCR ........................................................ 29 Figura 15. Aditivo AdBlue ............................................................................ 30 Figura 16. Disposición de los componentes en el vehículo. ......................... 31 Figura 17. Fases de la reacción química en el catalizador. .......................... 32 Figura 18. Trayecto hidrolítico en el catalizador. .......................................... 33 Figura 19. Inyector de AdBlue insertado en el tubo de escape. ................... 33 Figura 20. Inyecotr de AdBlue...................................................................... 34 Figura 21. Sistema Denoxtronic 3.1 de Bosch. ............................................ 35 Figura 22. Sensor de nivel del aditivo .......................................................... 36 Figura 23. Analizador AGS-688. .................................................................. 39 Figura 24. Opacímetro BEAR. ..................................................................... 40 Figura 25. Interfaz ElmScan 5...................................................................... 41 Figura 26. Dinamómetro de rodillos LPS 3000. ............................................ 42 Figura 27. Diagrama de flujo de la construcción e implementación del sistema mecánico. .................................................................... 46 Figura 28. Elementos del sistema de escape SCR. ..................................... 46 Figura 29. Deformación debido al apriete de los pernos. ............................. 47 xvi Figura 30. Flujo de gases de escape. .......................................................... 47 Figura 31. Curva Volumen vs Voltaje. .......................................................... 50 Figura 32. Depósito de AdBlue. ................................................................... 51 Figura 33. Simulación del sistema hidráulico. .............................................. 53 Figura 34. Diagrama de flujo de la construcción e implementación del sistema hidráulico. .................................................................... 54 Figura 35. Circuito esquemático del control de activación de la bomba de inyección. .................................................................................. 57 Figura 36. Sensor CMP en el motor. ............................................................ 58 Figura 37. Oscilogrmama de la señal del sensor CMP. ............................... 59 Figura 38. Relación RPM vs Periodo. .......................................................... 60 Figura 39. Sensor ECT en el motor. ............................................................ 61 Figura 40. Oscilograma sensor ECT. ........................................................... 61 Figura 41. Relación Temperatura vs Voltaje del sensor ECT. ...................... 62 Figura 42. Sensor APP en el pedal de aceleración. ..................................... 63 Figura 43. Oscilograma sensor APP. ........................................................... 64 Figura 44. Relación Porcentaje vs Voltaje del sensor APP. ......................... 65 Figura 45. Circuito esquemático de regulacion de tensión. .......................... 67 Figura 46. Programacion modo Manual ....................................................... 68 Figura 47. Programacion modo Automático ................................................. 69 Figura 48. Programacion modo Semiautomático ......................................... 70 Figura 49. Diagrama de flujo de la construcción del sistema eléctrico y electrónico. ............................................................................. 71 Figura 50. Diagrama de flujo de la implementación del sistema eléctrico y electrónico. ............................................................................. 71 Figura 51. Circuito completo del módulo de control de inyección de AdBlue. ................................................................................ 72 Figura 52. Diagrama de Flujo Puesta a Punto. ............................................ 74 Figura 53. Dinamómetro CCICEV. ............................................................... 75 Figura 54. Diagrama de flujo de Torque y Potencia. .................................... 76 Figura 55. Pruebas de torque y potencia. .................................................... 78 Figura 56. Potencia Estándar vs SCR vs Nominal. ...................................... 79 xvii Figura 57. Torque Estándar vs SCR vs Nominal. ......................................... 80 Figura 58. Opacímetro CARTEK. ................................................................. 80 Figura 59. Diagrama de flujo de Opacidad. .................................................. 82 Figura 60. Informe de Opacidad. ................................................................. 84 Figura 61. Resultados opacidad modo manual. ........................................... 85 Figura 62. Resultados opacidad (Sensores Individuales). ........................... 85 Figura 63. Resultados opacidad (Sensores Combinados). .......................... 86 Figura 64. Resultados opacidad modo Automático. ..................................... 87 Figura 65. Analizador de gases AGS-688. ................................................... 87 Figura 66. Diagrama de flujo para pruebas de gases. .................................. 88 Figura 67. Informe Emisiones ...................................................................... 89 Figura 68. Valores de Lambda modo manual. ............................................. 95 Figura 69. Porcentajes de CO modo manual. .............................................. 95 Figura 70. Porcentajes de CO2 modo manual. ............................................ 96 Figura 71. Ppm de HC modo manual. .......................................................... 97 Figura 72. Porcentajes de O2 modo manual. ............................................... 97 Figura 73. Ppm de NO modo manual........................................................... 98 Figura 74. Porcentajes de CO (Sensores Individuales). ............................... 98 Figura 75. Porcentajes de CO2 (Sensores Individuales). ............................. 99 Figura 76. Ppm de HC (Sensores Individuales). .......................................... 99 Figura 77. Porcentajes de O2 (Sensores Individuales). ............................. 100 Figura 78. Ppm de NOx (Sensores Individuales) ....................................... 101 Figura 79. Porcentajes de CO (Sensores Combinados). ........................... 101 Figura 80. Porcentajes de CO2 (Sensores Combinados). ......................... 102 Figura 81. Ppm de HC (Sensores Combinados). ....................................... 102 Figura 82. Porcentajes de O2 (Sensores Combinados). ............................ 103 Figura 83. Ppm de NOx (Sensores Combinados). ..................................... 104 Figura 84. Valores de CO modo Automático. ............................................. 104 Figura 85. Valores de CO2 modo Automático. ........................................... 105 Figura 86. Valores de HC en modo Automático. ........................................ 105 Figura 87. Valores de O2 modo Automático. ............................................. 106 Figura 88. Valores de NO modo Automático. ............................................. 107 xviii Figura 89. Interfaz OBD Link SX. ............................................................... 107 Figura 90. Ruta ESPE Belisario Quevedo y CCICEV Quito. ...................... 108 Figura 91. Diagrama de flujo para pruebas de consumo de combustible ... 109 Figura 92. Consumo con paradas en litros cada 100km. ........................... 110 Figura 93. Consumos sin paradas en litros cada 100km. ........................... 111 Figura 94. Consumo en litros por hora. ...................................................... 111 Figura 95. Consumo total de combustible. ................................................. 112 Figura 96. Pruebas de Consumo. .............................................................. 112 Figura 97. Diagrama de flujo para pruebas de consumo de AdBlue. ......... 113 Figura 98. Consumo del inyector de AdBlue a diferentes regímenes. ........ 116 Figura 99. Cronograma de actividades. ..................................................... 121 xix ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Operacionalización de la variable independiente ........................... 11 Tabla 2. Operacionalización de la variable dependiente .............................. 12 Tabla 3. Metodología de la investigación. .................................................... 12 Tabla 4. Normas EURO. .............................................................................. 16 Tabla 5. Límites máximos de emisiones para fuentes móviles con motor de diésel a partir del año modelo 2000. ....................................... 17 Tabla 6. Límites máximos de opacidad de emisiones para fuentes móviles con motor de diésel...................................................................... 17 Tabla 7. Propiedades químicas del AdBlue. ................................................ 30 Tabla 8. Selección del tubo para el escape. ................................................ 44 Tabla 9. Selección del catalizador para el sistema SCR. ............................. 45 Tabla 10. Selección de la bomba para el sistema SCR. .............................. 48 Tabla 11. Selección de la cañería para el sistema SCR. ............................. 49 Tabla 12. Variación de volumen y voltaje del sensor de nivel de AdBlue. .... 50 Tabla 13. Calculos del deposito de AdBlue. ................................................. 51 Tabla 14. Sistema de bombeo. .................................................................... 52 Tabla 15. Consumo de la batería. ................................................................ 55 Tabla 16. Cálculo de la intensidad de los componentes. ............................. 55 Tabla 17. Intensidad Producidad por los actuadores y sensores. ................ 56 Tabla 18. Relación del giro del motor con el periódo del sensor CMP. ........ 59 Tabla 19. Variación de la temperatura - voltaje del sensor ECT. ................. 61 Tabla 20. Variación porcentaje - Voltaje del sensor APP. ............................ 64 Tabla 21. Selección del controlador Arduino para el sistema SCR. ............. 66 Tabla 22. Selección de la termocupla para el sistema SCR. ........................ 66 Tabla 23. Pruebas de Torque y Potencia con el sistema SCR. .................... 77 Tabla 24. Promedio de los valores máximos de las pruebas de Torque y Potencia. ...................................................................................... 79 Tabla 25. Porcentajes de Opacidad Límites y Pruebas . .............................. 83 Tabla 26. Resultados de Emisiones Estándar.............................................. 90 Tabla 27. Resultados de Emisiones Modo Manual. ..................................... 91 xx Tabla 28. Resultados de Sensores Individuales. ......................................... 92 Tabla 29. Resultados Combinaciones de Sensores. .................................... 93 Tabla 30. Resultados Modo Automático. ..................................................... 94 Tabla 31. Consumo de Combustible. ......................................................... 110 Tabla 32. Consumo del inyector de AdBlue a 1000 - 2000 y 3000 RPM en 2 – 4 y 6min. .............................................................................. 114 Tabla 33. Recursos humanos. ................................................................... 117 Tabla 34. Recursos institucionales. ........................................................... 118 Tabla 35. Recursos materiales. ................................................................. 118 Tabla 36. Recursos tecnológicos. .............................................................. 119 Tabla 37. Presupuesto de los recursos materiales..................................... 119 Tabla 38. Presupuesto de los recursos tecnológicos. ................................ 120 Tabla 39. Presupuesto total del proyecto. .................................................. 121 xxi ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 2. Ley de Ohm.............................................................................. 36 Ecuación 3. Número de Reynolds. ............................................................... 37 Ecuación 4. Ecuación de Darcy. .................................................................. 37 Ecuación 5. Ecuación general de la energía. ............................................... 38 xxii RESUMEN El presente trabajo de titulación describe parámetros y características de diseño del sistema SCR para la inyección de AdBlue que es la combinación de agua con urea al 32,5 % en el sistema de escape, mediante un módulo de control electrónico que comanda tres modos de operación; manual, semiautomático y automático cuantificando señales de posición del árbol de levas, posición del pedal del acelerador, temperatura del motor y catalizador controlando el tiempo de activación de un inyector de AdBlue mediante un microcontrolador. El sistema cuenta con dispositivos de visualización de datos y mando de los modos de operación. Se realizó pruebas de desempeño y rendimiento motor como torque, potencia, consumo de combustible, consumo del aditivo, emisiones y opacidad. Los resultados obtenidos se representaron gráfica y estadísticamente obteniendo la reducción de óxido de nitrógeno (NOx) de 76,85% determinando una influencia positiva del sistema en el vehículo Mazda BT – 50 con motor MZR – CD 2,5 L CRDI. PALABRAS CLAVE:  ADITIVO - ADBLUE  SISTEMA REDUCCIÓN CATALÍTICA SELECTIVA  SCATALIZADOR SCR  EMISIONES DE GAS NOx xxiii ABSTRACT The present titration work describes the parameters and design characteristics of the SCR system for AdBlue injection, which is the combination of water with 32.5% urea in the exhaust system, by means of an electronic control module that controls three modes of operation ; manual, semiautomatic and automatic quantifying position signals of the camshaft, position of the accelerator pedal, temperature of the engine and catalytic converter controlling the activation time of an AdBlue injector by means of a microcontroller. The system has data visualization devices and control of operating modes. Performance and engine performance tests were performed such as torque, power, fuel consumption, additive consumption, emissions and opacity. The results obtained were represented graphically and statistically obtaining the reduction of nitrogen oxide (NOx) of 76.85% determining a positive influence of the system on the Mazda BT - 50 vehicle with MZR - CD 2.5 L CRDI engine. KEYWORDS:  ADDITIVE - ADBLUE  SCR SYSTEM  SCR CATALYST  NOx GAS EMISSIONS 1 CAPÍTULO I 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Antecedentes investigativos Según el (Ministerio del ambiente, 2010) en su Plan Nacional de Calidad del Aire menciona que el 76% de la contaminación atmosférica proviene de los vehículos y el 24% restante de la industria, la generación eléctrica y de fuentes naturales como los volcanes. En el Equinoccio (Agencia de Noticias de Ecuador, 2015), Manuel Murtinho, presidente de la Asociación Ecuatoriana Automotriz (AEA), por las calles, carreteras de primer orden y secundarias del Ecuador de los 2 millones 200 mil unidades, 218 mil tendrían más de 35 años, 60 mil entre 25 y 30 años y 160 mil entre 20 y 25 años de edad, estas unidades son las que provocan el 35% de la contaminación ambiental. Según (Reyes L, 2015) con el fin de cumplir la exigente normativa anticontaminación Euro 6 hay marcas que han combinado varios elementos, desde filtros antipartículas (FAP) con aditivo, el catalizador Selected Catalytic Reduction (SCR). Menciona (Cross L, 2015) que la tecnología de reducción catalítica selectiva (SCR) reduce las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) mediante el uso de un catalizador. SCR, o Reducción Catalítica Selectiva, es una tecnología de control de las emisiones empleada por primera vez en centrales eléctricas propulsadas por carbón con el objetivo de limpiar los óxidos de nitrógeno (NOx) de los gases de escape. En 2006, la tecnología se introdujo con éxito en el mercado europeo de los motores diésel industriales, y permitió que los camiones 2 pudieran cumplir con los límites establecidos en las normas Euro 4 y Euro 5. Según (Prieto I, 2012) el nitrógeno formando parte de las moléculas del combustible se presenta en los combustibles tipo carbón o petróleo. El contenido medio de nitrógeno del gas natural y los productos petrolíferos ligeros es despreciable, mientras que en los crudos de petróleo oscila alrededor del 0,1-0,5 %. El carbón abarca una gama de contenidos de 0,5-2 %. De este modo es lógico pensar que la formación de NOx del combustible predomine en el carbón y los petróleos brutos, llegando en los quemadores de carbón pulverizado a constituir del 30-80 % del NOx producido. Para (Greenchem A, 2010) un sistema SCR utiliza AdBlue junto con un catalizador de vanadio o de metal común montado en el silenciador del vehículo para reducir los óxidos de nitrógeno convirtiéndolos en vapor de agua y nitrógeno atmosférico. AdBlue consiste en 32,5 por ciento de urea y 67,5 por ciento de agua desmineralizada. Es Inodoro, limpio y no tóxico. Las normas ISO 22241 y DIN 70700 establecen un alto nivel de pureza para AdBlue. SCR aborda el problema fuera del motor y tiene el potencial de alcanzar un porcentaje de reducción del NOx superior al 80%, permitiendo que el motor se ponga a punto para obtener su máxima eficiencia. Tener el motor a punto para alcanzar su máxima eficiencia permite un ahorro en combustible estimado entre el 3-5%, proporcionando a los usuarios de los vehículos la oportunidad de ahorrar gran cantidad de dinero en sus facturas anuales de combustible. Determina (Verband D, 2013) que la solución AdBlue se alimenta desde el tanque a través de tuberías hasta un módulo de inyección regulado por la unidad de control del motor. Este módulo asegura que 3 siempre se inyecte la cantidad correcta de AdBlue según la temperatura y presión de los gases de escape. Según (Gonzalez E, 2015) las marcas que poseen y ya comercializan vehículos con el sistema SCR son: Iveco, Scannia, Mercedez Benz, Man, Volvo, DAF, Renault y pocos modelos de International en lo que se refieres a camiones; por otro lado algunos modelos de coches que utilizan Adblue y que se comercializan son los vehículos Opel con motores 1.6 CDTi 110 y 136 CV; Mazda CX-7 2.2 MZR-CD; vehículos con motores Bluetec y Blue Efficiency Power de Mercedes-Benz, así como su modelo Sprinter; ; Porsche Macan S Diesel; Volkswagen Crafter, Sharan, Jetta, Tiguan y Touareg, es decir, los vehículos que tienen motores Blue TDi o los denominados Clean Diesel; algunas versiones de la Serie 3 de BMW; Audi Q7; y coches con motores Blue HDi del Grupo PSA (2.0 y 1.6). Estos fueron los modelos donde se inició la presencia de los sistemas SCR en 2014, a los que se han incorporado rápidamente más modelos en todas las marcas. En la revista de (Ebizor B, 2016) se menciona, el 9 de octubre de 2016, el presidente de Ecuador, Rafael Correa, informó en el enlace ciudadano 495 que se levantarán los cupos para importar vehículos desde Europa, aunque con mayor rigurosidad en cuanto a los estándares de contaminación ambiental y seguridad ciudadana. Rafael Correa comentó que desde 1992 hasta nuestros días, Ecuador aceptaba la norma Euro 1, mientras que Colombia trabaja con Euro 3, Perú con Euro 4, y Argentina, Chile y Brasil Euro5; por eso solicitó una revisión para que en el país empiecen a regir normas internacionales vigentes. En una redacción de la Revista Líderes (Comercio, 2016) la clasificación Euro 3 fue expedida en el año 2000 y derogada por la 4 Euro 4 en el 2005. Hoy en la actualidad, en Europa se rige bajo la norma Euro 6. Desde 1992, en Ecuador, las exigencias ambientales son equivalentes a una Euro 1, por esta razón se busca incrementar las normativas. David Molina, director ejecutivo de la Cámara de la Industria Automotriz del Ecuador (CINAE), explica que gran parte de los vehículos ensamblados en Ecuador cumplen con las normas Euro 2 y Euro 3 y los importados también. Marcas de alta gama como Porsche, BMW, entre otras ya están en el mercado con autos que cumplen con la Euro 4. Los gremios del sector automotor expresaron su total apoyo para el cambio de estas normativas. Aunque como dice Genaro Baldeón, director ejecutivo de la Asociación de Empresas Automotrices del Ecuador (AEADE), la aplicación de la misma debe ser consecuente con la realidad económica del país. 1.2. Planteamiento del problema Figura 1. Análisis del problema. Los altos niveles de contaminación que proviene de vehículos en un 76% como problemática de la contaminación atmosférica, contienen óxidos de 5 nitrógeno (NOx) en un 80%, este gas resulta de la suma de monóxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2). Estos gases se forman cuando el combustible se quema a altas temperaturas, este gas de color marrón reacciona con el aire para formar ácido nítrico corrosivo, nitratos orgánicos tóxicos y ozono troposférico (smog), que conlleva efectos adversos en los ecosistemas terrestres y acuáticos. Por lo tanto, la investigación se basa en la manera en la que influye la implementación del conjunto SCR con inyección de AdBlue en el sistema de escape, en el comportamiento de emisiones y desempeño mecánicos para lo que se utilizó el motor MZR – CD 2.5L, como tecnología aplicada para la reducción de óxido de nitrógeno (NOx) – opacidad, de tal manera que sea un aporte en el control de los niveles de polución hacia la atmosfera producidos por vehículos. El convertidor catalítico es un sistema de tratamiento de gases de escape, es un elemento primordial que tiene como misión transformar los gases de escape (CO, HC y NOx) mediante una reacción química en gases inocuos, para lo cual debe alcanzar temperaturas óptimas de funcionamiento. La propuesta de investigación contempló la implementación del sistema SCR a partir de la inyección de AdBlue (agua al 32.5% de urea), de tal forma que provoque que el catalizador trabaje de una manera eficiente, contribuyendo en la reducción de óxidos nitrosos y la incidencia en los niveles de opacidad en vehículos diésel. En la actualidad en el país los vehículos ensamblados y comercializados no cuentan con sistemas de tratamiento de gases de escape adicional al catalizador que garantice la disminución de fuentes contaminantes del 6 ambiente, mediante tecnologías de control de emisiones, por lo que se desarrolló un sistema eficiente que permita reducir la emisión de NOx y opacidad con eficiencia en diferentes condiciones de operación y funcionamiento del vehículo de prueba. 1.3. Descripción resumida del proyecto En la presente investigación se recolectó información técnica-científica que fundamente aspectos teóricos y prácticos, donde se consideró su procedencia de fuentes confiables como bases de datos digitales, libros, manuales, fichas técnicas, normas y artículos, con lo cual la realización del proyecto está fundamentado con información confiable. Se implementó el conjunto SCR en el escape del motor MZR –CD 2.5L, mediante un diseño que considere aspectos mecánicos como el tamaño, la ubicación adecuada de un tanque auxiliar donde se almacene el AdBlue, ubicación del inyector y la bomba de AdBlue, así como también la longitud y diámetro del tubo de escape ya que esto influye mucho en los aspectos físicos que pueden determinar la rapidez, presión y temperatura de los gases; los aspectos basados en la gestión electrónica calculando los tiempos de inyección y apertura del inyector, utilizando microprocesadores. Se realizaron pruebas de emisiones de óxidos nitrosos, además se analizó el desempeño mecánico del motor que comprende las pruebas de torque, potencia, consumo de combustible y rendimiento: normal, motor, a las ruedas y de arrastre, mediante el factor de corrección considerando altitud y presión atmosférica. Se obtuvieron datos de gestión electrónica del sistema de inyección de combustible con el equipo de medición y diagnostico necesario; antes y después de la implementación del sistema de inyección de AdBlue. 7 Finalmente se realizó comparaciones de los datos obtenidos mediante la tabulación estadística y análisis gráfico de emisiones – opacidad considerando la normativa NTE INEN 2207, 2002 –NTE INEN 2202, 2000 – SAE J1667 y rendimiento del motor MZR –CD 2.5L 4X2 STD CRD DIESEL, torque, potencia a partir de la norma SAE J1349 con su factor de corrección y consumo de combustible volumétrico. 1.4. Justificación e importancia El gobierno nacional a través del INER (Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables) presenta la creación de nuevas tecnologías para mejorar la eficiencia energética mediante la investigación y desarrollo de proyectos que aporte a la ciencia mediante el estudio, fomento, e innovación promoviendo las buenas prácticas para el uso adecuado de la energía y la creación de tecnologías dirigidas al aprovechamiento de fuentes energéticas limpias y amigables con el ambiente que demandan los diferentes tipos de transporte motorizados en el país. Uno de los puntos más relevantes es el ámbito energético por lo que es necesario considerar que el consumo o ineficiencia energética se ve enfocado directamente por la tecnología usada, generación de fuentes alternativas de energía y por la congestión vehicular. Para preservar la integridad de las personas desde el punto de vista ambiental se debe establecer la calidad y cantidad de los combustibles que se comercializan en el país, para determinar el total la contaminación ambiental, lo que permite identificar al transporte terrestre como el de mayor impacto ambiental en el Ecuador. Para reducir las emisiones de gases tóxicos generados por el parque automotor se tiene que efectuar medidas de eficiencia energética, para esto una propuesta muy amigable con el medio ambiente es la sustitución de los 8 combustibles fósiles por otras alternativas energéticas, como biocombustibles provenientes de fuentes renovables o poco aprovechadas en la industria automotriz El desarrollo social y un objetivo básico es mejorar la calidad de vida, para esto se necesita impulsar proyectos encaminados al cambio de la matriz productiva, el mismo que busca generar nuevos productos a través del talento nacional, para así obtener un medio de transporte de alta calidad, más accesible en lo económico y sobretodo, más amigable con el medio ambiente. Un valor estratégico de esta investigación está basado en el desarrollo de un sistema alterno de tecnología SCR que funcione con un módulo de control, para de esta manera cumplir con una de las propuestas de políticas en materia de energías alternativas, ejemplos de esta política son la creación del proyecto de Energías no renovables y Tecnologías en el automóvil. Mediante esta investigación se encontró las ventajas y desventajas del uso del sistema SCR al aplicarlo en vehículos que utilizan diesel y realizar diferentes pruebas de emisiones de gases. Se determinó el funcionamiento y rendimiento en el vehículo del sistema SCR, se pudo documentar el proceso de implementación del sistema y se logró concluir si es viable como alternativa ecológica. 1.5. Proyectos relacionados Tema: “ANÁLISIS DE LOS GASES DE ESCAPE MEDIANTE LA OPTIMIZACIÓN DEL MOTOR ISUZU DEL LABORATORIO DE MOTORES DIESEL-GASOLINA” Autor: Cañizares Calderón Jorge David, Cruz Arcos Guillermo Mauricio 9 Universidad: Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-L, Ingeniería Automotriz Año: 2008 Observación: Con el diseño e implementación de un módulo para el análisis de los gases de escape mediante la optimización del motor Isuzu se logrará disminuir la formación de óxidos de nitrógeno ya que se disminuye la temperatura de combustión en determinadas fases del funcionamiento del motor (a baja y media carga). Esto se consigue mediante el sistema EGR, que introduce en los cilindros ciertas cantidades de gases de escape que ya han sido previamente quemados y que prácticamente no contienen oxígeno, por lo que apenas arderán. 1.6. Objetivos del proyecto 1.6.1. Objetivo general Investigar el desempeño y emisiones del motor diésel MZR –CD 2.5L al implementar el conjunto SCR con inyección de AdBlue en el sistema de escape. 1.6.2. Objetivos Específicos  Recopilar información teórica y técnica inherente a sistemas de control de emisiones y equipo a utilizar para el desarrollo del proyecto de investigación.  Diseñar el módulo de control, que regule los tiempos de inyección y apertura del inyector, considerando todos los parámetros necesarios para obtener un funcionamiento eficiente del sistema SCR. 10  Implementar el sistema SCR tomando en cuenta los parámetros mecánicos, físicos y térmicos para la instalación y adecuada ubicación del inyector, depósito de AdBlue, bomba de AdBlue, catalizador y su módulo de control.  Realizar pruebas de emisiones de óxidos nitrosos, opacidad, torque y potencia.  Tabular los datos obtenidos, usando gráficas para generar un registro de las variaciones antes y después de la implementación del sistema SCR, en porcentaje de emisiones de gases y de los parámetros característicos (torque, potencia y consumo de combustible).  Analizar los resultados obtenidos de la investigación antes y después de haber acondicionado el sistema SCR de tal forma validar su funcionamiento con una optimización del tratamiento de gases de escape. 1.7. Metas  Implementar el sistema SCR para inyectar AdBlue (agua al 32,5 % con urea), en el sistema de escape del motor MZR –CD 2.5L CD 4x2 STD CRDI Diésel con un módulo de control electrónico para reducir los niveles de emisiones de HC un 30%, NOx un 35% y la opacidad en un 45%. 1.8. Hipótesis  ¿La implementación del sistema SCR al inyectar agua al 32,5% con urea (AdBlue) en el sistema de escape del motor MZR –CD 2.5L CD 4x2 STD CRDI Diésel, reducirá los óxidos de nitrógeno (NOx) en un 35%? 11 1.9. Variables de la investigación  Variable Independiente: Sistema SCR con inyección de AdBlue.  Variable Dependiente: Desempeño y emisiones de gases del motor diésel. 1.10. Operacionalización de variables Tabla 1. Operacionalización de la variable independiente Concepto Categorías Indicadores Item Técnica Instrumentos El sistema SCR con inyección de AdBlue es una tecnología que se usa para reducir las emisiones de gases de escape. Parámetros del MCI y subsistema s Temperatura del motor °𝐶 Medició n GPR Revoluciones del motor Rpm Medició n GPR Porcentaje de apertura del acelerador % Medició n Interfaz ElmScan 5 Ancho de pulso 𝑚𝑠𝑒𝑔 Medició n Osciloscopio OTC Torque Lbf-ft Medició n Ensayo Prueba de laboratorio Potencia HP Medició n Ensayo Prueba de laboratorio Consumo de combustible 𝑙𝑡 Medició n Interfaz ElmScan 5 Tiempo de inyección de AdBlue 𝑠 Cálculo Ensayo Prueba de laboratorio Tiempo de apertura del inyector de AdBlue 𝑠 Cálculo Ensayo Prueba de laboratorio Temperatura de gases de escape °𝐶 Cálculo Pistola térmica 12 Tabla 2. Operacionalización de la variable dependiente Concepto Categoría Indicadores Ítem Técnicas Instrumentos Las emisiones de gases contaminantes que produce el motor diésel inciden en la afectación al ambiente debido a la elevada combustión de gases vehiculares y el consumo de combustible, que repercuten en la salud y el bienestar de los seres vivos. Gases combustion ados por el motor de combustión HC 𝑝𝑝𝑚 Medición NTE INEN 2207:2002; NTE INEN 2202:2002 CO % Medición NTE INEN 2207:2002; NTE INEN 2202:2002 𝐶𝑂2 % Medición NTE INEN 2207:2002; NTE INEN 2202:2002 NOx % Medición NTE INEN 2207:2002; NTE INEN 2202:2002 Euro III – Euro IV- Euro V- Euro VI Opacidad % Medición Calculo NTE INEN 2207:2002; Euro III – Euro IV- Euro V- Euro VI Humos de escape m-1 Medición Calculo SAE J6667 Euro III – Euro IV- Euro V- Euro VI 1.11. Metodología de la investigación Tabla 3. Metodología de la investigación. Metodología Descripción Equipo Laboratorio Inductivo En esta investigación se implementó el sistema SCR y se pudo inyectar AdBlue en el sistema de escape para se produzca una reacción química la pasar por el catalizador, cuando los NOx  Motor Mazda BT-50 CD 4X2 STD CRD 2.5 DIESEL  Escáner automotriz  Osciloscopio  Laboratorio de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE CONTINÚA 13 se mezclen con el amoniaco y se obtenga nitrógeno y agua. Deductivo El sistema SCR favoreció las reacciones de reducción de NOx con el agente reductor elegido (amoniaco anhidro, disolución amoniacal o disolución de urea) donde se produjo nitrógeno y agua, limitando de esta manera las reacciones colaterales. Los resultados de reducción están garantizados hasta en un 35%. El calor convierte el AdBlue en amoníaco (NH3) continuando con el proceso el amoníaco se mezcla con los óxidos de nitrógeno (NOx) de los gases de escape del motor y finalmente en el catalizador, el amoníaco (NH3) reacciona con los óxidos de nitrógeno (NOx) transformándolos estos últimos en nitrógeno (N) y vapores de agua, estos gases terminan siendo inocuos al medio ambiente.  Motor Mazda BT-50 CD 4X2 STD CRD 2.5 DIESEL  Escáner automotriz  Osciloscopio  Analizador de Gases  Laboratorio de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Experimental Se aplicó este método al suministrar las condiciones de funcionamiento al sistema SCR para que este pueda trabajar siendo la ubicación de los elementos con los que cuenta el sistema, así como también parámetros térmicos, mecánicos, eléctricos y electrónicos, algo muy importante para el diseño e implementación del sistema,  Motor Mazda BT-50 CD 4X2 STD CRD 2.5 DIESEL  Escáner automotriz  Osciloscopio  Analizador de Gases  Dinamómetro  Laboratorio de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE  Laboratorio de la Universidad Politécnica Nacional CONTINÚA 14 de esa manera se realizaron pruebas, mediciones con la ayuda de ensayos, normas, protocolos y demás instrumentos Medición A través del método de medición se obtuvieron los valores de consumo de combustible y emisiones mediante protocolos de pruebas en función de la normativa nacional NTE INEN 2207:2002 y NTE INEN 2202:2000 e internacionales.  Motor Mazda BT-50 CD 4X2 STD CRD 2.5 DIESEL  Escáner automotriz  Osciloscopio  Analizador de Gases  Laboratorio de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Analítico En la investigación se aplicó este método debido a que los compuestos que conforman la contaminación ambiental está dada por los NOx, para lo cual se implementó el sistema SCR con inyección de AdBlue que reducirá los óxidos nitrosos en un 35%. Con lo cual se pudieron obtener datos de pruebas de emisiones y del comportamiento del motor los mismos que se analizaron y relacionaron a las diferentes condiciones que se generaran en la parte experimental  Computador Microsoft office  Word  Excel  Universidad de las Fuerzas Armadas Espe Extensión Latacunga. Síntesis Al utilizar este método se logró representar todas las generalidades del proceso de diseño, construcción e implementación, a partir de los resultados obtenidos con el sistema convencional. De esta manera se pudo llegar al resultado final, el cual reveló  Computador Microsoft office  Word  Excel  Universidad de las Fuerzas Armadas Espe Extensión Latacunga. CONTINÚA 15 en que porcentaje se redujo el consumo de combustible y emisiones; y así se pudo determinar si el sistema es eficiente. Además se obtuvo un documento resultante de las pruebas y mediciones realizadas, presentando la información de manera ordenada y sintetizada, lo que permitió una fácil asimilación y entendimiento de la misma. Comparativo En esta investigación el método comparativo ayudó a establecer la diferencia entre los resultados emisiones; con y sin el sistema SCR mediante la uso de la normativa nacional NTE INEN 2207:2002 y NTE INEN 2202:2000 e internacionales Euro 5 y Euro 6.  Computador Microsoft office  Word  Excel  Universidad de las Fuerzas Armadas Espe Extensión Latacunga. Matematización En la investigación se utilizó este método para establecer la reducción de NOx proveniente de los gases de escapes, se tienen tanto la reducción selectiva como la no selectiva, en el primer caso, se adquiere el consumo del exceso de O2 y en la segunda se minimizó el consumo de este gas y es este último caso el que interesa.  Calculadora  Computador Microsoft office  Word  Excel  Universidad de las Fuerzas Armadas Espe Extensión Latacunga. 16 CAPÍTULO II 2. MARCO TEÓRICO 2.1. Normas Internacionales de Emisiones y Opacidad 2.1.1. Normas EURO Las normas EURO son un conjunto de restricciones que regulan las emisiones de gases emitidos por los automotores dentro de la Unión Europea. Estas normas han tenido una gran evolución al pasar de los años por lo que (Diario Oficial de la Unión Europea, 2007) menciona que: “Los valores límite para un vehiculo con motor diesel categoria M (turismo) son los siguientes:” Tabla 4. Normas EURO. Norma Masa del monóxido de carbono Masa de hidrocarburos Masa de los óxidos de nitrógeno Masa combinada de hidrocarburos y óxidos de nitrógeno totales Masa de las partículas Unidades (CO) (HCT) (NOx) (HCT)+ (NOx) (PM) L1 L2 L3 L2 + L3 L4 EURO I 3160 ----- ----- 1130 180 mg/km EURO II 1000 ----- ----- 900 100 mg/km EURO III 640 ----- 500 560 50 mg/km EURO IV 500 ----- 250 300 25 mg/km EURO V 500 ----- 180 230 5 mg/km EURO VI 500 ----- 80 170 5 mg/km Fuente: (Diario Oficial de la Unión Europea, 2007) 17 2.2. Normas Nacionales 2.2.1. NTE INEN 2207:2002 (INEN, 2002) Menciona que: “Toda fuente móvil con motor de diésel categoría M1 no podrá emitir al aire monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC), óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas, en cantidades superiores a las indicadas en la tabla siguiente:”, con las definiciones mencionadas en la norma (INEN, 2000). Tabla 5. Límites máximos de emisiones para fuentes móviles con motor de diésel a partir del año modelo 2000. CO (g/km) HC + NOx (g/km) Partículas (g/km) CICLOS DE PRUEBA 2.72 0.97 0.14 ECE -15 + EUDC Fuente: (INEN, 2002) (INEN, 2002) Indica que: “Requisitos máximos de opacidad de humos para fuentes móviles de diésel. Toda fuente móvil con motor de diésel, en condición de aceleración libre, no podrá descargar al aire humos en cantidades superiores a las indicadas en la tabla siguiente:” Tabla 6. Límites máximos de opacidad de emisiones para fuentes móviles con motor de diésel. Año modelo % Opacidad 2000 y posteriores 50 1999 y anteriores 60 Fuente: (INEN, 2002) 18 2.3. Curvas características del motor Diésel 2.3.1. Torque o par motor Menciona (Atienza C, 2015) que: “Para cada motor existe una determinada velocidad de giro en la que se produce el mejor llenado posible de los cilindros, lo que proporciona la mayor presión media efectiva. El que se alcance unas determinadas revoluciones depende de factores como del diseño de los colectores del sistema de distribución, de su definición, etc” Figura 2. Curva de par motor. Fuente: (Atienza C, 2015) 2.3.2. Potencia Según (Atienza C, 2015), “La potencia máxima generada por el motor a cierta velocidad de giro se equilibra con el aumento de rozamientos internos. Es el régimen de giro máximo que puede soportar el motor de manera prolongada y segura. En el origen de la curva la potencia del motor se equilibra con las resistencias internas del mismo. La velocidad de giro en este punto es la mínima posible para el funcionamiento del motor. El final de la curva indica el límite de utilización del motor. A partir del punto de máxima potencia, las condiciones de alimentación del motor empeoran y los rozamientos internos 19 crecen rápidamente, lo que provoca una rápida caída de potencia hasta que su valor efectivo se anula.” Figura 3. Curva de potencia del motor. Fuente: (Atienza C, 2015) 2.4. Sistema de escape del motor MZR 2.5L-CD El conjunto de elementos del sistema de escape son los encargados de conducir los gases de escape producidos por la combustión dentro del cilindro hacia el exterior. Figura 4. Sistema de escape del vehículo Mazda BT-50. Fuente: (Mazda, 2006) 20 (Águeda Casado, Gracia, Navarro, Gómez Morales, & Gracia Jiménez, 2014) indican que ”Los gases de escape deben ser evacuados produciendo el menor ruido posible, el menor freno posible (para no reducir la potencia del motor) y la menor contaminación. Para ello, el sistema dispone de los siguientes elementos:” 2.4.1. Colector de escape (Águeda Casado et al., 2014) Indican que: “Son canalizaciones que unen el motor con el tubo de escape, están fabricados con materiales resistentes a altas temperaturas y diseñados sin curvas agresivas para facilitar la evacuación de los gases. En los motores turboalimentados, el turbocompresor se sitúa a la salida de los colectores”. Figura 5. Colector de escape con turbocompresor. Fuente: (Águeda Casado et al., 2014) 2.4.2. Catalizador (Águeda Casado et al., 2014) Sostienen que: “Los catalizadores están intercalados en el tubo de escape, muy cerca de los colectores para que puedan alcanzar la temperatura ideal de funcionamiento. Su función consiste en transformar, en la medida de lo posible, los gases contaminantes que no se han quemado totalmente durante la combustión y reducir así el nivel de contaminación”. 21 Figura 6. Esquema de funcionamiento de un catalizador. Fuente: (Águeda Casado et al., 2014) 2.4.3. Tubo de escape (Águeda Casado et al., 2014) Indican que: “El tubo de escape es la canalización que une los distintos elementos del sistema hasta la evacuación final de gases a la atmosfera”. Figura 7. Tubo de escape del motor. Fuente: (Águeda Casado et al., 2014) 2.4.4. Silenciador (Águeda Casado et al., 2014) Sostienen que: “Son cajas de resonancia intercaladas entre los colectores de escape y el exterior, su función consiste en disminuir el ruido que provocan las explosiones del combustible, a la salida del escape. Están diseñados para que frenen lo menos posible la salida de gases. Los vehículos pueden llevar instalados más de un silenciador. 22 Figura 8. Ubicación de los silenciadores. Fuente: (Águeda Casado et al., 2014) 2.5. Sensores del motor MZR 2.5L-CD Los sensores del vehículo utilizados en el sistema SCR para el cálculo de inyección de AdBlue son: el Sensor APP N°3 ubicado en el pedal de aceleración dentro de la cabina y los Sensores CMP y ECT N° 13 y 18 respectivamente ubicados en el motor tal como se puede apreciar en la figura 9. Figura 9. Sensores del vehículo Mazda BT-50. Fuente: (Mazda, 2006) 2.5.1. Sensor de Temperatura del Motor (ECT) El sensor de temperatura ECT, figura 10 es de tipo termistor NTC, que posee una resistencia variable que cambia de valor de acuerdo a la temperatura, el PCM coloca un valor de voltaje y de acuerdo al valor de resistencia del sensor. 23 Figura 10. Circuito Sensor ECT Fuente: (Fidalgo, 2017) 2.5.2. Sensor de posición del árbol de levas (CMP) Es un sensor de tipo Hall, el cual se encarga de enviar la posición del árbol de levas mediante pulsos que varían entre valores de tensión de 0 a 5 voltios a la computadora del vehículo. Figura 11. Circuito sensor CMP Fuente: (Mazda, 2006) 2.5.3. Sensor de posición del acelerador (APP) Este sensor es de tipo potenciómetro el cual se encarga de enviar un valor de voltaje a la computadora (PCM), esta señal se encarga de informar cual es la posición del pedal del acelerador. 24 Figura 12. Conector del sensor APP Fuente: (AutoZone, 2017) 2.6. Compuestos contaminantes derivados de la combustión 2.6.1. Óxidos nítricos (NOx) (BOSCH, 2005) Afirma que: “El monóxido de nitrógeno (NO) es un gas incoloro, inodoro e insípido que en la atmósfera se convierte, lentamente, en dióxido de nitrógeno (NO2). El NO, es, en forma pura, un gas venenoso de color marrón rojizo y olor penetrante. En alta concentración, el NO2 puede producir irritación de las mucosas. Los óxidos de nitrógeno se cuentan entre los causantes de daños forestales (lluvia ácida) y, junto con los hidrocarburos, de la formación de niebla contaminante (smog)”. Según (Fernández P, 2012) “Los NOx se refieren a un conjunto de emisiones de óxido nítrico NO, de dióxido nítrico NO2 y trazas de otros, generados en la combustión de cualquier combustible, debido a las altas temperaturas y a la disponibilidad de oxígeno y nitrógeno, tanto en el aire comburente, como en el combustible. Las emisiones de NOx generadas en los procesos de combustión están constituidas por un 90 - 95% de NO, y el resto por NO2. Cuando los humos abandonan la chimenea, una gran parte del NO se oxida en la atmósfera, pasando a NO2”. 25 2.6.2. Hidrocarburos (HC) (Pardiñas, 2012) Indica que: “Aparecen por alguna de las siguientes causas:”  Combustible sin quemar.  Paso excesivo de aceite a la cámara de combustión. (BOSCH, 2005) Sustenta que: “Los hidrocarburos están contenidos de muchas maneras en los gases de escape. Los hidrocarburos alifáticos (alcano, alqueno, alquino y sus derivados cíclicos) son prácticamente inodoros. Los hidrocarburos de estructura anular (benceno, tolueno, hidrocarburos policíclicos) sí tienen olor. Son considerados en parte, si actúan de forma permanente, como cancerígenos. Los hidrocarburos semioxidados tienen un olor desagradable y producen, bajo el efecto del sol, productos derivados, que también se consideran cancerígenos cuando su acción es permanente y se da en determinadas concentraciones”. 2.6.3. Monóxido de Carbono (CO) (BOSCH, 2005) Menciona que: “Monóxido de carbono es un gas incoloro, inodoro e insípido. En los seres humanos, reduce la capacidad de absorción de oxigeno de la sangre y, por consiguiente, produce el envenenamiento del cuerpo. Un contenido de 0,3% de CO en el aire respirado puede tener un efecto mortal en 30 minutos”. 2.6.4. Dióxido de Carbono (CO2) (Pardiñas, 2012) Indica que: “Aunque no es tóxico, resulta perjudicial para el medio ambiente cuando se encuentra en concentraciones superiores a las normales. Siempre que la cantidad de CO2 presente en la atmósfera sea superior a la que las plantas puedan absorber para transformar en oxígeno, se produce «el efecto invernadero» que hace que la temperatura de todo el planeta aumente y se produzcan cambios climáticos de imprevisibles consecuencias”. 26 2.6.5. Oxígeno (O2) (Pardiñas, 2012) Señala que: “Forma parte del aire con una proporción del 21%. Como sabemos, es imprescindible para la combustión. Si esta fuera perfecta no debería sobrar nada de oxígeno, pero como no lo es, todavía sale por el escape un residuo de aproximadamente 0,6% (su valor varía en función de la riqueza de la mezcla)”. 2.6.6. Partículas sólidas (Pardiñas, 2012) Sustenta que: “La combustión, al ser incompleta, produce partículas sólidas en forma de cenizas y hollín. Su efecto, respecto a la contaminación, no tiene gran importancia en los motores de gasolina pero sí en los diésel. Estas partículas pueden acumularse en las partes mecánicas del motor (tanto en los motores diésel como en los de gasolina), dificultando su funcionamiento o produciendo la obturación de los pasos de aire. Los efectos que ejercen sobre el organismo humano todavía no están aclarados por completo”. 2.7. El sistema SCR (Reducción Catalítica Selectiva) Según (Wiesche S , 2016) en el Parlamento de la Unión Europea ha emitido normas de emisión más estrictas (Euro 4, 5 y 6) para los motores diésel de vehículos comerciales para los años 2005 y 2009 y 2014, respectivamente. En comparación con los límites actuales, será necesaria una reducción de las emisiones del 60% para los óxidos de nitrógeno (NOx). Después de comparar y probar diversas opciones técnicas, los fabricantes europeos de vehículos pesados han acordado un método para cumplir estas normas: la reducción catalítica selectiva (tecnología SCR), que convierte los óxidos de nitrógeno en nitrógeno y agua que resultan ser inocuos al ambiente en 27 presencia de un agente reductor, Una solución acuosa de urea que se distribuye bajo el nombre comercial AdBlue. El compuesto químico urea ha desempeñado un papel muy especial en la historia de las ciencias naturales, y marca el comienzo de la química orgánica. En la revista de Cummins (Fleetguard C, 2009) En concordancia con la experiencia internacional, los sistemas SCR (Reducción Catalítica Selectiva) corresponden a la solución apropiada y recomendada para la reducción de emisiones de NOx, en atención a que esta tecnología se adapta a las necesidades de los equipos que emiten estos gases, condiciones de operación, calidad del combustible y requerimientos de la normativa vigente. Esta tecnología logra resultados concretos sin generar problemas en el funcionamiento de los equipos, abatiendo considerablemente las emisiones de óxidos de nitrógeno. Figura 13. Sistema SCR Fuente: (Fernández P, 2012) 2.7.1. La reacción química básica del proceso SCR Según la norma ISO 22241 determina en la Guía para aseguramiento de la Calidad (Cefic, 2011) que el AdBlue es inyectado en el gas de escape caliente y sufre una hidrólisis por encima de 180°C (aproximadamente), formando amoniaco (NH3) según la siguiente ecuación. 28 Reacción de hidrólisis: (NH2)2 CO + H20  2 NH3 + CO2 En el catalizador SCR de metal de base homogéneamente extruido, tiene lugar la siguiente reacción para convertir el NOx con NH3 procedente de la reacción de hidrólisis en nitrógeno y agua. Reacción SCR: 4 NH3 + 4 NO + O2  4 N2 + 6 H2O 8 NH3 + 6 NO2  7 N2 +12 H2O Para que la tecnología SCR de post-tratamiento sea efectiva, es fundamental impedir cualquier contaminación de la AUS 32 causada por elementos extraños y por cualquier condicionante físico fuera de los límites establecidos. 2.7.2. Componentes Según (Pardiñas, 2012) con la introducción del sistema SCR, el sistema de gases de escape en estos motores está formado por los siguientes componentes. Figura 14. :  Colector de escape con el turbocompresor integrado, que no se muestra en la figura para más claridad.  Catalizador de oxidación.  Filtro de partículas.  Mezclador.  Catalizador de reducción.  Tramo final del tubo de escape que tampoco se muestra para mayor claridad. 29 Figura 14. Estructura del sistema SCR Fuente: (Pardiñas, 2012) 2.7.3. AdBlue Según (Erdgas und Kohle, 2003) para la aplicación de urea en el método SCR se pretende utilizar una solución de urea técnicamente pura en agua destilada, que es más fácil de manejar y de dosificar. La solución contiene 32,5% en peso de urea, porque el punto de cristalización alcanza un mínimo de 11 ° C (relación de mezcla eutéctica) a esa concentración. En el futuro esta solución acuosa de urea se distribuirá bajo la denominación internacional "AdBlue". Tras una cuidadosa evaluación de todos los aspectos derechos de patente y marcas registradas, este nombre fue elegido conjuntamente por los representantes del negocio del aceite mineral, la industria química, el automóvil fabricantes y sus proveedores. AdBlue puede ser producido a partir de urea y agua destilada en cualquier lugar, donde la urea se sintetiza en plantas de la industria química. 30 Figura 15. Aditivo AdBlue Fuente: (Basf O, 2007) Tabla 7. Propiedades químicas del AdBlue. Descripción Valores Unidades Urea 31.8-33.2 % en peso Alcalinidad como NH3 Max. 0,2 % en peso Densidad 1087.0-1093.0 kg/m3 Viscosidad 1,4 mPa*s Punto de cristalización -11.5 °C Conductividad térmica 0.570 W/m K Calor específico 3.40 KJ/Kg K Fuente: (Cefic, 2011) 2.7.4. Depósito de AdBlue Según (Perez Bello, 2017) “la ubicación depende del vehículo, así como de su tamaño, figura 16. Los camiones disponen de depósitos de gran capacidad. En su interior se dispone de un sensor de nivel, que informa al conductor, mediante un testigo en el cuadro de instrumentos, cuando el aditivo está próximo a agotarse”. 31 Figura 16. Disposición de los componentes en el vehículo. Fuente: (Perez Bello, 2017) 2.7.5. Catalizador SCR (Perez Bello, 2017) Menciona que: “Los catalizadores SCR (Selective Catalythic Reduction), cuyas siglas corresponden a catalizadores de reducción selectiva, eliminan gran parte de los NOx producidos, permitiendo reducir, ostensiblemente, los porcentajes de recirculación EGR, e incluso llegando a prescindir de ella. Con ello se mejora el rendimiento del motor, reduciéndose el consumo”. En la norma ISO 22241 en la Guía para aseguramiento de la Calidad, menciona (Cefic, 2011) que los catalizadores usados en el sistema SCR de post-tratamiento están formados por compuestos catalíticamente activos de metales de transición, fijados sobre soportes cerámicos. La capacidad del sistema SCR de post-tratamiento para convertir NOx en N2 y H2O depende en gran parte de la actividad real de estos centros activos y del grosor de los poros en el soporte cerámico. El tamaño de los poros determina la tasa de difusión de los gases de escape en el catalizador. Para asegurar un funcionamiento correcto del sistema SCR de post-tratamiento durante un largo período, la calidad del AdBlue ha de controlarse de forma muy estricta, pues muchos de los componentes con valores limitados por la norma ISO 22241-1 pueden dañar irreversiblemente el catalizador debido a una obstrucción física de los poros o a la desactivación de los centros donde se produce la reacción. Una escasa efectividad del sistema SCR de post tratamiento debida a un catalizador en mal estado puede tener como consecuencia: 32  Incremento de las emisiones de NOx  Provocar daños secundarios al propio motor, debido al aumento de la presión del gas de escape. (Pardiñas, 2012) Indica que: “El catalizador de reducción es el encargado de reducir los óxidos de nitrógeno (NOx) a nitrógeno (N2) y a agua (H2O). Está ubicado en el tramo central del sistema de escape y suele estar dividido en dos partes para ocupar menos espacio. En su interior presenta un cuerpo cerámico, en estructura panal, con recubrimiento de zeolita de cobre. Figura 17. Fases de la reacción química en el catalizador. Fuente: (Perez Bello, 2017) (Pardiñas, 2012) Afirma que: “La zeolita de cobre es una estructura porosa compuesta de aluminio, silicio y cobre. Este último es el elemento activo que promueve la reacción química en el catalizador de reducción, siendo más barato que el platino o paladio utilizado en otros tipos de catalizadores”. (Pardiñas, 2012) Menciona que: “El catalizador de reducción es operativo a partir de aproximadamente 200 °C. Previamente a la reducción en el catalizador, es necesario que el agente reductor esté disgregado. Este tramo previo recibe el nombre de trayecto hidrolítico, figura 18”. 33 Figura 18. Trayecto hidrolítico en el catalizador. Fuente: (Pardiñas, 2012) 2.7.6. Inyector Para (Perez Bello, 2017) es el encargado de dosificar el aporte de aditivo. El control del dosificador queda a cargo de una centralita específica, conectada en red con la centralita de gestión del motor. Según (Fidalgo, 2017) el inyector va insertado en el tubo de escape y antes del catalizador, pulveriza la cantidad precisa de urea para que tenga lugar la reacción química. Figura 19. Inyector de AdBlue insertado en el tubo de escape. Fuente: (Fidalgo, 2017) (Ruiz Saráchaga, 2012) Menciona que: “El reactivo es inyectado bajo presión y atomizado por una boquilla 34 especialmente diseñado para crear gotitas de tamaño y distribución óptimos”.  Características del inyector Para (Ruiz Saráchaga, 2012) los inyectores deben tener las siguientes caracteristicas:  Realizado en acero inoxidable 316 (contiene una adición de molibdeno que le da mayor resistencia a la corrosión).  Requiere flujo de aire constante para la refrigeración.  Debería durar 8-10 meses de operación.  Los inyectores son fácilmente sustituibles.  2.7 l/min de solución de urea a 45-70 psi.  Orificio de 4.5mm, gotitas de 35-40micras. Figura 20. Inyecotr de AdBlue. Fuente: (Bosch , 2015) 2.7.8. Módulo de control de inyección de AdBlue (Bosch , 2015) Menciona que: “El control electrónico se puede integrar en la unidad de control del motor (ECU) o, alternativamente, en una unidad de control de dosificación (DCU). 35 En este último caso, el sistema de dosificación se suministra con los datos de funcionamiento actuales del motor a través de un bus CAN (red de área de controlador) y, además, procesa todos los datos de sensor y actuador requeridos para el sistema de dosificación. La estrategia de dosificación se aplica para adaptarse exactamente a la cantidad de agente de reducción al punto de funcionamiento del motor ya las propiedades del convertidor catalítico para la conversión máxima de óxido de nitrógeno”. Según (Fidalgo, 2017) el módulo de control es: “Una centralita que debe calcular la cantidad de urea necesaria en cada momento para que la reacción sea estequiométrica (es decir, que todas las moléculas reaccionen sin que sobren de una o de otra). Esta centralita, además, deberá informar al conductor sobre la cantidad que queda en el depósito de urea y recomendar el repostaje del aditivo antes de que se agote”. Figura 21. Sistema Denoxtronic 3.1 de Bosch. Fuente: (Bosch , 2015) 2.7.9. Sensor de nivel Este sensor es de tipo potenciómetro el cual dentro de su estructura tiene un contacto deslizante el cual varía su resistencia mediante el desplazamiento del flotador. 36 Figura 22. Sensor de nivel del aditivo Fuente: (sabelotodo.org, 2002) 2.8. Ley de Ohm Según (López Rodríguez , 2013) la ley de Ohm determina la proporcionalidad entre el voltaje aplicado a un conductor y la corriente que circula por él, a la constante de proporcionalidad le llamó resistencia eléctrica R, la ecuación que empresa dicha ley es: 𝑉 = 𝐼 ∗ 𝑅 Ecuación 1. Ley de Ohm. Fuente: (López Rodríguez , 2013) Donde: V = Voltaje [V] I = Intensidad de corriente [A] R = Resistencia [Ω] 2.9. Número de Reynolds El número de Reynolds es un número adimensional, (Mott, 2006) menciona que: “permite conocer el comportamiento del fluido, en particular en lo que se refiere a las pérdidas de energía, depende de que el flujo sea laminar o turbulento: si NR < 2000 el flujo es laminar, si NR > 4000 el flujo es turbulento.” 37 𝑁𝑅 = 𝑉 ∗ 𝐷 ∗ 𝜌 ɳ Ecuación 2. Número de Reynolds. Fuente: (Mott, 2006) Donde: NR = Número de Reynolds V = Intensidad de corriente [m/s] D = Diámetro del tubo [m] ρ = Densidad del fluido [Kg/m3] ɳ = Viscosidad [m*s/Kg] 2.9.1. Perdidas de energía (Mott, 2006) menciona que: “Una componente de la perdida de la energía es la friccion en el fluido que circula, esta friccion es proporcional a la carga de la velocidad del flujo y a la relación de la longitud al diámetro de la componente, esto se expresa matemáticamente en la ecuación de Darcy:” ℎ𝐿 = 𝑓 ∗ 𝐿 𝐷 ∗ 𝑣2 2𝑔 Ecuación 3. Ecuación de Darcy. Fuente: (Mott, 2006) Donde: hL = Pérdida de energía debido a la fricción [m] L = Longitud de la corriente del flujo [m] D = Diámetro del tubo [m] v = Velocidad del fluido [m/s] f = Factor de fricción [adimensional] 38 2.10. Ecuacion general de la energía (Mott, 2006) afirma que: “La energia de una seccion de fluido se incrementa con la energia agregada por las bombas o compresores, se disminuye por el retiro de la energia a traves de turbinas o motores; y se disminuye siempre por las perdidas de enrgia debidas a friccion y a elementos secundarios” 𝑃1 𝛾 + 𝑍1 + 𝑉1 2 2𝑔 + ℎ𝑎 − ℎ𝐿 = 𝑃2 𝛾 + 𝑍2 + 𝑉2 2 2𝑔 Ecuación 4. Ecuación general de la energía. Fuente: (Mott, 2006) Donde: P1 y P2 = Presion al inicio y final [Pa] V1 y V2 = Velocidad del fluido al inicio y al final [m/s] hL = Pérdida de energía debido a la fricción [m] ha = Energia proporcionada por la bomba [m] z1 y z2 = Altura del deposito a la bomba y de la bomba hacia la salida [m] 𝛾 = Peso específico del fluido [N/m3] g = Gravedad [m/s2] 2.11. Arduino (Arduino, 2017) menciona que:” Arduino es una plataforma de prototipos electrónica de código abierto (open-source) basada en hardware y software flexibles y fáciles de usar. Está pensado para artistas, diseñadores, como hobby y para cualquiera interesado en crear objetos o entornos interactivos. Arduino puede sentir el entorno mediante la recepción de entradas desde una variedad de sensores y puede afectar a su alrededor mediante el control de luces, motores y otros artefactos. El microcontrolador de la placa se programa usando el Arduino Programming Language (basado en Wiring) y el Arduino Development Environment (basado en Processing). Los proyectos 39 de Arduino pueden ser autonomos o se pueden comunicar con software en ejecución en un ordenador”. 2.12. Equipos 2.12.1. Analizador de Gases Brain Bee AGS-688 Según (GlobalTech, 2007) el analizador de gases Brain Bee AGS – 688 es utilizado para determinar las diferentes concentraciones de gases emitidas en el escape de vehículos; el equipo puede ser operado en modo estático o dinámico midiendo el gas del tubo de escape con la ayuda de la respectiva sonda; gracias al teclado del analizador, al culminar las pruebas requeridas se puede imprimir los resultados directamente o guardarlos a un ordenador conectado al analizador, figura 23. Figura 23. Analizador AGS-688. Fuente: (OBD2 Soluciones, 2015) Se lo considera un analizador de gases básico pero gracias a los accesorios varios que se le puede conectar se generan funciones adicionales como: es posible conectar un medidor de revoluciones (MGT-300) el cual se integra con el módulo; también es posible la conexión con el ordenador gracias al cable RS232, USB o con el módulo BT-100 Bluetooth. 40 2.12.2. Opacímetro Menciona (Villacís Y, Burgos D, 2016) , el opacímetro es un equipo combinado marca CARTEK, opacímetro y analizador de gases con el cual se realiza la prueba de opacidad para comparar los resultados obtenidos con el analizador de opacidad BEAR, figura 24. Figura 24. Opacímetro BEAR. Fuente: (CAPELEC, 2016) Las especificaciones técnicas del analizador son las siguientes:  Configuración básica de análisis diesel.  PC basado en sistema Windows XP  Medidor de humo (Opacímetro)  Pantalla plana 17"  Impresora opcional  110 / 220 Volts-50 / 60 HZ 2.12.3. ElmScan 5 Para (ScanTool, 2017), el equipo de medición ElmScan 5, permite establecer la conexión entre el vehículo mediante un diagnóstico a bordo OBD II y el computador por USB mediante el software OBDwiz, figura 25. El equipo crea tableros virtuales que se asemejan a los de un vehículo real, los cuales se puede observar diferentes PIDs del vehículo. 41 Figura 25. Interfaz ElmScan 5. Fuente: (ScanTool, 2017) 2.12.3. Dinamómetro de rodillos MAHA 3000 LPS Según el catálogo (MAHA, 2017) el banco de prueba de potencia LPS 3000, figura 26, ofrece resultados precisos y constantes sobre la potencia del motor y el par del motor. La gráfica resultante de la prueba, refleja valores de: potencia normal, del motor, de las ruedas, de arrastre, la máxima, el par de motor, el par máximo y las RPM máximas alcanzadas. Otros de los valores resultantes gracias a los accesorios del dinamómetro son: temperatura ambiente, de aire aspirado, humedad relativa del aire, presión del aire, presión del vapor y la temperatura del aceite del motor. El dinamómetro extrapola todos los valores de medición a valores normalizados según las normas internacionales. Asimismo, el LPS 3000 cuenta con la posibilidad de conectar aparatos de medición externos, como medidor de consumo de combustible, analizador de gases, etc., completa las posibilidades de uso en la industria, talleres o deportes de motor/tuning. 42 Figura 26. Dinamómetro de rodillos LPS 3000. Fuente: (ResearchGate, 2016) Para (MAHA, 2017) el software ofrece:  La medida continua (dinámica) y discreta (estática) de la potencia.  La representación gráfica y digital de la potencia de rueda, la potencia de las pérdidas en la transmisión, la potencia del motor y el momento de torsión.  El cálculo de la potencia del motor en concordancia con DIN 70020, EWG 80/1269, ISO 1585, JIS D 1001, SAE J 1349. 43 CAPÍTULO III 3. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA SCR DE INYECCION DE ADBLUE. 3.1. Levantamiento de requerimientos Los requerimientos necesarios para implementar el Sistema SCR con inyección de AdBlue en el sistema de escape en el motor Diésel MZR – CD 2.5 L, son: catalizador SCR, termocupla, inyector de AdBlue, bomba de inyección de AdBlue, módulo de control de inyección de AdBlue, depósito de AdBlue, sensor de nivel de AdBlue, tubo de acero, cables y sistemas de fijación. Además, el sistema recibe señales de los sensores existentes en el vehículo como son: sensor de temperatura del motor (ECT), sensor de posición del árbol de levas (CMP), sensor de posición del pedal del acelerador (APP) y el voltaje de la batería. 3.2. Diseño El sistema SCR está constituido por cuatro partes que son: mecánica, hidráulica, eléctrica y electrónica. La parte mecánica consta de: catalizador SCR y alojamiento del inyector de AdBlue, encargados de realizar el proceso químico de tratamiento de gases de escape; puntos de fijación y tubos de acero, que conducen los gases de escape hacia el exterior. El sistema hidráulico conformado por: depósito de AdBlue (agua al 32.5% de urea), cañerías y bomba de inyección; este sistema succiona el aditivo localizado en el depósito mediante la bomba, y empujado hacia el inyector. 44 El sistema eléctrico es el encargado de proporcionar el voltaje de la batería hacia el módulo de control y los actuadores (inyector y bomba). El sistema electrónico controla los tiempos de inyección y activación de la bomba, mediante las señales que recibe de los sensores, aplicando elementos semiconductores y pasivos mediante una placa de control alojado en la cabina del vehículo. 3.3. Diseño Mecánico 3.3.1. Tubo de escape Para la selección del tubo para el sistema de escape se consideró diferentes aspectos tales como: diámetro del tubo, costo y el peso. El sistema necesita un tubo redondo de 2 ½ pulgadas ya que el sistema de escape original tiene un tubo de esta dimensión y el catalizador también tiene las mismas dimensiones.  Selección de alternativas Tabla 8. Selección del tubo para el escape. Tipo Diámetro (pulg) Espesor (mm) Peso (kg/m) Disponibilidad en el mercado Costo Agricola galvanizado 2 1/4 1.5 2.23 Disponible Medio Tubo de poste galvanizado 2 1/2 2 3.27 Disponible Medio Tubo negro 2 1/2 1.5 2.34 Disponible Bajo 45 De acuerdo a los resultados obtenidos, se seleccionó el tubo de acero negro de 2 ½ pulgadas de diámetro, con un espesor de 1.5 mm el cual tiene un peso de 2.34 kg/m, del catálogo de tubos de (Novacero, 2017), debido que su costo es bajo, y el sistema no requiere de algún recubrimiento especial en el tubo de escape. 3.3.2. Catalizador SCR El catalizador para el sistema SCR debe de cumplir con diferentes requerimientos, para que el tratamiento de gases de escape funcione correctamente los cuales son: estructura interna cerámica, número de vías deben ser tres y con una entrada y salida de 2 ½ pulgadas.  Selección de alternativas. Tabla 9. Selección del catalizador para el sistema SCR. Versión (Serie) Diámetro (pulg) Material N° vias Disponibilidad en el mercado Costo 34000 2 1/2 Acero 3 Disponible Medio 36000 2 1/2 Cerámico 2 Bajo pedido Medio 39000 2 1/2 Cerámico 3 Disponible Medio Para este sistema se escogió el catalizador cerámico de tres vías, con una entrada y salida de 2 ½ pulgadas, de la serie 39000 parte N° 39006 del catalogo de (MagnaFlow, 2011), con una disponibilidad inmediata, este catalizador esta diseñado para que vaya ubicado en la parte posterior de la linea de escape, y con un solo tubo para la salida de gases de escape 46 3.3.4. Construcción e implementación Iniciar Terminar Colocar el vehículo en la posición correcta en el elevador Colocar el freno de estacionamiento y apagar el vehículo Colocar los brazos del elevador en los puntos correctos en el vehículo Elevar el vehículo ¿El sistema escape esta frío? SI Retirar los pernos del catalizador del vehículo con la ayuda de llaves o copas NO Esperar el tiempo necesario hasta que se enfríe lo suficiente Retirar los soportes elásticos del catalizador Desmontar el catalizador del vehículo Cortar la plancha de acero de acero con la misma figura de las juntas de acople del catalizador Realizar los agujeros para los pernos Soldar las juntas al tubo de acero de 2 ½ pulgadas de 10 cm de largo Montar las nuevas juntas de acople al sistema de escape y empernarlos Soldar el catalizador al tubo de acero de 2 ½ pulgadas de 50 cm de largo en sus dos extremos Doblar los tubos con la ayuda de la maquina BendPack ¿Los dobleces son correctos? Montar el catalizador en el sistema de escape del vehículo NO Cortar el exceso de tubo y soldar los tubos a las nuevas juntas de acople Soldar el inyector al tubo de 1 ½ pulgadas de 10 cm de largo Realizar una abertura en el tubo de escape antes del catalizador para el alojamiento del inyector Soldar el inyector al tubo de escape Soldar dos varillas de ½ pulgada en el tubo de escape para los soportes elasticos Montar los soportes elásticos en el sitema Figura 27. Diagrama de flujo de la construcción e implementación del sistema mecánico. 3.3.5. Simulación En la figura 28, se muestra el ensamble de todas las piezas que conforman sistema de escape para el sistema SCR está conformado por: (1) catalizador SCR, (2) y (3) tubos de acero, (4) y (5) soportes de fijación y (6) inyector de AdBlue. Figura 28. Elementos del sistema de escape SCR. 47 En la figura 29 se puede apreciar la deformación producida debido al apriete de los pernos en los soportes de fijación del sistema de escape SCR que es de 1.0156 x10-8 m, la cual es despreciable. Figura 29. Deformación debido al apriete de los pernos. En la figura 30 se evidencia los gases de escape circulando por el sistema SCR, los cuales al ser mezclados con el aditivo y procesados por el catalizador SCR tenemos una reducción de temperatura a la salida del sistema de escape. Figura 30. Flujo de gases de escape. 48 3.4. Diseño Hidráulico 3.4.1. Selección de la bomba Para el correcto funcionamiento del sistema SCR, la bomba debe proporcionar una presión de trabajo de entre 0.45 a 0.85 MPa (4.5 a 8.5 bares).  Selección de alternativas Tabla 10. Selección de la bomba para el sistema SCR. Marca Presión (MPa) Caudal (m3/h) Tensión (V) Posición Disponibilidad en el mercado Costo Bosch 0.6 0.12 12 Externa Disponible Medio Delphi 0.3 0.11 12 Externa Disponible Medio VDO 0.4 0. 095 12 Sumergida Disponible Medio Según las especificaciones técnicas del sistema SCR, se seleccionó la bomba de combustible de la marca Bosch código HB3065 del catálogo de (Hescher, 2018), que tiene una presión de 0.6 MPa, el cual está dentro del rango establecido, posee un caudal de 0.12 m3/h, su posición es externa, trabaja con una tensión de 12 voltios y su costo no es elevado 3.4.2. Selección de la cañería. Debido a que la bomba seleccionada para este sistema tiene una presión de 0.6 MPa, la cañería debe soportar dicha presión de trabajo, para lo cual se establece esta condición que debe cumplir la cañería, además debe tener un diámetro interno de 6 mm que encaje en las tomas del inyector, depósito y tomas de entrada y salida de la bomba. 49  Selección de alternativas. Tabla 11. Selección de la cañería para el sistema SCR. Tipo Presión de trabajo (MPa) Diámetro interno (mm) Disponibilidad en el mercado Costo 3225 1 6 Disponible Medio 4324 0.6 6 Disponible Medio 4219 0.69 - 3.45 7.9 Disponible Alto Según los requerimientos para la selección de la cañería, se seleccionó la cañería de combustible que resiste una presión de trabajo de hasta 1 MPa (10 bares) de catálogo de (Gates, 2017), ideal para el sistema SCR, con un diámetro interior de 6 mm, el cual encajará en las tomas del inyector de AdBlue depósito y bomba. 3.4.3. Sensor de nivel de AdBlue Este sensor de tipo potenciómetro dispone de dos cables, el cable BLK recibe una tensión de referencia de 5 voltios y el cable YEL se encarga de enviar la señal de voltaje al controlador electrónico arduino, para conocer el nivel del aditivo existente en el depósito. El sensor varía la señal de tensión de acuerdo al volumen del depósito es así que genera una tensión de 2.55 voltios cuando está vacío y una tensión de 4.02 voltios cuando está lleno. Para que el sistema SCR se active, el contacto deslizante del sensor debe proporcionar una tensión mayor a 2.71 voltios, lo que representa un volumen de AdBlue de 1x10-3 m3 (1lt). 50 Tabla 12. Variación de volumen y voltaje del sensor de nivel de AdBlue. Volumen Señal m3 lt Voltaje (V) 0 0 2.55 1 x10-3 1 2.71 2 x10-3 2 2.96 3 x10-3 3 3.21 4 x10-3 4 3.36 5 x10-3 5 3.67 6 x10-3 6 3.80 7 x10-3 7 4.02 La relación volumen - voltaje se obtuvo variando el volumen del depósito de AdBlue, lo que ocasiona el desplazamiento del flotador variando los valores de voltaje y resistencia. Figura 31. Curva Volumen vs Voltaje. La línea de tendencia se observa en la gráfica de la figura 31, mediante una ecuación lineal y = 4.6414x – 11.751, la cual va a ser procesada por el controlador Arduino, a partir del cual se establece el nivel del aditivo. y = 4,6414x - 11,751 0 2 4 6 8 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25 V o lu m en ( lt ) Voltaje (V) Curva Volumen vs Voltaje Lineal (Curva Volumen vs Voltaje) 51 3.4.4. Depósito de AdBlue Para el diseño del depósito de AdBlue se consideró aspectos como: el material, la presión del fluido y el consumo de mismo. Figura 32. Depósito de AdBlue.  Volumen y masa del depósito Tabla 13. Calculos del deposito de AdBlue. Datos de entrada Ecuación L1: 0.25 m L2: 0.20 m H: 0.18 m 𝑉𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜 = L1 ∗ L2 ∗ H Volumen del depósito = 9 x10-3 m3 𝑉𝐴𝑑𝐵𝑙𝑢𝑒: 7.57 x10 -3 m3 Densidad (ρ): 1087 kg/m3 𝑀𝐴𝑑𝐵𝑙𝑢𝑒 = ρ ∗ 𝑉𝐴𝑑𝐵𝑙𝑢𝑒 𝐌𝐀𝐝𝐁𝐥𝐮𝐞 = 𝟖. 𝟐𝟐𝟖𝟓𝟗 𝐤𝐠 h: 0.1514 m Gravedad (g): 9.81 m/s2 P𝐫𝐞𝐬𝐢ó𝐧 = ρ ∗ 𝑔 ∗ h Presión que ejerce el fluido (P) = 1614.44 Pa =1.61444 x10-3 MPa El acrílico tiene una tensión de fluencia de 70 MPa y la presión que ejerce el aditivo (agua al 32.5% de urea) es de 1.61 x10-3 MPa, por ende, el depósito soportará la presión ejercida por el fluido. 52 3.4.5. Sistema hidráulico La potencia de la bomba del sistema hidráulico SCR se determinó en función tipo de flujo y pérdidas del sistema de bombeo. Tabla 14. Sistema de bombeo. Datos de entrada Ecuación Radio interno de la cañería (r): 3x10-3 m 𝐴 = π ∗ 𝑟2 Área interna de la cañería (A) = 2.827433388 x10-5 m2 Caudal (Q): 0.12 m3/h Área interna de la cañería (A) = 2.827433388 x10-5 m2 𝑉 = 𝑄 𝐴 Velocidad del fluido (V) = 4244.131816 m/h = 1.17189 m/seg Viscosidad dinámica (ɳ): 14 x10-3 Pa*s Diámetro de succión y descarga (D): 6 x10-3 m 𝑁𝑅 = 𝑉 ∗ 𝐷 ∗ 𝜌 ɳ Número de Reynolds (NR)= 5492.108671 (Flujo turbulento) Rugosidad del material (ϵ): 1x10-5 m 𝑓 = 0.25 [log ( 1 3.7 𝐷 ∈ + 5.74 𝑁𝑅 0.9)] 2 Factor de fricción (f) = 38.93x10-3 Coeficiente de resistencia (K): 0.5 Gravedad (g): 9.81 m/s2 ℎ𝐿 = K 𝑉2 2𝑔 Pérdidas menores (hL) = 34.998x10 -3 m Distancia de la cañería desde el deposito hasta la bomba (L1): 1.5 m ℎ𝐿1 = 𝑓 ∗ 𝐿1 ∗ V 2 D ∗ 2𝑔 Pérdidas en la cañería tramo 1 (𝒉𝑳𝟏) =0.61243 m Distancia de la cañería desde la bomba hasta el inyector (L2): 1.2 m ℎ𝐿2 = 𝑓 ∗ 𝐿2 ∗ V 2 D ∗ 2𝑔 Pérdidas en la cañería tramo 2 (𝒉𝑳𝟐) = 0.489945 m Perdidas en la cañería tramo 1 (ℎ𝐿1)=0.64519 m Perdidas en la cañería tramo 2 (ℎ𝐿2) = 0.516152 m ℎ𝐿𝑇 = ℎ𝐿 + ℎ𝐿1 + ℎ𝐿2 Pérdidas totales (𝒉𝑳𝑻)= 1.13737 m Densidad (ρ) = 1087 kg/m3 Gravedad (g): 9.81 m/s2 𝛾 = ρ ∗ 𝑔 Peso específico (𝜸) = 10.66347 KN/m3 CONTINÚA 53 Ecuación general de energía Bernoulli 𝑃1 𝛾 + 𝑍1 + 𝑉1 2 2𝑔 + ℎ𝑎 − ℎ𝐿 = 𝑃2 𝛾 + 𝑍2 + 𝑉2 2 2𝑔 P1 y V1 =0 Presión de la bomba (P2) = 600000 Pa ℎ𝑎 = 𝑃2 𝛾 + 𝑍2 + 𝑉2 2 2𝑔 − 𝑍1 + ℎ𝐿 Z1 = 1 m Z2 = 0.05 m Energía añadida por la bomba (ha) = 58.49 m Perdidas (ha) = 58.49 m Caudal (Q): 3.33 x10-5 m3/s 𝑃𝑜𝑡 = ℎ𝑎 ∗ 𝛾 ∗ 𝑄 Potencia de la bomba (Pot) = 20.79021 Watt = 0.0268204 hp En el sistema de bombeo existe una velocidad del fluido 1.17189 m/s, con un Número de Reynolds de 5492.10, lo que quiere decir que el sistema tiene un flujo turbulento, en el sistema existe pérdidas totales de 1.13737 m, mediante estos datos obtenidos se calcula la potencia de la bomba dando como resultado 0.0268204 hp. 3.4.7. Simulación El sistema hidráulico está conformado por el depósito, filtro, cañerías, bomba e inyector, como se muestra en la figura 33. Figura 33. Simulación del sistema hidráulico. 54 3.4.6. Implementación Iniciar Terminar Colocar el soporte del depósito en los parantes de balde de la del vehiculo Ajustar el soporte con las correas de velcro Colocar el filtro en el depósito y ajustar mediante pernos Introducir el sensor de nivel dentro del deposito y ajustar mediante pernos Colocar el deposito en el depósito Ajustar el depósito con las correas de velcro Colocar la cañería a la salida del filtro y ajustarlo con una abrazadera Conducir la cañería hacia la bomba teniendo en cuenta que no tenga contacto con partes del vehículo que ocasione su ruptura Ajustar la cañería con una abrazadera Colocar la bomba en el chasis del vehiculo y ajustarlo mediante una abrazadera con pernos Ajustar la cañería con una abrazadera ¿Existe fugas del aditivo? Colocar la cañería a la salida de la bomba Colocar la cañería en la toma del inyector y ajustarlo con una abrazadera Conducir la cañería hacia la toma del inyector teniendo en cuenta que no tenga contacto con partes del vehículo que ocasione su ruptura Colocar la cañería en la entrada de la bomba SI Revisar el ajuste de las abrazaderas NO Figura 34. Diagrama de flujo de la construcción e implementación del sistema hidráulico. 3.5. Diseño Eléctrico 3.5.1. Batería El sistema de alimentación esta proporcionado de la batería (voltios), por lo cual se requiere una potencia (vatios) necesaria para activar el módulo de control de inyección de AdBlue, y los distintos actuadores del sistema SCR, a continuación, se detalla el cálculo de la potencia mínima que debe tener la batería. 55 Tabla 15. Consumo de la batería. Datos de entrada Ecuación Consumo de la bomba Voltaje: 12 V Resistencia: 0.7 Ω 𝐼𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑉 𝑅𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 Intensidad que necesita la bomba= 17.14 A 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂𝑩𝒐𝒎𝒃𝒂 = 𝑰𝑩𝒐𝒎𝒃𝒂 ∗ 𝑽 = 𝟐𝟎𝟓 . 𝟕𝟏𝟒 𝐖𝐚𝐭𝐭 Consumo del inyector Voltaje: 12 V Resistencia: 12.6 Ω 𝐼𝐼𝑛𝑦𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 = 𝑉 𝑅𝐼𝑛𝑦𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 Intensidad que necesita el inyector= 0.952 A 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂𝑰𝒏𝒚𝒆𝒄𝒕𝒐𝒓 = 𝑰𝑰𝒏𝒚𝒆𝒄𝒕𝒐𝒓 ∗ 𝑽 = 𝟏𝟏. 𝟒𝟐𝟖 𝑾𝒂𝒕𝒕 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒏𝒆𝒄𝒆𝒔𝒂𝒓𝒊𝒂 = 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂𝑩𝒐𝒎𝒃𝒂 + 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂𝑰𝒏𝒚𝒆𝒄𝒕𝒐𝒓 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒏𝒆𝒄𝒆𝒔𝒂𝒓𝒊𝒂 = 𝟐𝟏𝟕. 𝟏𝟒𝟑 𝑾𝒂𝒕𝒕 3.5.2. Conmutador electromagnético Mediante el cálculo realizado en la tabla 15 se dio a conocer una intensidad de corriente de la bomba de 17.14 A, para lo cual se seleccionó el conmutador electromagnético número 0332209150 del catálogo de (Bosch, 2015), con un voltaje nominal de 12 voltios y con una corriente de 20 A. 3.5.3. Determinación del sistema de protección Para una la selección del sistema de protección de los componentes que conforman el sistema SCR se consideró el amperaje que necesitan cada uno de ellos. Tabla 16. Cálculo de la intensidad de los componentes. Componente Datos de entrada Ecuación Intensidad Conmutador electromagnético Voltaje: 12 V Resistencia: 85 Ω 𝐼 = 𝑉 𝑅 0.1412 A CONTINÚA 56 Inyector Resistencia: 12.6 Ω 0.952 A Transistor de la bomba Voltaje: 5 V Resistencia: 35.2 KΩ 1.4 x10-4 A Transistor del inyector Resistencia: 30.9 KΩ 1.6 x10-4 A 2 transistores para visualización de nivel y acelerador Resistencia: 100 KΩ 1 x10-4 A Pulsadores Resistencia: 10 KΩ 5 x10-4 A Led indicador de modo de funcionamiento Voltaje: 3.4 V Resistencia: 220 Ω 0. 0155 A Intensidad arduino 0. 05 A Intensidad del display LCD 0. 1 A Intensidad señales del vehículo 0. 05 A Intensidad total de los componentes 1.3096 A Debido que la bomba tiene una intensidad de corriente de 17.14 A y el sistema de control electrónico tiene una intensidad de 1.3096 A, se escogió un fusible de 20 A clave N° 10-20 para la protección de la bomba y en fusible de 1.5 A clave 04-1.5 de catálogo de (Difus, 2018). 3.5.4. Selección del cable conductor Para la selección del cable conductor se debe conocer la intensidad de corriente que va a circular por la misma, en este caso son: la intensidad producida por los actuadores del sistema SCR y la intensidad de las señales producidas por los sensores del vehículo. Tabla 17. Intensidad Producidad por los actuadores y sensores. Intensidad Intensidad del inyector: 0.952 A Intensidad de la bomba: 17.14 A Intensidad del conmutador electromagnético: 0.1412 A Intensidad de la señal de los sensores: 0.05 A 57 Para la selección del cable para los actuadores y alimentación de la batería se escogió el valor más alto de intensidad en este caso el inyector que tiene 17.14 A, y el inyector, los sensores y conmutador electromagnético de 1 A. Mediante la tabla de grosores AWG se seleccionó el cable número 16 que resiste una intensidad de corriente de 18 A para los actuadores y alimentación, y el cable número 21 para la señal de los sensores que resiste una intensidad de corriente de 1.2 A. 3.5.5. Control de activación de la bomba Para el cálculo de los tiempos de activación se consideró aspectos como: el caudal de la bomba y el consumo del aditivo (AdBlue) en el inyector a diferentes condiciones de tiempos de inyección, la cual va a ser controlada mediante el controlador arduino como se muestra en el circuito en la figura 35. Figura 35. Circuito esquemático del control de activación de la bomba de inyección. 58 3.6. Diseño Electrónico 3.6.1. Señal del sensor de posición del árbol de levas CMP La señal de onda cuadrada del sensor CMP de tipo hall, es enviada al módulo de control y oscila entre los valores tensión de 0 a 5 voltios. El sensor varía la señal de periodo según el giro del árbol de levas, de esta manera a un régimen de giro bajo (720 RPM) el sensor proporciona un periodo de oscilación de 155 ms, y a 3000 RPM un periodo de oscilación de 37 ms. Para que el sistema SCR funcione en cualquier modo de operación, el módulo de control debe recibir un periodo de 112 ms lo que representa un régimen de giro del motor de 1000 RPM. La señal del sensor es proporcionada por el pin N° 2 del sensor CMP figura 36, que viene dado por el cable de GRN/YEL de dicho sensor, mediante una aguja soldada al cable conductor introducida al socket del sensor, que conducirá la señal al módulo de control. Figura 36. Sensor CMP en el motor. En la figura 37 se puede evidenciar la onda cuadrada del sensor a 3000 RPM, con un voltaje pico de 5 voltios y un ancho de pulso de 57 ms aproximadamente. 59 Figura 37. Oscilogrmama de la señal del sensor CMP. Tabla 18. Relación del giro del motor con el periódo del sensor CMP. RPM # medición 720 1000 1500 2000 2500 3000 Periodo en ms 1 154 113 73 56 45 37 2 155 113 73 56 45 37 3 155 112 73 56 45 37 4 155 112 73 56 45 37 5 154 111 73 56 45 37 6 154 112 73 56 45 37 7 154 111 73 56 45 37 8 156 111 73 56 45 37 9 155 111 73 56 45 37 10 153 111 73 56 45 37 11 155 111 73 55 44 37 12 156 111 73 55 45 37 13 155 111 73 55 44 37 14 155 111 73 55 44 37 15 155 111 73 55 44 37 16 154 111 73 55 44 37 17 155 111 73 55 44 37 18 155 111 73 55 44 37 19 156 111 73 55 44 37 20 155 111 73 55 44 37 Promedio (ms) 155 112 73 55 45 37 Mediante estos datos se obtuvo la curva de la relación RPM - Periodo figura 38, del motor MZR – CD 2.5L. 60 Figura 38. Relación RPM vs Periodo. Para que esta señal sea procesada por el controlador Arduino, se obtuvo una ecuación potencial que es y=108535x-0,994 de la línea de tendencia de la gráfica de la figura 38, mediante la cual se establece régimen de giro del motor. 3.6.2. Señal del sensor de temperatura ECT La señal que proporciona este sensor de tipo NTC varía entre valores de voltaje de 0 a 5 voltios, la cual es enviada al módulo de control de inyección. Para que el sistema funcione en el modo automático y semiautomático, el módulo debe recibir una señal de tensión de 1.71 voltios que corresponde a una temperatura de funcionamiento del motor de 80 °C. La señal del sensor fue tomada del pin N° 1 del sensor ECT figura 39, que viene dado por el cable de color BLULT/BRN de dicho sensor, mediante una aguja soldada al cable conductor introducida al socket del sensor, que conducirá la señal al módulo de control. y = 108535x-0,994 0 50 100 150 200 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Periodo (ms) R é gi m e n d e g ir o d e l m o to r (R P M ) Velocidad del motor RPM Potencial (Velocidad del motor RPM) 61 Figura 39. Sensor ECT en el motor. En la figura 40, se puede evidenciar la onda del sensor ECT que muestra una tensión aproximada de 2.5 voltios que representa una temperatura del motor de 62 °C Figura 40. Oscilograma sensor ECT. La relación temperatura y voltaje de la tabla 19, se obtuvo midiendo los valores de voltaje a diferente temperatura del motor. Tabla 19. Variación de la temperatura - voltaje del sensor ECT. Temperatura (°C) Voltaje (V) 41 3,65 44 3,46 47 3,27 CONTINÚA 62 50 3,14 53 3,03 56 2,88 59 2,70 62 2,54 65 2,40 68 2,26 71 2,11 74 2,00 77 1,88 80 1,71 81 1,68 82 1,68 83 1,65 84 1,56 85 1,53 87 1,44 93 1,23 95 1,18 98 1,09 99 1,04 100 1,00 En la figura 41 se visualiza la relación temperatura – voltaje del sensor ECT del motor MZR – CD 2.5L, característico de los sensores de tipo NTC. Figura 41. Relación Temperatura vs Voltaje del sensor ECT. y = -22,364x + 119,98 0 20 40 60 80 100 120 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 Te m p er at u ra ( °C ) Voltaje (V) Curva Sensor ECT Lineal (Curva Sensor ECT) 63 La línea de tendencia de la relación temperatura – voltaje del sensor ECT, se observa en la gráfica de la figura 41, dando como resultado una ecuación lineal y = - 22.364x + 119.98, la cual va a ser procesada por el controlador Arduino el cual establece la temperatura del motor. 3.6.3. Señal del sensor de posición del pedal de aceleración APP La señal emitida por este sensor de tipo potenciómetro varía entre valores de voltaje de 0 a 5 voltios, esta señal es enviada al módulo de control de inyección de AdBlue. El sensor varía la señal de tensión de acuerdo a la posición del pedal de aceleración (porcentaje %), es así que genera una tensión de 0.68 voltios cuando el pedal no está presionado (0%) y 4.10 voltios cuando el pedal está presionado a fondo (100). Para que el sistema funcione en el modo automático y semiautomático, el módulo debe recibir una señal de voltaje de 1,36 V que corresponde a una posición del pedal de aceleración del 20 %. La señal del sensor fue tomada del pin N° 2 del sensor APP figura 42, que viene dado por el cable de color PNK de dicho sensor, mediante una aguja soldada al cable conductor introducida al socket del sensor, que conducirá la señal al módulo de control. Figura 42. Sensor APP en el pedal de aceleración. 64 En la figura 43 se puede evidenciar la onda del sensor APP que muestra una tensión aproximada de 0.5 voltios que representa un porcentaje de 0%. Figura 43. Oscilograma sensor APP. La relación porcentaje - voltaje de la tabla 20, se obtuvo midiendo los valores de voltaje a diferentes posiciones de porcentaje del pedal de aceleración. Tabla 20. Variación porcentaje - Voltaje del sensor APP. Porcentaje (%) Voltaje (V) 0 0,68 16 1,26 27 1,64 43 2,15 58 2,71 66 3,01 73 3,35 88 3,73 97 3,96 100 4,10 65 En la figura 44 se visualiza la curva de la relación porcentaje – voltaje del sensor APP del motor MZR – CD 2.5L. Figura 44. Relación Porcentaje vs Voltaje del sensor APP. La ecuación de la relación porcentaje - voltaje que va ser procesada por el controlador Arduino se obtuvo mediante una línea de tendencia de la gráfica de la figura 44, obteniendo una ecuación lineal y = 29.17x – 21.028, la cual establece la posición del pedal de aceleración. 3.6.4. Selección del controlador Arduino Para la selección del controlador arduino se consideró aspectos como el número de entradas/salidas, la velocidad de transferencia de datos y el costo Este controlador es el encargado de recibir las señales emitidas por los sensores, procesarlas, visualizarlas mediante el LCD y calcular los tiempos de inyección, además de controlar la activación de los actuadores (inyector y bomba), y = 29,171x - 21,028 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25 P o rc en ta je ( % ) Voltaje (V) Curva sensor APP Lineal (Curva sensor APP) 66  Selección de alternativas Tabla 21. Selección del controlador Arduino para el sistema SCR. Tipo de controlador Arduino Características Nano AT mega 2560 Puertos analógicos/digitales 8/14 16/54 Voltaje de alimentación 5 – 12 V 5 – 12 V Memoria SRAM 2 Kb 8 Kb Velocidad 16 MHz 16 MHz Lenguaje de programación C/Processing C/Processing Costo Bajo Alto Debido a que el número de señales de entrada y salida para el control de inyección de AdBlue es bajo, se seleccionó el controlador Arduino nano ya que este posee un número de pines de 22 y su costo es bajo. 3.6.5. Selección de la termocupla La termocupla para el sistema SCR debe soportar la temperatura de los gases de escape que ascienden hasta 1200 °C, para lo cual de realiza la selección de la termocupla para el sistema de control arduino en la tabla 17.  Selección de alternativas. Tabla 22. Selección de la termocupla para el sistema SCR. Tipo Rango de medición (°C) Disponibilidad en el mercado Costo B 600 a 1820 Disponible Alto C 0 a 2316 Disponible Medio E -250 a 1000 Bajo pedido Medio J -210 a 1200 Disponible Medio K -200 a 1372 Disponible Bajo L -200 a 900 Bajo pedido Bajo CONTINÚA 67 N -200 a 1000 Disponible Medio R -20 a 1767 Bajo pedido Alto S -20 a 1767 Bajo pedido Alto T -250 a 400 Disponible Medio U -200 a 600 Disponible Alto Para el sistema SCR se seleccionó la termocupla tipo K q tiene un rango de medición de -200 a 1372 °C, que tiene una disponibilidad en el mercado y tiene un costo bajo. 3.6.6. Circuito regulador de tensión El regulador de tensión LM7805 se encarga de convertir la tensión de 12 voltios proporcionado por la batería, a una salida constante de tensión de 5 voltios. Figura 45. Circuito esquemático de regulacion de tensión. En el circuito de la figura 45 se puede apreciar la conexión del regulador de tensión LM7805, para lo cual según el fabricante recomienda implementar un condensador de 0.22 µF antes del regulador y un condensador de 0.1 µF después del condensador, para de esta manera reducir el ruido existente en el circuito. 68 3.6.7. Programación Para la programación del módulo de control se utilizó un lenguaje C++, la cual va a ser procesada por el controlador Arduino Nano. Mediante este lenguaje se declara los puertos de entrada que son: voltaje de la batería, señales de los sensores del vehículo (CMP, APP y ECT), señal de la termocupla, la señal del sensor de nivel de AdBlue y pulsadores de navegación; además de los puertos de salida que son: luces testigo del modo de operación de módulo de control, visualización del LCD, control de activación de la bomba, control de activación del inyector y luces testigo del acelerador y nivel del depósito .  Diagrama de flujo programación modo Manual Iniciar Seleccionar e l tiempo de inyección en intervalos de 5ms o se leccionar que se mantenga siempre abierto A ¿RPM > 1000? Lee sensor CMP NO Terminar Activa la bomba SI Inyecta el aditivo A ¿Existe una señal > 2.71 V del sensor de nivel de AdBlue? NO Llenar el depósito con el aditivo Lee el nivel de AdBlue SI ¿Existe señal del sensor? ¿Existe señal del sensor? A NO SI SI A NO Figura 46. Programacion modo Manual 69  Diagrama de flujo programación modo Automático Iniciar Lee sensor ECT A ¿Temperatura < 55 °C? Suma 1 ms al tiempo de inyección Suma 12 ms al tiempo de inyección ¿Temperatura > 95 °C? ¿Temperatura < 80 °C? ¿Temperatura está entre 80 y 84 °C? ¿Temperatura está entre 85 y 89 °C? ¿Temperatura está entre 90 y 94 °C? B B Suma 2 ms al tiempo de inyección Suma 3 ms al tiempo de inyección Suma 4 ms al tiempo de inyección SI SI SI SI B NO C D C D E E F F G G Suma de los tiempos de inyección de los sensores CMP, ECT, APP y termocupla. ¿Temperatura está entre 55 y 59 °C? ¿Temperatura está entre 60 y 69 °C? ¿Temperatura está entre 70 y 79 °C? ¿Temperatura > 80 °C? B Lee señal de la termocupla NO NO NO NO B C D E F SI SI SI SI NO NO NO ¿RPM < 1000? ¿RPM está entre 1000 a 1800? ¿RPM está entre 1801 a 2400? ¿RPM está entre 2401 a 3200? ¿RPM > 3200? Lee sensor CMP NO NO NO NO B SI SI SI SI NO ¿Posición < 20 %? ¿Posición está entre 20 y 24 %? ¿Posición está entre 25 y 29 %? ¿Posición está entre 30 y 34 %? ¿Posición > 35 %? Lee sensor APP NO NO NO B C D E F SI SI SI SI NO NO Suma 27 ms al tiempo de inyección Suma 22 ms al tiempo de inyección Suma 27 ms al tiempo de inyección G G G G ¿Hay tiempo de inyección de todos los sensores? BNO TerminarActiva la bombaSI Inyecta el aditivo A ¿Existe una señal > 2.71 V del sensor de nivel de AdBlue? Lee el nivel de AdBlue Llenar el depósi to con el aditivo NO SI ¿Existe señal del sensor? SI B B NO SI ¿Existe señal del sensor? B NO NO NO SI SI ¿Existe señal del sensor? NO SI B B ¿Existe señal del sensor? B NO SI ¿Existe señal del sensor? NO SI Figura 47. Programacion modo Automático 70  Diagrama de flujo programación modo semiautomático Iniciar Lee sensor ECT A ¿Temperatura < 55 °C? Suma 5 ms al tiempo de inyección Suma 10 ms al tiempo de inyección ¿Temperatura > 95 °C? ¿Temperatura < 80 °C? ¿Temperatura está entre 80 y 84 °C? ¿Temperatura está entre 85 y 89 °C? ¿Temperatura está entre 90 y 94 °C? B Suma 6 ms al tiempo de inyección Suma 7 ms al tiempo de inyección Suma 8 ms al tiempo de inyecciónSI SI SI SI B NO C D C D E E F F G G Suma de los tiempos de inyección de los sensores CMP, ECT, APP y termocupla ¿Temperatura está entre 55 y 59 °C? ¿Temperatura está entre 60 y 69 °C? ¿Temperatura está entre 70 y 79 °C? ¿Temperatura > 80 °C? B Lee señal de la termocupla NO NO NO NO B C D E F SI SI SI SI NO NO NO NO NO ¿RPM < 1000? ¿RPM está entre 1000 a 1800? ¿RPM está entre 1801 a 2400? ¿RPM está entre 2401 a 3200? ¿RPM > 3200? B Lee sensor CMP NO NO NO NO B SI SI SI SI NO ¿Posición < 20 %? ¿Posición del pedal está entre 20 y 24 %? ¿Posición del pedal está entre 25 y 29 %? ¿Posición del pedal está entre 30 y 34 %? ¿Posición del pedal > 35 %? Lee sensor APP NO NO NO B C D E F SI SI SI NO NO Suma 25 ms al tiempo de inyección Suma 20 ms al tiempo de inyección Suma 25 ms al tiempo de inyección G G G G Establecer con que sensor se va hacer el calculo del tiempo de inyección ¿Se seleccionó el sensor CMP? ¿Se seleccionó el sensor APP? ¿Se seleccionó el sensor ECT? ¿Se seleccionó la termocupla? B B TerminarActiva la bomba SI Inyecta el aditivo A ¿Existe una señal > 2.71 V del sensor de nivel de AdBlue? Lee el nivel de AdBlue Llenar el depósi to con el aditivo NO SI ANO SI A NO A NO ¿Existe señal del sensor? SI SI NONO BSI A ¿Existe señal del sensor? SI SI B SINO ¿Existe señal del sensor? SI B SINO ¿Existe señal del sensor? SI B NO SI ¿Existe señal del sensor? A NO SI Figura 48. Programacion modo Semiautomático 71 3.6.7. Implementación Iniciar Terminar Realizar el circuito del módulo de control en la pestaña Eeschema del software KiCad Asignar la huella de los componentes ¿Se asigno correctamente la huella? Realizar el diseño PCB en la pestaña Pcbnew Asignar manualmente NO SI Exportar a imagen reflejada el diagrama realizado Imprimir el diagrama en papel térmico ¿Está impreso correctamente el diagrama? NO Recortar el diagrama a la medida del circuito Recortar la placa de cobre a la medida del circuito Emparejar la placa con el diagrama Trasferir el diagrama del circuito a la placa mediante calor Sumergir la placa en agua o disolvente Retirar el papel sin dañar las pistas del circuito ¿Existen todas las pistas completas? NO Sumergir la placa en una solución del 10% en peso de cloruro de hierro hasta q desaparezca todo el cobre expuesto ¿Se despegó cobre de las pistas? SI Lavar la placa con agua NO Limpiar la pistas con alcohol y una esponja metálica Perforar las pista con la ayuda de una broca dependiendo el componente a instalar Colocar los diferentes componentes en la placa Soldar los terminales de los componentes con la ayuda de cautín y estaño ¿Se soldó correctamente? NO ¿Funciona correctamente? A NO A Colocar la placa en la caja del módulo de control Colocar los circuitos integrados en sus respectivos portaintegrados SI Cargar la programación al controlador Arduino SI Figura 49. Diagrama de flujo de la construcción del sistema eléctrico y electrónico. Introducir los cables en la manguera corrugada Colocar los cables #21 con en los sockets de los sensores CMP y ECT con la ayuda de una aguja y un cable # 16 en la batería con un terminal en O Conducir la manguera hacia la cabina Conectar los cables en los respectivos sockets del modulo de control Iniciar Terminar Colocar 5 cables #16 en el socket hembra e introducirlos en el conector de la termocupla Conectar 2 cables #16 con terminales hembra en el socket del inyector Conectar 2 cables #16 con terminales hembra en los terminales de la bomba Conectar el cable de masa de la bomba en el chasis del vehículo con la ayuda de un terminal en O y el positivo al pin #87 del conmutador electromagnético Introducir los cables en la manguera corrugada Conducir la manguera hacia la cabina Conectar los cables en los respectivos sockets del modulo de control Conectar 2 cables #21 en los cables del sensor de nivel de AdBlue Introducir los cables en la manguera corrugada Conducir la manguera hacia la cabina Conectar los cables en los respectivos sockets del modulo de control ¿El módulo lee las señales? NO SI Figura 50. Diagrama de flujo de la implementación del sistema eléctrico y electrónico. 72 Figura 51. Circuito completo del módulo de control de inyección de AdBlue. 73 CAPÍTULO IV 4. ANÁLISIS DE LA INCIDENCIA DE IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA SCR. El capítulo detalla elementos y equipos tecnológicos de diagnóstico y medición automotriz utilizados para el desarrollo de la investigación con el uso del catalizador estándar y la implementación del sistema de inyección de AdBlue y catalizador SCR en la camioneta Mazda BT-50 motor MZR – CD 2.5L CRDI. Se efectuaron pruebas de torque, potencia, emisiones, opacidad, consumo de combustible y consumo del aditivo AdBlue en tres modos de operación del módulo de control de inyección de AdBlue manual, semiautomático y automático. 4.1. Puesta a punto del vehículo La camioneta Mazda BT-50 motor MZR – CD 2.5L CRDI se realizó el mantenimiento figura 52 a los sistemas mecánicos, eléctricos y electrónicos de tal manera de obtener resultados idóneos y coherentes. 74 INICIO Puesta a Punto del Vehículo MOTOR DIRECCIÓN NEUMÁTICOS SISTEMA ELÉCTRICO Revisar el estado de los filtros Reemplace los filtros Verificar régimen de giro Verificar el nivel de fluidos Realizar Puesta a Punto Revisar DTCs Señales de sensores y actuadores Complete el nivel de los fluidos Si No No No Revisar el nivel de aceite Revisar fugas y/o Completar aceite hidráulico Verificar que todas las tuercas estén ajustadas Inspección visual Retire los objetos extraños Alineación Ajuste las tuercas flojas Inspeccione que la presión del aire sea la adecuada Compete el aire Verificar el voltaje de la batería apagado el vehículo Cargar la batería o reemplazarla Inspeccionar arranque FIN No Si Si No No No Si Si Verificar desgaste Balancear y/o rotar de ser necesario Arrancar el motor Medir voltaje de la batería al arrancar el motor Medir voltaje de la batería con el motor en ralentí Verificar el estado del alternador SISTEMA ELECTRÓNICO Encender el vehículo Verificar que no se enciendan luces de emergencia y/o la MIL Conectar el Escáner y borrar DTCs Inspeccione Sensores, actuadores y otros elementos electrónicos del automóvil Desconectar el Escáner Automotriz Inspeccionar que toda la dirección este ajustada Si No Si No Si No Si Si No No Si SiSi Verificar que el sistema de luces completo funcione Reemplace las luz y/o fusible No No Si Figura 52. Diagrama de Flujo Puesta a Punto. 75 4.2. Pruebas de torque y potencia 4.2.1. Protocolo Las pruebas de torque y potencia figura 53, se basa en el protocolo de acuerdo a la norma SAE J1349 que establece un método que permite obtener mediciones precisas del rendimiento del motor: Figura 53. Dinamómetro CCICEV.  Considera un factor de corrección de potencia y torque que depende de las condiciones geográficas de altura y presión atmosférica  Considerar la seguridad del vehículo en todo el proceso de prueba.  Potencia y torque a plena carga (valor máximo).  El combustible debe contener energía, equivalente al combustible especificado por el fabricante.  Los procedimientos de corrección de potencia y par se basan en condiciones del suministro de aire de entrada del motor, altitud a 2800 msm y presión atmosférica de 739,6 hPa. 76 INICIO Ubicar el vehículo en el dinamómetro Colocar las amarras de seguridad Colocar el ventilador del dinamómetro frontal al vehículo a 1,5m Colocar la sonda de temperatura, en lugar de la bayoneta del aceite Seleecionar pruebas de torque y potencia Llevar al motor a su temperatura óptima de trabajo 80-85°C Encender el módulo de control de inyección de AdBlue Colocar el módulo en modo Automático FIN Iniciar la interfaz del dinamómetroIngresar datos del vehículo Seguir las instrucciones para la prueba Revisar conexiones Continuar con las pruebas Dejar reposar el motor y encienda el ventilador A Calentar el motor Clic en Iniciar con la prueba Llevar al motor a sus máximas RPMs A Revisar temperatura del motor No No Si Guardar las pruebas con el nombre deseado Si Dejar bajar la temperatura del motor Desconecte los equipos y apague el ventilador Retire las amarras de fijación Clic en Continuar No Si Figura 54. Diagrama de flujo de Torque y Potencia. 77 4.2.1. Resultados Se realizó tres pruebas con la implementación del sistema SCR a diferente régimen de giro con 12 mediciones de la cuales se considera los valores máximos alcanzados. Tabla 23. Pruebas de Torque y Potencia con el sistema SCR. 1ra Prueba 2da Prueba 3ra Prueba n v PRueda PMotor PNormal MNormal n v PRueda PMotor PNormal MNormal n v PRueda PMotor PNormal MNormal [rpm] [mph] [HP] [HP] [HP] [lbf.ft] [rpm] [mph] [HP] [HP] [HP] [lbf.ft] [rpm] [mph] [HP] [HP] [HP] [lbf.ft] 1009 21,7 8,8 15,4 16,4 85,2 1010 21,7 9 15,4 16,3 85,2 1010 21,7 9,3 15,6 16,7 86,7 1254 27 13,1 21,2 22,5 94,4 1254 27 13,4 21,3 22,6 94,6 1253 27 13,6 21,3 22,8 95,5 1502 32,3 18,1 28 29,7 103,8 1502 32,3 18,3 28,8 29,5 103,1 1502 32,3 18,6 27,9 29,8 104,3 1757 37,8 27,4 39 41,4 123,8 1758 37,8 27,4 38,9 41,3 123,4 1757 37,8 27,6 38,8 41,3 123,6 2005 43,1 37 50,8 53,9 141,2 2004 43,1 36,8 50,2 53,3 139,6 2003 43,1 36,3 49,6 52,6 138 2258 48,6 50,5 66,5 70,6 164,2 2257 48,6 49,4 65 69 160,5 2260 48,6 49,9 65,3 69,5 161,6 2500 53,8 57,6 76 80,6 169,3 2503 53,8 57,1 75 79.6 167,1 2499 53,8 57 74,5 79.7 167,4 2745 59 55,8 76,5 81,2 155,3 2743 59 55,3 75,5 80,2 153,6 2744 59 55,5 75,3 80,1 153,4 2995 64,4 56,1 79,7 84,6 148,3 2995 64,4 55.7 78,5 83,3 146,2 2995 64,4 56,3 78,8 84 147,3 3246 69,8 53 79,4 84,2 136,3 3246 69,8 53 78,9 83,8 135,6 3245 69,8 52,7 77,8 82,6 133,7 3496 75,2 52,3 81,7 86,6 130,2 3495 75,2 50,8 80 85 127,7 3496 75,2 52,5 80,6 85,7 128,7 Valor mínimo Valor máximo Valor mínimo Valor máximo Valor mínimo Valor máximo 78 La potencia motor y el torque normal son parámetros de la figura 55, que corresponden a las pruebas 1, 2 y 3 respectivamente las cuales indican que tanta fuerza se produce y la rapidez con la que puede trabajar el motor. La potencia del motor en la prueba 1 resulta ser 81,6 HP, siendo esta la potencia máxima del motor superando con 1,6 HP a la prueba 2 y 0,6 HP a la prueba 3, evidenciando una reducción de potencia motor de 1,96%, además el torque viene decreciendo de la prueba 1 a la 2 un 1,52% y a la 3 un 1,11%, el torque máximo que se registro es de 170,5 lbf-ft en la prueba 1 de esta manera aprovecha este aumento en la velocidad para alcanzar sus niveles más altos de revoluciones de 3495 RPM. Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Figura 55. Pruebas de torque y potencia. 4.2.2. Análisis Para el análisis de las pruebas de potencia y torque se tomó los resultados obtenidos en la investigación (Villacís Y, Burgos D, 2016), dada que se ejecutó dichas mediciones del vehículo Mazda BT-50 motor MZR-CD 2,5 CRDI en condiciones estándar y los datos obtenidos de las pruebas con la implementación del sistema SCR; se consideró el promedio tabla 24 de los valores máximos alcanzados de tal manera de compararlos con el valor nominal de torque de 240 lbf-ft y potencia de 141 HP referenciado de la ficha técnica (Mazda, 2006). 79 Tabla 24. Promedio de los valores máximos de las pruebas de Torque y Potencia. DIESEL “ESTÁNDAR” DIESEL”SCR” Valores P(Motor)(HP) M(Normal)(lbf-ft) P(Motor)(HP) M(Normal)(lbf-ft) Valor Máximo 1 82,1 166 81,7 169,3 Valor Máximo 2 79,1 158,4 80 167,1 Valor Máximo 3 78,9 164,1 80,6 167,4 Promedio 80,03 162,83 80,77 167,93 En la figura 56 de la potencia nominal de 141 HP, con el sistema estándar se midió un valor de 80,03 HP y con el sistema SCR una potencia de 80,77 HP, registrándose una disminución de la potencia nominal de 56,75% y de 57,28% en condiciones estándar y con el sistema implementado respectivamente, se establece un incremento con el sistema SCR de 0,74 HP lo que indica un aumento de 0,91% respecto del vehículo en sus condiciones originales de funcionamiento. Figura 56. Potencia Estándar vs SCR vs Nominal. La figura 57 muestra un torque nominal de 240 lbf-ft y una torque de 162,83 y 167,93 lb-ft del sistema estándar y SCR respectivamente, con una divergencia de 67,84% del torque nominal con el sistema estándar y 69,97% con el sistema SCR, se registra un incremento con el sistema SCR de 5,1 lbf-ft lo que revela un aumento de 3,03% respecto al sistema estándar del vehículo. 80,03 80,77 141 0,00 50,00 100,00 150,00 P(Motor) P (MOTOR) DIESEL "ESTÁNDAR" DIESEL"SCR" NOMINAL 80 Figura 57. Torque Estándar vs SCR vs Nominal. 4.3. Pruebas de opacidad 4.3.1. Protocolo La prueba de opacidad figura 58, se fundamentan a partir de los protocolos de normas NTE INEN 2202:2000 y 2207:2000 que se referencia en los ensayos de aceleración gobernada, descritas en la figura 59. Figura 58. Opacímetro CARTEK. 162,83 167,93 240 M(Normal) M(MÁXIMO) DIESEL "ESTÁNDAR" DIESEL"SCR" NOMINAL 81  Se calibró el equipo antes de cada prueba.  El vehículo de prueba se sometió a un período de calentamiento y estabilización.  Se realizó la calibración al 0 %. ajustado de tal manera que la lectura de salida marque cero cuando el flujo de luz pase a través de la zona de medición.  La Calibración al 100 %. Utilizó un filtro de densidad óptica neutral colocado perpendicularmente al haz de luz que bloqueo completamente la fuente de luz.  Es necesario verificar que el sistema de escape del vehículo se encuentre en perfectas condiciones de funcionamiento, evitando tener fugas o roturas.  Se validó el régimen de giro en ralentí y velocidad gobernada con el uso del MGT-300. 82 INICIO Prueba de Opacidad Encender el equipo Ejecutar el software CARTEK Ingresar la clave y el usuario Esperar el Proceso de calentamiento Conectar módulo RPM, cable serial y fuente al opacimetro Revisar conexiones Inicie el test de opacidad Registre el diámetro del tubo de escape y datos del vehículo Realice la preinspeccion del vehículo Verificación de linealidad al 0 y al 100% Registro d RPM y Temperatura Cambiar Tacómetro Clic en continuar Mantener a ralentí y velocidad gobernada Insertar la sonda de opacidad Clic Iniciar Prueba Realizar 4 mediciones a Ralentí y Velocidad Gobernada Finalizar Prueba Guardar Prueba Clic en verificar No No Si FIN Salir del software y Verificar conexiones Conectar los módulos de RPM, cable serial y fuente del opacímetro Inspeccionar: -Caja de cambios en neutro -Vehículo inmovilizado -Aire acondicionado apagado -Freno motor o de escape apagados -Luces y accesorios apagados Corrija las fallas de inspección No Si No Si Si Figura 59. Diagrama de flujo de Opacidad. 83 4.3.2. Resultados Se ejecutó en los tres modos de operación del sistema de inyección de AdBlue SCR, intervenidos de manera manual, semiautomático y automático mediante el módulo de control, comparando con los valores de la Norma NTE INEN 2207 y los límites de Opacidad del equipo de medición, tabla 25. Tabla 25. Porcentajes de Opacidad Límites y Pruebas . OPACIDAD (%) LÍMITES LÍMITE DEL EQUIPO 15 NTE INEN 2207 50 Estándar Condición Opacidad Escape original 2,96 Escape SCR 2,56 Modo de operación del módulo de inyección Tiempo de Inyección Opacidad MANUAL TA* 2,14 |5 2,86 10 2,22 15 2,17 20 2,39 25 2,14 30 2,5 35 2,43 40 2,46 45 2,60 AUTOMÁTICO Calculado 4,13 SEMIAUTOMATICO Sensores – Combinaciones Opacidad CMP 2,33 APP 2,14 ECT 2,79 TERMOPCUPLA 2 CMP-TERMOCUPLA 1,62 CMP-APP 2,01 CMP-ECT 2,04 TA* = Totalmente Abierto 84 Se realiza en cuatro mediciones una de ensayo propio de la auto calibración del equipo y tres mediciones que determinan el promedio del resultado de opacidad figura 60, parámetro que determina si la prueba fue aprobada, rechazada o anulada. Figura 60. Informe de Opacidad. 4.3.3. Análisis Se realiza un análisis estadístico a partir de graficas de los diferentes modos de operación del sistema inyección de AdBlue para compararlos con la norma NTE INEN 2207:2002 y su valor límite de opacidad y la opacidad límite del equipo.  Modo Manual La figura 61 muestra una variación de opacidad mínima de 2,14% con el inyector totalmente abierto y una opacidad máxima de 2,86 % con un tiempo de inyección de 5 ms, lo que representa una menor contaminación cuando existe mayor volumen de AdBlue inyectado en el catalizador, pero en todos los casos el vehículo aprobaría la revisión. 85 Figura 61. Resultados opacidad modo manual.  Modo Semiautomático La figura 62 se registró un menor valor de opacidad cuando el sistema controla la inyección de AdBlue en función de la temperatura del catalizador con una opacidad del 2 % reduciendo la contaminación ambiental en función de la reacción química metales nobles del sistema catalítico de SCR. Al utilizar otras posibilidades de control de inyección de AdBlue mediante sensores mantienen un límite de opacidad dentro de un valor no superior a 2,79 %. Figura 62. Resultados opacidad (Sensores Individuales). 2,14 2,86 2,22 2,17 2,39 2,14 2,5 2,43 2,46 2,6 15 50 0 10 20 30 40 50 60 Opacidad(%) 2,33 2,14 2,79 2 15 50 0 10 20 30 40 50 60 Opacidad (%) OPACIDAD (%) CMP APP ECT TERMOCUPLA LIMITE DE LA PRUEBA INEN 86 La figura 63 se observa que el mejor valor de opacidad alcanzado se obtiene cuando el sistema controla la inyección de AdBlue en CMP- Termocupla del 1,62 % reduciendo el impacto ambiental en función de la reacción química metales nobles del sistema catalítico del sistema SCR. Al utilizar otras posibilidades de control de inyección de AdBlue mediante combinaciones de sensores mantienen un límite de opacidad dentro de un valor no superior a 2,04 % que corresponde a la combinación CMP-ECT. Figura 63. Resultados opacidad (Sensores Combinados).  Modo Automático La figura 64 muestra los límites de opacidad de la NTE INEN 2207 y del equipo es de 50 % y 15 % respectivamente, de los resultados obtenidos en modo automático reflejan un 4.13 % reduciendo con el estándar 1,57 % de 2,56 % de opacidad, con lo cual aprobaría una revisión de opacidad en cualquiera de las condiciones. 1,62 2,01 2,04 15 50 0 10 20 30 40 50 60 Opacidad (%) OPACIDAD (%) CMP-TERMOCUPLA CMP-APP CMP-ECT LIMITE DE LA PRUEBA INEN 87 Figura 64. Resultados opacidad modo Automático. 4.4. Pruebas de emisiones 4.4.1. Protocolo Las pruebas de emisiones figura 65, se fundamentan a partir de los protocolos de normas NTE INEN 2202:2000 y 2207:2000 que se referencia en los ensayos de aceleración libre, de la figura 66. Figura 65. Analizador de gases AGS-688. 2,56 4,13 15 50 0 10 20 30 40 50 60 Opacidad (%) OPACIDAD (%) Estándar Automático Límite de la prueba INEN 88  Se calibró el equipo antes de cada prueba.  El vehículo fue sometido a una revisión técnica antes del inicio de las pruebas.  El vehículo de prueba se sometió a un período de calentamiento y estabilización.  Es necesario verificar que el sistema de escape del vehículo se encuentre en perfectas condiciones de funcionamiento, evitando tener fugas o roturas.  La prueba es de tipo estacionario establecido por la Unión Europea para los vehículos diésel, Categoría M1.  Considera a vehículos automotores destinados al transporte de personas, para el ciclo de prueba ECE-49. INICIO Conectar el equipo a la toma de energía 110V Encender el computador y conectarlo al analizador de gases Ingresar al programa y seleccionar Prueba Continua Ingresar los datos del vehículo Conectar el MGT-300 para medir la temperatura y el número de rpm Ingresar los datos del vehículo Elevar la temperatura del motor a 80°C Colocar la sonda en el tubo de escape Guardar los informes en la carpeta deseada Cerrar el programa Guardar todo el equipo Tabular todos los datos obtenidos Encender el módulo de control de inyección de AdBlue Colocar el módulo en modo Automático y realizar las pruebas Colocar el módulo en modo Semiautomático y realizar las pruebas Colocar el módulo en modo Manual y realizar las pruebas FIN Revisar las conexiones del equipo Ejecute la interfaz NI MAX del equipo Verifique que la PC reconozco los dispositivos del analizador A No Si A No Ingresar los datos relevantes de la prueba Bomba de vacío 1 Bomba de vacío 2 Sensor de Flujo Sensor NDIR MGT-300 Espere el autocero de las bombas de vacío Dar inicio a la prueba Si Figura 66. Diagrama de flujo para pruebas de gases. 89 4.4.2. Resultados En el modo Semiautomático se realiza en tres parámetros a 1000, 2000 y 3000 RPM ejecutando los tres modos de operación del sistema de inyección de AdBlue SCR, intervenidos de manera manual, semiautomático y automático mediante el módulo de control. El informe de la prueba de emisiones figura 67 refleja los datos y características del vehículo, finalizando con los valores revelados del resultado de la prueba de emisiones. Figura 67. Informe Emisiones En la tabla 26 se muestran los valores de la prueba estándar, valores que serán analizados y comparados con los datos de los resultados de los tres diferentes modos de operación del módulo de control de inyección de AdBlue. 90 Tabla 26. Resultados de Emisiones Estándar. Gases Estándar CO (% Vol) 0,06 CO2 (% Vol) 2,6 HC (ppm Vol) 35 O2 (% Vol) 18,4 NO (ppm Vol) 250  Modo Manual Los resultados se representan en tres tablas, los gases residuales de escape a 1000, 2000 y 3000 RPM a cada uno del rango de RPM se va variando el tiempo de apertura del inyector de 5 a 45 ms con intervalo de 5ms. En la tabla 27 se visualiza los resultados de los gases residuales en modo manual con inyección totalmente abierto y un tiempo de inyección de 5 a 45 ms a 1000, 2000 y 3000 RPM. 91 Tabla 27. Resultados de Emisiones Modo Manual. EMISIONES MODO MANUAL RPM 1000 RPM 2000 RPM 3000 RPM T Inyección CO CO2 HC O2 NO LAMBDA CO CO2 HC O2 NO LAMBDA CO CO2 HC O2 NO LAMBDA TA 0,05 2,5 0 17,6 240 0 0,05 2,8 0 17,6 232 0 0,08 3,3 1 18,1 218 4,755 5 0,07 2,3 0,07 17,8 187 0 0,09 2,5 0,09 17,4 82 0 0,21 3,1 3 18 163 4,79 10 0,03 2,4 0 17,7 235 0 0,09 2,5 0 17,5 92 0 0,17 2,7 6 17,1 65 0 15 0,04 2,2 0 17,8 133 0 0,09 2,4 0 17,5 80 0 0,22 2,9 8 17,1 70 4,83 20 0,09 2,2 0 17,7 149 0 0,08 2,4 0 17,6 82 0 0,19 2,9 12 17 66 4,84 25 0,08 2,3 0 17,9 161 0 0,11 2,5 2 17,5 67 0 0,17 2,8 9 16,9 63 4,98 30 0,07 2,3 0 17,6 149 0 0,11 2,4 0 17,4 63 0 0,38 2,6 12 17 45 4,96 35 0,07 2,2 0 17,6 166 0 0,09 2,4 0 17,5 69 0 0,2 2,9 9 16,9 60 4,81 40 0,04 2,1 0 17,7 131 0 0,09 2,3 0 17,4 72 0 0,17 2,7 2 17 64 0 45 0,07 2,1 0 17,6 178 0 0,09 2,3 0 17,3 69 0 0,17 2,7 2 16,9 60 0 Promedio 0,06 2,26 0,01 17,70 173 0,00 0,09 2,45 0,21 17,47 91 0,00 0,20 2,86 6,40 17,20 87 3,40 92  Modo Semiautomático En la tabla 28 se representa los resultados de todos los gases residuales para cada uno de los sensores individuales. Tabla 28. Resultados de Sensores Individuales. SENSORES INDIVIDUALES GASES 1000RPM 2000 RPM 3000 RPM APP CMP ECT TERMOCUPLA PROMEDIO APP CMP ECT TERMOCUPLA PROMEDIO APP CMP ECT TERMOCUPLA PROMEDIO CO 0,04 0,05 0,07 0,06 0,06 0,11 0,11 0,1 0,07 0,10 0,22 0,22 0,18 0,3 0,23 CO2 2,1 2,1 2,2 2,5 2,23 2,4 2,4 2,3 2,7 2,45 2,8 3 2,8 2,8 2,85 HC 0 0 0 0 0 0 0 0 6 1,50 6 8 7 14 8,75 O2 17,8 17,8 17,8 17,1 17,63 17,4 17,6 17,5 17,2 17,43 16,5 16,7 16,8 16,5 16,63 NO 126 135 170 105 134 73 66 68 63 67,5 86 81 70 51 72 LAMBDA 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4,802 4,61 4,945 4,703 4,77 93 En la tabla 29 se representa los resultados de todos los gases residuales para cada una de las combinaciones de los sensores. Tabla 29. Resultados Combinaciones de Sensores. SENSORES COMBINADOS GASES 1000 RPM 2000 RPM 3000 RPM CMP-APP CMP-ECT CMP-TERMOCU. PROMEDIO CMP-APP CMP-ECT CMP-TERMOCU. PROMEDIO CMP-APP CMP-ECT CMP-TERMOCU. PROMEDIO CO 0,06 0,06 0,05 0,06 0,07 0,1 0,11 0,09 0,22 0,17 0,37 0,25 CO2 2,2 2,2 2,1 2,17 2,3 2,3 2,4 2,33 3 2,7 2,8 2,83 HC 0 0 0 0 0 0 0 0 11 1 17 9,67 O2 16,7 17,8 17,9 17,47 17,8 17,5 17,5 17,6 16,6 17 17 16,87 NO 193 179 114 162 90 69 63 74 86 73 43 67,33 LAMBDA 0 0 0 0 0 0 0 0 4,59 4,702 4,65 94  Modo Automático En el modo Automático se realizó cuatro fases de pruebas a Ralentí, 1000, 2000 y 3000 RPM, tabla 30. Tabla 30. Resultados Modo Automático. 4.4.3. Análisis Se realiza un análisis estadístico a partir de graficas de los diferentes modos de operación del sistema inyección de AdBlue para compararlos con el sistema estándar con el SCR verificando cual es el modo más óptimo de reducción de emisiones y su valor límite de emisiones de gases del equipo.  Modo Manual La figura 68 muestra que a 1000, 2000 y 3000 RPM refleja un valor de lambda de 0, mientras que a 3000 RPM se observa un valor máximo de 4,96 con 30ms de apertura del inyector y un mínimo de 4,75 cuando el inyector está totalmente abierto, con una caída del valor de 0 a 10ms, 40ms y 45ms. Gases RALENTI 1000 RPM 2000 RPM 3000 RPM CO(%Vol) 0,03 0,1 0,11 0,23 CO2(%Vol) 2,4 2,3 2,5 3 HC(ppmVol) 0 0,1 9 15 O2(%Vol) 17,6 17,7 17,4 16,6 NO(ppmVol) 229 111 53 77 95 Figura 68. Valores de Lambda modo manual. La figura 69, refleja el % de CO donde a 1000 RPM existe un promedio de 0,06 %, igual al porcentaje estándar de CO, a 2000 RPM existe un promedio de 0,09 %, dónde existe una diferencia de 0,03 % con la estándar, a 3000 RPM se refleja un promedio de 0,20 %, evidenciando una divergencia de 0,17 % con la estándar, con lo cual se obtiene una reducción de la proporción de CO de 33,33% a 2000 RPM y de 70% a 3000 RPM con respecto a la estándar. Figura 69. Porcentajes de CO modo manual. La figura 70, muestra el % de CO2 donde a 1000 RPM existe un promedio de 2,26 %, con una divergencia de 0,34 % con respecto al CO2 estándar que es 2,6 %, a 2000 RPM se muestra un promedio de 2,45 %, que TA 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1000 RPM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2000 RPM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3000 RPM 4,755 4,79 0 4,83 4,84 4,98 4,96 4,81 0 0 0 1 2 3 4 5 6 La m b d a TA 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1000 RPM 0,05 0,07 0,03 0,04 0,09 0,08 0,07 0,07 0,04 0,07 2000 RPM 0,05 0,09 0,09 0,09 0,08 0,11 0,11 0,09 0,09 0,09 3000 RPM 0,08 0,21 0,17 0,22 0,19 0,17 0,38 0,2 0,17 0,17 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 C O ( % v O L) 96 refleja una diferencia de 0,15 % con la estándar, a 3000 RPM muestra un promedio de 2,86 %, evidenciando un aumento de 0,26 % con la estándar, lo cual indica una reducción de 13,07 % de proporción de CO2 a 1000 RPM y de 5,76 % a 2000 RPM, mientras que a 3000 RPM hay un aumento de 9,09 %, indicando que a 1000 y 2000 RPM el sistema SCR ayuda con la contaminación ambiental. . Figura 70. Porcentajes de CO2 modo manual. En la figura 71, se observa que en la mayoría de los casos las ppm de HC dan cero, pero reflejan promedios de ppm de HC de 0,007 y 0,209 ppm a 1000 y 2000 RPM respectivamente, con respecto al valor estándar de 35 ppm de HC se observa una gran disminución de 34,993 ppm y 34,791 ppm , mientras que a 3000 RPM existe un promedio de 6,4 ppm, indicando una diferencia de 28,6 ppm, lo que quiere decir que el sistema SCR posee una eficiencia en la reducción de HC de 18,28%. TA 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1000 RPM 2,5 2,3 2,4 2,2 2,2 2,3 2,3 2,2 2,1 2,1 2000 RPM 2,8 2,5 2,5 2,4 2,4 2,5 2,4 2,4 2,3 2,3 3000 RPM 3,3 3,1 2,7 2,9 2,9 2,8 2,6 2,9 2,7 2,7 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 C O 2 (% V O L) 97 Figura 71. Ppm de HC modo manual. En la figura 72, se observa que a 1000 RPM existe un promedio de 17,7 % reflejando una reducción de 0,8 % con respecto al sistema que tiene 18,5 % de O2, por otro lado, a 2000 RPM existe un promedio de 17,47 % y de 17,2 % a 3000 RPM, lo que indica una reducción de 5,56 % y 7,02 % a 2000 y 3000 RPM respectivamente, con lo cual el sistema SCR ayuda a reducir el porcentaje de O2 a la atmósfera. Figura 72. Porcentajes de O2 modo manual. La figura 73, muestra los valores de ppm de NO con promedios de 173, 91 y 87 a 1000, 2000 y 3000 RPM respectivamente, lo que con respecto a las ppm de NO del sistema convencional de 250 ppm, se obtiene una reducción cuantitativa de 77 ppm a 1000 RPM, 159 ppm a 2000 RPM y 163 TA 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1000 RPM 0 0,07 0 0 0 0 0 0 0 0 2000 RPM 0 0,09 0 0 0 2 0 0 0 0 3000 RPM 1 3 6 8 12 9 12 9 2 2 0 2 4 6 8 10 12 14 H C ( p p m V O L) TA 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1000 RPM 17,6 17,8 17,7 17,8 17,7 17,9 17,6 17,6 17,7 17,6 2000 RPM 17,6 17,4 17,5 17,5 17,6 17,5 17,4 17,5 17,4 17,3 3000 RPM 18,1 18 17,1 17,1 17 16,9 17 16,9 17 16,9 16,2 16,4 16,6 16,8 17 17,2 17,4 17,6 17,8 18 18,2 O 2 (% V O L) 98 ppm a 3000 RPM, indicando que el sistema SCR disminuye el porcentaje de emisiones de NO al ambiente en 30,8 %, 63,6 % y 65,2 % en orden de 1000, 2000 y 3000 RPM. Figura 73. Ppm de NO modo manual.  Modo Semiautomático La gráfica 74, muestra los porcentajes de CO, el cuál a condiciones estándar es de 0,06 %, obteniendo un promedio de 0,06 % a 1000 RPM, sin diferencia con el sistema estándar, mientras que a 2000 RPM se reflejó un promedio de 0,10 % y a 3000 RPM donde se obtuvo un promedio de 0,23 % lo cual se evidencio una aumento de 0,17 %, indicando que a 2000 y 3000 RPM el sistema SCR no reducen las emisiones de CO resultando un aumento del 40 % y 73,91 %, respectivamente. Figura 74. Porcentajes de CO (Sensores Individuales). TA 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1000 RPM 240 187 235 133 149 161 149 166 131 178 2000 RPM 232 82 92 80 82 67 63 69 72 69 3000 RPM 218 163 65 70 66 63 45 60 64 60 0 50 100 150 200 250 300 N O ( p p m V o l) 0,04 0,11 0,22 0,05 0,11 0,22 0,07 0,1 0,18 0,06 0,07 0,3 0 0,1 0,2 0,3 0,4 1000 2000 3000 CO (% Vol) APP CO (% Vol) CMP CO (% Vol) ECT CO (% Vol) TERMOCUPLA 99 La figura 75, indica un promedio del porcentaje de CO2 a 1000, 2000 y 3000 RPM de 2,6 %, 2,45 % y 2,85 % respectivamente, de tal manera que el porcentaje de CO2 con el sistema convencional de 2,6 % refleja una variación de CO2 de 0,15 % a 2000 RPM y un aumento de 0,25 % a 3000 RPM, evidenciando que existe una reducción de emisiones de CO2 a 2000 RPM de 5,76 % y a 3000 RPM un incremento del 8,77 %. Figura 75. Porcentajes de CO2 (Sensores Individuales). La figura 76, muestra las ppm de HC, la cual a 1000 RPM obtenemos valores de 0 ppm, por el contrario a 3000 RPM existe un promedio de 8,75 ppm de HC, valor que indica un 100 % de aumento de ppm de HC ya que en el sistema estándar, se evidencio 0 ppm de HC, reflejando que el sistema SCR no ayuda con la reducción de emisiones de HC. Figura 76. Ppm de HC (Sensores Individuales). 2,1 2,4 2,8 2,1 2,4 3 2,2 2,3 2,8 2,5 2,7 2,8 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 1000 2000 3000 CO2 (% Vol) APP CO2 (% Vol) CMP CO2 (% Vol) ECT CO2 (% Vol) TERMOCUPLA 0 0 6 0 0 8 0 0 7 0 6 14 0 5 10 15 1000 2000 3000 HC (ppm Vol) APP HC (ppm Vol) CMP HC (ppm Vol) ECT HC (ppm Vol) TERMOCUPLA 100 En la figura 77, se obtuvo porcentajes de O2, los cuales reflejaron un promedio de 17,63 % a 1000 RPM, valor que disminuye 0,77 % con respecto al 18,4 % de O2 del sistema convencional del vehículo, por otro lado a 2000 RPM se obtiene un promedio de 17,43 % y a 3000 RPM un 16,63 %, siendo el sensor de O2 el más influyente para obtener una diferencia de 0,97 % y 1,77 % de O2, respectivamente con relación al sistema SCR, esto muestra una reducción de las emisiones de O2 con el sistema SCR implementado de 4,18 % a 1000 RPM, 5,27 % a 2000 RPM y 9,61 % a 3000 RPM. Figura 77. Porcentajes de O2 (Sensores Individuales). La gráfica 78, muestra las ppm de NOx obtenidas con el sistema SCR, comparadas con el valor de 250 ppm de NOx del sistema estándar, donde se tiene un promedio de 134 ppm a 1000 RPM con una divergencia de 116 ppm, a 2000 RPM llega a un promedio de 67,5 ppm, reduciendo 182,5 ppm de la estándar, mientras que a 3000 RPM se obtiene un promedio de 72 ppm disminuyendo 178 ppm, indicando que la termocupla del catalizador toma los valores más bajos a las diferentes RPMs, lo cual indica que existe una reducción de emisiones de NOx al ambiente de 46,4 % a 1000 RPM, 73 % a 2000 RPM y a 3000 RPM llega a reducir un 71,2 %. 17,8 17,4 16,5 17,8 17,6 16,7 17,8 17,5 16,8 17,1 17,2 16,5 15,5 16 16,5 17 17,5 18 1000 2000 3000 02 (% Vol) APP 02 (% Vol) CMP 02 (% Vol) ECT 02 (% Vol) TERMOCUPLA 101 Figura 78. Ppm de NOx (Sensores Individuales) La figura 79, muestra los porcentajes de CO, que reflejan promedios de 0,06 %, 0,09 % y 0,25 % con el sistema SCR a 1000, 2000 y 3000 RPM respectivamente, valores que comparados con el porcentaje de CO estándar de 0,06 %, que a 2000 RPM aumenta 0,03 % y a 3000 RPM crece un 0,19 %, lo cual indica que con las combinaciones de los sensores con el sensor CMP, no ayudan a reducir el porcentaje de CO, sin embargo la combinación CMP – termocupla toma el valor más bajo a 1000 RPM. Figura 79. Porcentajes de CO (Sensores Combinados). En la figura 80, nos refleja valores del porcentaje de CO2, mostrando un promedio a 1000 RPM de 2,17 %, reduciendo de la estándar 0,43 %, a 2000 RPM, existe un promedio de 2,33 % y 2,83 % a 3000 RPM, disminuyendo 0,27 % a 2000 RPM, mas a 3000 RPM aumenta 0,23 %, lo cual indica que 126 73 86 135 66 81 170 68 70 105 63 51 0 50 100 150 200 1000 2000 3000 NOx (ppm Vol) APP NOx (ppm Vol) CMP NOx (ppm Vol) ECT NOx (ppm Vol) TERMOCUPLA 0,06 0,07 0,22 0,06 0,1 0,17 0,05 0,11 0,37 0 0,1 0,2 0,3 0,4 1000 2000 3000 CO (% Vol) CMP-APP CO (% Vol) CMP-ECT CO (% Vol) CMP-TERMOCUPLA 102 las combinaciones no ayudan a reducir las emisiones de CO, sin embargo el valor más bajo obtenido en relación al porcentaje de CO del vehículo en sus condiciones estándar fue de 0,05 con la combinación CMP – termocupla. Figura 80. Porcentajes de CO2 (Sensores Combinados). La figura 81, muestra valores de 0 ppm de HC a 1000 y a 2000 RPM, se mantiene al igual que en la prueba con las condiciones estándar del vehículo, mientras que a 3000 RPM existen valores de 11 ppm, 1 ppm y 17 ppm con las combinaciones de CMP – APP, CMP – ECT y CMP – termocupla, con lo cual se evidencia que, con relación a la prueba estándar y el promedio de 9,66 ppm de HC implementado el sistema SCR existe un 100% de aumento de las emisiones de HC, reflejando el valor más alto con la combinación CMP – termocupla. Figura 81. Ppm de HC (Sensores Combinados). 2,2 2,3 3 2,2 2,3 2,7 2,1 2,4 2,8 0 1 2 3 4 1000 2000 3000 CO2 (% Vol) CMP-APP CO2 (% Vol) CMP-ECT CO2 (% Vol) CMP-TERMOCUPLA 0 0 11 0 0 10 0 17 0 5 10 15 20 1000 2000 3000 HC (ppm Vol) CMP-APP HC (ppm Vol) CMP-ECT HC (ppm Vol) CMP-TERMOCUPLA 103 La figura 82, muestra un promedio del porcentaje de O2 a 1000 RPM de 17,47 %, a 2000 RPM de 17,6 % y a 3000 RPM de 16,87 %, por lo que se evidencia que existe disminución en los tres rangos de RPM, donde se indica que disminuyen 0,93 %, 0,8% y 1,53 % a 1000, 2000 y 3000 RPM respectivamente con relación al porcentaje de O2 de 18,4 % del sistema convencional, reflejando un valor mínimo con la combinación CMP – APP, evidenciando una reducción de emisiones de O2 de un 5,05 % a 1000 RPM, 4,34 % a 2000 RPM y 8,31 % a 3000 RPM. Figura 82. Porcentajes de O2 (Sensores Combinados). En la figura 83, se indica las ppm de NOx, donde se muestra un promedio de 162 ppm a 1000 RPM, 74 ppm a 2000 RPPM y 67,33 ppm a 3000 RPM, lo cual refleja una disminución de 88 ppm, 76 ppm y 182,67 ppm de NOx con respecto a las 250 ppm de NOx del sistema estándar, mostrando los valores mas bajops con la combinación CMP – termocupla, lo cual indica que las ppm de NOx reducen 35,2 %, 70,4 % y 73,06 % a 1000 RPM, 2000 y 3000 RPM respectivamente, evidencia que ayuda a reducir la contaminación ambiental. 16,7 17,8 16,6 17,8 17,5 17 17,9 17,5 17 15,5 16 16,5 17 17,5 18 1000 2000 3000 O2 (% Vol) CMP-APP O2 (% Vol) CMP-ECT O2 (% Vol) CMP-TERMOCUPLA 104 Figura 83. Ppm de NOx (Sensores Combinados).  Modo Automático En la figura 84 se observa el porcentaje de CO por lo cual sin el sistema SCR muestra un valor de 0,03% como su valor mínimo y a 3000 RPM un valor de 0,23%, registrándose un aumento de CO de 0,20%, es decir que a 3000 RPM se evidencia un incremento de emisiones contaminantes de CO 86,95 % respecto al estándar, lo cual indica que el sistema SCR no es eficiente en este caso. Figura 84. Valores de CO modo Automático. 193 90 86 179 69 73 114 63 43 0 50 100 150 200 250 1000 2000 3000 Nox (ppm Vol) CMP-APP Nox (ppm Vol) CMP-ECT Nox (ppm Vol) CMP-TERMOCUPLA 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 CO ESTÁNDAR 0,06 1000 RPM 0,1 2000 RPM 0,11 3000 RPM 0,23 GRÁFICA CO (%VOL) ESTÁNDAR 1000 RPM 2000 RPM 3000 RPM 105 En la figura 85 se puede observar que el porcentaje de CO2 se mantienes casi constante, mostrando 2,3% de CO2 a 1000 RPM con un incremento de 0,7% a 3000 RPM resultando 3% de CO2. Figura 85. Valores de CO2 modo Automático. En la figura 86 se observa un valor de 0 ppm en condiciones estándar, a 1000 RPM se tiene 0,1 ppm de HC reflejando un incremento de 14,9 ppm cuando las revoluciones del motor llegan a ser 3000 RPM, evidenciando que su valor se a incrementando un 100%, llegando a 15 ppm, esto indica que el sistema SCR no ayuda a recudir las ppm de HC. Figura 86. Valores de HC en modo Automático. 0 1 2 3 CO2 ESTÁNDAR 2,6 1000 RPM 2,3 2000 RPM 2,5 3000 RPM 3 GRÁFICA CO2 (%VOL) ESTÁNDAR 1000 RPM 2000 RPM 3000 RPM 0 5 10 15 HC RALENTI 0 1000 RPM 0,1 2000 RPM 9 3000 RPM 15 GRÁFICA HC(PPM-VOL) RALENTI 1000 RPM 2000 RPM 3000 RPM 106 En la figura 87, se observa el porcentaje de O2, llegando a ser el mínimo valor 17,4% cuando el motor está girando a 2000 RPM, y un valor máximo de 17,7% cuando el motor está a 1000 RPM, evidenciando una disminución de emisiones al ambiente de O2 de 0,03%. Figura 87. Valores de O2 modo Automático. En la figura 88 se puede observar que con el sistema estándar, es cuando más ppm de NO existe llegando a tomar un valor de 229 ppm y llegan s tener una disminución de 176 ppm de NO cuando el motor está girando a 2000 RPM, reflejando una reducción de 76,85%, ayudando un 67,86 % a disminuir los gases de contaminación de NO. 15,5 16 16,5 17 17,5 18 18,5 O2 ESTÁNDAR 18,4 1000 RPM 17,7 2000 RPM 17,4 3000 RPM 16,6 GRÁFICA 02 (%VOL) ESTÁNDAR 1000 RPM 2000 RPM 3000 RPM 107 Figura 88. Valores de NO modo Automático. 4.5. Consumo de combustible 4.5.1. Protocolo De acuerdo al protocolo de comunicación ISO 15765-4 CAN (11 bit ID. 500 Kbaud) con el uso de la interfaz ElmScan 5 mediante el sistema de diagnóstico a bordo OBD II, descrito en la figura 91 con su conector de 16 pines, figura 89. El circuito de prueba consta de dos trayectos de conducción uno en ciudad y otro en carretera con una distancia de 24,9 km y 72 km respectivamente. Figura 89. Interfaz OBD Link SX. 0 50 100 150 200 250 NO ESTÁNDAR 250 1000 RPM 111 2000 RPM 53 3000 RPM 77 GRÁFICA NO (PPM-VOL) ESTÁNDAR 1000 RPM 2000 RPM 3000 RPM 108 4.5.2. Circuito para la prueba Se realizó en la ruta que se muestra en la figura 90 dónde la hora de partida fue a las 7:00 am con una distancia de 96,9 km recorridos, la primera fase de la prueba se efectuó sin el sistema SCR desactivado, y la segunda fase con el sistema SCR activado. Figura 90. Ruta ESPE Belisario Quevedo y CCICEV Quito.  El circuito empieza en la ciudad de Latacunga en la parroquia de Belisario Quevedo.  Al principio del circuito habrá un tramo para conducción en la ciudad que tendrá una distancia de 9,7 km.  La ruta posee un tramo para conducción en carretera el cual tendrá la distancia más grande de 63,8 km. 109 INICIO Consumo de combustible Ubicar al vehículo en el inicio de la ruta Conectar la interfaz al PC y al puerto OBD II Ingresar al programa OBDwiz Seleccionar “Connect” Seleccionar la opción “Dashboard” Encerar seleccionando “Reset” Poner en marcha al vehículo Conducir según el protocolo de prueba Seleccionar grabar “Save” Conducir hasta el final de la ruta Seleccionar la opción “Stop” Apagar el vehículo Guardar todo el equipo Encender el módulo de control de inyección de AdBlue Colocar el módulo en modo Automático y realizar las pruebas Clic en “Disconnect” Clic en “Exit” No Si FIN Continuar con la prueba Continuar con el sistema SCR No Si Figura 91. Diagrama de flujo para pruebas de consumo de combustible 110 4.5.3. Resultados La tabla 31 representa los datos de consumo de combustible registrados por la interfaz OBDwiz, se efectuaron tres pruebas en ruta Latacunga – Quito con el sistema Estándar y con el sistema SCR implementado en modo de funcionamiento automático se analiza en función del valor promedio de los resultados obtenidos. Tabla 31. Consumo de Combustible. ESTANDAR SCR N° Total Lt/100km Inst Lt/100km Litros x hora Litros Total Total Lt/100km Inst Lt/100km Litros x hora Litros Total Prueba 1 22,8 19,33 3,23 19,37 22,1 19 3,11 19,1 Prueba 2 23,2 20,2 3,12 19,35 21,5 19,3 3,2 19,22 Prueba 3 23,3 19,05 3,4 19,26 20,8 18,6 3,03 18,32 Promedio 23,10 19,53 3,25 19,33 21,47 18,97 3,11 18,88 4.5.4. Análisis La prueba de rendimiento incluyendo paradas figura 92 en condiciones estándar es de 23,1 lt/100km y con el sistema de inyección de AdBlue implementado es de 21,47 lt/100km, el vehículo de prueba requiere una menor cantidad de combustible por cada 100 km de recorrido con el Sistema SCR reflejando una mayor autonomía de 7,06 % respecto del automotor en condiciones estándar. Figura 92. Consumo con paradas en litros cada 100km. 22,8 23,2 23,3 23,122,1 21,5 20,8 21,47 8 12 16 20 24 28 Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Promedio ESTÁNDAR Consumo con paradas SCR Consumo con paradas 111 La figura 93, muestra el rendimiento sin paradas es de 19,53 lt/100km con el vehículo en condiciones estándar y con el sistema SCR es de 18,97 lt/100km, lo que resulta en ahorro de combustible de 0,56 lt/km que constituye un 2,86 % de autonomía por cada 100 km recorridos sin tomar en cuenta la cantidad de combustible consumida cuando el vehículo está detenido. Figura 93. Consumos sin paradas en litros cada 100km. El consumo de combustible por hora figura 94, con el sistema estándar del vehículo es de 3,28 lt/h y con el sistema SCR fue de 3,16 lt/h, indicando un mayor consumo de combustible en una hora del 4.65% lo que significa un incremento de 0,12 lt/h. Figura 94. Consumo en litros por hora. 19,33 20,2 19,05 19,5319 19,3 18,6 18,97 8 12 16 20 24 Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Promedio ESTÁNDAR Consumo sin paradas SCR Consumo sin paradas 3,23 3,32 3,28 3,283,11 3,2 3,18 3,16 0 1 2 3 4 Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Promedio ESTÁNDAR Litros x hora SCR Litros x hora 112 En la figura 95, se muestra el consumo total de combustible alcanzando en condiciones estándar y con el sistema SCR 19,38 lt, y 19,32 lt respectivamente, obteniendo un de 0,06 lt sin el sistema, lo que refleja un menor consumo total con el sistema de inyección de AdBlue del 0,99 %. Figura 95. Consumo total de combustible. 4.6. Pruebas consumo del inyector de AdBlue El consumo volumétrico de AdBlue, se realizó de acuerdo al procedimiento descrito en la figura 97, bajo diferentes parámetros y condiciones de operación y funcionamiento del inyector como tiempo de inyección, tiempo de apertura a diferentes regímenes de giro. Figura 96. Pruebas de Consumo. 19,37 19,45 19,32 19,3819,34 19,37 19,24 19,32 18 18,2 18,4 18,6 18,8 19 19,2 19,4 19,6 19,8 20 Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Promedio ESTÁNDAR Litros Total SCR Litros Total 113 Las muestras de consumo del inyector se tomaron en una probeta graduadas con el inyector de AdBlue desmontado del catalizador, figura 96, con el módulo de control electrónico en modo manual variando los tiempos de inyección de totalmente abierto a rangos periódicos de 5 ms hasta 45 ms. INICIO Consumo del Inyector de AdBlue Encender el Motor Encender el Módulo de Inyección Colocar el inyector en una probeta Activar el Módulo en modo Manual Escoger el tiempo de inyección de AdBlue Variar las RPMs de 1000-2000 y 3000 RPM FIN Tomar la medida en ml de Adblue de la probeta Tabular Datos Figura 97. Diagrama de flujo para pruebas de consumo de AdBlue. 114 4.5.1. Resultados La tabla 32 muestra los resultados del consumo del aditivo a base de urea en relación al número de pulsos del inyector a 1000 RPM hasta los 3000 rpm en intervalos de 2 minutos hasta 6 minutos. Tabla 32. Consumo del inyector de AdBlue a 1000 - 2000 y 3000 RPM en 2 – 4 y 6min. RPMs 1000 RPM 2000 RPM 3000 RPM Tiempo Activado 2min 4min 6min 2min 4min 6min 2min 4min 6min T. inyec. (ms) N° Pulso. Con. (ml) N° Pulso Con. (ml) N° Pulso Con. (ml) N° Pulso Con. (ml) N° Pulso Con. (ml) N° Pulso Con. (ml) N° Pulso Con. (ml) N° Pulso Con. (ml) N° Pulso Con. (ml) TA 44 76 108 44 76 108 44 76 108 45 1441 18 1461 40 2175 55 1187 36 2376 72 3558 92 1441 38 2885 71 4331 98 40 1538 16 1501 32 2265 46 1247 31 2496 67 3747 86 1538 35 3068 68 4612 91 35 1632 18 1547 26 2367 41 1317 28 2632 57 3950 72 1632 36 3278 66 4930 86 30 1728 15 1598 28 2471 39 1380 24 2757 50 4144 62 1728 29 3470 61 5223 80 25 1824 14 1655 26 2463 37 1445 20 2885 43 4340 53 1824 28 3667 59 5523 74 20 1919 11 1719 24 2570 35 1510 16 3013 35 4536 44 1919 25 3863 55 5822 68 15 2015 8 1775 15 2663 24 1575 12 3141 28 4732 33 2015 23 4060 52 6122 62 10 2110 6 1843 11 2767 13 1640 8 3269 20 4928 21 2110 20 4256 45 6421 56 5 2206 4 1921 6 2911 8 1705 4 3397 13 5124 12 2206 15 4453 36 6721 32 115 4.6.1. Análisis En la figura 98 se observa un consumo volumétrico del inyector de 44 ml, 76 ml y 108 ml cuando el inyector está totalmente abierto, con tiempos de inyección de 5 ms se producen volúmenes de 4 ml, 6 ml y 8 ml incrementándose progresivamente el número de pulsos; y las cantidades inyectadas de 18 ml, 40 ml y 55 ml con 45 ms como tiempo de inyección; para todos los casos en un tiempo de prueba de 2 min, 4min y 6 min respectivamente; de lo que se evidencia que a mayor tiempo de inyección mayor volumen de aditivo suministrado y proporcional al régimen de giro y el número de pulsos es inversamente proporcional al consumo volumétrico de AdBlue. 116 Figura 98. Consumo del inyector de AdBlue a diferentes regímenes. Consumo (ml) Consumo (ml) Consumo (ml) Consumo (ml) Consumo (ml) Consumo (ml) Consumo (ml) Consumo (ml) Consumo (ml) TA 44 76 108 44 76 108 44 76 108 45 18 40 55 36 72 92 38 71 98 40 16 32 46 31 67 86 35 68 91 35 18 26 41 28 57 72 36 66 86 30 15 28 39 24 50 62 29 61 80 25 14 26 37 20 43 53 28 59 74 20 11 24 35 16 35 44 25 55 68 15 8 15 24 12 28 33 23 52 62 10 6 11 13 8 20 21 20 45 56 5 4 6 8 4 13 12 15 36 32 0 20 40 60 80 100 120 117 CAPÍTULO V 5. MARCO ADMINISTRATIVO. 5.1. Recursos Al fin de llevar a cabo la ejecución del proyecto de manera eficiente y organizada, se presenta el análisis y optimización de los recursos que son: humanos, institucional, materiales y tecnológicos. 5.1.1. Recursos humanos Los recursos humanos involucrados en el desarrollo de la investigación titulado “INVESTIGACIÓN DEL DESEMPEÑO Y EMISIONES DEL MOTOR DIESEL MZR –CD 2.5L CRDI AL IMPLEMENTAR EL CONJUNTO SCR CON INYECCIÓN DE ADBLUE EN EL SISTEMA DE ESCAPE” es el siguiente: Tabla 33. Recursos humanos. Ord. Descripción Función 1. Flores Manosalvas Marco Javier Investigador 2. Toapanta Aguilar Cristian Francisco Investigador 3. Ing. Leónidas Quiroz - Colaborador Científico - Colaborador técnico y analista de emisiones 4. Ing. Germán Erazo Colaborador Científico 5. Ing. Daniel Tinizaray Colaborador Científico 5.1.2. Recursos institucionales Los recursos institucionales donde se desarrolló el proyecto de titulación son los siguientes: 118 Tabla 34. Recursos institucionales. Institución Dirección Teléfono Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga Laboratorio de Autotrónica Laboratorio de Mecánica de Patio Ecuador, Cotopaxi – Latacunga Calle Quijano y Ordoñez y hermanas Páez 593(3) 2810- 206 / 2813-130 / 2810-326 Centro de Transferencia Tecnológica para la Capacitación e Investigación en Control de Emisiones Vehiculares CICCEV Ecuador, Pichincha – Quito Av. Toledo s/n y Madrid 593(2) 2976300 ext 5751 5.1.3. Recursos materiales Para el desarrollo de la investigación es necesario elementos y componentes que se presentan a continuación: Tabla 35. Recursos materiales. Orden Cantidad Unidades Detalle 1 15 Galón Diésel 2 1 Unidad Mantenimiento vehicular 3 1 Caneca AdBlue 4 1 Unidad Catalizador SCR 5 2 Metros Tubo de acero 2 ½ pulgadas 6 1 Unidad Plancha de acero 7 1 Unidad Bomba 8 1 Unidad Inyector 9 1 Unidad Módulo 10 1 Unidad Deposito 11 6 Metros Cañerías 12 1 Unidad Silicón automotriz 13 1 Unidad Sensor de nivel 14 1 Resma Hojas 15 2 Unidades Perno con tuerca 16 2 Unidades CD 17 6 Metros Cable # 16 18 6 Metros Cable # 21 19 1 Unidad Misceláneos 119 5.1.4. Recursos tecnológicos Para cumplir con los objetivos de esta investigación es necesario contar con equipos que faciliten la visualización de los datos obtenidos, los cuales se mencionan a continuación: Tabla 36. Recursos tecnológicos. Orden Cantidad Unidades Detalle 1 2 Unidades Computador personal 2 1 Unidad Multímetro automotriz 3 1 Unidad Cámara fotográfica 4 1 Unidad Dinamómetro 5 1 Unidad Scanner automotriz 6 1 Unidad Osciloscopio automotriz 7 1 Unidad Interfaz OBDwiz 8 1 Unidad Analizador de gases Brain Bee 9 1 Unidad Analizador de gases Cartek 10 1 Unidad Suelda MIG 11 1 Unidad Dobladora de tubos 5.2. Presupuesto de la investigación. Para el desarrollo del proyecto se estableció el recurso económico necesario, de la suma de los costos de los recursos materiales y tecnológicos. 5.2.1. Presupuesto de los recursos materiales. Tabla 37. Presupuesto de los recursos materiales. Ord. Cant. Unidades Detalle Costos unitario Costo total 1 15 Galón Diésel $ 1,02 $ 15,30 2 1 Unidad Mantenimiento vehicular $ 50,00 $ 50,00 3 1 Caneca AdBlue $ 30,00 $ 30,00 4 1 Unidad Catalizador SCR $ 260,00 $ 260,00 CONTINÚA 120 5 2 Metros Tubo de acero 2 ½ pulgadas $ 5,00 $ 10,00 6 2 Unidad Plancha de acero $ 10,00 $ 25,00 7 1 Unidad Bomba $ 40,00 $ 40,00 8 1 Unidad Inyector $ 335,00 $ 335,00 9 1 Unidad Módulo $ 170,00 $ 170,00 10 1 Unidad Deposito $ 60,00 $ 60,00 11 6 Metros Cañerías $ 1,20 $ 7,20 12 1 Unidad Silicón automotriz $ 4,50 $ 4,50 13 1 Unidad Sensor de nivel $ 13,00 $ 13,00 14 1 Resma Hojas $ 3,50 $ 3,50 15 2 Unidad Perno con tuerca $ 1,50 $ 3,00 16 2 Unidad CD $ 1,50 $ 3,00 17 6 Metros Cable # 16 $ 0,50 $ 3,00 18 6 Metros Cable # 21 $ 0,25 $ 1,50 19 1 Unidad Misceláneos $ 10,00 $ 10,00 Total: $ 1.043,70 5.2.2. Presupuesto de los recursos tecnológicos. Tabla 38. Presupuesto de los recursos tecnológicos. Ord. Cant. Unidades Detalle Costos unitario Costo total 1 2 Unidades Computador personal $ 0,00 2 1 Unidad Multímetro automotriz $ 0,00 3 1 Unidad Cámara fotográfica $ 0,00 4 1 Unidad Dinamómetro (pruebas torque y potencia) $ 115,00 $ 115,00 5 1 Unidad Scanner automotriz $ 0,00 6 1 Unidad Osciloscopio automotriz $ 0,00 7 1 Unidad Interfaz OBDwiz $ 0,00 8 3 Unidad Analizador de gases Brain Bee (filtros y calibración) $ 13,00 $ 90,00 9 1 Unidad Analizador de gases Cartek (calibración ) $ 45 $ 90,00 10 1 Unidad Suelda MIG $ 10,00 $ 10,00 11 4 Dobleces Dobladora de tubos $ 3,00 $ 12,00 Total: $ 317,00 121 5.2.3. Presupuesto total Tabla 39. Presupuesto total del proyecto. Recursos Costo total Recursos materiales $ 1.043,70 Recursos tecnológicos $ 317,00 Imprevistos $ 120 Total $ 1.480,70 Mediante el análisis de los recursos materiales y tecnológicos para el desarrollo de la investigación titulado “INVESTIGACIÓN DEL DESEMPEÑO Y EMISIONES DEL MOTOR DIESEL MZR–CD 2.5L CRDI AL IMPLEMENTAR EL CONJUNTO SCR CON INYECCIÓN DE ADBLUE EN EL SISTEMA DE ESCAPE”, se tiene como resultado una inversión de 1.502,00 dólares americanos. 5.3. Cronograma de actividades. Figura 99. Cronograma de actividades. 122 CAPITULO VI 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1. Conclusiones  Se recopiló la información científica necesaria que fundamente el desarrollo de la investigación propuesta.  Se realizó el levantamiento de requerimientos de la implementación del sistema SCR con inyección de AdBlue en el sistema de escape, fundamentando su principio de funcionamiento desde la visión mecánica, eléctrica y electrónica.  Se implementó el sistema SCR con inyección de AdBlue en el sistema de escape en el motor MZR – CD 2,5 L CRDI, considerando parámetros mecánicos: catalizador, inyector, materiales del tubo de escape; hidráulicos: ubicación del depósito, tipo de bomba, tipo de cañerías, filtro; eléctricos: tipo de cables, fuente y electrónicos: programación, elementos electrónicos.  Se diseñó e implementó el módulo de control de inyección de AdBlue, con tres diferentes modos de operación: Manual, Semiautomático, Automático.  Se realizó las pruebas de torque y potencia en el CCICEV, ciudad de Quito, con el dinamómetro de rodillos MAHA 3000, con el sistema estándar y el sistema SCR implementado, con el modo automático.  Se obtuvieron resultados de pruebas de opacidad en el laboratorio de Autotrónica, ESPE-L, con el opacímetro CARTEK, con el cual se 123 realizó pruebas con el sistema estándar del vehículo y con el sistema SCR en todos sus modos de operación.  Se pudo comprobar la eficacia del sistema SCR mediante las pruebas de gases realizadas en el laboratorio de Autotrónica, ESPE-L, utilizando el analizador de gases Brian Bee.  Se realizó de consumo de combustible con el motor estándar, para determinar el volumen necesario del depósito de AdBlue en función del consumo del combustible.  Se efectuó pruebas del consumo volumétrico del inyector a diferentes tiempos de inyección, para realizar una relación con el consumo de combustible y determinar el nivel del depósito de AdBlue.  La potencia del vehículo Mazda BT – 50 MZR – CD 2,5 L CRDI en condiciones estándar es 80,03 HP y con el sistema SCR es 80,77 HP; se establece un incremento con el sistema SCR de 0,74 HP que representa 0,91% de incremento respecto de las condiciones originales de manufactura.  Se determinó que el torque de 162,83 lb-ft en condiciones estándar y 167,93 lb-ft del sistema SCR implementado, se registra un incremento con el sistema SCR de 5,1 lbf-ft, revelando que el torque del motor MZR – CD 2,5 L CRDI es más eficiente un 3,03% respecto al torque del sistema estándar del vehículo.  En el modo manual se registró una opacidad mínima de 2,14% con el inyector totalmente abierto y una opacidad máxima de 2,86 % con un tiempo de inyección de 5 ms, lo que representa una menor contaminación cuando existe mayor volumen de AdBlue inyectado en 124 el catalizador, pero en todos los casos el vehículo aprobaría la revisión.  En el modo semiautomático se registra un menor valor de opacidad cuando el sistema controla la inyección de AdBlue en función de los sensores individuales, de la temperatura del catalizador con una opacidad del 2 % reduciendo la contaminación ambiental en función de la reacción química metales nobles del sistema catalítico del SCR, al utilizar otras posibilidades de control de inyección de AdBlue mediante sensores mantienen un límite de opacidad dentro de un valor no superior a 2,79 % valores los cuáles un superan la norma NTE INEN 2 207:2000.  El menor valor de opacidad alcanzado en el modo semiautomático se obtiene que cuando el sistema controla la inyección de AdBlue con sensores combinados, en CMP- Termocupla del 1,62 % reduciendo el impacto ambiental al controlar la inyección de AdBlue, los valores permisibles de la norma NTE INEN 2 207:2000, al utilizar otras combinaciones del modo semiautomático no superan al 2,04 % que corresponde a la combinación CMP-ECT.  El porcentaje de CO en el modo manual se obtiene, a 1000 RPM existe un promedio de 0,06 %, igual al porcentaje estándar de CO, a 2000 RPM existe un promedio de 0,09 %, dónde existe una diferencia de 0,03 % con la estándar, a 3000 RPM se refleja un promedio de 0,20 %, evidenciando una divergencia de 0,17 % con la estándar, con lo cual se obtiene una reducción de la proporción de CO de 33,33% a 2000 RPM y de 70% a 3000 RPM con respecto a la estándar.  El porcentaje de CO2 en el modo manual indica que, a 1000 RPM existe un promedio de 2,26 %, a 2000 RPM se muestra un promedio de 2,45 %, a 3000 RPM muestra un promedio de 2,86 %, lo cual indica una reducción de 13,07 % de proporción de CO2 a 1000 RPM y 125 de 5,76 % a 2000 RPM, mientras que a 3000 RPM hay un aumento de 9,09 %, indicando que a 1000 y 2000 RPM el sistema SCR ayuda con la contaminación ambiental.  En el modo manual, se observa que en la mayoría de los casos las ppm de HC dan cero, pero reflejan promedios de ppm de HC de 0,007 y 0,209 ppm a 1000 y 2000 RPM respectivamente, mientras que a 3000 RPM existe un promedio de 6,4 ppm, lo que quiere decir que el sistema SCR posee una eficiencia en la reducción de HC de 18,28%.  En el modo manual se obtuvo que a 1000 RPM existe un promedio de 17,7 %, por otro lado a 2000 RPM existe un promedio de 17,47 % y de 17,2 % a 3000 RPM, lo que indica una reducción de 5,56 % y 7,02 % a 2000 y 3000 RPM respectivamente, con lo cual el sistema SCR ayuda a reducir el porcentaje de O2 a la atmósfera.  En el modo manual se obtuvo, que los valores de ppm de NO con promedios de 173, 91 y 87 a 1000, 2000 y 3000 RPM respectivamente, lo que con respecto a las ppm de NO del sistema convencional de 250 ppm, indicando que el sistema SCR disminuye el porcentaje de emisiones de NO al ambiente en 30,8 %, 63,6 % y 65,2 % en orden de 1000, 2000 y 3000 RPM.  En el modo semiautomático, indican porcentajes de CO, el cuál a condiciones estándar es de 0,06 %, mientras que a 2000 RPM se reflejó un promedio de 0,10 % y a 3000 RPM donde se obtuvo un promedio de 0,23 %, indicando que a 2000 y 3000 RPM el sistema SCR no reducen las emisiones de CO resultando un aumento del 40 % y 73,91 %, respectivamente.  El modo semiautomático, indica un promedio del porcentaje de CO2 a 1000, 2000 y 3000 RPM de 2,6 %, 2,45 % y 2,85 % respectivamente, 126 evidenciando que existe una reducción de emisiones de CO2 a 2000 RPM de 5,76 % y a 3000 RPM un incremento del 8,77 %.  El modo semiautomático, muestra las ppm de HC, la cual a 1000 RPM obtenemos valores de 0 ppm, por el contrario a 3000 RPM existe un promedio de 8,75 ppm de HC, valor que indica un 100 % de aumento de ppm de HC ya que en el sistema estándar, se evidencio 0 ppm de HC, reflejando que el sistema SCR no ayuda con la reducción de emisiones de HC.  El modo semiautomático, obtuvo porcentajes de O2, los cuales reflejaron un promedio de 17,63 % a 1000 RPM, valor que disminuye 0,77 % con respecto al 18,4 % de O2 del sistema convencional del vehículo, por otro lado a 2000 RPM se obtiene un promedio de 17,43 % y a 3000 RPM un 16,63 %, siendo el sensor de O2 el más influyente para obtener una diferencia de 0,97 % y 1,77 % de O2, respectivamente con relación al sistema SCR, esto muestra una reducción de las emisiones de O2 con el sistema SCR implementado de 4,18 % a 1000 RPM, 5,27 % a 2000 RPM y 9,61 % a 3000 RPM.  En el modo semiautomático se muestran las ppm de NOx obtenidas con el sistema SCR, comparadas con el valor de 250 ppm de NOx del sistema estándar, esto reflejo que la termocupla del catalizador toma los valores más bajos a las diferentes RPMs, lo cual indica que existe una reducción de emisiones de NOx al ambiente de 46,4 % a 1000 RPM, 73 % a 2000 RPM y a 3000 RPM llega a reducir un 71,2 %.  En el modo automático el porcentaje de CO sin el sistema SCR muestra un valor de 0,03% como su valor mínimo y a 3000 RPM un valor de 0,23%, registrándose un aumento de CO de 0,20%, es decir que a 3000 RPM se evidencia un incremento de emisiones 127 contaminantes de CO 86,95 % respecto al estándar, lo cual indica que el sistema SCR no es eficiente en este caso.  El modo automático indicó que el porcentaje de CO2 se mantienes casi constante, mostrando 2,3% de CO2 a 1000 RPM con un incremento de 0,7% a 3000 RPM resultando 3% de CO2, demostrando que el sistema SCR no es eficiente para la reducción de CO2 a la atmósfera.  En el modo automático se observó un valor de 0 ppm en condiciones estándar, a 1000 RPM se tiene 0,1 ppm de HC reflejando un incremento de 14,9 ppm cuando las revoluciones del motor llegan a ser 3000 RPM, evidenciando que su valor se ha incrementado un 100%, llegando a 15 ppm, esto indica que el sistema SCR no ayuda a recudir las ppm de HC.  En el modo automático se observó el porcentaje de O2, llegando a ser el mínimo valor 17,4% cuando el motor está girando a 2000 RPM, y un valor máximo de 17,7% cuando el motor está a 1000 RPM, evidenciando una disminución de emisiones al ambiente de O2 de 0,03%.  En el modo automático se obtiene que a condiciones estándar es cuando más ppm de NO existe llegando a tomar un valor de 229 ppm y llegan s tener una disminución de 176 ppm de NO cuando el motor está girando a 2000 RPM, reflejando una reducción de 76,85%, ayudando un 67,86 % a disminuir los gases de contaminación de NO.  Las pruebas de consumo indican que existe una autonomía de 7,056 % del vehículo en el rendimiento por cada 100km con paradas, además resulta un ahorro de combustible de un 2,86 % por cada 100 km recorridos sin tomar en cuenta la cantidad de combustible 128 quemada cuando el vehículo está detenido, por otra parte se mostró una autonomía de 3,65 % por litro consumido en una hora, con lo que se evidenció una autonomía de 0,99 % con el sistema SCR implementado.  En número de pulsos del inyector son inversamente proporcionales, al tiempo de apertura del inyector. 6.2. Recomendaciones  Determinar mediante el diagrama eléctrico del motor MZR-CD 2.5 L CRDI, los pines de señal de los diferentes sensores (APP, CMP y ECT) que van a ser recibidos por el módulo de control.  Determinar de forma correcta las ecuaciones de los sensores del vehículo que van a ser procesadas por el controlador arduino, para de esta manera obtener un valor real de cada sensor.  Ajustar la inyección a diferentes tiempos (en milisegundos), para determinar la influencia que existe en los niveles de opacidad y análisis de gases.  Para investigaciones posteriores se recomienda implementar sensores de NOx antes y después del catalizador, creando nuevos mapas de control de inyección de AdBlue y mejorar la reducción de NOx.  En investigaciones posteriores se recomienda la implementación de más sensores del vehículo para el cálculo del tiempo de inyección como son: sensor Presión Absoluta del Colector (MAP), Velocidad del Vehículo (VSS), etc. De esta manera conocer la influencia que tiene cada sensor. 129  Para investigaciones futuras del sistema SCR se recomienda implementar un regulador de presión y retorno en el sistema hidráulico, con el fin de proteger la bomba. 130 BIBLIOGRAFÍA Águeda Casado, E., Gracia, J. 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