Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 28-04-2023, Aprobado tras revisión: 14-06-2023
Forma sugerida de citación: Argüello, A; Quitiaquez, W; Simbaña, I; Quitiaquez, P. (2023). “Evaluación del Comportamiento de
Motores a Gasolina Mediante Simulación del Flujo de Aire a Través del Cuerpo de Aceleración”. Revista Técnica “energía”. No.
20, Issue I, Pp. 100-108
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v20.n1.2023.583
© 2023 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Evaluation of the Gasoline Engines Behavior by the Air Flow Simulation
Through the Throttle body
Evaluación del Comportamiento de Motores a Gasolina Mediante Simulación
del Flujo de Aire a Través del Cuerpo de Aceleración
A. Argüello1 W. Quitiaquez1 I. Simbaña2 P. Quitiaquez1
1Universidad Politécnica Salesiana, Quito, Ecuador
E-mail: aarguello@est.ups.edu.ec; wquitiaquez@ups.edu.ec; rquitiaquez@ups.edu.ec
2Instituto Superior Universitario Sucre, Quito, Ecuador
E-mail: isimbana@tecnologicosucre.edu.ec
Abstract
This investigation analyzed the throttle body of a
1.1 L small gasoline engine. The electronic control
module receives the information from sensors,
pressure, temperature, and throttle valve position, to
do calculations, determining the amount of
necessary fuel injection to produce combustion. The
objective of this work was to increase the airflow that
enters to the intake manifold, by using
computational fluid dynamics (CFD). Two butterfly
valve models were analyzed, the original one, where
the internal behavior of the throttle body was
studied, in pressures and flows. While the second one
was a modified model, with a cut in the axis of
rotation, to propose an increase in the air flow to the
intake manifold. Four simulations were carried out,
with a relative opening of 0, 20, 40 and 78 %,
obtaining average pressure values between 31.35 to
70.05 kPa, besides average flows at the outlet of the
intake body of 6.72 to 58.71 g·m-1 as the throttle valve
opens. For data validation, the obtained outlet
pressures with the absolute pressure sensor of the
intake manifold were compared to the simulation
values. Without having experimental data for the
mass flow rate, the analysis was developed between
the two simulated models, with an average flow rate
of 28.22 g·m-1 and an increase of 9% in mass flow
rate in the modified body. As the throttle opening
increases, the pressure values become similar.
Resumen
En esta investigación, se analizó el cuerpo de
aceleración de un motor pequeño a gasolina, de
1.1 L. El módulo de control electrónico recibe la
información de los sensores de presión, temperatura
y posición de la válvula de mariposa de aceleración,
para efectuar los cálculos que determinan la
cantidad de inyección de combustible necesario para
producir la combustión. El objetivo de este trabajo
fue aumentar el flujo de aire que ingresa al colector
de admisión, utilizando dinámica de fluidos
computacionales (CFD), Se analizó dos modelos de
válvula de mariposa, el original, en donde se estudió
el comportamiento interno del cuerpo de
aceleración, tanto en presiones como flujos.
Mientras que, el segundo modelo modificado, con un
corte en el eje de rotación, en donde se propone un
aumento en el flujo de aire hacia el colector de
admisión. Se realizaron cuatro simulaciones, con
apertura relativa de 0, 20, 40 y
78 %, obteniendo valores de presiones promedio
entre 31.35 a 70.05 kPa, además de flujos promedios
a la salida del cuerpo de admisión de 6.72 a
58.71 g·m-1 a medida que se abre la válvula de
mariposa de aceleración. Para la validación de datos,
se comparó las presiones de salida obtenida con el
sensor de presión absoluta del colector de admisión
respecto a los valores de las simulaciones. Sin
disponer de un dato experimental para el flujo
másico, se realizó el análisis entre los dos modelos
simulados, con una media de flujo de 28.22 g·m-1 y
un aumento de flujo másico del 9 % en el cuerpo
modificado. A medida que aumenta la apertura de la
mariposa, los valores de presión se asemejan.
Index terms−− Gasoline engine, simulation, air flow,
throttle body.
Palabras clave−− Motor a gasolina, simulación, flujo
de aire, cuerpo de aceleración.
100
Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
1. INTRODUCCIÓN
Los sistemas de admisión de aire automotrices de hoy
en día son diseñados para cumplir los requisitos de
empaque del aire, tasas de flujo más altas, menor caída
de presión, menor ruido, mejor economía de combustible,
mayor velocidad y aceleración del vehículo,
compatibilidad con altas temperaturas, resistencia a la
corrosión, facilidad de servicio y rentabilidad [1]. Los
combustibles fósiles son la principal forma de generación
de energía actualmente en el campo automotriz.
Sinigaglia et al. [2] indican que, los motores de
combustión interna (MCI) impulsan el 99 % de todos los
vehículos de carretera. Además, se ha establecido que
tienen una madurez tecnológica del 81.77 % y se estima
que tengan aproximadamente 27 años de tiempo restante.
Los estudios y análisis de sistemas buscan mejorar la
eficiencia en la combustión interna, antes que la mayoría
de los vehículos pasen a la electrificación total. Por lo que
el consumo de combustibles fósiles disminuiría su uso en
gran cantidad o llegue a ser obsoleto, porque el avance
tecnológico tiende a buscar el uso de energías limpias.
La dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus
siglas en inglés) permite realizar simulaciones sobre el
comportamiento del aire a través del cuerpo de
aceleración [3]. Ashraf et al. [4] realizaron un análisis de
los efectos del cuerpo de aceleración de mariposa para su
reemplazo por un cuerpo de aceleración de barril. La
placa del acelerador de mariposa más utilizada en
vehículos comerciales llega a afectar el rendimiento del
motor, al incurrir en algunas pérdidas. Los resultados
obtenidos en la simulación CFD de la válvula de
mariposa en apertura hasta 30 ° mostraron una pérdida de
bombeo entre las aperturas del acelerador de 30 y 70 °.
Los dos diseños han mostrado un rendimiento similar,
pero cuando la apertura fue mayor a 70 °, se observó una
mejora significativa del 34 % en la tasa de flujo másico,
con el aumento del rendimiento del motor.
Aproximadamente, en los últimos 50 años, desde la
aparición del primer sistema de inyección electrónica
creado por Bosh, el D-Jetronic, la forma en la que se
alimenta un MCI ha evolucionado con la ayuda de la
electrónica y los sistemas de control. En el pasado, los
estudios estaban guiados al carburador, que se encargaba
de realizar la mezcla. Vinoth et al. [5] presentaron un
modelo de carburador utilizando CFD. Demostraron que,
para ángulos de válvula de aceleración de 0, 30, 60, 90 °,
la presión de aire al comienzo del Venturi disminuye con
el aumento del ángulo de la mariposa de aceleración. Esto
se debe a que, al aumentar el ángulo del acelerador, la
velocidad del aire es mayor con la caída de la presión en
la columna de la garganta. Cuando el ángulo estuvo en
30 °, se obtuvo valores de presión de 524 kPa y
velocidades de 3.45 m·s-1. Mientras que, con el ángulo de
90 °, se llegó a presiones de 0.49 kPa y velocidad de
3.48 m·s-1. Esto se produce con la mezcla de aire y
combustible dentro del carburador y no directamente en
el motor.
El componente que permite la entrada del aire preciso
para que se produzca una adecuada mezcla
estequiométrica necesaria para la combustión del motor
es el cuerpo de aceleración. Hassantabar et al. [6]
realizaron una investigación sobre el efecto de la
velocidad del motor y la altitud de vuelo en aviones no
tripulados (UAV. por sus siglas en inglés). Se analizó un
sistema de inyección del cuerpo de aceleración (TBI. por
sus siglas en inglés) de un motor neumático de dos
tiempos. Estos motores trabajan en condiciones extremas
de presión y temperaturas muy bajas. Dos tipos de
análisis fueron desarrollados, el primero fue el análisis
del rendimiento del motor, utilizando las ecuaciones que
gobiernan la simulación de aire y del combustible para
simularse mediante CFD. Con el TBI, la intensidad de la
turbulencia de la corriente de aire mostró un aumento en
la velocidad del motor de 1 000, 3 000, 6 000 y 9 000 rpm
y un ángulo de apertura de mariposa de 30 °. Se obtuvo
velocidades axiales en el acelerador de 2.40 a
72.27 m·s-1 e intensidades de turbulencia entre los 14.44
a 1 408.04 %.
Esta investigación se planteó como objetivo estudiar
el comportamiento interno del cuerpo de aceleración
mediante CFD, para proponer un modelo modificado,
con un corte en el eje de rotación y aumentar el flujo de
aire hacia el colector de admisión, lo que permite al motor
mejorar la eficiencia ya que existe alta producción de la
mezcla necesaria para la combustión. Este documento
está distribuido de la siguiente manera, Materiales y
Métodos describe la metodología utilizada, con los
procedimientos, las ecuaciones y los parámetros
requeridos para la simulación. En Resultados se presenta
el comportamiento de los cuerpos de aceleración y los
valores obtenidos para cada caso. Finalmente, se expone
Conclusiones con los argumentos necesarios para la
validación del trabajo con el análisis de los resultados
obtenidos.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Se ha planteado el desarrollo de un análisis
comparativo sobre la variación de presión y flujo de aire
que circula a través del cuerpo de aceleración de un
automóvil. Las variaciones de presión y flujo de aire se
determinan mediante un proceso de análisis CFD. Se
inició creando los modelos dentro de un software de
diseño para la posterior generación del mallado, que
involucra a su vez, un análisis de independencia de malla
y la verificación de la calidad. Se ingresan los parámetros
de simulación, luego se seleccionan los modelos
matemáticos de cálculo, se obtienen los resultados y se
comparan entre los dos diseños presentados. La Fig. 1
presenta el diagrama de flujo con el procedimiento
realizado en esta investigación. Dos casos fueron
considerados, el caso base, donde se simula el cuerpo de
aceleración con datos reales. Mientras que el otro caso es
una variación en el cuerpo de la mariposa, realizando
cambios en el eje de rotación. La Fig. 2 presenta el
modelado del cuerpo de aceleración para los dos casos de
estudio.
101
Argüello et al. / Evaluación de Motores a Gasolina con Simulación del Flujo de Aire a través del Cuerpo de Aceleración
Figura 1: Diagrama de Flujo del Proceso de Simulación
Figura 2: Mariposa de Aceleración a) Original, b) Modificado
2.1. Parámetros de Estudio
El análisis del flujo de aire que circula desde la
entrada del cuerpo de aceleración se planteó para el
estudio. Se encuentra después del filtro de aire y en la
entrada al colector de admisión [7]. El llenado de los
cilindros de un motor de combustión interna se produce
por aspiración, durante la carrera descendente del pistón
y la válvula de admisión abierta. La regulación del aire
es realizada mediante una válvula de mariposa, colocada
en el cuerpo de aceleración [8]. La Fig. 3 esquematiza
este proceso y los componentes principales.
La mariposa crea una pérdida de carga, de modo que
antes del cuerpo de aceleración, en la salida del filtro de
aire, la presión tiende a ser atmosférica,
aproximadamente. Mientras que, luego del colector de
admisión, esta presión siempre menor, afirmando que la
pérdida de carga siempre es variable y controlada por el
conductor, al momento de presionar el pedal de
aceleración [9].
Figura 3: Sistema de Admisión de Aire
Los datos para el estudio se obtienen de un lector de
sistema a bordo (OBD, por sus siglas en inglés) para
obtener la información del sensor de presión del múltiple
de admisión (MAPS, por sus siglas en inglés), sensor de
temperatura (IATS, por sus siglas en inglés), además del
ángulo de apertura de la mariposa (TPS, por sus siglas en
inglés). Estos sensores están ubicados en el colector de
admisión y también mediante un anemómetro colocado
en la entrada del cuerpo de aceleración, se conoce la
velocidad y temperatura de entrada del aire [10].
Los datos de apertura de mariposa se presentan desde
la menor apertura relativa, del 0 %, a la mayor apertura,
del 78 %. En esta investigación se planteó separar cuatro
comportamientos, en donde el cuerpo de aceleración
contenga la información necesaria para realizar la
simulación. Para ello, se ha tomado la información de la
apertura del 0 %, es decir, con la válvula de mariposa
completamente cerrada, hasta el 78 %, con la válvula
completamente abierta. A partir de estos parámetros, se
realizó el promedio de 646 datos tomados con el scanner
OBD II y la aplicación MotorData OBD. Entonces, se
obtuvo un promedio de 20.12 %, es decir, 20 %,
aproximadamente. Finalmente, se incluyó un cuarto valor
para realizar el estudio, tomando el 40 % de apertura. De
esta manera, la información es distribuida de manera
equitativa para las diferentes aperturas de la mariposa. La
Tabla 1 presenta los valores promedio de los parámetros
considerados con estas aperturas.
Tabla 1: Parámetros de Funcionamiento
Apertura relativa de la
mariposa
[%]
Posición absoluta de la
mariposa
[%]
Presión de entrada
[kPa]
Presión en la salida
[kPa]
Velocidad del aire en la
entrada
[m.s-1]
Temperatura de
entrada de aire [°C]
Temperatura de Salida
de colector de admisión
[°C]
0
5.49
70.7
24.95
7.32
32.65
45
20
26.33
70.7
61.37
12.55
30.22
43
40
46.32
70.7
69.00
25.59
26.67
41
78
83.13
70.7
70.00
40.71
25.3
40
La información fue obtenida con los sensores a bordo
en ruta, en la ciudad de Cayambe ubicada a 2 830 m sobre
el nivel del mar. Para la locación, se registra una presión
atmosférica de 70.70 kPa, en promedio, para horas de la
tarde y una temperatura ambiente de 17 °C. Estos valores
a) b)
102
Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
son requeridos como condiciones iniciales para iniciar la
simulación en el software ANSYS de los modelos
planteados según las aperturas de la mariposa de
aceleración. Martínez et al. [11] realizaron un estudio
sobre la importancia que tiene la altitud variable de las
diferentes regiones del Ecuador sobre los motores de
combustión interna. El estudio se efectuó a través de las
señales generadas por los sensores MAPS y de la
posición del TPS. Las observaciones de estas señales
indican que las variaciones de voltaje del sensor MAPS
son de 0.38 V por cada 1 000 m y que el vacío del motor
disminuye aproximadamente 7.70 kPa por cada 1 000 m.
2.2. Diseño del Cuerpo de Aceleración
El cuerpo de aceleración en estudio es tomado con las
especificaciones reales del elemento de un vehículo
Hyundai i10 de 1.1 L, alimentado a gasolina. La Fig. 4
presenta el esquema, en corte, usando el software
Inventor para graficar en 3D de este elemento señalando
las partes importantes, como la mariposa de aceleración,
el actuador de ralentí (ISCA, por sus siglas en inglés) y
el eje de rotación. Este último componente va a diseñarse
y estudiarse como cambio en la mejora del sistema. Los
diseños por evaluarse son dos, el original y otro
modificado, con cambios en la mariposa de aceleración.
En el modelo modificado, se varía el eje de rotación con
un corte en el lado de la entrada. Mediante simulación
CFD, se va a observar la mejora que exista en el flujo de
aire y presión.
Figura 4: Cuerpo de Aceleración en 3D
2.3. Modelos Matemáticos del Sistema de Admisión
Se requiere determinar la presión y el flujo de aire que
ingresa al cuerpo de aceleración y posteriormente al
colector de admisión. Por lo que se requiere calcular el
coeficiente de flujo, utilizado para definir la eficiencia
dinámica de los fluidos globales del sistema de
admisión [12]. El flujo a través de la válvula de mariposa
se modela como un flujo compresible isoentrópico
constante. El modelo más utilizado es el modelo de Barré
de Saint-Venant, que entrega el caudal másico para flujo
bloqueado y no bloqueado [13]. El coeficiente de flujo
se define como una relación entre la tasa de flujo real
(ṁreal), determinado por los sensores, y la tasa de flujo
ideal de la masa de aire (ṁideal), dada por la ecuación (1)
de flujo modelada y se representa como:
real
m
ideal
m
Cm
=
(1)
Butt et al. [14] han establecido los siguientes
supuestos para el análisis de una válvula de mariposa. El
flujo de aire consta de varias etapas, no hay reflujo ni
efecto turbulento, el flujo de aire no es laminar, la
geometría interna y las superficies del paso de aire son
suaves y sin fricción. Además, no hay curvas lo
suficientemente cortas que afecten la laminaridad del
flujo. Y, por último, los componentes y partes de un
colector de admisión siempre tienen tolerancias de
fabricación, así como el montaje y cubierta debe
realizarse en un espacio muy reducido
Para un flujo de fluido compresible, las tasas de flujo
másico a través de la válvula de mariposa son calculadas
a partir de las ecuaciones estándar del orificio [15]. Se
considera el caso de las relaciones de presión a través de
la válvula del acelerador. Este parámetro varía entre la
presión ambiental (P0) y la presión del colector de
admisión (Pm). La relación crítica para estas presiones
considera un calor específico (γ) de 1.4 y la relación entre
presiones se obtiene con la ecuación 2:
0
0.528
m
P
P=
(2)
Para relaciones de presión, mayores que la crítica, se
utiliza la ecuación 3:
/( 1)
2
1
m
P
−
+
(3)
El caudal másico es subsónico y viene dado por la
ecuación 4:
1/ ( 1)/
0
00
0
2
. ( ). . . 1
1
mm
mP P P
m C A PP
RT
−
=−
−
(4)
donde Cm es el coeficiente de flujo, A(θ) es el área de
flujo de paso, R es la constante de gas del aire y T0 es la
temperatura ambiente. Por otra parte, para relaciones de
presión menores que la crítica, se establece la relación de
la ecuación 5:
( 1)/[2( 1)]
0
0
2
. ( ). . . 1
mP
m C A RT
+−
=
+
(5)
2.4. Ecuaciones Gobernantes del Modelo Simulado
Para obtener los resultados de simulación, se utilizan
las ecuaciones de la continuidad y momento, requeridas
para un análisis CFD. La ecuación de continuidad sigue
la ley de conservación de la masa, afirmando que la
energía no se crear ni se destruye [16]. Es decir, la tasa
de aumento de la masa de un fluido debe ser igual a la
tasa neta del flujo de masa hacia el elemento fluido, como
se representa en la ecuación 6:
103
Argüello et al. / Evaluación de Motores a Gasolina con Simulación del Flujo de Aire a través del Cuerpo de Aceleración
( ) 0div u
t
+=
(6)
donde ∂ρ/∂t es la tasa de cambio con respecto al
tiempo y div(ρu) es el flujo másico neto que sale del
elemento a través de sus límites. La ecuación de cantidad
de movimiento satisface la segunda ley de movimiento
de Newton. Ésta establece que, la suma de las fuerzas que
actúan sobre el elemento fluido debe ser igual al producto
entre su masa y la aceleración del elemento fluido. Se
representa mediante las ecuaciones 7, 8 y 9, para la
dirección x, y y z, respectivamente.
()
yx
xx zx Mx
p
Du S
Dt x y z
− +
= + + +
(7)
()
xy yy zy My
p
Dv S
Dt x y z
− +
= + + +
(8)
()
yz
xz zz Mz
p
Dw S
Dt x y z
− +
= + + +
(9)
donde ρ es la densidad, p es la presión, Du/Dt, Dv/Dt
y Dw/Dt son las velocidades en la dirección x, y y z, τ es
el esfuerzo cortante, S es el término fuente que actúa en
la dirección negativa. De esta manera, se llega a obtener
la ecuación 10:
0, , 0
Mx My Mz
S S g S
= = − =
(10)
2.5. Análisis del Mallado
Para determinar el comportamiento del aire a través
del cuerpo de aceleración, en los dos modelos de válvula
de mariposa propuestos, se utilizó el análisis CFD.
Mediante simulación, se obtienen resultados como la
presión y flujo de aire, en las salidas del componente y
en el interior del cuerpo de aceleración [17]. El mallado
que se compara es el volumen del fluido que circula
dentro del cuerpo de aceleración, para disminuir la
cantidad de elementos y nodos a estudiar [18]. La calidad
de la malla que presenta cada diseño se mide con la
oblicuidad promedio, definida como skewness. La
Tabla 2 detalla estos valores, considerando que, una
malla presenta una calidad muy buena cuando skewness
es inferior a 0.25 [19].
Tabla 2: Mallado de los Diferentes Modelos de Mariposa y
Aperturas Relativas
Modelo
Diseño
Número de
elementos
Skewness
Cuerpo de
aceleración
original
Apertura 0 %
485780
0.23613
Apertura 20 %
478471
0.23651
Apertura 40 %
478731
0.2356
Apertura 78 %
477624
0.23676
Cuerpo de
aceleración
modificado
Apertura 0 %
478735
0.23615
Apertura 20 %
470330
0.23679
Apertura 40 %
469688
0.2368
Apertura 78 %
470421
0.23686
Para determinar la convergencia del mallado, se
realizó el análisis del modelo original con la mariposa de
aceleración cerrada completamente y con la válvula
ISCA abierta. La Fig. 5 presenta este análisis, donde se
consideró diferentes tamaños de elementos. A partir de
los 197 779 elementos, la presión de salida de los
mallados tiende a 24.95 kPa. Este es el valor en la salida
del cuerpo de aceleración, que se aproxima a la presión
dada por el sensor MAPS, ubicado en el colector de
admisión. De esta manera, se valida la malla generada
para el estudio.
Figura 5: Convergencia de Malla
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS
A continuación, se describen los resultados obtenidos
luego de la simulación CFD, realizados a partir del
cuerpo de aceleración original y modificado. El estudio
se planteó cuando funciona el motor en ralentí, con el
cuerpo de mariposa cerrado, apertura de 0 %, y con el
actuador ISCA abierto completamente [20]. Para los
demás comportamientos del cuerpo de aceleración, al 20,
40 y 78 % de apertura relativa de la mariposa de
aceleración, el actuador ISCA se mantendrá cerrado. De
esta manera, se permite el paso directamente al cuerpo de
mariposa [21].
3.1. Validación de resultados
Para la validación, los valores obtenidos de las
simulaciones de los dos modelos presentados son
comparados con los datos que se tomó del sensor MAPS.
Luego se calcula el error relativo de cada uno de los
modelos, utilizando la ecuación 11:
exp
exp
% 100
simulación erimental
erimental
xx
Error x
−
=
(11)
La Tabla 3 contiene los valores de error relativo
obtenido para cada modelo, respecto al porcentaje de
apertura de la mariposa.
Tabla 3: Valores de Presión con Respecto a Valores del Sensor
MAPS
Apertura relativa
de la mariposa
[%]
Presión en la
salida MAPS
[kPa]
Presión en la
salida modelo
original [kPa]
Presión en la
salida modelo
modificado [kPa]
Error modelo
original [%]
Error modelo
modificado [%]
0
24.95
37.69
37.75
51.07
51.30
20
61.37
56.53
56.63
7.88
7.72
40
69.00
68.74
68.74
0.37
0.37
78
70.00
70.07
70.11
0.10
0.16
104
Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
La Fig. 6 permite visualizar la comparativa entre los
modelos simulados y los datos tomados con el sensor. Se
evidencia que, cuando se aumenta el ángulo de apertura
de la mariposa, los datos de simulación se aproximan a
los reales, generados por el sensor MAPS. Es importante
mencionar que, los valores al inicio del funcionamiento,
cuando el motor está en ralentí, varían de 4.64 a 10 m·s-
1, con un promedio de velocidad de
7.32 m·s-1. Este valor es configurado para la entrada en
las simulaciones, cuando la mariposa de aceleración está
completamente cerrada.
Figura 6: Presiones en la Salida con Diferentes Ángulos de
Apertura de Mariposa
3.2. Simulaciones
Para el estudio del cuerpo de aceleración, se usa el
software ANSYS Fluent en donde se realiza la
simulación de la válvula de mariposa la cual se coloca
con un ángulo de apertura de 0 %. El actuador ISCA
permite conocer la entrada de aire con la que funciona el
vehículo cuando está en ralentí. También para compensar
el flujo de aire que el motor necesita al presionar el
acelerador. La Fig. 7 presenta la comparativa de
velocidad con apertura del 0 % para los dos modelos en
estudio.
Figura 7: Cuerpo de Aceleración Apertura 0 % a) Original,
b) Modificado
Para las simulaciones en donde la válvula de
mariposa se encuentra con un ángulo de 20 %, el actuador
ISCA se cierra completamente, para que el flujo de aire
siga la dirección de la válvula de mariposa. La Fig. 8
muestra los resultados de velocidad obtenida para esta
apertura, con una velocidad de ingreso de 12.55 m·s-1.
En las Fig. 9 y 10, se sigue manteniendo que, el
actuador ISCA se cierra completamente. Se trabaja en las
simulaciones con velocidades de entrada de 25.59 y
40.71 m·s-1 para las aperturas de 40 y 78 %,
respectivamente. Esta información se obtiene con el
anemómetro instalado en la entrada al cuerpo de
aceleración. Mediante simulación, se obtuvieron valores
máximos de velocidad a la salida de 79.93 y 63.36 m·s-1,
respectivamente. Es evidente que existe un aumento en la
velocidad, a menor apertura de la válvula de mariposa,
hay mayor velocidad en la entrada al colector de
admisión, permitiendo mayor flujo de aire.
Figura 8: Cuerpo de Aceleración Apertura 20 % a) Original,
b) Modificado
Figura 9: Cuerpo de Aceleración Apertura 40 % a) Original,
b) Modificado
Figura 10: Cuerpo de Aceleración Apertura 78 % a) Original,
b) Modificado
La Tabla 4 presenta los valores del flujo másico a la
salida del cuerpo de aceleración, a medica que se ha
modificado la apertura.
Tabla 4: Flujos másicos de los dos modelos simulados
Apertura relativa
de la mariposa
[%]
Flujo másico
modelo original
[g·s-1]
Flujo másico
modelo
modificado [g·s-1]
Error de flujo
másico [%]
0
6.71
5.67
18.34
20
4.66
6.65
29.92
40
32.69
33.23
1.62
78
58.27
58.03
0.41
La Fig. 11 permite observar los flujos másicos, tanto
del modelo original, como del modelo modificado. Se
valida el proceso de simulación CFD al presentar valores
a) b)
a) b)
a) b)
a) b)
105
Argüello et al. / Evaluación de Motores a Gasolina con Simulación del Flujo de Aire a través del Cuerpo de Aceleración
de flujo másico que se asemejan. Además, se planteó un
aumento en el flujo de entrada al colector de admisión,
con lo que se obtuvo un error relativo de 29.92 y 1.62 %
de aumento de flujo másico en las aperturas relativas de
mariposa de 20 y 40 %, respectivamente. Este incremento
es positivo para el funcionamiento del motor, ya que
ingresa mayor cantidad de aire.
Figura 11: Relación de los Flujos Másico con Respecto al
Apertura de Mariposa
4. CONCLUSIONES
Con el análisis CFD realizado en ANSYS para el
cuerpo de aceleración de un motor a gasolina, se
obtuvieron valores de presiones y flujos de aire. Se
presentó modelos con diferentes aperturas relativas de la
mariposa de aceleración. Los datos reales fueron tomados
utilizando un scanner OBD II y se dividió en cuatro
aperturas de la válvula, 0, 20, 40 y 78 %. Fue necesario
medir la velocidad de entrada del aire de admisión con un
anemómetro. Se obtuvieron valores entre 4.68 y
40.71 m·s-1, datos requeridos para definir las condiciones
iniciales y de contorno para la simulación, debido a que
el vehículo no cuenta con sensor de flujo de aire.
Mediante el proceso de simulación, se obtuvieron valores
de flujo másico de aire de 6.31 a 59.39 g·s-1, dependiendo
de la apertura de mariposa, a mayor apertura, mayor flujo
másico.
Mediante el análisis presentado, se determinó un
incremento de la cantidad de flujo másico en las aperturas
relativas de mariposa del 20 %. Se obtuvo valores de
1.99 g·s-1 en el aumento de flujo de aire del cuerpo
modificado, respecto al cuerpo original. En la apertura
del 40 %, el aumento fue de 0.54 g·s-1 en la misma
relación entre el cuerpo modificado y el original.
Además, se observó un aumento de la velocidad del aire
del cuerpo modificado de 1.99 m·s-1, en relación con el
cuerpo original en la apertura de mariposa del 20 %.
Mientras que, en la apertura del 40 %, no existe un
aumento significativo entre las velocidades de la salida
del cuerpo modificado y el cuerpo original, con valores
entre los 79.93 y 79.91 m·s-1, respectivamente. Con esta
información se concluye que, si se aumenta la velocidad
en una baja apertura de mariposa, como al 20 %, aumenta
el flujo másico del cuerpo modificado. Por otra parte, a
medida que se incrementa la apertura del ángulo de
mariposa, los valores se igualan y no hay variaciones
significativas.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Carrera de Ingeniería
Mecánica y al Grupo de Investigación en Ingeniería,
Productividad y Simulación Industrial (GIIPSI) de la
Universidad Politécnica Salesiana.
REFERENCIAS
[1] A. S. Patil, V. G. Halbe, and K. C. Vora, “A System
Approach to Automotive Air Intake System
Development,” SAE Tech. Pap., vol. 2005-Janua,
no. January, 2005, doi: 10.4271/2005-26-011.
[2] T. Sinigaglia, M. Eduardo Santos Martins, and J.
Cezar Mairesse Siluk, “Technological evolution of
internal combustion engine vehicle: A patent data
analysis,” Appl. Energy, vol. 306, p. 118003, Jan.
2022, doi: 10.1016/J.APENERGY.2021.118003.
[3] I. Simbaña, W. Quitiaquez, J. Estupiñán, F.
Toapanta-Ramos y L. Ramírez, "Evaluación
del rendimiento de una bomba de calor
de expansión directa asistida por energía
solar mediante simulación numérica del
proceso de estrangulamiento en el dispositivo
de expansión," Revista Técnica Energía, vol. 19,
nº 1, pp. 110-119, 2022, doi:
10.37116/revistaenergia.v19.n1.2022.524.
[4] W. Ashraf, S. Khedr, A. Diab, and H. Elzaabalawy,
“Effect of Replacement of Butterfly Throttle Body
by Barrel Throttle Body on Mass Flow Rate using
CFD,” SAE Tech. Pap., vol. 2017-March, no.
March, 2017, doi: 10.4271/2017-01-1078.
[5] N. Vinoth, V. Mohanavel, A. Kannappan, and K.
Mohith, “CFD modelling of carburetor with several
valve positions,” Mater. Today Proc., vol. 37, no.
Part 2, pp. 1535–1549, 2020, doi:
10.1016/j.matpr.2020.07.149.
[6] A. Hassantabar, A. Najjaran, and M. Farzaneh-Gord,
“Investigating the effect of engine speed and flight
altitude on the performance of throttle body injection
(TBI) system of a two-stroke air-powered
choengine,” Aerosp. Sci. Technol., vol. 86, pp. 375–
386, 2019, doi: 10.1016/j.ast.2019.01.006.
[7] J. Suresh Kumar, V. Ganesan, J. M. Mallikarjuna,
and S. Govindarajan, “Design and optimization of a
throttle body assembly by CFD analysis,” Indian J.
Eng. Mater. Sci., vol. 20, no. 5, pp. 350–360, 2013.
[8] C. Xu and H. Cho, “The Analysis of Influence of
Throttle Body on Engine Intake System,” Int. J. Eng.
Technol., vol. 9, no. 5, pp. 3481–3486, 2017, doi:
10.21817/ijet/2017/v9i5/170905048.
[9] C. D. E. Catalu, J. N. Cerc, and S. Industriales,
“Gestión de la mezcla aire-gasolina,” 1999.
[10] G. Ahmadi-Assalemi et al., “Optimising driver
profiling through behaviour modelling of
106
Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
in-car sensor and global positioning system
data,” Comput. Electr. Eng., vol. 91,
February, p. 107047, 2021, doi:
10.1016/j.compeleceng.2021.107047.
[11] J. Martínez, L. Robles, F. Montalvo, D. Baño
Morales, and I. Zambrano, “Effects of altitude in the
performance of a spark ignition internal combustion
engine,” Mater. Today Proc., vol. 49, pp. 72–78,
2022, doi: 10.1016/j.matpr.2021.07.475.
[12] A. Nigro, A. Algieri, C. De Bartolo, and S. Bova,
“Fluid dynamic investigation of innovative
intake strategies for multivalve internal
combustion engines,” Int. J. Mech. Sci., vol. 123, no.
January, pp. 297–310, 2017, doi:
10.1016/j.ijmecsci.2017.02.018.
[13] M. McHarek, T. Azib, M. Hammadi, C. Larouci, and
J. Y. Choley, “Multiphysical design approach for
automotive electronic throttle body,” IEEE Trans.
Ind. Electron., vol. 67, no. 8, pp. 6752–6761, 2020,
doi: 10.1109/TIE.2019.2939999.
[14] Q. R. Butt, A. I. Bhatti, M. R. Mufti, M. A. Rizvi,
and I. Awan, “Modeling and online parameter
estimation of intake manifold in gasoline engines
using sliding mode observer,” Simul. Model. Pract.
Theory, vol. 32, pp. 138–154, 2013, doi:
10.1016/j.simpat.2012.12.001.
[15] M. Bordjane, “Numerical Investigation Of Throttle
Valve Flow Characteristics For Internal Combustion
Engines,” J. Multidiscip. Eng. Sci. Technol., vol. 2,
no. 12, pp. 3159–3199, 2015, [Online]. Available:
www.jmest.org.
[16] J. Katz, “Introduction to Computational
Fluid Dynamics,” Introd. Fluid Mech.. January,
pp. 324–342, 2012, doi:
10.1017/cbo9780511761348.011.
[17] W. Quitiaquez, J. Estupinan-Campos, C. A. Isaza-
Roldan, C. Nieto-Londono, P. Quitiaquez, and F.
Toapanta-Ramos, “Numerical simulation of a
collector/evaporator for direct-expansion solar-
assisted heat pump,” 2020 Ieee Andescon, Andescon
2020, pp. 1–6, 2020, doi:
10.1109/ANDESCON50619.2020.9272139.
[18] W. Quitiaquez, J. Estupiñan-Campos, C. A. Isaza
Roldán, F. Toapanta-Ramos, and A. Lobato-
Campoverde, “Análisis numérico de un sistema de
calentamiento de agua utilizando un colector solar de
placa plana,” Ingenius, no. 24, pp. 97–106, 2020,
doi: 10.17163/ingenius.n24.2020.10.
[19] W. Quitiaquez, I. Simbaña, R. Caizatoa, C. Isaza, C.
Nieto, P. Quitiaquez y F. Toapanta, "Análisis del
rendimiento termodinámico de una bomba de calor
asistida por energía solar utilizando un condensador
con recirculación," Revista Técnica Energía, vol. 16,
nº 2, pp. 111-125, 2020, doi:
10.37116/revistaenergia.v16.n2.2020.358
[20] M. Balaji, K. Amal Satheesh, G. Sanjay, and H. K.
Job, “Design of throttle body: A comparative study
of different shaft profiles using CFD analysis,” Int.
J. Chem. Sci., vol. 14, pp. 681–686, 2016.
[21] M. I. Rounaque and S.Rajesh, “CFD Analysis of
Flow through a Throttle Body of Spark Ignition
Engine for Different Throttle Valve Configuration,”
Int. J. Res., vol. 06, no. 13, pp. 1046–1052, 2019.
Andrés Argüello. - Nació en
Cuenca, Ecuador, en 1985. Recibió
su título de Ingeniero Mecánico
Automotriz en la Universidad
Politécnica Salesiana, en el 2012.
Actualmente tiene título de
Magister en Métodos Matemáticos
y Simulación Numérica en
Ingeniería, de la Universidad Politécnica Salesiana. Sus
campos de Investigación están relación con análisis
Numérico y estadístico, además de análisis matemático
en el campo Automotriz.
William Quitiaquez. - Nació en
Quito, Ecuador, en 1988. Recibió
su título de Ingeniero Mecánico de
la Universidad Politécnica
Salesiana en 2011; de Magíster en
Gestión de Energías de la
Universidad Técnica de Cotopaxi,
en 2015; de Magíster en Ingeniería
de la Universidad Pontificia Bolivariana de Medellín, en
2019; de Ph.D. en Ingeniería de la Universidad Pontificia
Bolivariana de Medellín, en 2022. Su campo de
investigación se encuentra relacionado a Fuentes
Renovables de Energía, Termodinámica, Transferencia
de Calor y Simulación.
Isaac Simbaña. - Nació en Quito,
Ecuador, en 1990. Recibió su título
de Ingeniero Mecánico de la
Universidad Politécnica Salesiana,
Mención Diseño de Máquinas, en
2018; de Magíster en Métodos
Matemáticos y Simulación
Numérica en Ingeniería de la
Universidad Politécnica Salesiana, en 2022. Trabaja en el
Instituto Superior Universitario SUCRE, en la Carrera de
Tecnología Superior en Electromecánica como Docente.
Sus campos de investigación están relacionados al
Análisis Numérico y Estadístico, además del estudio de
Termodinámica y Procesos de Manufactura.
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Argüello et al. / Evaluación de Motores a Gasolina con Simulación del Flujo de Aire a través del Cuerpo de Aceleración
Patricio Quitiaquez. - Nació en
Quito en 1969. Recibió su título de
Ingeniero Mecánico de la
Universidad Politécnica Nacional
de Ecuador en 2002; de Magíster en
Gestión de la Producción de la
Universidad Técnica de Cotopaxi,
en 2007. Su campo de investigación
se encuentra relacionado con Gestión de Operaciones,
Diseño Estructural, Procesos de Manufactura y
Simulación.
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