TECHNICAL NOTE

Speed and Load Characteristic Curves of the Volkswagen 1.9 SDi Engine

M.Sc. José Ramón Soca-Cabrera [^I] [^*]

Ing. Salvador Chavarría-Irigoyen [^I]

Ing. Marcos Martínez-Rocha [^I]

[I] Universidad Autónoma Chapingo, Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, Texcoco, Estado de México, México.

[*] Author for correspondence: José Ramón Soca-Cabrera, E-mail: jsoca@yahoo.com

ABSTRACT

The diesel engine tests are standardized and are governed by standards that allow determining the main parameters of the engine's operation. This paper shows the results of the tests carried out on the Volkswagen 1.9 SDI engine with the Armfield CM12 test bench, carried out in the Diesel engine laboratory of the Department of Agricultural Mechanical Engineering (DIMA) of the Autonomous University of Chapingo (AUCh). The SAE J1995 methodology was used to adjust the characteristic curves of torque and gross power, as well as the hourly and specific fuel consumption using the methods of scanner and balance. In addition, the lambda λ index variation was obtained. It was obtained that the maximum power regime varies by 4.1% and the maximum power by 16.7%, in relation to the nominal; the average minimum specific consumption is 179.5 g / kWh.

Keywords:

engine; testing; effective parameters.

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INTRODUCTION

Modern diesel engines are used in much of the world's equipment, they are especially the main sources of energy available for personal and commercial automotive transport and they have increasing popularity.

Traditionally, diesel engines run on mineral fuel, which is produced from crude oil. This fact generates three main concerns for the sustainable use of these machines in the future, namely:

The limited world reserves of crude oil. Crude oil covers approximately 37% of the world's energy demands (Asif y Muneer, 2007; Kjarstad y Johnsson, 2009; Kegl, 2012).
The chemical process of transforming fuel energy into mechanical work or, more precisely, into the exhaust emissions of this process. A diesel engine produces mainly CO2, NO, CO, unburned HC and PM emissions (smoke). These emissions contribute negatively to global climate change, general pollution of air, water and soil, as well as in the direct effects on health (cancer, cardiovascular and respiratory problems, ...) (Kegl, 2012).
The large amount of fuel consumed by diesel engines worldwide. The 81% of the energy used for road transport is consumed by diesel engines (Soto et al., 2014). In addition, it is consumed by rail and naval transport, as well as by the generation of electricity, among others. Thus, if efficient alternative diesel fuel is produced, the use of diesel engines will continue to be a problem. For this reason, the reduction of diesel fuel consumption to the minimum possible limits should be a priority, both from these machines’ designing and usage points of view.

For the commercialization of automobiles a certification should be carried out which confirms the real parameters that the engine and the vehicle deliver, the technical specifications they convey according to the manufacturer and that, in addition, they comply with the Mexican and international standards on safety and polluting emissions (Mantilla et al., 2015). To carry out this certification it is necessary to perform tests in which the net or gross parameters of the engine are obtained, as well as other indexes of the vehicle.

The SAE J1995:14 (2014) standard allows obtaining the gross parameters of the engine, while the SAE J1349:11 (2011) standard allows obtaining the net parameters. These standards specify the standard conditions for conducting the tests and provide the methodology to perform the data correction. In case that the test is performed under non-standardized conditions, it can be verified that an engine is delivering the power and torque values that the manufacturer proposes, as well as fuel consumption and other engine indices (Puente and Coyago, 2017).

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METHODS

The tests to obtain the engine parameters were made in the Diesel engine laboratory of the Department of Agricultural Mechanical Engineering, belonging to the Autonomous University of Chapingo. The conditions of the test were: atmospheric temperature of 297.15 K (24 ° C), altitude of 2 250 m.s.n.m. with atmospheric pressure of 78 kPa and relative humidity of 38%, obtained from Chapingo Meteorological Observatory.

To make the measurements of the parameters that allow the construction of the characteristic curves of the engine, the following equipment and instruments were used:

Volkswagen SDI 1.9 L engine
Armfield Diesel Engine Test Bench CM12 (see Figure 1).
Launch Scanner VEA 501 Emission Analizer.
Launch X-431 scanner pro.
Precision electronic balance of 0.1 g.
Precision stopwatch 0.01 s.
Computer with program to operate the test bench.

During the tests of the engine the SAE J1995:14 (2014) standard was used, which establishes the methodology to adjust the "gross" parameters of the internal combustion engine (ICM), such as torque, power, hourly and specific consumption, among others, to normal conditions established.

The "gross" power is obtained when the engine runs without those accessories that are not essential for its operation, leaving the oil and fuel pumps placed. The following accessories were disconnected. The air filter (an air filter can reduce the power by around 2 hp), the mechanical fan of the engine (it can subtract up to 10 hp if it is directly coupled to the engine) and the complete exhaust (the silencer and catalytic converter can subtract between 4 and 6 hp). Others accessories disconnected were the alternator (it absorbs up to 2 hp), the hydraulic steering pump, the anti-pollution system (exhaust gas recirculation), etc. (GOST 18509:88, 1988; SAE J1349:11, 2011; SAE J1995:14, 2014; Castillo et al., 2017; Hernández et al., 2018).

The "net" power is obtained by keeping all the accessories connected as the manufacturer for the engine or vehicle indicates it.

The bench Armfield Diesel Engine CM12, used as a dynamometer brake, has a water pump that replaces the water pump of the Volkswagen 1.9 SDI engine. In addition, the following elements were removed from the engine: catalytic converters, muffler, exhaust pipe, fans, alternator and air filter. The brake is of electrical type of parasitic current, it has a control panel and a device to determine the depression during the air intake. Also, it has software that is installed in a computer to show, on a screen, the multiple possibilities of work (Figure 1). Those possibilities are related to button to start the engine (1), buttons to vary the brake (2), buttons to vary the load (3), indicators of speed (4), indicators of torque and power (5), buttons to save the data (6), buttons to plot the curves (7) and buttons to export the data to Excel in a removable device.

The general methodology of the tests is summarized in the following steps. a) Start the engine, check the proper functioning of all instruments and equipment and bring the engine to its working temperature. b) Place the load in its constant magnitude (100, 75, 50 and 25%), for the speed characteristics or the constant speed (maximum power, 75, 50 and 25% of the first), for the load characteristics. c) Vary the brake of the bank in the magnitudes corresponding to the test regime, d) Stabilize the regime. e) Take the measurement data with the instruments (balance, stopwatch and scanners) and press the green button (6) of Figure 1 to store the dynamometer data. f) Move on to the next measurement and repeat the steps.

The primary data of interest for the present investigation the program of the bank offers are torque ( $M_{e}$ ), power $(N_{e}$ ) and frequency of rotation or speed of the engine (n). Hourly and specific fuel consumption were determined by two methods: a) using a scale and a stopwatch and, b) using the Launch X-431 pro scanner.

1-Button to start the engine, 2- button to control the brake, 3- button to control the fuel supply, 4- speed indicator screen, 5- torque and power indicator screen, 6- button to save the results of the measures.

FIGURE 1.

Main screen of the Armfield Diesel engine test program CM12 (Armfield Limited, 2015).

To calculate the hourly consumption by the balance method, the equation used was:

$G_{h} = (Δ g / Δ t) 3.6$

(1)

Where

$Δ g$ - Fuel consumption during time Δt, in g; Δg = 10 g,

Δt - Time elapsed in consuming Δg grams of fuel, in s.

To calculate the hourly consumption by the Launch X-431 pro Tecnofuel (2015), scanner method, the equation used was:

$G_{s} = (V_{e} \cdot i n) / (12 10^{4})$

(2)

Where

$G_{s}$ - Amount of fuel consumed, g / s

$V_{e}$ - Amount of fuel delivered for each opening, stroke or blow of an injector, mg/emb or mg/str

I - Number of engine cylinders

n - Engine rotation frequency, min-1

The fuel hourly consumption $G_{h},$ is calculated by the equation:

$G_{h} = G_{s} \cdot 3.6$

(3)

This procedure is performed for the data capture of the values obtained by the Launch X-431 pro scanner in each of the load and speed tests.

To obtain the specific fuel consumption in [g/kWh] , the equation used was.

$g_{e} = (G_{h} \cdot 10^{3}) / N_{e}$

(4)

Where

$G_{h}$ - Fuel hourly consumption, in kg/h,

$N_{e}$ - Effective engine power, in kW.

In this research, two methods of correction or adjustments of the data obtained were used in the conditions of the test to standardized conditions. That allowed comparing and evaluating the engine tested with the manufacturer's technical specification. In general, the GOST 18509:88 (1988) standard establishes that the correction factor of power and specific fuel consumption are calculated by the equations:

$N_{e 0} = k_{N} \cdot N_{e}$

(5)

$g_{e 0} = k_{g e} \cdot g_{e}$

(6)

Where

$N_{e}, g_{e}$ - Effective power and specific fuel consumption, respectively, obtained during the tests,

$k_{N}, k_{g e}$ - Correction coefficients of the power and of the specific fuel consumption

The correction coefficients are determined according to the following equations:

$k_{N} = \frac{0.83}{ρ_{c o m b_{20}} \cdot (1 - k_{A} Δ A_{c i r}) \cdot (1 - k_{t a} Δ t_{c i r}) \cdot (1 - k_{t_{c o m b}} Δ t_{c o m b})}$

(7)

$k_{g}_{e} = (1 - k_{A} Δ A_{c i r}) \cdot (1 - k_{t}_{a} Δ t_{c i r})$

(8)

The coefficients and parameters found in equations (7) and (8) appear in GOST 18509:88 (1988).

The correction coefficients using the method of the SAE J1995:14 (2014) standard establish that the brake power corrected for the compression ignition engines $B p_{c}$ is calculated by the equation:

$B p_{c} = (C A \cdot C F) \cdot B p_{o}$

(9)

Where

- Atmospheric correction factor,

- Fuel correction factor,

$B p_{o}$ - Brake power obtained.

The fuel factor Fc to determine the specific consumption is expressed by the following equation:

$F c = (\frac{S G_{r}}{S G_{o}} \cdot F_{v}) \cdot F_{o}$

(10)

The coefficients and parameters found in equations (9) and (10) appear in the SAE J1995 standard.

The coefficient of excess air α or lambda λ index, using the Launch VEA-501 scanner Launch Tech Limited (2016), is determined by applying Joannes Brettschneider's equation, in which the balance between oxygen and fuel is measured by comparing the ratio between the molecules of oxygen and those of carbon and hydrogen in the exhaust gases. The action takes the following form:

$λ = \frac{[C O_{2}] + [\frac{C O}{2}] + [O_{2}] [\frac{N O}{2}] + ((\frac{H_{C V}}{4} \cdot \frac{3.5}{3.5 + \frac{[C O]}{[C O_{2}]}}) - \frac{O_{C V}}{2}) \cdot ([C O_{2}] + [C O])}{(1 + \frac{H_{C V}}{4} - \frac{O_{C V}}{2}) \cdot ([C O_{2}] + [C O] + (C_{f a c t o r} \cdot [H C]))}$

(11)

Where

$[C O_{2}], [C O], [O_{2}], [N O]$ - Concentration of each of the exhaust gases in % of the volume,

3.5 - Proportion between CO and CO₂,

$C_{f a c t o r} -$ Number of C atoms in each of the hydrocarbon molecules,

$H_{C V}$ - Proportion of atoms of hydrogen and carbon in the fuel,

$O_{C V}$ - Proportion of atoms of oxygen and carbon in the fuel.

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RESULTS AND DISCUSSION

The data obtained was processed with the Office Excel 2016 programs, obtaining the parameters: torque, power, hourly and specific fuel consumption, as well as the theoretical laws of greater adjustment of the variation of these engine effective parameters, in the work area. The theoretical laws were only adjusted to the second order that give results with sufficient precision. The correction coefficients by GOST 18509:88 (1988), obtained were: $k_{N}$ = 1.22; $k_{g e}$ = 0.89; whereas by the SAE J1995:14 (2014) standard were: brake power $B_{p c}$ = 1.22 and fuel correction factor $F c = 1.04$ .

In this way, the following characteristics were obtained (curves of variation of effective engine parameters).

Speed characteristics (with balance and scanner): external (100% constant load) and partial to: 75, 50, and 25% of constant loads.

Load characteristics (with scale and scanner: external to 3747 $m i n^{- 1}$ constant and partial to: 2810, 1860 and 1050 $m i n^{- 1}$ constants.

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Speed Characteristics

Figure 2 shows the variation of torque and power in the working area of the engine speed characteristics and the theoretical laws of greater adjustment (polynomial) of the torque and the power of the external characteristic. The SAE J1995:14 (2014) and GOST 18509:88 (1988) standards were used to correct the initial data.

FIGURE 2.

Torques and powers for speed characteristics.

Figure 2 shows that the maximum torque is 110.08 to 2845 min^-1 and the maximum power regime is 37.68 kW to 3747 min^-1. These regimes do not coincide with those indicated by the manufacturer in their technical specification, which are from 44 kW to 3600 min^-1, and represent a decrease of 14.36%. The maximum nominal torque is 130 Nm at 2200 min^-1, which represents a decrease of 15.32%. The nominal torque, from the values of power and speed, is 116.17 Nm, having a reserve K= 1.12, that is, 12%; however, the engine tested offers a reserve of 14.6%, representing 2.6% in its favor. The elasticity of the engine, according to data of the specification, shows a Kv = 0.611; the engine test yields a Kv = 0.759, which indicates that the test engine is less elastic in 24.22% and that, moreover, it is not within the values established, between 0.55 - 0.70 (Mayans et al., 2009). The difference of the useful working range is 500 min^-1.

Figure 3 shows the curves of variation of fuel hour and specific fuel consumption corrected, in the work zone, for the different speed characteristics.

Table 1 shows the values of fuel consumption corrected for the different working regimes of the VW 1.9L SDI engine, obtained using the Launch X-431 pro scanner and the method of correction of SAE J1995:14 (2014) standard. The error between the values of fuel consumption using the scale - chronometer and the Launch X-431 pro scanner is less than 5%.

FIGURE 3.

Hourly and specific fuel consumption for speed characteristics.

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Charge Characteristics

The corrected load characteristic curves that were obtained appear in Figure 4. The values for the hourly and specific fuel consumption curves adjusted by GOST 18509:88 (1988) methodology are obtained by multiplying the values obtained by the SAE J1995:14 (2014) standard by the coefficient 0.885. In addition, the theoretical laws of greater adjustments for some characteristic curves are shown.

Table 2 shows the most representative hourly and specific fuel consumption values obtained using the Launch X-431 pro scanner and adjusted by the SAE J1995:14 (2014) standard.

Figures 5 and 6 show the variation of the coefficient of air excess α or lambda index λ as a function of speed and power, respectively.

TABLE 1.

Values of fuel consumption for different speed regimes and characteristics

Work regime	Speed and fuel consumption	Constant load of the test,%
Work regime	Speed and fuel consumption	100	75	50	25
Maximum power	Speed (min^-1)	3747	3675	3328	1380
	Hourly (kgh^-1)	8.93	6.98	4.35	2.60
	Specific (gkW^-1h^-1)	234	231	221	267
Maximum economy	Speed (min^-1)	3100	3060	2430	1310
	Hourly (kgh^-1)	7.39	5.28	3.40	2.30
	Specific (gkW^-1h^-1)	211	196	208	245

The values of the lambda index λ for the most relevant regimes in the work area for the different characteristics, obtained with the Launch VEA 501 scanner, can be found in Table 3.

FIGURE 4.

Hourly and specific fuel consumption values for the load characteristics with scanner and corrected with the SAE J1995:14 (2014) standard.

TABLE 2.

Values of the consumptions for different regimes and load characteristics

Work regime	Power and fuel consumption	Constant speed of the test (min^-1)
Work regime	Power and fuel consumption	3747	2810	1860	1050
Maximum power	Power (kW)	38.23	31.12	20.9	10.94
	Hourly (kgh^-1)	9.25	7.29	4.82	2.60
	Specific (gkW^-1h^-1)	242.0	234.2	230.6	238
Maximum economy	Power (kW)	34.73	26.17	16.63	8.29
	Hourly (kgh^-1)	7.42	5.34	3.40	1.70
	Specífic (gkW^-1h^-1)	213.6	204.1	204.5	206

FIGURE 5.

Values of lambda index λ as a function of the speed for the work area.

FIGURE 6.

Lambda index values λ as a function of the engine load.

TABLE 3.

Lambda values λ for different characteristics and regimes in the work area

Speed Characteristics			Load Characteristics
Constant work regime	Lambda, λ		Constant work regime	Lambda, λ
Constant work regime	Minimum	Maximum	Constant work regime	Minimum	Maximum
100% load	1.27	1.61	3747 min^-1	1.28	5.47
75% load	1.26	1.45	2810 min^-1	1.22	7.11
50% load	1.25	1.98	1860 min^-1	1.23	7.99
25% load	1.59	2.97	1050 min^-1	1.26	4.97

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CONCLUSIONS

The maximum power obtained for the speed tests was 37.7 kW at 3747 min-1. These regimes do not coincide with those indicated by the manufacturer in their technical specification, which are from 44 kW to 3600 min-1 (nominal regime). That represents a decrease of 16.71%.
The maximum torque obtained is 110.08 Nm at 2905 min-1 and the manufacturer's maximum torque is 130 Nm at 2200 min-1. That represents a decrease of 18.1%.
The torque at nominal regime, from the values of power and speed is 116.17 Nm, having a reserve K of 1.119 = 1.12, that is, 12%; however, the engine tested offers a reserve of 14.5%, representing 2.5% in its favor.
Regarding elasticity, the technical specification states that Kv = 0.611 and the engine test yields a Kv = 0.775. That means that the test engine is less elastic in 26.84% and that, moreover, it is not within the values established between 0.55 - 0.70.
For the external characteristic of speed, the minimum specific consumption was 156 to 2578 min^-1 with the GOST 18509 standard and from 183 to 2578 min^-1 for the SAE J1995 standard, which represents a difference of 17.3%.
The average maximum specific consumption in the load characteristics was 236.2 gkW^-1h^-1, with the minimum average of 207.05 gkW^-1h^-1. The minimum values of specific fuel consumptions were obtained for the loads of 75 and 50%, with values of 204.1 and 204.5 gkW^-1h^-1, which correspond to the regimes of greater use in practice of this type of engine for automobiles.
The average values of lambda λ of the velocity characteristics of minimum depletion were 1.26 and the maximum value was 2.00, observing that as the engine load decreases, the lambda λ index increases. For the characteristics of load, it was obtained that the average of minimum depletion was of 1.25 and the average of maximum depletion was of 6.39. The above corroborates the theory of Jovaj (1982) who states that the lambda coefficient varies from 5 and more to small loads and up to 1.4 - 1.25 at full load.

REFERENCES

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ASIF, M.; MUNEER, T.: “El suministro de energía, su demanda y problemas de seguridad para las economías desarrolladas y emergentes”, Journal of Renewable and Sustainable Energy, 11(7): 1388-1413, 2007, ISSN: 1941-7012.

CASTILLO, J.; ROJAS, V.; MARTÍNEZ, J.: “Determinación del Torque y Potencia de un Motor de Combustión Interna a Gasolina Mediante el Uso de Bujía con Sensor de Presión Adaptado y Aplicación de un Modelo Matemático”, Revista Politécnica, 39(1): 49-57, 2017, ISSN: 1390-0129.

GOST 18509:88: Motores Diesel de tractores y combinadas. Métodos de prueba en bancos, Inst. GOST, Rusia, Vig de 1988.

HERNÁNDEZ, A.H.D.; MATEO, A.D.; JIMÉNEZ, C.G.; MANTILLA, J.M.: “Comparación de las emisiones en motores que utilizan combustible e0 y e10 en régimen transitorio”, Ingeniería Energética, 39(1): 3-12, 2018, ISSN: 1815-5901.

KEGL, T.: “Transformation of Heat Energy inot Mechanical Work at Low Environmental Pollution”, Journal of Young Investigators, 24(6), 2012.

KJARSTAD, J.; JOHNSSON, F.: “Resources and future supply of oil, ser”, Energy policy, 37(2): 441-464, 2009.

LAUNCH TECH LIMITED: Manual del usuario Launch VEA-501/401, [en línea], Inst. Launch Tech Limited, Guangdong, Corea del Sur, 25 p., 2016, Disponible en:Disponible en:https://capris.cr/media/wysiwyg/Multimedia/Handbooks/PDF/diagnostico/170481_manual_de_usuario.pdf , [Consulta: 17 de mayo de 2018].

MANTILLA, G.J.M.; GOMEZ, R.J.; GALEANO URUEÑA, .C. H.: “Desempeño y emisiones de un motor de combustión interna concombustible dual Diesel-Gas natural”, Ingeniería Energética, 36(1): 27-37, 2015, ISSN: 1815-5901.

MAYANS, C.P.; SOCA, C.J.R.; LÓPEZ, C..: “Determinación de la potencia a la toma de fuerza del tractor New Holland 6610s”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 18(3): 76-81, 2009, ISSN: 1010-2760, E-ISSN: 2071-0054.

PUENTE, E.; COYAGO, R.P.A.: “Análisis De Las Curvas Características Y La Opacidad De Un Motor JO5ETC16173 Con La Implementación De Un Turbocargador”, INNOVA Research Journal, 2(10): 97-108, 2017, ISSN: 2477-9024.

SAE J1349:11: Engine Power Test Code-Spark Ignition and Compression Ignition-Net Power Rating, Inst. SAE, Vig de 2011.

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SOTO, J.; CANTILLO, V.; ARELLANA, J.: “Modelación híbrida para la elección de vehículos con energías alternativas”, Interciencia, 39(9): 666-672, 2014, ISSN: 0378-1844.

TECNOFUEL: Manual de Uso. Launch X-431 pro. Sistema de diagnóstico automotriz profesional, [en línea], Inst. Tecnofuel, Zapopan, Jalisco, México, 77 p., 2015, Disponible en:Disponible en:http://www.tecnofuelsoporte.com.mx/assets/manual_x_431_pro.pdf , [Consulta: 17 de mayo de 2018].

Received: 12/07/2018

Accepted: 25/02/2019

José Ramón Soca-Cabrera, profesor, Universidad Autónoma Chapingo, Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, Carretera México-Texcoco km 38.5, Texcoco, Estado de México. CP 56230, e-mail: jsoca@yahoo.com

Salvador Chavarría-Irigoyen, e-mail: salvador_lhp@hotmail.com

Marcos Martínez-Rocha, e-mail: marcosmtz15@gmail.com

The authors of this work declare no conflict of interest.

This article is under license Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)

NOTA TÉCNICA

Curvas características de velocidad y carga del motor Volkswagen 1.9 SDi

M.Sc. José Ramón Soca-Cabrera [^I] [^*]

Ing. Salvador Chavarría-Irigoyen [^I]

Ing. Marcos Martínez-Rocha [^I]

[I] Universidad Autónoma Chapingo, Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, Texcoco, Estado de México, México.

[*] Autor para correspondencia: José Ramón Soca-Cabrera, E-mail: jsoca@yahoo.com

RESUMEN

Las pruebas de los motores diésel se encuentran estandarizadas y se rigen por normas que permiten determinar los principales parámetros de funcionamiento del motor. En el presente trabajo se muestran los resultados de las pruebas realizadas al motor Volkswagen 1.9 SDI con el banco de pruebas Armfield CM12, realizadas en el laboratorio de motores Diésel del Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola (DIMA) de la Universidad Autónoma Chapingo (UACh). Se utilizó la metodología de la Norma SAE J1995 para ajustar las curvas características de torque y potencia bruta, así como los consumos horario y específico de combustible utilizando los métodos del escáner y la balanza; además, se obtuvo la variación del índice lambda λ. Los resultados son que el régimen de máxima potencia varía en un 4.1% y la máxima potencia en un 16.7%, con relación al nominal; el consumo específico mínimo promedio es de 179.5 g/kWh.

Palabras clave:

pruebas de motores; parámetros efectivos.

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INTRODUCCIÓN

Los motores diésel modernos se utilizan en gran parte del equipamiento mundial, sobre todo, son las principales fuentes de energía disponibles para el transporte automotriz personal y comercial y cada vez tienen mayor popularidad.

Tradicionalmente, los motores diésel funcionan con combustible mineral, que se produce a partir de petróleo crudo. Este hecho genera tres preocupaciones principales para el uso sostenible de estas máquinas en el futuro, a saber:

La limitada reserva mundial de petróleo crudo. El petróleo crudo cubre aproximadamente el 37% de las demandas de energía del mundo (Asif y Muneer, 2007; Kjarstad y Johnsson, 2009; Kegl, 2012).
El proceso químico de transformación de la energía del combustible en el trabajo mecánico o, más precisamente, en las emisiones de escape de este proceso. Un motor diésel produce principalmente CO₂, NO, CO, HC no quemado y emisiones de PM (humo). Estas emisiones contribuyen negativamente en el cambio climático global; la contaminación general del aire, agua y suelo; así como en los efectos directos sobre la salud (cáncer, problemas cardiovasculares y respiratorios, ...) (Kegl, 2012).
La gran cantidad mundial de combustible que consumen los motores diésel. El 81% de la energía utilizada para el transporte por carretera la consumen motores diésel (Soto et al., 2014). Además, lo consumen el transporte ferroviario y naval, así como la generación de electricidad, entre otros. De tal suerte, que, si se lograra producir un combustible diésel alternativo eficiente, el uso de motores diésel seguirá siendo un problema. Por esta razón, la reducción del consumo de combustible del motor diésel a los límites mínimos posible debe ser prioritario, tanto desde el punto de vista del diseño, como de la utilización de estas máquinas.

Para la comercialización de automóviles debería realizarse una certificación en la que se de fe de que los parámetros reales que el motor y el vehículo entregan, cumplan con las especificaciones técnicas que el fabricante propone (SAE J2723) y que, además, cumpla con las normas mexicanas e internacionales que sobre seguridad y emisiones contaminantes existen (Mantilla et al., 2015). Para realizar esa certificación es necesario realizar pruebas en las que se obtengan los parámetros netos o brutos del motor, así como otros índices del vehículo.

La norma SAE J1995:14 (2014), permite obtener los parámetros brutos del motor, mientras que la norma SAE J1349:11 (2011), permite obtener los parámetros netos. En estas normas se especifican las condiciones estándares para la realización de las pruebas y también proporcionan la metodología para realizar la corrección de datos, en caso de que la prueba sea realizada en condiciones no estandarizadas; de esta manera, se puede comprobar que un motor está entregando los valores de potencia y torque que el fabricante propone, así como los consumos de combustible y otros índices del motor (Puente y Coyago, 2017).

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MÉTODOS

Las pruebas para obtener los parámetros del motor se realizaron en el laboratorio de motores Diésel del Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, perteneciente a la Universidad Autónoma Chapingo. Las condiciones de la prueba fueron: temperatura atmosférica de 297.15 K (24 °C), altitud de 2 250 m.s.n.m. con presión atmosférica de 78 kPa y humedad relativa del 38 %, obtenidas por el autor del Observatorio Metereológico de Chapingo.

Para realizar las mediciones de los parámetros que permiten construir las curvas características del motor se utilizaron los siguientes equipos e instrumentos:

Motor volkswagen SDI 1.9 L.
Banco de pruebas Armfield Diésel Engine CM12 (Figura 1).
Escáner Launch VEA 501 Emission Analizer.
Escáner Launch X-431 pro.
Balanza electrónica de precisión de 0,1 g.
Cronómetro de precisión 0,01 s.
Computadora con programa para operar el banco de pruebas.

Durante las pruebas del motor se utilizó la norma SAE J1995:14 (2014), que establece la metodología para ajustar los parámetros “brutos” del motor de combustión interna (MCI), como el torque, la potencia, los consumos horario y específico, entre otros, a condiciones normales establecidas.

La potencia “bruta” es la que se obtiene cuando el motor funciona sin aquellos accesorios que no son esenciales para el funcionamiento del mismo, dejando colocadas las bombas de aceite y combustibles. Se desconectan el filtro de aire (un filtro de aire puede reducir la potencia en alrededor de 2 hp), el ventilador mecánico del motor (puede restar hasta 10 hp si es del tipo acoplado directamente al motor), el sistema de escape completo (el silenciador y catalizador pueden restar entre 4 y 6 hp), el alternador (absorbe hasta 2 hp), la bomba de dirección hidráulica, el sistema anti polución (recirculación de gases de escape), etcétera (GOST 18509:88, 1988; SAE J1349:11, 2011; SAE J1995:14, 2014; Castillo et al., 2017; Hernández et al., 2018).

La potencia “neta” es la que se obtiene manteniendo todos los accesorios conectados como viene en el motor o vehículo del fabricante.

El banco Armfield Diésel Engine CM12 según Armfield Limited (2015), utilizado como freno dinamométrico, tiene una bomba de agua que sustituye a la bomba de agua del motor Volkswagen 1.9 SDI, además, al motor se le retiraron los siguientes elementos: catalizadores, silenciador, tubería de escape, ventiladores, alternador y filtro de aire. El freno es de tipo eléctrico de corriente parasitaria, posee un panel de control y un dispositivo para determinar la depresión durante la admisión de aire. Tambien, cuenta con un software que se instala en un equipo de cómputo para mostrar en una pantalla las múltiples posibilidades de trabajo (ver figura 1): botón para arrancar el motor (1); botones para variar el freno (2) y la carga (3); indicadores de la velocidad (4) y, el torque y la potencia (5); botones para guardar los datos (6), graficar las curvas (7) y exportar los datos a Excel en un dispositivo extraible.

La metodología general de las pruebas se resumen en los siguientes pasos: a) poner en marcha el motor, comprobar el buen funcionamiento de todos los instrumentos y equipos y llevar el motor a su temperatura de trabajo; b) situar la carga en su magnitud constante (100, 75, 50 y 25%), para las características de velocidad o la velocidad constante (máxima potencia, 75, 50 y 25% de la primera), para las características de carga; c) variar el freno del banco en las magnitudes correspondientes al régimen de prueba; d) estabilizar el régimen; e) tomar los datos de las mediciones con los instrumentos (balanza, cronómetro y escáneres) y presionar el botón verde (6) de la Figura 1 para guardar los datos del dinamómetro; f) pasar a la siguiente medición y repetir los pasos.

Los datos primarios de interés para la presente investigación que ofrece el programa del banco son el torque ( $M_{e})$ , la potencia $(N_{e})$ y la frecuencia de rotación o velocidad del motor $(n)$ . El consumo horario y específico de combustible se determinaron por dos métodos: a) utilizando una balanza y un cronómetro y, b) utilizando el escáner Launch X-431 pro.

Para el cálculo del consumo horario por el método de la balanza se utilizó la ecucación:

$G_{h} = \frac{Δ g}{Δ t} \cdot 3.6$

(1)

donde:

$Δ g$ - Consumo de combustible durante el tiempo $Δ t$ , en g; $\cdot g = 10 g,$

$Δ t$ - Tiempo transcurrido en consumir los $Δ g$ gramos de combustible, en s.

1- Botón para arranque del motor, 2- botón controlar el freno, 3- botón para controlar el suministro de combustible, 4- pantalla indicadora de la velocidad, 5- pantalla indicadora de torque y potencia, 6- botón para guardar los resultados de las mediciones.

FIGURA 1.

Pantalla principal del programa del banco de pruebas Armfield Diésel Engine CM12 (Armfield Limited, 2015).

Para el cálculo del consumo horario por el método del escáner Launch X-431 pro Tecnofuel (2015), se utilizó la ecucación:

$G_{s} = V_{e} \cdot i \cdot \frac{n}{12 \cdot 10^{4}}$

(2)

donde:

$G_{s} -$ Cantidad de combustible consumido, g/s

$V_{e} -$ Cantidad de combustible entregado por cada apertura, embolada o golpe de un inyector, mg/emb o mg/str

$i -$ Cantidad de cilindros del motor

$n -$ Frecuencia de rotación del motor, min^-1

El consumo horario de combustible, $G_{h}$ se calcula por la ecuación:

$G_{h} = G_{s} \cdot 3.6$

(3)

Este procedimiento se realiza para la toma de datos de los valores obtenidos por el escáner Launch X-431 pro en cada una de las pruebas de carga y velocidad.

Para obtener el consumo específico de combustible en $[\frac{g}{k W h}],$ , se utilizó la ecuación.

$g_{e} = \frac{G_{h} \cdot 10^{3}}{N_{e}}$

(4)

donde:

$G_{h}$ - consumo horario de combustible, en kg/h

$N_{e}$ - potencia efectiva del motor, en kW.

En esta investigación se utilizaron dos métodos de corrección o ajuste de los datos obtenidos en las condiciones de la prueba a condiciones estandarizadas, con lo cual se pueden comparar y evaluar el motor ensayado con las especificación técnica del fabricante. De manera general, la norma GOST 18509:88 (1988), establece el factor de corrección de potencia y consumo específico se calculan por la ecuaciones:

$N_{e}_{0} = k_{N} \cdot N_{e}$

(5)

$g_{e}_{o} = k_{g}_{e} \cdot g_{e}$

(6)

donde:

$N_{e}$ , $g_{e} -$ potencia efectiva y el consumo específico efectivo de combustible, respectivamente, obtenidos durante los ensayos ,

${\begin{matrix} k \end{matrix}}_{N}$ , $k_{g}_{e} -$ coeficientes de corrección de la potencia y del consumo especifico efectivo de combustible, respectivamente.

Los coeficientes de corrección se determinan según las ecuaciones siguientes:

$k_{N} = \frac{0.83}{ρ_{c o m b_{20}} \cdot (1 - k_{A} Δ A_{c i r}) \cdot (1 - k_{t a} Δ t_{c i r}) \cdot (1 - k_{t_{c o m b}} Δ t_{c o m b})}$

(7)

$k_{g}_{e} = (1 - k_{A} Δ A_{c i r}) \cdot (1 - k_{t}_{a} Δ t_{c i r})$

(8)

Los coeficientes y parámetros que se encuentran en las ecuaciones (7) y (8) aparecen en la norma GOST 18509:88 (1988).

Los coeficientes de corrección utilizando el método de la norma SAE J1995:14 (2014), establece que la potencia al freno corregida para los motores de encendido por compresión $B p_{c}$ se calcula por la ecuación:

$B p_{c} = (C A \cdot C F) \cdot B p_{o}$

(9)

donde:

$C A -$ factor de corrección atmosférico,

$C F -$ factor de corrección del combustible,

$B p_{o} -$ Potencia del freno obtenida.

El factor de combustible $F c$ para determinar el consumo específico se expresa por la siguiente ecuación:

$F c = (\frac{S G_{r}}{S G_{o}} \cdot F_{v}) \cdot F_{o}$

(10)

Los coeficientes y parámetros que se encuentran en las ecuaciones (9) y (10) aparecen en la norma SAE J1995:14 (2014).

El coeficiente de exceso de aire $α$ o índice lambda $λ$ , utilizando el escáner Launch VEA-501 Launch Tech Limited (2016), se determina aplicando la ecuación de Joannes Brettschneider, en la que el balance entre oxígeno y combustible se mide con el uso o mediante la comparación de la proporción entre las moléculas de oxígeno y las de carbono e hidrógeno en los gases de escape. La ecuación adquiere la forma siguiente :

(11)

donde:

$[C O_{2}], [C O], [O_{2}], [N O] -$ concentración de cada uno de los gases de escape en % del volumen,

$3.5 -$ proporción entre CO y CO₂,

$C_{f a c t o r} -$ cantidad de átomos de C en cada una de las moléculas de hidrocarburos,

$H_{C V} -$ proporción de átomos de hidrógeno y carbono en el combustible,

$O_{C V} -$ proporción de átomos entre oxígeno y carbono en el combustible.

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RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los datos obtenidos fueron procesados con los programas Office Excel 2016 obteniéndose los parámetros: torque, potencia, consumos horarios y específicos de combustible, así como las leyes teóricas de mayor ajuste de la variación de estos parámetros efectivos del motor, en la zona de trabajo. Las leyes teóricas solo se ajustaron hasta el segundo orden que dan resultados con suficiente precisión. Los coeficientes de corrección por la norma GOST 18509:88 (1988) obtenidos fueron: $k_{N} = 1,22; k_{g}_{e} = 0,89$ ; mientras que por la norma SAE J1995:14 (2014), fueron: potencia al freno $B p_{c} = 1,22$ y el factor de corrección del combustible $F c = 1,04$ .

De esta manera se obtuvieron las siguientes características (curvas de variación de parámetros efectivos del motor).

Características de velocidad (con balanza y escáner): externa (100% carga constante) y parciales a: 75, 50, y 25 % de cargas constantes.
Características de carga (con balanza y escáner: externa a 3747 $m i n^{- 1}$ constante y parciales a: 2810, 1860 y 1050 $m i n^{- 1}$ constantes.

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Características de velocidad

En la Figura 2 se presenta la variación del torque y la potencia en la zona de trabajo de las características de velocidad del motor y las leyes teóricas de mayor ajuste (polinómicas) del torque y la potencia de la característica externa. Las normas SAE J1995:14 (2014) y GOST 18509:88 (1988), se utilizaron para corregir los datos iniciales.

FIGURA 2.

Torques y potencias para las características de velocidad.

En la Figura 2 se observa que el torque máximo es de 110,08 N.m a 2 845 min^-1 y el régimen de máxima potencia es de 37,68 kW a 3 747 min^-1. Estos regímenes no coinciden con los señalados por el fabricante en su especificación técnica que son de 44 kW a 3600 min^-1, lo que representa una disminución del 14,36%; el torque máximo nominal es de 130 N.m a 2 200 min^-1, que representa una disminución del 15,32%. El torque nominal, a partir de los valores de potencia y velocidad, es de 116,17 N.m, teniendo una reserva K = 1,12, o sea, un 12%; sin embargo, el motor ensayado ofrece una reserva de 14,6%, representando un 2,6% a su favor. La elasticidad del motor, de acuerdo a datos de la especificación, muestra un $K_{v} = 0,611;$ la prueba del motor arroja un $K_{v} = 0,759,$ lo que indica que el motor de prueba es menos elástico en un 24,22% y que además, no se encuentra entre los valores establecidos entre 0,55 - 0,70 (Mayans et al., 2009). La diferencia del intervalo de trabajo útil es de 500 min^-1.

En la Figura 3 se presentan las curvas de variación de los consumos horarios y específicos de combustible corregidos, en la zona de trabajo, para las diferentes características de velocidad.

FIGURA 3.

Consumos horarios y específicos de combustible para las características de velocidad.

En el Cuadro 1 se muestran los valores de consumos de combustible corregidos para los diferentes regímenes de trabajo del motor VW 1.9L SDI, obtenidos utilizando el escáner Launch X-431 pro y el método de corrección de la norma SAE J1995:14 (2014). El error entre los valores de consumos de combustibles utilizando la balanza-cronómetro y el escáner Launch X-431 pro es menor al 5%.

CUADRO 1.

Valores de consumos de combustible para diferentes regímenes y características de velocidad

Régimen de trabajo	Velocidad y consumos de combustible	Carga constante de la prueba, %
Régimen de trabajo	Velocidad y consumos de combustible	100	75	50	25
Máxima potencia	Velocidad (min^-1)	3747	3675	3328	1380
	Horario (kgh^-1)	8,93	6,98	4,35	2,60
	Específico (gkW^-1h^-1)	234	231	221	267
Máxima economía	Velocidad (min^-1)	3100	3060	2430	1310
	Horario (kgh^-1)	7,39	5,28	3,40	2,30
	Específico (gkW^-1h^-1)	211	196	208	245

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Características de carga

Las curvas características de carga corregidas que se obtuvieron aparecen en la Figura 4. Los valores para las curvas de consumo horario y específico de combustible ajustadas por la metodología GOST 18509:88 (1988) se obtienen multiplicando los valores obtenidos por la norma SAE J1995:14 (2014) por el coeficiente 0,885. Se muestran, además, las leyes teóricas de mayores ajustes para algunas curvas características.

En el Cuadro 2 se muestran los valores de los consumos horarios y específicos de combustible más representativos, obtenidos utilizando el escáner Launch X-431 pro y ajustados por la norma SAE J1995:14 (2014).

En las Figuras 5 y 6 se muestran la variación del coeficiente de exceso de aire $α$ o índice lambda $λ$ en función de la velocidad y de la potencia, respectivamente.

Los valores del índice lambda λ para los regímenes de mayor relevancia en la zona de trabajo para las diferentes características, obtenidos con el escáner Launch VEA 501, se encuentran en el Cuadro 3.

FIGURA 4.

Valores de los consumos horarios y específicos de combustible para las características de carga con escáner y corregida con la norma SAE J1995:14 (2014).

CUADRO 2.

Valores de los consumos para diferentes regímenes y características de carga

Régimen de trabajo	Potencia y consumos de combustible	Velocidad constante de la prueba (min^-1)
Régimen de trabajo	Potencia y consumos de combustible	3747	2810	1860	1050
Máxima potencia	Potencia (kW)	38,23	31,12	20,9	10,94
	Horario (kgh^-1)	9,25	7,29	4,82	2,60
	Específico (gkW^-1h^-1)	242,0	234,2	230,6	238
Máxima economía	Potencia (kW)	34,73	26,17	16,63	8,29
	Horario (kgh^-1)	7,42	5,34	3,40	1,70
	Específico (gkW^-1h^-1)	213,6	204,1	204,5	206

FIGURA 5.

Valores del índice lambda $λ$ en función de la velocidad para la zona de trabajo.

FIGURA 6.

Valores del índice lambda λ en función de la carga del motor.

CUADRO 3.

Valores de lambda λ para diferentes características y regímenes en la zona de trabajo

Características de velocidad			Características de carga
Régimen de trabajo constante	Lambda, λ		Régimen de trabajo constante	Lambda, λ
Régimen de trabajo constante	Mínimo	Máximo	Régimen de trabajo constante	Mínimo	Máximo
100% carga	1,27	1,61	3747 min^-1	1,28	5,47
75% carga	1,26	1,45	2810 min^-1	1,22	7,11
50% carga	1,25	1,98	1860 min^-1	1,23	7,99
25% carga	1,59	2,97	1050 min^-1	1,26	4,97

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CONCLUSIONES

La potencia máxima obtenida para las pruebas de velocidad fue de 37,7 kW a 3747 min^-1. Estos regímenes no coinciden con los señalados por el fabricante en su especificación técnica que son de 44 kW a 3 600 min^-1 (régimen nominal), lo que representa una disminución del 16,71%.
El torque máximo obtenido es de 110,08 N∙m a 2 905 min^-1 y el torque máximo del fabricante es de 130 Nm a 2 200 min^-1, lo que representa una disminución del 18,1%.
El torque a régimen nominal, a partir de los valores de potencia y velocidad, es de 116.17 N∙m, teniendo una reserva K de 1,119 = 1,12, o sea, un 12%; sin embargo, el motor ensayado ofrece una reserva del 14,5%, representando un 2,5% a su favor.
Con relación a la elasticidad, la especificación técnica plantea que $K_{v} = 0,611$ , la prueba del motor arroja un $K_{v} = 0,775$ , significa que el motor de prueba es menos elástico en un 26,84% y que además, no se encuentra entre los valores establecidos entre 0,55 - 0,70.
Para la característica externa de velocidad, el mínimo consumo específico fue de 156 a 2578 min^-1 con la norma GOST 18509 y de 183 a 2578 min^-1 para la norma SAE J1995, lo que representa una diferencia del 17,3%.
El consumo específico máximo promedio en las características de carga fue de 236,2 gkW^-1h^-1, siendo el mínimo promedio fue de 207,05 gkW^-1h^-1. Los valores mínimos de consumos específicos de combustible se obtuvieron para las cargas del 75 y 50%, con valores de 204,1 y 204,5 gkW^-1h^-1, que corresponden a los regímenes de mayor utilización en la práctica de este tipo de motor para automóviles.
Los valores del índice lambda λ promedio de las características de velocidad de mínimo empobrecimiento fue de 1,26 y el de máximo fue de 2,00, observándose que a medida que disminuye la carga del motor, el índice lambda λ, aumenta. Para las características de carga se obtuvo que el promedio de mínimo empobrecimiento fue de 1,25 y el promedio de máximo empobrecimiento fue de 6,39.