UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL - Repositorio ...

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS,

UTILIZANDO UN CONTROL ELECTRÓNICO, PARA

VERIFICAR EL FLUJO DE AIRE ANTES Y DESPUÉS DE UN

FILTRO DE AIRE, CON EL OBJETO DE DETERMINAR LA

CALIDAD FILTRANTE.

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO

AUTOMOTRIZ

ESTEBAN JAVIER TORRES MORENO

DIRECTOR: ING. SIMON HIDALGO

Quito, enero 2016

© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016

Reservados todos los derechos de reproducción

DECLARACIÓN

Yo ESTEBAN JAVIER TORRES MORENO declaro que el trabajo

aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente

presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he

consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este

documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los

derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la

Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa

institucional vigente.

_________________________

Esteban Javier Torres Moreno

C.I. 1712793130

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO Y

CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS, UTILIZANDO UN

CONTROL ELECTRÓNICO, PARA VERIFICAR EL FLUJO DE AIRE

ANTES Y DESPUÉS DE UN FILTRO DE AIRE, CON EL OBJETO DE

DETERMINAR LA CALIDAD FILTRANTE”, que, para aspirar al título de

Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Esteban Javier Torres

Moreno, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la

Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de

Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.

___________________

Ing. Simón Hidalgo

DIRECTOR DEL TRABAJO

C.I.: 1707805642

DEDICATORIA

Dedicado a mi familia, amigos y profesores que han logrado formarme

para poder subir un peldaño más en mi vida.

A la comunidad estudiantil y sociedad en general.

AGRADECIMIENTOS

Primeramente a mi mamá Cristina Moreno que ha sido un pilar básico

en mi vida y me ha guiado por un buen camino.

A mi familia, que han sido parte de la estructura en la que hoy me he

convertido, en especial a mi hermana Cristina Torres y mi tío Raúl

Moreno, a mi abuela Herna Hofmann y prima Sophie Kroft.

A mi otra familia que a lo largo de mi vida nos hemos juntado, en

especial a mi novia Salome Angulo, mis amigos Cristina Merchán,

Andrea Castillo, Gabriela Cruz, Gisela Vega, Gabriela Yánez, Rony

Villalba, Bryan Córdova, Erick Ramos y Christian Báez que me han

ayudado de una u otra forma para culminar esta etapa.

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 1

1.2.OBJETIVOS DEL PROYECTO ................................................................ 2

1.2.1.OBJETIVO GENERAL .......................................................................... 2

1.2.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................. 2

2. MARCO TEÓRICO .................................................................................... 3

2.1. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR A COMBUSTIÓN INTERNA ............ 3

2.2. MECÁNICA DE FLUIDOS ....................................................................... 6

2.2.1. FLUIDO LÍQUIDO ................................................................................ 7

2.2.2. FLUIDO GASEOSO ............................................................................. 7

2.2.3. CAUDAL .............................................................................................. 7

2.2.3.1. Anemómetro ..................................................................................... 8

2.2.4. PRESIÓN ........................................................................................... 11

2.2.5. DENSIDAD ........................................................................................ 12

2.2.6. DINÁMICA DE FLUIDOS ................................................................... 12

2.3. EL FILTRO EN EL CAMPO AUTOMOTRIZ .......................................... 14

2.3.1. TIPOS DE FILTROS EN EL AUTOMÓVIL ......................................... 14

2.4. ESPECIFICACIONES DEL FILTRO DE AIRE ...................................... 15

2.4.1. CLASIFICACIÓN DE FILTROS DE AIRE .......................................... 16

2.4.2.1. Tipos de membrana o material filtrante .......................................... 18

2.4.4. TIPOS DE FILTROS SEGÚN SU FORMA ........................................ 20

ii

2.4.5. MEDIDA DEL RENDIMIENTO DEL FILTRO ..................................... 26

2.4.6. NORMAS IMPLICADAS EN LA FABRICACIÓN DE FILTROS DE

AIRE ............................................................................................................ 27

2.4.7. MÉTODOS DE ENSAYOS PARA FILTROS ...................................... 27

2.4.7.1. Ensayo single-pass ......................................................................... 28

2.4.7.2. Ensayo multi-pass ........................................................................... 28

2.5. PRUEBAS DE FLUJO A LOS FILTROS DE AIRE ................................ 29

2.6. EL SENSOR ......................................................................................... 32

2.6.1. INTRODUCCIÓN A SENSORES ....................................................... 32

2.7. EL SENSOR MAF ................................................................................. 33

2.7.1. TIPOS DE SENSOR MAF .................................................................. 33

2.7.2. PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR MAF .......... 34

3. METODOLOGÍA ...................................................................................... 37

3.1. MÉTODOS ............................................................................................ 37

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSION ........................................ 41

4.1 ALCANCE .............................................................................................. 41

4.2. ELECCIÓN DEL TIPO DE FILTRO DE AIRE ....................................... 41

4.2.1. MODELO NISSAN SENTRA B13 ...................................................... 45

4.2.2. SEGURIDAD DEL NISSAN SENTRA B13......................................... 45

4.3. ELECCIÓN SENSOR MAF ................................................................... 46

4.4. ELECCION DEL MOTOR ASPIRADOR DE AIRE ................................ 48

4.5. DISEÑO BANCO DE PRUEBAS .......................................................... 51

iii

4.5.1. Esquema y plano del banco de pruebas ............................................ 52

4.6. CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS ................................... 55

4.6.1. MATERIALES .................................................................................... 55

4.6.2 HERRAMIENTAS / TÉCNICAS ......................................................... 63

4.6.2 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS ........ 68

4.6.3 MANUAL DE USO DEL BANCO DE PRUEBAS CONSTRUIDO. ....... 78

4.7. ANÁLISIS DE PRUEBAS Y RESULTADOS ......................................... 81

4.7.1 BANCO DE PRUEBAS DE FILTROS DE AIRE .................................. 82

4.7.1.1. Filtro de aire alterno ....................................................................... 84

4.7.1.2. Filtro de aire original ....................................................................... 85

4.7.1.3. Filtro de aire de competencia tipo panel ......................................... 86

4.7.2 PRUEBA MICROSCÓPICA: ............................................................... 87


4.7.2.2. Filtro de aire alterno ........................................................................ 89

4.7.2.3. Filtro de aire de competencia .......................................................... 90

4.7.3. PRUEBAS DE GROSOR DEL ELEMENTO FILTRANTE .................. 92

4.7.3.1. Filtro de aire alterno ........................................................................ 93


4.7.3.3. Filtro de aire de competencia .......................................................... 94

4.7.3.4. Tablas de resultados grosor de membrana ..................................... 94

4.8. TABLAS DE RESULTADOS ................................................................. 95

4.9. ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................... 97

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................... 103

5.1. CONCLUSIONES ............................................................................... 103

iv

5.2. RECOMENDACIONES ....................................................................... 104

BIBLIOGRAFÍA: ........................................................................................ 106

v

INDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Tipos de fluidos. ............................................................................ 13

Tabla 2. Medida de rendimiento del filtro. .................................................... 26

Tabla 3. Normas para filtros y pruebas a filtros. .......................................... 27

Tabla 4. Símbolos y unidades bajo norma ISO 5011. ................................. 29

Tabla 5. Precisión de la medida según los parámetros. .............................. 30

Tabla 6. Distribución del tamaño de las partículas. ..................................... 31

Tabla 7. Composición química del polvo. .................................................... 31

Tabla 8. Cables del sensor MAF. ................................................................ 34

Tabla 9. Ejemplo de señal de un sensor MAF. ............................................ 35

Tabla 10. Problemas por fallo del sensor MAF. ........................................... 36

Tabla 11. Modelos de taxi más populares en el D.M.Q. .............................. 43

Tabla 12. Medidas y resultados del grosor de papel filtrante ...................... 95

Tabla 13. Voltaje - Caudal de cada filtro de aire .......................................... 96

Tabla 14. Filtro - Voltaje .............................................................................. 96

Tabla 15. Porcentaje de caudal. .................................................................. 97

Tabla 16. Presión y caudal de aire después del filtro de aire. ................... 100

Tabla 17. Recorrido – Tiempo. .................................................................. 100

Tabla 18. Costo – Tiempo. ........................................................................ 101

vi

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Primer tiempo del motor. ................................................................ 4

Figura 2. Segundo tiempo del motor. ............................................................ 4

Figura 3. Tercer tiempo del motor. ................................................................ 5

Figura 4. Cuarto tiempo del motor. ................................................................ 6

Figura 5. Anemómetro de compresión. ......................................................... 9

Figura 6. Anemómetro de empuje. ................................................................ 9

Figura 7. Anemómetro de hilo caliente. ....................................................... 10

Figura 8. Anemómetro de rotación. ............................................................. 10

Figura 9. Anemómetro sónico. .................................................................... 11

Figura 10. Membrana Fibrosa. .................................................................... 18

Figura 11. Membrana porosa. ..................................................................... 19

Figura 12. Membrana porosa capilar. ......................................................... 19

Figura 13. Filtro para fábrica. ...................................................................... 20

Figura 14. Filtro tipo panel de poliuretano. .................................................. 21

Figura 15. Filtro tipo panel de propileno. ..................................................... 21

Figura 16. Filtro cónico de poliuretano. ....................................................... 22

Figura 17. Filtro tipo platillo. ........................................................................ 23

Figura 18. Filtro metálico. ............................................................................ 23

Figura 19. Filtro cilíndrico de poliuretano. ................................................... 24

Figura 20. Filtro de sello radial. ................................................................... 25

Figura 21. Filtro ecológico. .......................................................................... 25

Figura 22. Ubicación del sensor MAF. ........................................................ 33

Figura 23. Señal analógica y digital del sensor MAF. ................................. 35

Figura 24. Filtro de aire alterno Nissan Sentra B13. ................................... 44

Figura 25. Filtro de aire original Nissan Sentra B13. ................................... 44

Figura 26. Filtro de aire tipo panel K&N para competencia. ........................ 44

Figura 27. Número de cables del Sensor MAF marca Bosch. .................... 47

Figura 28. Anemómetro de hilo caliente (UTE). .......................................... 48

Figura 29. Proceso de medición con la vara del anemómetro. ................... 49

Figura 30. Resultado anemómetro. ............................................................. 49

vii

Figura 31. Material eléctrico. ....................................................................... 56

Figura 32. Abrazaderas plásticas y metálicas. ............................................ 56

Figura 33. Componentes eléctricos. ............................................................ 56

Figura 34. Aglomerado changuan. .............................................................. 57

Figura 35. Spray de pintura negra. .............................................................. 57

Figura 36. Pistola de silicona. ..................................................................... 58

Figura 37. Pega epóxica. ............................................................................ 58

Figura 38. Motor de succión de aire. ........................................................... 59

Figura 39. Control electrónico de reducción de voltaje. .............................. 59

Figura 40. Banco móvil de herramientas. .................................................... 60

Figura 41. Sensor MAF marca Bosch. ........................................................ 60

Figura 42. Multímetro digital. ....................................................................... 61

Figura 43. Manguera flexible. ...................................................................... 61

Figura 44. Depurador de aire del vehículo Chevrolet Spark (4 cilindros). ... 61

Figura 45. Filtro de aire alterno. .................................................................. 62

Figura 46. Filtro de aire original. .................................................................. 62

Figura 47. Filtro de aire tipo panel de competencia. ................................... 63

Figura 48. Filtro de aire Chevrolet Spark. ................................................... 63

Figura 49. Caja de herramientas TopTul 130 piezas. ................................. 64

Figura 50. Pinzas y pelacables. .................................................................. 64

Figura 51. Cautín y estaño. ......................................................................... 65

Figura 52. Multímetro digital. ....................................................................... 65

Figura 53. Pistola de calor. ......................................................................... 66

Figura 54. Dremel. ...................................................................................... 66

Figura 55. Microscopio digital. ..................................................................... 67

Figura 56. Medidor de grosor de 0 a 1250 micras. ..................................... 67

Figura 57. Plano AutoCAD banco de pruebas 1. ........................................ 53

Figura 58. Plano AutoCAD banco de pruebas 2. ........................................ 54

Figura 59. Banco de herramientas armado ................................................. 68

Figura 60. Montaje sensor MAF antes del filtro de aire. ............................. 69

Figura 61. Montaje del sensor MAF después del filtro de aire. ................... 69

Figura 62. Cables soldados ........................................................................ 70

viii

Figura 63. Corte de orificios en el banco de herramientas 1. ...................... 70

Figura 64. Corte de orificios en el banco de herramientas 2. ...................... 70

Figura 65. Elaboración de topes para los multímetros 1. ............................ 71

Figura 66. Elaboración de topes para los multímetros 2. ............................ 71

Figura 67. Modificaciones al control electrónico de succión. ...................... 72

Figura 68. Acople de Jacks en el banco de pruebas. .................................. 72

Figura 69. Aplicación de papel contac en la base del banco de pruebas. ... 72

Figura 70. Instalación de multímetros en el banco de pruebas. .................. 73

Figura 71. Modificación a los topes medidores de los multímetros. ............ 73

Figura 72. Elaboración del puente de diodos rectificadores. ....................... 74

Figura 73. Instalación de regulador de voltaje 7805. ................................... 74

Figura 74. Alimentación a los sistemas eléctricos. ...................................... 75

Figura 75. Unión de componentes al motor de succión de aire. ................. 75

Figura 76. Paredes del banco de pruebas pintadas. ................................... 76

Figura 77. Stickers informativos. ................................................................. 76

Figura 78. Probeta. ..................................................................................... 77

Figura 79. Imagen 60 Banco de pruebas terminado 1. ............................... 77

Figura 80. Banco de pruebas terminado 2. ................................................. 78

Figura 81. Voltaje sensor MAF (KOEO). ..................................................... 83

Figura 82. Voltajes sin filtro de aire. ............................................................ 83

Figura 83. Probeta filtro de aire alterno. ...................................................... 84

Figura 84. Voltajes en filtro de aire alterno. ................................................. 84

Figura 85. Probeta con filtro de aire original. .............................................. 85

Figura 86. Voltajes en filtro de aire original. ................................................ 85

Figura 87. Probeta con filtro de aire de competencia. ................................. 86

Figura 88. Voltajes en filtro de aire de competencia. .................................. 86

Figura 89. Ampliación 150x filtro de aire original 1. ..................................... 88

Figura 90. Ampliación 150x filtro de aire original 2. ..................................... 88

Figura 91. Ampliación 150x filtro alterno 1. ................................................. 89

Figura 92. Ampliación 150x filtro alterno 2. ................................................. 90

Figura 93. Ampliación 50x filtro de competencia 1. ..................................... 91

Figura 94. Ampliación 150x filtro de competencia 2. ................................... 91

ix

Figura 95. Medida de grosor sin filtro. ......................................................... 92

Figura 96. Medida de grosor filtro alterno. .................................................. 93

Figura 97. Medida de grosor filtro original. .................................................. 93

Figura 98. Medida de grosor filtro de competencia. .................................... 94

x

INDICE DE ANEXOS

PÁGINA

Anexo 1.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS NISSAN SENTRA B13. ....................... 109

Anexo 2.

EVALUACIÓN DE SEGURIDAD LATIN NCAP EN NISSAN

SENTRA B13. ............................................................................................ 111

Anexo 3.

MANUAL DE USO DEL BANCO DE PRUEBAS CONSTRUIDO. .............. 113

Anexo 4.

NORMA ISO 5011 y SAE J726 .................................................................. 115

Anexo 5.

CARTA DE ENTREGA DE BANCO DE PRUEBAS. ....... ¡Error! Marcador no

definido.

xi

RESUMEN

En el presente trabajo se exploró y realizó un análisis sobre el

funcionamiento, tipo y calidad de los filtros de aire utilizados en los motores

de combustión de los vehículos; además se construyo un banco de pruebas

para determinar los resultados a las características mencionadas

anteriormente. Para esta investigación se determinaron tres tipos de filtros

analizados: filtro original del Nissan Sentra B13, un filtro alterno y un filtro de

competencia. Se realizaron diversas pruebas a estos filtros, como: de

diferencia de caudal y presión con el banco de pruebas diseñado y

construido, pruebas visuales y pruebas físicas (utilizando un medidor de

grosor de membranas, las cuales mostraron un mayor grosor (casi el doble)

del filtro de aire original, comparado con el filtro de aire alterno y el triple con

el filtro de aire de competencia. Los principales elementos utilizados para el

diseño y construcción del banco de pruebas, con un control electrónico, para

verificar el flujo de aire antes y después de un filtro de aire, con el objeto de

determinar la calidad filtrante, fueron: una aspiradora semi industrial para

que genere un flujo de aire, con variables de caudal y presión, muy parecido

al de los vehículos, conectada a un control electrónico que varía la

intensidad de succión y simula la aspiración de un motor a combustión a

diferente revoluciones por minuto (RPM). Para medir el flujo de aire se utiliza

dos sensores MAF “ Mass Air Flow o Manifold Air Flow), que al recibir el flujo

de aire, generan una señal voltaica, la cual variará con frente a los tres tipos

de filtros evaluados. Los resultados y análisis de este trabajo determinan

que el filtro de aire original es más efectivo en su desempeño, calidad y

durabilidad, teniendo un caudal de aire de 53,42 cm³/s comparándolo con el

filtro de aire alterno, que tiene una menor calidad tanto en materiales como

en desempeño, teniendo un caudal de aire de 52,67 cm³/s aun que su costo

es menor al filtro de aire original. Tras un análisis de todos los resultados las

pruebas a los filtros de aire de competencia no son validas ni reales, ya que

en el depurador de aire instalado en este banco de pruebas, no tenía el

xii

sellado óptimo para soportar un filtro de aire de un alto grosor, teniendo

fugas y alteraciones en los resultados y medidas.

ABSTRACT

This work explores and performs an analysis on the operation, type and

quality of air filters used in combustion engines in the vehicles; besides the

construction of a test bench to determine the results of the characteristics

listed above. For this research three types of filters to be analyzed are

determined: Original filter Nissan Sentra B13, an alternate filter and a filter

competition. Various tests to these filters, as were performed: visual, with the

help of a digital and physical microscope (using a membrane thickness meter

and the test bench designed and built). The main elements used for the

design and construction of the test, with an electronic control, to verify the

airflow before and after an air filter in order to determine the filter quality,

were: a semi industrial vacuum cleaner for generating an air flow with

variable flow and pressure, much like what we have in the vehicle, connected

to an electronic control that varies the intensity and aspiration simulating the

suction of a combustion engine at different revolutions per minute (RPM). To

measure the air flow between every tested filter, there are installed two MAF

(Mass Air Flow or Manifold Air Flow) sensors, which upon receiving the air

flow, generating a voltaic signal which varies with the three types of filters

used and evaluated. The results and analysis of this study determined that

the original air filter is more effective in performance, quality and durability,

especially compared with alternate air filter, which has a lower quality both in

materials and performance, despite the lower cost compared with the original

air filter. After a review of all testing’s, the competition air filters results are

not valid or real, because in the air vault installed on this test bench, did not

have the optimum sealing to withstand an air filter of a high thickness, having

leaks, altering the results and measures in this type of filter. This thesis is

created for further development, amendments, implementation or

enhancement, as desired by the community.

2

1. INTRODUCCIÓN

El filtro de aire es un elemento muy importante del motor a combustión de

los vehículos, el aire que necesita el motor, está lleno de oxigeno que

junto con un combustible logra su funcionamiento y posteriormente un

desplazamiento o movimiento de todo el auto. Sin embargo ese aire con

oxígeno también tiene otros compuestos no deseados, como polvo,

insectos, impurezas y polución, que si llegan a entrar al motor pueden

causar un gran deterioro y serios daños al mismo. Para resolver este

problema los fabricantes de motores y vehículos crearon un elemento a

base de fibras especiales que funcionaria para dejar pasar el aire y

oxigeno del ambiente, pero también debía retener agentes no deseados,

a este elemento lo llamaron filtro de aire.

El presente trabajo se desarrolla por la necesidad de saber que sucede

con el flujo y presión de aire bajo diferentes tipos de filtros y variables que

los afectan.

En esta tesis se escoge cierto vehículo para estudiar su filtro de aire y

someterlo a diferentes pruebas y ensayos de varios tipos, para

posteriormente estudiar y analizar sus resultados. También Se diseña y

construye un banco de pruebas modular para filtros de aire, instalando un

control electrónico, con el cual se simulará el ingreso del aire hacia el

motor y mediante un sistema de medición de flujo de aire, basado en los

sensores MAF (Mass Air Flow en inglés) se podrá interpretar la cantidad

de flujo antes y después del filtro de aire que se pondrá a prueba, para

así comprobar su calidad filtrante en base a la variación de flujo de aire

existente.

Posteriormente se recopilarán las pruebas y ensayos, a los que se

sometieron los diferentes filtros de aire, y se realizará un análisis

2

copilando conclusiones y recomendaciones con respecto a la calidad de

cada filtro y cuál es el más conveniente para ser usado.

1.2. OBJETIVOS DEL PROYECTO

1.2.1. OBJETIVO GENERAL

Diseñar y construir un banco de pruebas, utilizando un control

electrónico, para verificar el flujo de aire antes y después de un filtro de

aire, para determinar la afectación del flujo de aire que ingresa al motor

utilizando diferentes filtros de aire en el mercado y sus variables en su

membrana filtrante.

1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Investigar y determinar los tipos de filtros de aire existentes.

2. Seleccionar, definir y justificar el tipo de filtro que se usara en el banco

de pruebas de filtros de aire.

3. Diseñar y construir el banco de pruebas para filtros de aire, el cual

deberá ser modular para la posterior implementación de sistemas donde

realizar más pruebas.

4. Realizar y analizar pruebas al tipo de filtro seleccionado, para

determinar su calidad filtrante.

3

2. MARCO TEÓRICO

2.1. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR A COMBUSTIÓN

INTERNA

El motor es el encargado de generar poder para mover el vehículo. Éste

transforma un movimiento vertical en rotatoria, tipo manivela, para dar la

energía suficiente a la transmisión del vehículo que envía la fuerza de

rotación del motor hacia los neumáticos, haciendo que el auto se mueva.

(Álvarez Flórez, 2005)

Actualmente, el motor funciona en cuatro pasos conocidos como cuatro

tiempos. Estos son: admisión, compresión, explosión y escape, que en

conjunto con un pistón, biela y manivela (mejor conocida como cigüeñal),

se repiten todo el tiempo y se multiplican por la cantidad de cilindro del

motor. (Calvo Martín & Miravete de Marco, 1997)

Primer tiempo (Admisión): Al inicio de este tiempo, el pistón se

encuentra en el punto más alto del cilindro, llamado P.M.S. (Punto Muerto

Superior); al moverse hacia el punto más bajo del cilindro, llamado

P.M.I. (Punto Muerto Inferior), crea un vacío dentro de la cámara de

combustión y provoca que entre aire limpio que contiene oxígeno. El aire

es mezclado con combustible y su unión se llama “mezcla aire-

combustible”. (Garcia Murillo, 1987) (Ver figura 1)

En este primer tiempo de admisión de aire al motor es donde el filtro entra

en acción reteniendo todas las impurezas del medio ambiente, que si

entran al motor lo deteriorarían causando molestas fallas, incluso daños

severos. Por este motivo el filtro de aire es un componente muy

importante al cual se le debe prestar atención para cambiarlo cuando se

4

lo requiera, generalmente cuando ya está muy sucio entre los cinco mil y

diez mil kilómetros, sin embargo dependerá y se tomará en cuenta el

medio ambiente en el que se circule con el vehículo.

Figura 1. Primer tiempo del motor.

Segundo tiempo (Compresión): Una vez que el pistón alcanza

el P.M.I. (Punto Muerto Inferior), y ha entrado la mayor cantidad de aire,

en ese preciso momento el pistón comienza a subir, comprime la mezcla

de aire-combustible que se encuentra dentro del cilindro y tiene la misma

cantidad de partículas pero reducidas entre 8 a 10 veces (usando

gasolina) para crear una gran presión (Ver figura 2). (C. Rolle, 2006)

5

Figura 2. Segundo tiempo del motor.

Tercer tiempo (Explosión): Una vez que el cilindro alcanza

el P.M.S. (Punto Muerto Superior) y la mezcla aire-combustible ha

alcanzado el máximo de compresión, salta una chispa eléctrica, producida

por la bujía, que hace que se prenda esta mezcla de oxígeno y gasolina, y

se genere una explosión. La fuerza de la explosión obliga al pistón a bajar

con gran velocidad y este movimiento se transmite por medio de la biela

al cigüeñal, para convertirlo en un movimiento rotatorio (Ver figura 3).

(Gillardi, 1985)

6

Figura 3. Tercer tiempo del motor.

Cuarto tiempo (Escape): El pistón, al ser movido por la explosión hacia

el P.M.I., comienza a subir y lo que queda de la mezcla aire combustible

ahora son gases quemados, por la explosión dentro del cilindro. A medida

que el pistón sube, estos gases son expulsados fuera del motor hacia el

escape (Ver figura 4). (Rodríguez Román, 1999)

7

Figura 4. Cuarto tiempo del motor.

2.2. MECÁNICA DE FLUIDOS

La palabra fluido proviene del latín Fluere, que significa fluir. Todo cuerpo

que tiene la capacidad de fluir, carece de rigidez y cede inmediatamente a

cualquier fuerza que altere su forma, adoptando la del recipiente que lo

contiene, es un fluido. (Orozco, 2014)

Por lo tanto se puede definir a un fluido como una sustancia cuya masa

tiene la capacidad de deformarse continuamente, acomodando sus

moléculas, al ser sometida a una fuerza tangencial. La mecánica de

fluidos es la parte de la física que estudia los fluidos tanto en reposo como

8

en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería

que utilizan fluidos. (Grubelnik & Marhl, 2005)

Los gases y los líquidos son fluidos porque ante el efecto de cualquier

fuerza externa, por mínima que sea, se produce deformación y movilidad.

2.2.1. FLUIDO LÍQUIDO

En los fluidos líquidos, las partículas se mueven libremente gracias a las

fuerzas intermoleculares; sin embargo, mantienen su volumen constante y

fijo. Otra de sus propiedades es que ejercen presión sobre los cuerpos

sumergidos en ellos o sobre las paredes del recipiente que los contiene. A

esta se la conoce como presión hidrostática. (Orozco, 2014)

2.2.2. FLUIDO GASEOSO

Al contrario de los líquidos, los gases constan de partículas separadas en

movimiento que chocan unas con otras, produciendo dispersión. Por este

motivo, los gases no tienen volumen definido y adquieren la forma del

recipiente que los contiene y el mayor cuerpo posible al expandirse. Sin

embargo, su volumen disminuye cuando se aplican fuerzas. (Orozco,

2014)

2.2.3. CAUDAL

Al caudal se lo conoce también como tasa de descarga o tasa de flujo, y

se refiere a la cantidad de fluido que circula a través de una sección de

9

espacio por unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo

volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa

por un área dada en la unidad de tiempo. (Grubelnik & Marhl, 2005)

Cuando un fluido que llena un tubo corre a lo largo de este tubo con

rapidez o velocidad lineal promedio , el caudal o descarga es: (Ver

Formula 1)

[ 1]

Donde:

Es caudal.

Es el área.

Es velocidad lineal promedio.

Donde Q representa el flujo y sus unidades son en el sistema

internacional m³/s y en el sistema inglés son pie³/m. A es el área de la

sección transversal del tubo y v es la masa del fluido. (Bueche & Hetch,

2007)

2.2.3.1. Anemómetro

El anemómetro es un instrumento que permite medir la velocidad del

viento o de un fluido, se mide en kilómetros por hora o metros sobre

segundo. Hay anemómetros que también miden dirección y temperatura

del flujo. Existen de varios tipos de anemómetros, como por ejemplo:

(Revilla, 2008)

Anemómetro de compresión: Mediante un tubo en “L” basado en el

sistema de Pitot, este mide la diferencia de presiones (Dinámica-Estática).

(Ver figura 5)

10

Figura 5. Anemómetro de compresión.

Anemómetro de empuje: El viento empuja una palanca conectada a una

esfera la cual moverá una aguja, indicando la velocidad del viento. (Ver

figura 6) (Revilla C., 2008)

Figura 6. Anemómetro de empuje.

Anemómetro de hilo caliente: Este indica la velocidad del viento

mediante una diferencia de temperaturas entre dos hilos calientes uno al

frente de otro. (Ver figura 7) (Revilla C., 2008)

11

Figura 7. Anemómetro de hilo caliente.

Anemómetro de rotación: Se trata de un eje con aletas tipo cucharas,

las cuales giraran, la velocidad del giro será proporcional a la velocidad

del viento. (Ver figura 8) (Revilla, 2008)

Figura 8. Anemómetro de rotación.

Anemómetro sónico: También llamado de efecto Dopler, puede ser ultra

sónico o laser, este detecta el desfase de estas variables y las traduce

como la velocidad del viento. (Ver figura 9) (Revilla, 2008)

12

Figura 9. Anemómetro sónico.

2.2.4. PRESIÓN

La presión es una fuerza que se ejerce en directamente o de forma

perpendicular sobre un área de una superficie y su valor en el sistema

internacional es Newton/metro² y se conoce como Pascal (Pa) y en el

sistema ingles Libras/pulgada². También hay otras representaciones de

presión, por ejemplo 101325 Pa = 1 atmosfera (atm) y también 1 atm =

760 mmHg (milímetros de mercurio).

Aplicando una determinada fuerza sobre una un fluido (el cual se

comprenden fluidos líquidos, gaseosos y sólidos), este se desplaza o

fluye en cierta o ciertas direcciones. Se define como: (Ver formula 2)

(Mott, 2006)

[2]

Donde:

Es la presión.

Es la fuerza que será aplicada. (Vectorial)

13

Es el caudal del fluido.

2.2.5. DENSIDAD

La densidad es una magnitud que se utiliza en los fluidos y se representa

con la letra griega ρ (Rho). La densidad se la puede definir como la

relación que existe entre la masa de un fluido y el volumen que este

ocupa y se expresa de la siguiente manera: (Ver formula 3)

[3]

Donde:

Es la densidad.

Es la masa.

Es el volumen.

Una variable a considerar es la presión y también la temperatura en la

que se encuentra el fluido ya que su volumen cambiara con el cambio de

estas variables. Por ejemplo la densidad del aire a cero grados

centígrados y una atmosfera de presión es de 1,293 kilogramos/metro

cúbico y el mismo aire a veinte cinco grados centígrados y una atmosfera

de presión es aproximadamente de 1,185 kilogramos/metro cúbico. Su

unidad de medida en el sistema internacional es el kilogramo sobre metro

cúbico (kg/m³). (Mott, 2006)

2.2.6. DINÁMICA DE FLUIDOS

La medición del flujo es una función importante dentro de cualquier

sistema que emplee fluidos para realizar sus operaciones regulares o en

sus procesos. Ésta se refiere a la capacidad de medir la velocidad, el flujo

volumétrico o el flujo másico de cualquier tipo de fluido, solido o líquido.

14

La medición adecuada del flujo es esencial para el control de procesos

industriales, transferir la vigilancia de fluidos y evaluar rendimientos de

motores, sistemas de refrigeración y otros sistemas que emplean fluidos

en movimiento. (Mott, 2006)

Los fluidos tiene diferentes viscosidades, por ejemplo no será lo mismo

dar la vuelta un vaso de agua, que dar la vuelta un vaso con espumilla, la

viscosidad en los fluidos será lo que el rozamiento en los sólidos se

llamara un fluido ideal a aquel que fluya sin dificultad alguna cuya

viscosidad sea la más cercana a cero. En la siguiente tabla se encuentran

las características principales del comportamiento de un fluido ideal,

teniendo en cuenta el tipo de fluido que son: no viscoso, estacionario,

incompresible e irrotacional, todos con sus características físicas. (Ver

tabla 1)

Tabla 1. Tipos de fluidos.

Tipo de fluido Características

Fluido no viscoso Se desprecia la fricción interna entre las distintas

partes del fluido.

Flujo estacionario La velocidad del fluido en un punto es constante con

el tiempo.

Fluido incompresible La densidad del fluido permanece constante con el

tiempo.

Flujo irrotacional No presenta torbellinos, es decir, no hay momento

angular del fluido respecto de cualquier punto.

(Bohner, y otros, 1985)

15

2.3. EL FILTRO EN EL CAMPO AUTOMOTRIZ

Para entender la función del filtro en el campo automotriz es importante

conocer su significado. Un filtro es un dispositivo por el que pasan fluidos

y es generalmente utilizado para retener partículas contaminantes y no

permitir que se introduzcan impurezas. (Miguel de Castro, 1998)

En el campo automotriz, su función es proteger los motores y otras

maquinarias contra agentes externos como el polvo o diferentes tipos de

suciedad, que penetran en el equipo mecánico. En un automóvil son

cuatro los filtros principales: de aire, aceite, combustible y de aire de

cabina. (Miguel de Castro, Inyeccion y encendido, 1998)

El empleo de filtros inadecuados puede reducir drásticamente la duración

de un motor. El proceso de filtración correcto contribuye a reducir los

riesgos y alargar la vida del motor. (Picabea Zubía & Ortega Oliva, 2010)

2.3.1. TIPOS DE FILTROS EN EL AUTOMÓVIL

Filtros de aceite:

Su principal función es despojar al aceite de suciedades para evitar la

circulación de restos sólidos por el motor, que pueden causar desgastes.

Los contaminantes son principalmente productos de oxidación, partículas

de metal o restos de combustión que ingresan al vehículo a través de los

respiraderos del motor. Los filtros contribuyen así a prolongar la duración

del motor y del aceite. Con este filtro se protege principalmente conchas

de bielas y cigüeñal. (Billet, 1979)

Filtros de combustible:

Estos filtros tienen como finalidad limpiar las impurezas de los fluidos que

alimentan la combustión. Constituyen también una protección eficaz

contra la suciedad en el carburador e inyectores en los motores a gasolina

16

y por consiguiente también contra las fallas del motor ocasionadas por la

misma. (González Calleja, 2012)

Filtro de aire de cabina:

Su función principal es eliminar las partículas de polvo y los elementos

alergénicos que están en el aire ambiente. Para los vehículos que circulan

constantemente por lugares muy transitados, la eficacia del filtro de

cabina es primordial, porque protege a conductores y pasajeros de los

elementos químicos nocivos que se encuentran en el ambiente. (Montero,

2012)

Filtros de aire:

La misión principal de este filtro es limpiar de manera eficaz el aire de

combustión para proteger las partes internas del motor. El aire aspirado

suele contener polvo y partículas silíceas, por lo que la instalación de un

filtro de aire eficaz es de máxima importancia. Al no disponer de este

filtrado, las partículas pueden depositarse sobre las paredes de los

cilindros y mezclarse con el aceite de lubricación, formando una pasta

abrasiva capaz de producir su rápido desgaste. (Edgar J. Kates, 1981)

El polvo del aire depende principalmente de la naturaleza del terreno y de

la carretera por donde circula el vehículo. Este polvo produce un desgaste

en las superficies de deslizamiento de los cilindros, en los pistones y en

las guías de válvula. (Bohner, y otros, 1985)

Por este motivo es necesario sustituir periódicamente los filtros (cada

15.000 Km recorridos), sin embargo, la frecuencia de los cambios es

relativa a la utilización del vehículo. (Alonso, 2004)

2.4. ESPECIFICACIONES DEL FILTRO DE AIRE

Los filtros de aire son diseñados para los diferentes tipos de motores de

acuerdo con la técnica aerodinámica. Generalmente están ubicados en la

boca del carburador; sin embargo, en algunos vehículos el filtro está a

17

cierta distancia del carburador, unido mediante un tubo. (Agueda Casado

& otros, 2009)

La función del filtro es purificar sometiendo al aire a bruscos cambios de

dirección, para separar las partículas más gruesas. El aire es filtrado y las

impurezas quedan retenidas en la materia filtrante, para ser retiradas en

las operaciones de desmontaje. (Alonso, 2004)

Entre los requisitos más importantes para un filtro de aire están la elevada

eficacia filtrante, que se refiere a la capacidad de retener la mayor

cantidad de impurezas; buen poder acumulador, para funcionar durante

largos periodos sin la necesidad de cambio de los materiales filtrantes o

una limpieza; y finalmente, baja pérdida de carga, es decir, escasa

resistencia al paso de aire. A máxima saturación debe resistir al menos

10mm de H2O de presión antes de comprometer su material filtrante.

(Alonso, 2004)

Dentro de sus funciones, el filtro de aire actúa como silenciador, para

reducir o eliminar el ruido producido por el aire que entra al motor.

Adicional, éste puede intervenir como cortafuegos, evitando la

propagación de llamaradas al exterior, que se produce ocasionalmente

cuando existen deficiencias en los sistemas de encendido y carburación.

(Alonso, 2004)

2.4.1. CLASIFICACIÓN DE FILTROS DE AIRE

Los filtros de aire se clasifican por los diferentes tipos existentes, las

membranas o materias filtrantes y según su forma.

Existen cuatro tipos de filtros para aire: secos, húmedos, de baño de

aceite y por centrifugación; los cuales buscan mejorar la calidad del aire

que entra en los motores de los automóviles. (Revilla, 2008)

18

Filtros secos:

Estos filtros son los más utilizados por ser menos complejos en

fabricación y montaje. (Revilla, 2008). Su función es separar el polvo

mediante la intercalación de filtros de papel plegado. La vida de los

cartuchos de papel depende de la magnitud de la superficie y del

contenido de polvo del aire. Cuando este filtro está sucio hay que

cambiarlo porque no se puede limpiar. (Bohner, y otros, 1985)

Filtros húmedos:

Los filtros húmedos están compuestos por un alambre de cobre o una

malla de aluminio, impregnada de aceite, con el objetivo de retener todos

los contaminantes posibles. A diferencia de los filtros secos, éstos pueden

ser lavados y re-utilizados; sin embargo, el procedimiento de limpieza es

trabajoso y su integridad no está garantizada. (Bohner, y otros, 1985)

Filtros de baño de aceite:

Son una variante del filtro húmedo. Están conformados por un depósito

de aceite y una malla como elemento filtrante. (Revilla, 2008)

El aire que ingresa en el filtro es conducido a la superficie del aceite. Las

partes de polvo más pesadas se separan del aire al encontrarse con el

baño de aceite, mientras que el polvo fino queda retenido en la malla

filtrante. La duración de estos filtros es mayor debido a que se limpian

automáticamente y requieren de menos cuidados que otras clases de

filtros. Cuando el aceite de baño se hace oscuro y espeso debido a la

cantidad de polvo acumulado, hay que cambiar el filtro y limpiar el

depósito. (Bohner, y otros, 1985)

Filtros por centrifugación:

Estos filtros son imprescindibles para motores que trabajan en atmósferas

polvorientas. El aire aspirado se somete a un movimiento rápido de

rotación para separar las partículas pesadas de polvo por la acción de la

fuerza centrífuga; mientras que el polvo fino se retiene en el filtro de baño

de aceite que va montado anexo. Los dos filtros combinados tienen mayor

duración, prácticamente ya no se utilizan, ahora se usan pre filtros para

ambiente muy sucios. (Bohner, y otros, 1985)

19

2.4.2.1. Tipos de membrana o material filtrante

Dentro de los filtros de aire existen cuatro tipos de membranas o material

filtrante.

Filtro Fibroso: La característica principal de este material es la

agrupación de finas fibras ordenadas perpendicularmente a la dirección y

flujo de aire. Este tipo de material filtrante es el más popular dentro de la

fabricación de los filtros de aire. Estos utilizan materiales como fibra de

vidrio, plástico y principalmente de celulosa (derivada de la madera). Su

tamaño está en el rango de submicrones y milímetros, y su alta porosidad

es del 70% a más del 90%. La velocidad de aire adentro de los filtros

fibrosos está en el orden de 10 cm/s. (Ver figura 10) (Sutherland, 2004)

Figura 10. Membrana Fibrosa.

Filtro Poroso: El filtro de membrana porosa tiene una estructura tipo

esponja (ver figura 2). A comparación de los filtros fibrosos, la porosidad

de éste es menor (va del 50% hasta un 90%). Por lo complicada que es la

estructura porosa, el aire en el interior sigue formas irregulares. La

eficiencia de estos filtros es alta porque la reducción de la presión es

mejor con respecto a otros tipos. Sus compuestos principales son: ésteres

de celulosa, metales sintetizados, cloruro de polivinilo, teflón y otros

plásticos. (Ver figura 11) (Sutherland, 2004)

20

Figura 11. Membrana porosa.

Filtro de Membrana Porosa Capilar: La membrana porosa capilar se

caracteriza por tener una matriz cilíndrica de poros con un diámetro

uniforme, aproximadamente perpendicular a la superficie del filtro. Se

utiliza para la recolección de partículas, gracias a que su superficie blanda

ayuda al escaneo microscópico de electrones. (Ver figura 12)

(Sutherland, 2004)

Figura 12. Membrana porosa capilar.

21

Filtro para fábrica: Al filtro para fábrica se lo suele confundir

generalmente con los filtros fibrosos, pero es utilizado en el área industrial

para limpiar altas concentraciones de polvo. Está constituido por grandes

bolsas de telas paralelas tejidas o de fieltro. Su eficacia depende de la

capa de polvo que se acumula en los tejidos. Un ejemplo simplificado es

la aspiradora casera. (Ver figura 13) (Sutherland, 2004)

Figura 13. Filtro para fábrica.

2.4.4. TIPOS DE FILTROS SEGÚN SU FORMA

Panel de Poliuretano: Este filtro está elaborado con celulosa

especialmente tratada y su flexibilidad permite una mejor hermeticidad de

la carcasa. Es uno de los más populares por su fácil fabricación y sus

materiales económicos, su calidad depende de las normas que cumpla el

fabricante del filtro. Pero el cliente deberá verificar en el empaque, que

este cumpla con normas ISO5011 o SAE J726 (Ver anexo 4). Su material

filtrante es de fibroso y sus características se pueden observar en el punto

2.4.2.1. “Tipos de membrana o material filtrante”.

(Ver figura 14) (Montero, 2012)

22

Figura 14. Filtro tipo panel de poliuretano.

Panel de Propileno: Su característica principal es la rigidez, que le da

mayor soporte al medio filtrante, al mantener la separación de los

pliegues. El filtro de propileno está elaborado con fibra no tejida. Es uno

de los más populares por su fácil fabricación y sus materiales

económicos, su calidad depende de las normas que cumpla el fabricante

del filtro. Pero el cliente deberá verificar en el empaque, que este cumpla

con normas ISO5011 o SAE J726 (Ver anexo 4). Su material filtrante es

de fibroso y sus características se pueden observar en el punto 2.4.2.1.

“Tipos de membrana o material filtrante”. (Ver figura 15) (Montero, 2012)

Figura 15. Filtro tipo panel de propileno.

23

Cónico de Poliuretano: La celulosa de este filtro está especialmente

tratada y debido a su forma permite un mayor flujo de aire al motor. su

calidad depende de las normas que cumpla el fabricante del filtro. Pero el

cliente deberá verificar en el empaque, que este cumpla con normas

ISO5011 o SAE J726 (Ver anexo 4). Su material filtrante es de poroso y

sus características se pueden observar en el punto 2.4.2.1.“Tipos de

membrana o material filtrante”. (Ver figura 16) (Montero, 2012)

Figura 16. Filtro cónico de poliuretano.

Filtro de Platillo: El filtro de platillo está hecho con fibra no tejida. Su

forma permite un gran flujo de aire en espacios reducidos y mantiene la

estructura y separación. Su calidad depende de las normas que cumpla el




2.4.2.1. “Tipos de membrana o material filtrante”. (Ver figura 17) (Montero,

2012)

24

Figura 17. Filtro tipo platillo.

Filtro Metálico: La estructura de metal de este filtro da mayor soporte y

permite un gran flujo de aire al motor. Está elaborado con celulosa

especialmente tratada y en algunos casos, lleva malla de refuerzo para

dar mayor soporte. Su calidad depende de las normas que cumpla el




2.4.2.1. “Tipos de membrana o material filtrante”. (Ver figura 18) (Montero,

2012)

Figura 18. Filtro metálico.

25

Cilíndrico de Poliuretano: Elaborado con celulosa especialmente

tratada, el filtro cilíndrico de poliuretano permite un gran flujo de aire al

motor para mantener la hermeticidad. Para dar mayor soporte, algunos

llevan malla de refuerzo. Su calidad depende de las normas que cumpla

el fabricante del filtro. Pero el cliente deberá verificar en el empaque, que



2.4.2.1. “Tipos de membrana o material filtrante”. (Ver figura 19)

(Montero, 2012)

Figura 19. Filtro cilíndrico de poliuretano.

Sello Radial: La forma del filtro de sello radial se caracteriza por tener un

extremo abierto y otro sellado. Su celulosa es especialmente tratada y su

estructura de soporte de metal permite un gran flujo de aire al motor. Su

calidad depende de las normas que cumpla el fabricante del filtro. Pero el

cliente deberá verificar en el empaque, que este cumpla con normas

ISO5011 o SAE J726 (Ver anexo 4). Su material filtrante es de fibroso y

sus características se pueden observar en el punto 2.4.2.1. “Tipos de

membrana o material filtrante”. (Ver figura 20) (Montero, 2012)

26

Figura 20. Filtro de sello radial.

Panel de fibra no tejida (Ecológico): Este panel está elaborado con fibra

no tejida y no posee una estructura de metal o plástico. Su calidad

depende de las normas que cumpla el fabricante del filtro. Pero el cliente

deberá verificar en el empaque, que este cumpla con normas ISO5011 o

SAE J726 (Ver anexo 4). Su material filtrante es de fibroso y sus

características se pueden observar en el punto 2.4.2.1. “Tipos de

membrana o material filtrante”. (Ver figura 21) (Revilla C., 2008)

(Montero, 2012)

Figura 21. Filtro ecológico.

27

2.4.5. MEDIDA DEL RENDIMIENTO DEL FILTRO

Los criterios de rendimiento son establecidos por los fabricantes de

motores y medidos por los procedimientos de prueba desarrollados por la

“Society of Automotive Engineers” SAE J726. (Ver tabla 2)

Tabla 2. Medida de rendimiento del filtro.

MEDIDA DE

RENDIMIENTO DEFINICION

Eficiencia

Es la relación porcentual del peso de las partículas extrañas

en suspensión retenidas por el elemento filtrante con

respecto a la cantidad total de las mismas presentes en el

sistema. Deben retener un mínimo de 98% de partículas.

Saturación

Un filtro está saturado cuando la restricción que produce en

el sistema de admisión de aire donde esté colocado, es

mayor que la admisible por el filtro.

Medio filtrante

Es el elemento del filtro seco que es capaz de retener

partículas extrañas que están en suspensión en la corriente

de aire que ingresa al filtro. Su material filtrante es de

fibroso y sus características se pueden observar en el

punto 2.3.2.1. “Tipos de membrana o material filtrante”.

Durabilidad

Es el tiempo de prueba necesario para llegar a la saturación,

manteniendo el régimen de alimentación especificado. A

máxima saturación resistir al menos 10mm de H2O de

presión. 1 mm H2O = 0,009 8 kPa.

Capacidad de

retención de polvo

Es la cantidad de partículas contaminantes que el filtro

puede retener antes que la restricción sea máxima. Debe

retener partículas desde 5.5 micrones hasta 176 micrones,

como dato explicativo el cabello humano tiene un grosor de

50 micrones.

Aptitud de servicio Propiedad que posee el filtro de mantener sus cualidades

originales, después de ser limpiado repetidas veces.

(Revilla, 2008)

28

2.4.6. NORMAS IMPLICADAS EN LA FABRICACIÓN DE FILTROS DE

AIRE

Las normas implicadas en la fabricación de los filtros de aire son

reguladas por organismos bajo respaldo de organismos internacionales

que someten a éstos, a rigurosos estudios, en laboratorios especializados

y preparados especialmente para probar cada aspecto de los filtros de

aire.

Se realizan pruebas físicas y químicas que simulan un uso y abuso al que

estarán sometidos en su vida útil en el vehículo, tratando de ser lo más

realistas posibles, tanto en temperatura, flujo de aire, presión de aire

humedad, tipos de polvo de varios tamaños (en micras) y pigmentos,

tomando en cuenta sus rendimientos en cada ensayo (medidos en

micras), tipo (Ver tabla 3)

Tabla 3. Normas para filtros y pruebas a filtros.

NORMA DEFINICIÓN

SAE J726 Pruebas de polvo a filtros de aire.

ISO 5011 Método de ensayo para los filtros de aire en motores de combustión

interna y compresores - Pruebas de rendimiento.

ISO 12103 Vehículos de carretera – Polvo de ensayo para la evaluación de filtros

ISO 5167-1

Medición del caudal de fluido por medio de dispositivos de presión

diferencial con placas de orificio, toberas y tubos vénturi insertados

en sección transversal.

(Montero, 2012)

2.4.7. MÉTODOS DE ENSAYOS PARA FILTROS

Existen varios tipos de ensayos para investigar diferentes aspectos de

cómo funciona un filtro, de una forma alterada o bajo condiciones

29

normales, teniendo en cuenta la vida útil del filtro y la calidad filtrante del

mismo. Existen 2 tipos de ensayos, el Single-Pass (de un solo paso) y el

Multi-Pass (recirculación). (Montero, 2012)

2.4.7.1. Ensayo single-pass

Como su nombre lo indica en inglés, el tipo de ensayo Single-Pass

significa de “una sola pasada”, en este caso, el aire alimenta un conducto

con un flujo constante, sin ser reciclado. Con esta prueba se puede

mostrar con mayor facilidad el efecto de las variables importantes en el

rendimiento del filtro. (Montero, 2012)

Para la prueba de capacidad de suciedad, el tipo de ensayo Single-Pass

es el recomendado para filtros de aire, según la norma ISO 5011 y, dado

a su flujo constante, se lo usa para la prueba de capacidad de suciedad.

En el flujo de aire se suspenden partículas que saturan el filtro, hasta

llegar a un punto en el que la presión de aire decae e indica que este filtro

tiene un valor indeterminado de saturación con partículas y ya no es

eficiente para el sistema. (Montero, 2012)

2.4.7.2. Ensayo multi-pass

En este tipo de ensayo se realiza una recirculación o reciclaje de fluido,

está incorporado en la norma internacional ISO 16889, para filtro de

combustible y aceite. El ensayo Multi-Pass debe realizarse en condiciones

de máxima presión a la que puede trabajar el filtro, para obtener valores

más similares a las condiciones reales en las que funciona la membrana

filtrante. (Montero, 2012)

30

2.5. PRUEBAS DE FLUJO A LOS FILTROS DE AIRE

Todos los ensayos en filtros de aire contienen la estructura de ensayos

Single-Pass, bajo la norma ISO 5011. Las pruebas a los filtros de aire

deben realizar bajo los siguientes parámetros y unidades (sistema

internacional). (Ver tabla 4 y 5).

Tabla 4. Símbolos y unidades bajo norma ISO 5011.

Parámetro

Símbolo

Unidades

Caudal volumétrico qv m³/min

Velocidad V m/s

Densidad ρ kg/m³

Caudal másico qm kg/min

Presión p Pa

Presión diferencial ∆pd Pa

Perdida de carga ∆pl Pa

Masa m G

Tiempo t s

(Montero, 2012)

En cada prueba efectuada a los filtros de aire no se debe superar un

margen porcentual establecido en la norma ISO 5011. (Ver tabla 5).

31

Tabla 5. Precisión de la medida según los parámetros.

Parámetro Unidades Precisión de la

medida

Caudal m³/min ± 2 %

Presión Pa ± 25 Pa

Temperatura °C ± 0.5 °C

Masa g ± 1 %

(Montero, 2012)

Filtro bajo ensayo: El caudal de aire que circula en el filtro debe ser de 2

a 16,6 m³/min.

Caudal de fluido sucio: El caudal de las partículas en suspensión

utilizadas en el banco de pruebas debe ser de 0.25 g/m³.

Presión de operación del filtro: La presión a la entrada del filtro de

ensayo debe ser de 92204 Pa.

Presión diferencial del filtro: Los valores de este filtro deben oscilar

entre 500 a 4000 Pa.

Temperatura de operación del filtro: Dentro del banco de pruebas el

filtro de ensayo debe estar a una temperatura óptima de 20 °C.

Polvo de ensayo: Según la norma ISA5011 se recomiendan en las

pruebas de Medium Test Dust (ISO MTD), el cual se regula mediante la

norma ISO 12103 – A2. El análisis químico y la distribución del tamaño

de partícula se ajustan según ISO 12013-1. Algunas características de

este polvo de ensayo, denominado también A2 fine. (Montero, 2012)

Densidad aparente del polvo: 900 kg/m3. (Ver tabla 6 y 7)

32

Tabla 6. Distribución del tamaño de las partículas.

Tamaño µm

Fracción Máxima de volumen %

A2 Fino

1 2,5 a 3,5

2 10,5 a 12,5

3 18,5 a 22

4 25,5 a 29,5

5 31 a 36

7 41 a 46

10 50 a 54

20 70 a 74

40 88 a 91

80 99,5 a 100

120 100

(Montero, 2012)

Tabla 7. Composición química del polvo.

Químico Fracción de la

masa %

SiO2 68 a 76

Al2O3 10 a 15

Fe2O3 2 a 5

Na2O 2 a 4

CaO 2 a 5

MgO 1 a 2

Ti2O 0,5 a 1

K2O 2 a 5

Pérdida en ignición (1050 °C):

% al 5%

(Montero, 2012)

33

2.6. EL SENSOR

2.6.1. INTRODUCCIÓN A SENSORES

Como se vio en el punto 2.1. de la presente tesis, el funcionamiento del

motor requiere de aire y combustible para funcionar, sin embargo la

cantidad de aire y combustible debe ser la optima para que el motor

trabaje eficientemente bajo las variables en las cuales se encuentra el

vehículo. Estas “variables” pueden ser: temperatura de aire de ingreso al

motor, presión o flujo de aire que ingresa al motor, presión de

combustible, presión de aceite, carga del motor, temperatura del motor ,

numero de revoluciones del motor entre otros; estas variables o

parámetros necesitan ser medidos e interpretados y es ahí donde entran

a escena los sensores del automóvil. Actualmente los vehículos tienen

una cantidad importante de sensores que son necesarios para la gestión

electrónica del automóvil y son utilizados por las unidades de control para

el funcionamiento del motor, así como la seguridad y el confort del

vehículo.

El sensor convierte una magnitud física o química en señales eléctricas,

que son entendidas por la unidad de control “ECU” (computadora del

vehículo). La señal de salida del sensor no es considerada únicamente

como una corriente o tensión, también se toman en cuentan las

amplitudes de corriente, la frecuencia, el periodo, la fase o asimismo la

duración de impulso de una oscilación eléctrica.

En este caso nos enfocaremos en el sensor de flujo de aire que ingresa al

motor o MAF (En idioma ingles) el cual se encarga de interpretar la

cantidad de aire que entra al motor, es decir el caudal de aire (revisar

punto 2.2.3. de la presente tesis) que luego se mezclara con un

combustible para poder producir la combustión en el motor y que este

funcione.

34

2.7. EL SENSOR MAF

El sensor MAF (Manifold Air Flow) mide la cantidad de flujo de aire que

ingresa al motor y la convierte en una señal de voltaje, para que la

computadora del vehículo dosifique la mezcla aire-combustible de forma

estequiométrica o ideal, es decir 14,7 parte de aire y 1 parte de

combustible. (Augeri, 2010)

El sensor MAF se ubica después del filtro de aire y antes de la aleta del

cuerpo de aceleración. (Ver figura 22)

Figura 22. Ubicación del sensor MAF.

2.7.1. TIPOS DE SENSOR MAF

Existen dos tipos de sensores MAF: analógicos y digitales. Los analógicos

son los que varían por voltaje o tensión; mientras que, los digitales varían

por la frecuencia.

Actualmente, estos sensores trabajan mediante un hilo caliente metálico,

muy fino, que se encuentra a una temperatura alta. Con el ingreso del

aire, este hilo se enfría y las cargas cambiantes causan un efecto

diferente sobre su temperatura. El circuito que maneja el tema del

calentamiento del hilo genera una señal de voltaje de acuerdo a que tanto

es enfriado. (Erich Et Al., 2002)

35

Dentro del sensor se encuentra un transductor eléctrico que

permanentemente monitorea los cambios de temperatura del hilo. Todas

las señales son enviadas a la computadora del vehículo para la medición

o verificación. (Augeri, 2010)

2.7.2. PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR MAF

A continuación se realizó una tabla indicando que el sensor MAF tiene 3

cables para medir el flujo de aire, sin embargo puede tener cuatro, cinco

o seis cables, ya que también tiene integrado a su cuerpo el sensor IAT

(sensor de temperatura de aire de ingreso). (Ver tabla 8)

Tabla 8. Cables del sensor MAF.

CABLES APLICACIÓN

1 Voltaje de referencia que puede ser de 5 (más común) o 12 voltios.

2 Señal variable que llega a la computadora del vehículo.

3 Contacto a masa.

La señal enviada por el sensor MAF se representa en voltios y varía

dependiendo del número de giros que realiza el motor al estar en

funcionamiento o RPM (revoluciones por minuto). Se realizó una tabla que

sirve como ejemplo para entender la relación que existe entre las

revoluciones de giro del motor por minuto y la señal del MAF, teniendo en

cuenta que a un mayor número de revoluciones y por tanto mayor flujo de

aire que ingresa al colector de admisión, el voltaje (señal MAF) enviado a

la computadora del vehículo es mayor y, a menor RPM se tiene un menor

flujo de aire y se obtiene menos voltaje enviado de la señal del MAF. (Ver

tablas 9)

36

Tabla 9. Ejemplo de señal de un sensor MAF.

RPM Voltios (V)

Velocidad del aire

(m/s)

750

1

6,2

1000

1,3

10

2000

1,8

13

3000

2,5

16,4

4000

2,9

22,8

A este sensor se lo debe probar o diagnosticar con las llaves del vehículo

en contacto con el swich de encendido y el motor prendido, a este

proceso se lo llamada KOER (Key ON Engine Runing), con el motor

encendido y con los cables del multiímetro en masa y en la señal del

sensor, se pone la marcha en neutro y prueba a distintas revoluciones

jugando con el acelerador. (e-auto.com.mx, 2008) (Ver figura 23)

Figura 23. Señal analógica y digital del sensor MAF.

37

Cuando un sensor MAF se encuentra defectuoso, este puede provocar

múltiples fallas en el motor pudiendo averiarlo por completo, al ser el

sensor encargado de indicarle a la computadora del vehículo (ECU)

mediante señales voltaicas cuanto aire está ingresando al motor del

vehículo y, si el sensor MAF falla, la computadora estará trabajando a

“ciegas”, sin saber cuánta cantidad de aire está ingresando al múltiple de

admisión y luego a las cámaras de combustión dentro de cada cilindro en

el motor, así la ECU estará enviando una cantidad errónea de

combustible a los cilindros del motor, causando mezclas (aire-

combustible) muy pobres, en la cual hay más partes de oxígeno y poco

combustible, o muy ricas, done abra menos partes de oxígeno y mucho

combustible del requerido, es decir no existirá una mezcla

estequiométrica de catorce partes de aire y una parte de combustible

(14:1) o ideal para obtener el mejor rendimiento, tomando en cuenta las

normas ecológicas y ambientales nacionales e internacionales. Así todo

el sistema motriz del vehículo se vuelve ineficiente y poco confiable para

el usuario. (Ver tabla10)

Tabla 10. Problemas por fallo del sensor MAF.

Problema Característica

Problemas en el

encendido.

El motor no trabaja con una mezcla estequiométrica

(mezcla eficiente de catorce partes de aire y una parte

de combustible, 14:1), perjudicando el encendido.

Para verificar si en efecto el sensor MAF esta

defectuoso, se procede a desconectar su socket para

que la computadora solo tome en cuenta el sensor

TPS (de la aleta del cuerpo de aceleración) para

encender el motor.

Problema de eficiencia, se

ahoga y pierde potencia.

La computadora envía demasiado combustible y sin la

medida especifica de aire, no existe una detonación

adecuada o nula.

38

3. METODOLOGÍA

3.1. MÉTODOS

Para el diseño y construcción de un banco de pruebas, utilizando un

control electrónico, para verificar el flujo de aire antes y después de un

filtro de aire, con el objeto de determinar la calidad filtrante, se acudió a

fuentes bibliográficas, tanto en libros como en internet, para conocer

detalladamente sobre las funciones y tipos de filtros de aire en los

vehículos, caudal y las especificaciones sobre el sensor MAF, pruebas y

bancos de pruebas para filtros de aire.

El diseño de investigación es el plan básico que guía las fases de

recolección y análisis de datos del proyecto. Es la estructura que

especifica el tipo de información a recolectar, las fuentes de datos, los

procedimientos y análisis de la recolección de datos.

En el proyecto se ocupará la siguiente metodología:

Descriptiva: Con frecuencia el propósito del investigador es describir

situaciones y eventos. Esto es, decir cómo es y cómo se manifiesta un

determinado objeto o fenómeno. Los estudios descriptivos buscan

especificar las propiedades importantes del objeto que es estudiado. Esta

investigación mide o evalúa diversos aspectos, dimensiones o

componentes del fenómeno a investigar. Desde el punto de vista

científico, describir es medir cuestiones inherentes al objeto de estudio y

que por supuesto interesan a los propósitos investigativos.

Los estudios descriptivos miden de manera más bien independiente los

conceptos o variables a los que se refieren. Aunque, pueden integrar las

mediciones de cada una de dichas variables para decir cómo es y cómo

se manifiesta el fenómeno de interés en el tema, su objetivo no es indicar

http://www.monografias.com/trabajos13/gaita/gaita.shtml

39

cómo se relacionan las variables medidas. (Hernández Samperi,

Fernández Collao, & Baptista Lucio, 2010)

Este método se va a utilizar para la descripción de los materiales y

herramientas con los que se construirá el banco de pruebas. De esta

forma, se puede conocer detalladamente todos los componentes

principales de la investigación para poder enfocarse en los tipos de filtros

y los sensores MAF (sensor de flujo de aire de entrada) que van a ser

sometidos a varias pruebas y análisis.

Exploratoria: Recoge e identifica antecedentes generales, números y

cuantificaciones respecto del problema investigado, su objetivo es

documentar ciertas experiencias, examinar temas poco estudiados.

(Hernández Samperi, Fernández Collao, & Baptista Lucio, 2010)

En este método se tomarán los resultados cuantificables de las pruebas,

además de explorar sobre las particularidades de los filtros de aire, como

por ejemplo, el grosor de las membranas filtrantes (en micras) y los

voltajes que representan el flujo de aire en el banco de pruebas.

Explicativa: Esta investigación es más estructurada, además proporciona

un sentido de entendimiento a lo que se hace referencia, está dirigida a

responder a las causas de los eventos físicos y sociales. (Hernández

Samperi, Fernández Collao, & Baptista Lucio, 2010)

Se aplicará para las pruebas de observación microscópica, en las cuales

se puede apreciar, mediante un plano más profundo, los aspectos físicos

de las membranas filtrantes y entender mejor su comportamiento

comparando con los resultados obtenidos en las otras pruebas.

El desarrollo del proyecto se guiará a través del cumplimiento progresivo

de pasos, que permitirán llevar a cabo el diseño y construcción del banco

de pruebas para filtros de aire.

En primer lugar, se realizará una investigación de todas las normas y

pruebas comunes a los filtros de aire para motor, que tendrá como

objetivo encontrar la utilidad de este proyecto al verificar el flujo de aire

en la admisión del motor, para la sociedad universitaria y general en su

desarrollo investigativo de los mismos.

40

Para el diseño del banco de pruebas de filtros de aire se debe identificar

los requerimientos y parámetros a los que estará sometido el sistema. En

este caso, se lo construirá de una forma modular para su posterior

desarrollo con nuevos sistemas que profundicen la investigación de los

mismos.

Primeramente se realizara un esquema del trabajo que realizaremos, una

vez que se tiene la idea, se hace una lista de los materiales y

herramientas que necesitamos adquirir para su construcción. Una vez que

ya tenemos todos lo que necesitamos, comienza el proceso constructivo y

se ensambla un mueble modular metálico (banco de herramientas) en el

cual estará montado el sistema. Dentro de este se realizan los orificios

donde pasara el ducto de entrada de aire, donde se instalarán los

multímetros, fuentes de alimentación, depurador y sensores MAF. Para

generar el flujo de aire se utilizará un motor aspirador el cual estará

ubicado abajo del banco de pruebas y contará con un control electrónico

para regular su potencia de succión (simulando la absorción de aire del

motor en funcionamiento) que varia el voltaje de 0 a 110 voltios; de este

control electrónico también saldrá la alimentación para el regulador de

voltaje que enviara los 12 y 5 voltios para el funcionamiento de los

sensores. En el depurador de aire se ubicarán los diferentes filtros, con un

sensor MAF (Sensor de flujo de aire) antes y el otro después del filtro de

aire a prueba. Cada sensor MAF estará alimentado independientemente e

igualmente su señal de voltaje podrá ser medida por separado gracias a

la adaptación de dos multímetros digitales, comparando cada resultado en

los diferentes filtros de aire que se prueben. Se aseguraran los elementos

con pernos y tuercas. El principal componente del filtro de aire es su

membrana, la cual retiene las impurezas que dañan al motor, esta podrá

ser adaptada en una probeta y ser introducida en el depurador para su

posterior testeo y análisis.

Una vez construido el banco de pruebas se procederá a detectar posibles

fallas en el diseño y construcción, corregir las mismas y realizar pruebas

41

en cuanto a su funcionalidad, una vez probado y puesto a punto se podrá

entregar a la sociedad universitaria y en general para su correcto uso.

Este método explicativo servirá principalmente para el análisis y

comparación de resultados de cada prueba que se haga a los diferentes

filtros, con todas las características del banco.

42

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSION

4.1 ALCANCE

Diseño y construcción de un banco de pruebas utilizando dos sensores

MAF, para verificar el flujo de aire mediante la señal (voltios) que estos

envíen, antes y después de un filtro de aire. Esta investigación se basa

principalmente en la comparación del caudal de un filtro de aire alterno

económico, un filtro alterno de buena calidad y el original de la marca, con

el objeto de determinar la calidad filtrante. Tomando como filtro de prueba

el del vehículo Nissan Sentra B13.

4.2. ELECCIÓN DEL TIPO DE FILTRO DE AIRE

El tipo de filtro de aire escogido para ser utilizado en las pruebas de flujo

del banco de pruebas que se construirá determinará y analizará los

valores de caudal de aire y sus variaciones en relación a otros filtros o

variables en su membrana filtrante. Este filtro deberá ser el más utilizado

en los vehículos livianos y deberá cumplir con los siguiente parámetros:

Deberá ser de tipo panel de poliuretano como se muestra en el numeral

2.4.4 y su membrana filtrante es fibrosa proveniente de celulosa plegada

en zig-zag, la cual se aprecian sus características en el numeral 2.4.2.1.

Este tipo de filtro de aire es utilizado en el vehículo Nissan Sentra B13,

que es el vehículo más utilizado como taxi en el Distrito Metropolitano de

Quito, abarcando el 26,79% de este grupo.

Los taxis pueden recorrer cientos de kilómetros a diario, en un ambiente

tóxico, lleno de diversos gases producto de la cantidad de autos, polvo,

43

tierra y contaminantes en general. Al ser vehículos que recorren

diariamente entre 100 y 200Km y al estar en funcionamiento por periodos

largos de tiempo, el uso del filtro de aire, encargado de que entre aire

limpio al motor, se ve afectado con anticipación, a comparación de los

vehículos de uso común. Es por este motivo que estos filtros deben ser

cambiados con mayor frecuencia.

De acuerdo con los datos entregados por la Agencia Metropolitana de

Tránsito (AMT), en un estudio estadístico realizado en noviembre del año

2014, en el Distrito Metropolitano de Quito circulan legalmente 16272

taxis, entre más de diez marcas y 150 modelos de vehículos. (Agencia

Metropolitana de Tránsito, 2014)

Las marcas que lideran este segmento del mercado son la estado

unidense Chevrolet, la sur korena Hyundai y Kia y finalmente la japonesa

Nissan, con sus respectivos modelos más populares para ser usados

como taxis: Chevrolet Aveo Activo 1,6L 4p, Hyundai Accent 1,6 4p 4x2

TM, Kia Rio Stylus LS AC y Nissan Sentra B13 1,6 M/T. Todos vehículos

tipo sedán con cuatro puertas y un maletero, transmisión manual y un

motor con una cilindrada aceptable y suficiente para su trabajo, con la

suficiente potencia a un relativo bajo consumo de combustible, bajo una

transmisión manual de cinco cambios de marcha más retro.

El vehículo japonés Nissan Sentra B13 1,6 M/T es el vehículo más

popular en el uso de taxi legal en el Distrito Metropolitano de Quito, con

4360 unidades, llevándose el 26.79% del número total de taxis. En

segundo lugar se encuentra el vehículo Chevrolet Aveo Activo 1,6L 4p

con 1379 unidades, posicionándose en el segundo lugar con el 8.47% del

total; en tercer puesto se encuentra el vehículo Hyundai Accent 1,6 4p 4x2

TM con 493 unidades con el 3.03% y, finalmente, en cuarto lugar el

vehículo Kia Rio Stylus LS AC con 375 unidades, con el 2,30% del total

de taxis. (Agencia Metropolitana de Tránsito, 2014) (Ver tabla 11)

44

Tabla 11. Modelos de taxi más populares en el D.M.Q.

MARCA MODELO NÚMERO

CHEVROLET AVEO ACTIVO 1,6L 4P 1379

HYUNDAI ACCENT 1,6 4P 4X2 TM 493

KIA RIO STYLUS LS AC 375

NISSAN SENTRA B13 1,6 M/T 4360

6607

Total taxis 16272

(Agencia Metropolitana de Tránsito, 2014)

Hay que tomar en cuenta que estas cifras corresponden a los taxis con un

permiso legal de funcionamiento; sin embargo, también circulan en el

Distrito Metropolitano de Quito taxis ilegales, comúnmente conocidos

como taxis piratas, que tienen un patrón similar al elegir su vehículo para

brindar este servicio. (Agencia Metropolitana de Tránsito, 2014)

Podemos encontrar en el mercado diferentes filtros de aire que utiliza el

vehículo mencionado anteriormente y que se utilizaran para la realización

de las pruebas de diferencias de flujo de aire en el banco de pruebas que

se construirá. Se tomó en cuenta tres diferentes modelos de filtros de aire

que se encontraron interesantes para ser probados y analizados: (Ver

figuras 24, 25 y 26)

Filtro de aire alterno. Su costo es menor a comparación de un filtro de

aire original. La finalidad de su uso es probar si la calidad es inferior, igual

o superior al original. (Ver figura 24)

45

Figura 24. Filtro de aire alterno Nissan Sentra B13.

Filtro de aire original. Este filtro es la base o punto de partida de la

investigación. En su fabricación se utilizaron materiales óptimos y la

calidad requerida por el motor. (Ver figura 25)

Figura 25. Filtro de aire original Nissan Sentra B13.

Filtro de aire de para competencia. Su calidad es superior al filtro

original, al ser fabricado con mejoras en varios aspectos. Este es de tipo

húmedo, consta de cuatro capas de un tejido de algodón empapado con

un aceite color rojo, todo esto entre dos mallas metálicas. Este filtro tiene

una duración de un millón (Ver figura 26)

Figura 26. Filtro de aire tipo panel K&N para competencia.

46

4.2.1. MODELO NISSAN SENTRA B13

Como se mostró en las estadísticas del punto 4.2 del presente trabajo,

este es uno de los autos más populares, no solo en el Distrito

Metropolitano de Quito sino en todo el Ecuador y Latino América.

En 1991 es lanzada la generación del Nissan Sentra B13, equipado con

el motor 1.6 litros de cuatro cilindros. En 1992 casi no hubo cambios,

además de añadir un espejo de vanidad para el acompañante y molduras

negras para las versiones de dos puertas. En 1993 hubo dos cambios

mayores, como la adaptación de un airbag (en ciertos modelos) y la

utilización de cajas de cuatro y cinco velocidades.

En 1994 sólo cambió el equipamiento base. A mediados de ese año,

mientras se esperaba una versión nueva para 1995, Nissan continuó

vendiendo el Sentra sin ningún cambio. A esta versión se la conoce como

clásica (Sentra clásico).

En América Latina, el Sentra B13 se continúa vendiendo como Nissan

Tsuru, Nissan V16 y Sentra clásico. (Nissan Motor Co., Ltd, 2011)

Para las especificaciones técnicas del vehículo Nissan Sentra B13 ver

Anexo 1.

4.2.2. SEGURIDAD DEL NISSAN SENTRA B13

Los resultados de los estudios realizados por El Programa de Evaluación

de Vehículos Nuevos para América Latina y el Caribe (Latin NCAP), no

son favorables para el Nissan Sentra B13.

Las mismas pruebas son realizadas por el EuroNCAP, donde las

clasificaciones vienen en una escala del cero al cinco, siendo el primero

una calificación mortal o peligrosa, mientras que el cinco representa la

calificación más segura.

47

El Nissan Sentra B13 obtiene cero como calificación, al tener una

estructura débil e inestable, y no contar con airbags para la protección de

los pasajeros. (Ver Anexo 2) (Secretaría LatiNCAP, 2013)

4.3. ELECCIÓN SENSOR MAF

La elección del sensor MAF será bajo los parámetros del actual sensor

que tiene el vehículo Nissan Sentra B13 (y la mayoría de vehículos hoy en

día); Estos parámetros son:

Funcionamiento por hilo(s) caliente(s).

Sensor de temperatura de aire (IAT) incluido en el mismo cuerpo

del MAF.

Contará con cinco número de cables, separados en una masa

compartida para MAF e IAT, doce voltios de alimentación del sensor IAT,

voltaje de respuesta del IAT, cinco voltios de alimentación del sensor MAF

y voltaje de respuesta del sensor MAF.

Dados estos parámetros y basados en los mismos se procedió a utilizar y

adquirir un sensor MAF fabricado por BOSCH, porque su funcionamiento

es de hilo caliente y funciona a cinco voltios al igual que el sensor MAF

que se encuentra en el vehículo Nissan Sentra B13. No se utilizó el

sensor MAF del mismo vehículo ya que venía en un conjunto con todo el

cuerpo de aceleración y sensor de posición de la aleta de aceleración,

elevando mucho su costo e impidiendo su compra. Ya que hoy en día

prácticamente todos los vehículos construidos recientemente utilizan un

sensor MAF de cinco cables y doble función (al medir flujo y temperatura

de aire) se adquirió este mismo tipo de sensor con este numero de cables

y función. El parámetro principal en el que se basa su funcionamiento es

el de la diferencia de temperatura que sufre el sensor, teniendo un mayor

o menor consumo de aire al aumentar o disminuir las RPM del motor,

aumentando el flujo de ingreso de aire al mismo como se explica en el

48

numeral 2.6.2. “PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR

MAF”.

El sensor MAF BOSCH también contiene en su interior un sensor de

temperatura de aire de ingreso (IAT), Y por eso tiene cinco terminales)

(Ver figura 18)

Información de cables del sensor:

1er Cable: Señal de envió del sensor de temperatura IAT.

2do Cable: Alimentación de 12 voltios al sensor de temperatura IAT.

3er Cable: Masa compartida para el sensor IAT y MAF.

4to Cable: Alimentación de 5 voltios al sensor MAF.

5to Cable: Señal de envió del sensor MAF

Figura 27. Número de cables del Sensor MAF marca Bosch.

Es importante recalcar que, incluso para solo el funcionamiento MAF sin

el IAT integrado, es necesario alimentar los doce voltios del IAT. Si se

alimentan únicamente los cinco voltios y masa para el MAF este no

funciona porque no envía una señal de cero voltios.

Cuando de hace la prueba en KOEO (Key On Engine Off), que en español

significa “llave en contacto motor apagado”, el sensor envía un voltaje

constante de un voltio, al encender el motor y crear un flujo de aire

comienza a variar de uno a tres voltios.

49

4.4. ELECCION DEL MOTOR ASPIRADOR DE AIRE

Para la elección del motor de aspiradora se tomó en cuenta el parámetro

del caudal de aire que debe circular en el filtro de aire, según la norma

ISO 5011, la cual indica que el caudal de aire en el sistema debe ser de

entre dos y diez siséis metros cúbicos por minuto (2 – 16 m³/min.). El

motor aspirador de aire debería estar en este rango.

Teniendo las diferentes velocidades del aire en la tabla 9 de la página 35

de la presente tesis, contamos con parámetros de la velocidad de entrada

que necesitamos que tenga la aspiradora que escojamos.

Por recomendación del almacén donde se adquirió la aspiradora, se

compró la aspiradora semi-industrial de mayor fuerza, la cual

posteriormente verificamos que cumpla con los rangos de flujo de aire que

necesitamos.

Con la ayuda de un anemómetro de hilo caliente (como se indica en el

numeral 2.2.3.1. de la presente tesis), prestado por la Universidad

Tecnológica Equinoccial, se puedo realizar la prueba de velocidad del

flujo de aire succionado por el motor adquirido. (Ver figura 28)

Figura 28. Anemómetro de hilo caliente (UTE).

Se procedió a conectar la vara con el sensor de hilo caliente al

instrumento, se lo prendió y se puso la vara a la entrada del ducto de aire

50

succionado por de la aspiradora prendida y se tomo la medida de la

velocidad del flujo de aire, o velocidad de succión de aire. (Ver figura 29)

Figura 29. Proceso de medición con la vara del anemómetro.

Al haber medido la velocidad el aire, el anemómetro arroja un resultado

de veintidós metros sobre segundo (22 m/s) que es igual a dos mil

doscientos centímetros sobre segundo (2200 cm/s). Este anemómetro

también arrojo que el aire que está entrando, tiene una temperatura de

veintidós coma siete grados centígrados (22.7°C). (Ver figura 30)

Figura 30. Resultado anemómetro.

51

Obtenida la velocidad del aire que es de 2200 cm/s y teniendo el diámetro

de la manguera de la aspiradora (5,6 cm) se puede calcular el caudal de

aire.

Primero se calcula el área.

Una vez obtenida la velocidad del aire (2200 cm/s) y el área (24,63 cm) se

puede calcular el caudal de aire, tal como puede ver en el punto 2.2.3. de

esta tesis, en la fórmula 1.

Se tiene un caudal de aire aspirado de 54,18 cm³/s que transformado a

metros cúbicos sobre segundo nos da 3,25 m³/s. Este caudal esta en el

rango impuesto por la norma ISO 5011, como se puede apreciar en el

anexo 4.

También se puede calcular la presión del aire como se explica en la

fórmula 1 del numeral “2.2.4.” de esta tesis, entonces, se tiene que el

poder del motor de la aspiradora posee cuadro caballos de fuerza (4 hp),

se transforma esa potencia a watts, un caballo de fuerza es igual a

setecientos cuarenta y seis watts, entonces:

Este resultado se lo transforma a Juls (o Julios que es igual a un Newton

sobre metro N/m) sobre segundo, y quedaría igual: 2948 J/s. También se

tiene el caudal que es de 54,186 cm³/s que se transformara a metros

52

cúbicos sobre segundo, que se vuelve 3,25 m³/s. Entonces se podrá

calcular la presión del aire en Pascales (Pa):

4.5. DISEÑO BANCO DE PRUEBAS

Teniendo en cuenta que el banco de pruebas de filtros de aire debía ser

modular, desmontable y de fácil modificación, para que posteriormente

sirva en el desarrollo de otras pruebas con otro tipo de sensores,

dispositivos o sistemas, se decidió utilizar un banco de herramientas

metálico armable con pernos y tuercas, así teniendo la opción de

modificarlo fácilmente para los futuros requerimientos que se necesiten

hacer al mismo.

Este banco de pruebas soporta ciento diez kilos, o doscientas cuarenta y

dos libras, así podrá sostener mucho más peso por su posterior

desarrollo, ya que sumando todo el sistema que se montará, da un total

de sesenta libras.

El motor de succión de aire se colocará en el lugar inferior del banco para

mejor utilización del espacio y una mejor atención a los sistemas de la

parte superior del banco.

Los multímetros se empotrarán al banco de pruebas y solo se podrá ver

su display o pantalla, optimizando el espacio y dejando mejor ordenada la

parte superior del sistema, se encenderán desde afuera mediante un

interruptor por cada multímetro. Estos estarán conectados a cada sensor

53

MAF para poder medir el voltaje (señal) que estos nos envían con

respecto al flujo de aire que censarán.

Se colocaran plugs con cinco y doce voltios (voltaje positivo) mas la masa

(voltaje negativo), para que puedan ser utilizados en el desarrollo e

implementación de más sensores en este banco de pruebas.

El depurador de aire solo se sostendrá por medio de pernos tipo “J” en

caso de que se necesite remover, cambiar o modificar dicho elemento.

Se tratara de recrear un sistema de alimentación de aire al motor, lo más

real para hacer este banco de pruebas lo mas didáctico posible.

4.5.1. Esquema y plano del banco de pruebas

Los parámetros del esquema realizado del banco de pruebas construido

son los de tener una idea clara y concisa de los diámetros que tendrá y

como lucirá una vez construido, el plano donde se realizó el diseño del

banco de pruebas para filtros de aire fue creado en AutoCAD y se utilizó

parámetros del sistema internacional de medidas. (Ver figura 57 y 58)

(Ver anexo 4)

54

Figura 31. Esquema AutoCAD banco de pruebas 1.

55

Figura 32. Esquema AutoCAD banco de pruebas 2.

56

4.6. CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS

Para el diseño y construcción del banco de pruebas de filtros de aire se

identificó los requerimientos y parámetros a los que está sometido el

sistema.

El primer parámetro es de realizar un banco de pruebas de una forma

modular para su posterior desarrollo con nuevos sistemas que

profundicen la investigación de los filtros de aire.

El segundo parámetro es que debe tener dos sensores MAF (uno antes y

otro después de la probeta del filtro de aire a prueba) conectados a un

motor aspirador que simule la absorción de aire del motor en

funcionamiento, con un regulador de potencia de absorción para simular

la variación de RPM en el motor.

El tercer parámetro es que al estar encendido y variando el poder (por el

usuario) de succión, las señales que envían los sensores MAF son en

voltios, los cuales varían dependiendo del caudal que detectan. Estos

valores (en voltios) son medidos por dos multímetros (uno para cada

sensor) que indican en su pantalla el voltaje registrado.

4.6.1. MATERIALES

Para la construcción de un banco de pruebas con sensores de flujo de

aire y un control electrónico para verificar el caudal de aire antes y

después de un filtro, se utilizó la siguiente materia prima:

Material Eléctrico: Cables, swichs, spaghetti, plugs tipo banana y jacks.

(Ver figura 31)

57

Figura 33. Material eléctrico.

Abrazaderas plásticas y metálicas: Sirven para formar un sello o unir

distintos materiales de una forma semi-permanente. (Ver figura 32)

Figura 34. Abrazaderas plásticas y metálicas.

Componentes electrónicos: Se utilizó diodos de un amperio, regulador

de voltaje, transformador de voltaje y potenciómetros. (Ver figura 33)

Figura 35. Componentes eléctricos.

58

Aglomerado Changuan: Se utilizó para tapar la parte inferior del banco

de pruebas. La plancha tiene una medida de 1,52m x 224m. (Ver figura

34)

Figura 36. Aglomerado changuan.

Pintura: Se utilizó pintura negra en spray (cuatro latas) para pintar el

aglomerado changuan. (Ver figura 35)

Figura 37. Spray de pintura negra.

Silicona: Se utilizó silicona fría y caliente para formar un sello o unión de

distintos materiales de una forma semi-permanente. (Ver figura 36)

59

Figura 38. Pistola de silicona.

Pega epóxica: Uniendo dos tipos de elementos se crea una reacción, la

cual forma una pega fuerte para la unión permanente de distintos

materiales. (Ver figura 37)

Figura 39. Pega epóxica.

Motor para succionar el aire: En este banco de pruebas se utilizó de

una aspiradora semi industrial, un motor eléctrico (con carbones) de

ciento diez voltios, nueve amperios y cuatro caballos de fuerza (4HP),

con un filtro protector para el mismo y un grado de protección IP20. Este

motor cumple con el requerimiento de caudal de aire necesario según la

norma ISO 5011, tal como se comprueba en el punto 4.4. de este trabajo.

(Ver figura 38)

60

Figura 40. Motor de succión de aire.

Control electrónico de reducción de voltaje: Se utiliza este control

electrónico de reducción de voltaje, que va desde cero voltios hasta 110

voltios, utilizado en un torno. Con este sistema eléctrico se podrá controlar

la potencia de la succión por medio de la variación de RPM del motor de

la aspiradora utilizando un potenciómetro. (Ver figura 39)

Figura 41. Control electrónico de reducción de voltaje.

Mueble modular: Se utiliza banco móvil de herramientas de acero

totalmente desmontable y armable con pernos, tuercas y garruchas. Tiene

una capacidad de carga de 242 libras o 110 kilos. (Ver figura 40)

61

Figura 42. Banco móvil de herramientas.

Sensores MAF: se montaron dos sensores MAF marca BOSCH código

0280218004, se pueden ver sus características en el punto 4.3 de este

trabajo. Uno antes y el otro después del filtro de aire y se necesitaran dos

elementos. (Ver figura 41)

Figura 43. Sensor MAF marca Bosch.

Multímetros digitales: Se utilizaron dos multímetros digitales para

verificar el voltaje que envían los dos sensores MAF. Se necesitaran dos

elementos. (Ver figura 42)

62

Figura 44. Multímetro digital.

Manguera flexible automotriz: esta manguera flexible de caucho sirve

para que pase a través de ella el flujo de aire y es utilizada en motores

(resiste altas temperaturas y constante flujo de aire a diferentes

velocidades y presiones que se encuentran en los motores de vehículos

livianos). (Ver figura 43)

Figura 45. Manguera flexible.

Depurador de aire: este elemento permite albergar el filtro de aire en su

interior. Este modelo es utilizado en el motor del vehículo Chevrolet

Spark. (Ver figura 44)

Figura 46. Depurador de aire del vehículo Chevrolet Spark (4

cilindros).

63

Filtro de aire alterno Nissan Sentra B13: Este filtro alterno es de

procedencia Korena y se usara para pruebas comparativas con los otros

filtros. (Ver figura 45)

Figura 47. Filtro de aire alterno.

Filtro de aire original Nissan Sentra B13: Este filtro es fabricado por

Nissan y se usó para pruebas comparativas con los otros filtros. (Ver

figura 46)

Figura 48. Filtro de aire original.

Filtro de aire de competencia K&N tipo panel: Este filtro es de

procedencia estado unidense y se usó para pruebas comparativas con los

otros filtros. (Ver figura 47)

64

Figura 49. Filtro de aire tipo panel de competencia.

Filtro de aire Chevrolet Spark: Este filtro es usado en el depurador que

se adquirió y se utilizó para realizar una probeta que encaje en el

depurador. (Ver figura 48)

Figura 50. Filtro de aire Chevrolet Spark.

4.6.2 HERRAMIENTAS / TÉCNICAS

Llaves copas, medias vueltas de diversos diámetros, tanto en medidas del

Sistema internación e Inglés. (Ver figura 49)

65

Figura 51. Caja de herramientas TopTul 130 piezas.

Pinzas y pela cables: Con la ayuda de estas herramientas se manipuló

de manera sencilla y correcta todo el cableado utilizado en el banco de

pruebas. (Ver figura 50)

Figura 52. Pinzas y pelacables.

Cautín: el calor concentrado, generado por el cautín nos ayuda a soldar

con estaño todas las conexiones eléctricas. (Ver figura 51)

66

Figura 53. Cautín y estaño.

Multímetro digital: permite hacer varias medidas al sistema eléctrico del

banco de pruebas, como: voltaje, amperaje, resistencia, tipo de corriente,

etc. (Ver figura 52)

Figura 54. Multímetro digital.

Pistola de calor: Se utilizó esta herramienta en el área eléctrica, el calor

que produce sirve para proteger las conexiones eléctricas junto con un

material termo reactivo llamado spaghetti, el cual reacciona al calor en

forma inversa a la común, reduciendo o contrayendo su tamo y se ajusta

a los cables y uniones eléctricas. Generalmente la mayoría de elementos

se expanden con el calor pero unos pocos se contraen. (Ver figura 53)

67

Figura 55. Pistola de calor.

Dremel: Esta herramienta también se la conoce como MotoTool o

RotoTool, su movimiento y velocidad de rotación junto con diversos

aditamentos (brocas, discos de corte, discos abrasivos, limas, etc…) son

de gran ayuda para crear huecos, corte de metales, madera, polímeros,

etc. (Ver figura 54)

Figura 56. Dremel.

Microscopio digital: Gracias a este aparato se pudo observar las fibras

de los filtros de aire a una escala de 10x hasta 150x su tamaño. Este

microscopio digital tiene integrado una conexión USB para conectar a una

computadora o laptop. (Ver figura 55)

68

Figura 57. Microscopio digital.

Medidor de grosor (micras) digital: Sirve para medir el grosor de

elementos sobre bases metálicas ferrosas y no ferrosas. (Ver figura 56)

Figura 58. Medidor de grosor de 0 a 1250 micras.

69

4.6.2 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS

Se comenzó armando el banco de herramientas desde la base,

empernando sus cuatro garruchas, para luego añadir los pilares y por

último, la superficie de arriba. Su principal característica es que puede ser

fácilmente desmontable al estar ajustado por pernos. Este banco tiene

una capacidad de carga de ciento diez kilos, lo cual lo hace robusto y

resistente para su posterior desarrollo. (Ver figura 59)

Figura 59. Banco de herramientas armado

Se ubicó todo en el lugar que en el que debería ser instalado, se hicieron

las medidas respectivas para luego proceder con la construcción del

sistema de ingreso de aire.

El depurador escogido, del automóvil Chevrolet Spark cuatro cilindros,

tiene tres tomas de aire y una de salida, a continuación se sellaron dos de

las tres tomas, con la ayuda de silicona y pega epóxica.

El primer sensor MAF se pegó en la toma de aire del depurador antes del

filtro de aire. Esta unión se la realizó con silicona para que esté bien

sellado y en caso de que sea necesario retirar el sensor, se pueda extraer

70

del cuerpo quitando dos pernos tipo torx con guía T10. Finalmente se lo

aseguró a la base del banco con dos pernos tipo “J”. (Ver figura 60)

Figura 60. Montaje sensor MAF antes del filtro de aire.

El segundo sensor MAF fue ubicado luego del depurador. En primer lugar,

se instaló la manguera de poliuretano sellándola con una abrazadera

metálica; luego se instaló el segundo sensor MAF sellado con una

abrazadera plástica, para añadir una nueva manguera después del

segundo sensor y sellarla con otra abrazadera metálica. (Ver figura 61)

Figura 61. Montaje del sensor MAF después del filtro de aire.

Al ser los sockets usados (no los venden por separado si no adquiriendo

todo el arnés eléctrico de cables del vehículo), fue importante limpiarlos

para luego aumentar el largo de los cables. Se utilizó el pelacables para

eliminar la protección de caucho y con el cautín y estaño los cables fueron

soldados y unidos. Posteriormente con el spaghetti y la pistola de calor se

cubrieron y sellaron los cables. (Ver figura 62)

71

Figura 62. Cables soldados

Los orificios fueron planificados en el banco para la ubicación de los

multímetros, los jack’s y la tubería de la succión de aire. Con la ayuda del

dremel, brocas y los discos de corte metálico, se midió y dibujó el metal

antes de ser cortado. El disco instalado en el dremel cortó los bordes para

ser posteriormente limados. (Ver figura 63 y 64)

Figura 63. Corte de orificios en el banco de herramientas 1.

Figura 64. Corte de orificios en el banco de herramientas 2.

72

La lámina de tool fue utilizada para crear topes para los multímetros. (Ver

figura 65 y 66)

Figura 65. Elaboración de topes para los multímetros 1.

Figura 66. Elaboración de topes para los multímetros 2.

Al control electrónico de variación de voltaje, para controlar la velocidad

aspiración del motor, se le realizaron algunos cambios:

Se le aumentó la extensión de los cables del potenciómetro (perilla de

control)

Se instaló un interruptor al enchufe de ciento diez voltios variables (0v -

110v) y finalmente.

Se agregó un enchufe adicional de 110 voltios puros, para el

transformador del que se emiten los doce voltios que necesitan los

sensores para su funcionamiento.

Todo esto fue ubicado en una caja plástica que no está a la vista,

ubicada al interior del banco, debajo de la base gracias a cinta doble

faz. (Ver figura 67)

73

Figura 67. Modificaciones al control electrónico de succión.

Los jack’s se instalaron en la base, teniendo en cuenta que se debe aislar

cada uno para que no hagan contacto en la base metálica. Se utilizó para

esto el spaghetti junto con la pistola de calor. Fueron instalados un jack

positivo y otro negativo para cada sensor más su señal; en total seis jacks

mas tres que son para uso futuro. (Ver figura 68)

Figura 68. Acople de Jacks en el banco de pruebas.

Se forró la base con papel contact negro, que ayuda a que no se deteriore

fácilmente la base metálica y se vea mejor estéticamente. (Ver figura 69)

Figura 69. Aplicación de papel contac en la base del banco de

pruebas.

74

Los multímetros fueron colocados en su lugar, previamente ubicando su

perilla de control en “voltaje 20”, para luego instalar los swichs de

encendido de los mismos junto con sus topes de prueba. (Ver figura 70)

Figura 70. Instalación de multímetros en el banco de pruebas.

Los topes de prueba también fueron modificados para que sean más

fáciles de usar, al hacer las pruebas con los plugs tipo banana y se soldar

con el cautín y estaño. (Ver figura 71)

Figura 71. Modificación a los topes medidores de los multímetros.

75

Al transformador de doce voltios de corriente alterna y doscientos

miliamperios, se le hizo una modificación para qué pase de corriente

alterna a continua. Para esto se utilizó los diodos rectificadores de un

amperio, se soldaron en serie y se formó un puente rectificador de

voltaje. Luego de esto, se unieron los terminales a un regulador de voltaje

7805, uniendo los doce voltios positivos al primer terminal, la masa al

terminal del medio y del tercer terminal salen cinco voltios. Todo fue

ubicado en una pequeña caja de plástico aislando todo con silicona. (Ver

figura 72 y 73)

Figura 72. Elaboración del puente de diodos rectificadores.

Figura 73. Instalación de regulador de voltaje 7805.

Se realizó una conexión simple en serie de los jacks, dos plugs positivos

de cinco voltios, dos plugs positivos de doce voltios y tres plugs

alimentados con negativo o masa (por separado), donde dos plugs están

libres. Se soldó con los terminales del regulador de voltaje, primer

terminal de doce voltios en color rojo, segundo terminal de masa en color

76

negro y el tercer terminal en verde de cinco voltios. El transformador de

ciento diez voltios a doce voltios se conectó al enchufe de la caja de

control de voltaje del motor. (Ver figura 74)

Figura 74. Alimentación a los sistemas eléctricos.

La aspiradora fue ubicada en la parte inferior del banco, para

posteriormente, instalar la manguera de succión con las medidas

respectivas antes de cortarla y unirla con una abrazadera metálica al

segundo sensor MAF. (Ver figura 75)

Figura 75. Unión de componentes al motor de succión de aire.

77

Se utilizó una plancha de un tipo de aglomerado llamado changuan, se

tomaron las medidas respectivas para la cara frontal y laterales del banco

teniendo destapada la cara posterior del mismo, para luego ser cortadas,

pintadas de color negro y finalmente, ser instaladas en el banco de

pruebas. (Ver figura 76)

Figura 76. Paredes del banco de pruebas pintadas.

Se hicieron impresiones en papel tipo sticker a prueba de agua con la

información de cada cable, plugs y jacks indicando que es cada elemento.

(Ver figura 77)

Figura 77. Stickers informativos.

Para la probeta donde se probaran los diferentes tipos de filtros, se utilizó

el filtro de aire del vehículo Chevrolet Spark, se quitó todo el papel filtrante

y se igualaron los filos del lado superior. Para asegurar el filtro se creó un

molde de un perfil plástico y utilizando el papel filtrante quitado

78

anteriormente, se lo pegó juntos con silicona y se igualaron los bordes.

(Ver figura 78)

Figura 78. Probeta.

Las medidas que el papel filtrante o la membrana del filtro de aire, debe

tener una medida mínima de 12cm x 22cm y una máxima de 18,7cm x

22cm la mejor forma de mantener en su sitio a la muestra es pegarla con

masking o tape, es una forma sencilla y efectiva.

Banco de pruebas terminado:

Después de todo el proceso descrito anteriormente este es el resultado

final al finalizar la construcción del banco de pruebas. (Ver figura 79 y 80)

Figura 79. Imagen 60 Banco de pruebas terminado 1.

79

Figura 80. Banco de pruebas terminado 2.

4.6.3 MANUAL DE USO DEL BANCO DE PRUEBAS CONSTRUIDO.

Tras la construcción del banco de pruebas para filtros de aire, se creó un

manual de uso, el cual es sencillo, de fácil comprensión y manipulación,

pensado para que cualquier persona lo pueda utilizar y sacarle provecho.

Para detalles ver Anexo 3.

Primer paso: Se identifica cada elemento del banco de pruebas.

- Swich principal de encendido: De color blanco, ubicado al lado superior

derecho de la base del banco.

Posición de encendido: Presionar al lado derecho.

Posición de apagado: Presionar al lado izquierdo.

- Manguera de succión de aire: Ubicada en el lado derecho central de la

base del banco de pruebas, manguera de color negro que representa la

entrada de aire del motor.

80

- Regulador de poder de succión: Se ubica en la parte derecha central de la

base del banco de pruebas, después de la manguera de succión. Es un

perilla color negro con una marca blanca y tiene una señal de “- +”,

significa que si giramos la hacia la izquierda o anti horario el poder de

succión bajara hasta ser 0 y si giramos la perilla hacia la derecha o

sentido horario el poder de succión aumentara al máximo.

- Pantallas digitales: ubicadas en el lado inferior derecho, nos indicaran el

voltaje de lo que queramos medir en el banco de pruebas. Inidentificadas

con “Voltaje 1” y “Voltaje 2”, cada pantalla se enciende con los swichs

ubicados debajo década una.

- Topes medidores: Ubicados debajo de cada pantalla digital, cada pantalla

digital tiene 2 topes medidores, un tope medidor rojo representando la

polaridad Positiva y un tope negro representando Masa o polaridad

Negativa .

- Conjunto de Jacks: Estos están ubicados en la parte inferior central de la

base. Son 9 Jacks, identificados 3 en color negro y 6 en color rojo. Los

negros representan Masa o polaridad Negativa, La primera columna de

Jacks rojos, están alimentados con 5 voltios, la segunda columna de

Jacks rojos están alimentados con 12 voltios y la tercera columna están 2

jacks independientes que se pueden conectar con el plug de señal (no

tienen alimentación voltaica).

- Depurador de aire: Este está ubicado al lado izquierdo central, es de

color negro, en su entrada de aire se encuentra el primer sensor MAF (se

encuentra con una tapa blanca para que no entren impurezas, cuando se

prenda el banco esta tapa debe ser retirada), en el depurador se

encuentran 4 pernos de 8mm los cuales deben ser retirados para abrir el

depurador y poder poner la probeta (la probeta se encuentra montada en

el interior del depurador) con los diferentes filtros que se quieran probar. A

81

la salida del depurador se encuentra otra manguera conectada con la

manguera de succión y en el medio se encuentra el segundo MAF. Cada

sensor MAF tiene su propio socket con cables, un socket de 5 cables, el

primer cable es la señal de temperatura de aire, el segundo es la

alimentación de 12 voltios del sensor de temperatura, el tercero es Masa

o Negativo, el cuarto es alimentación de 5 voltios del sensor de Flujo de

Aire o MAF y el quinto cable es la señal del sensor MAF.

Segundo paso: Conectar el cable de poder, que se encuentra en el lado

superior izquierdo de la parte de atrás del banco de pruebas, a un

enchufe de 120 /110 voltios y 50/60Hz.

Tercer paso: Verificar que los Plugs de los sensores estén conectados a

los Jacks correctos, con su voltaje requerido. (cada plug tiene marcado su

requerimiento eléctrico).

Cuarto paso: Poner el swich principal en encendido.

Quinto paso: Encender los swich´s de las pantallas digitales.

Sexto paso: Conectar los topes medidores, del “voltaje 1”, el rojo en el

plug de señal del primer sensor y el negro en cualquier masa o polaridad

negativa. Hacer lo mismo con el voltaje 2, conectando el tope medidor

rojo a la señal del segundo sensor MAF y el tope negro a masa.

Séptimo paso: Verificar que todo se encuentre bien conectado, en este

punto las pantallas digitales nos deben marcar 1,03(+/-0.01) voltios, que

es la marcación de los sensores MAF cuando el motor está apagado pero

las llaves en contacto.

Octavo paso: Abrir el depurador, sacar la probeta y quitamos su parte

azul (delantera), en esta pondremos la membrana filtrante que se va a

probar, se la asegura con masking o tape en la parte blanca (posterior).

Volvemos a colocar en la probeta (el lado azul arriba), teniendo en cuenta

que la banda de hule a su alrededor este bien colocada.

Noveno paso: Volver a colocar la probeta en el depurador, cerrar y

ajustar los pernos de la tapa del depurador, sin una presión excesiva.

82

Decimo paso: Tomar y verificar los voltajes obtenidos respecto a la

variación de flujo de aire que generaremos al mover la perilla de poder de

succión, A variación de flujo de aire existe una variación de voltaje.

4.7. ANÁLISIS DE PRUEBAS Y RESULTADOS

La prueba principal y en lo que se enfoca esta tesis es en analizar las

diferencias de caudales entre tres diferente tipos de material filtrante de

diferentes filtros de aire que se someterán a esta prueba. Para esto se ha

utilizado el banco de pruebas diseñado y construido, se comparó cada

filtro de aire con el voltaje arrojado por un sensor de flujo de aire de

ingreso (MAF) antes y después de cada filtro de aire. Y poder apreciar las

diferencias entre cada prueba.

Para poder hacer las pruebas del cualquier elemento filtrante que

tengamos que analizar, es necesario tener una muestra de este, creando

una probeta de este material, la estructura que contiene la probeta es de

forma rectangular, se inserta en el depurador de aire, se sella con 4

tornillos, uno en cada esquina, tiene medidas de 224mm x 194mm y tiene

un agujero que albergara la probeta de 155mm por 100mm. La probeta

que obtendremos cortando el material filtrante, debe tener por lo menos

165mm x 110mm y un máximo de 190mm x 220mm (está medida fue la

utilizada y es la que se recomienda tener), debemos asegurar y sellar la

probeta en su diámetro exterior con cinta adhesiva, masking o tape para

evitar fugas de aire.

Para ayudar en el análisis de los elementos filtrantes se aprovecho el

alcance de dos dispositivos externos al trabajo expuesto, que servirán

para profundizar un poco más en el análisis de los diferentes filtros que

estamos probando. El primero es un microscopio digital que nos servirá

para observar de una manera más profunda la estructura del elemento

filtrante, ampliando ciento cincuenta veces cada filtro para observar su

83

estructura. El segundo dispositivo es un medidor de grosor de elementos

finos que estén sobre un metal, pudiendo medir el grosor en micras “µm”

de la membrana de cada filtro.

4.7.1 BANCO DE PRUEBAS DE FILTROS DE AIRE

Las pruebas realizadas nos sirven para comprobar las diferencias del flujo

de aire antes y después de los filtros de aire que se están analizando, son

de tipo single-pass o de un único paso; es decir, que no hubo re-

circulación de aire en el banco de pruebas que se construyó, tal como se

explica en el punto.

Se tomó en cuenta una simulación de succión de aire a bajas RPM, solo

con el 35% de poder y altas RPM al 100% del poder de succión, gracias

al control electrónico.

Utilizando los multímetros instalados, se tomó los resultados al mismo

tiempo de los dos sensores MAF, un “voltaje 1” para el sensor MAF más

cercano al motor (después del filtro) representando un caudal “Q1” y un

“voltaje 2 “ representando la señal enviada por el segundo sensor MAF

ubicado antes del filtro de aire con un caudal “Q2”.

Se recortó una muestra del papel filtrante de cada filtro de aire: alterno,

original y de competencia. Cada uno por separado, se los ubicó en la

probeta e igualmente en el depurador, asegurados con los tornillos del

mismo creando un sello y evitando que ingrese aire exterior. Luego se

ubicó y prendió los topes de los multímetros del banco en sus puestos: el

de color negro en el jack de la masa y el rojo en el jack de la señal del

primer sensor MAF. Se realizó de igual manera en el siguiente sensor.

En este punto, los multímetros marcan un voltio aproximadamente, que al

igual que en pruebas reales en el vehículo es medido en KOEO (Key On

Engine Off). (Ver figura 81)

84

Figura 81. Voltaje sensor MAF (KOEO).

Al girar la perilla de control hasta la marca del 35% de poder, se obtuvo la

señal de 1.81 voltios del sensor MAF después de la probeta vacía y señal

de 1.80 voltios del sensor MAF antes de la probeta vacía. Posterior

mente, se giró al 100%, obteniendo para el sensor después de la probeta

2.16 voltios y 2.15 voltios de señal para el sensor ubicado antes de la

probeta. (Ver figura 82)

Figura 82. Voltajes sin filtro de aire.

Para las comparaciones y siguientes pruebas se tomaron estos

parámetros obtenidos para verificar la calidad filtrante de acuerdo al

caudal de aire recibido por los sensores MAF y su ubicación antes y

después de los filtros a probar.

Donde se obtuvo un voltaje V1 de 1,81 y V2 de 1,80 de acuerdo a un flujo

de aire Q1 y un voltaje V1´ de 2,16 y V2' de 2,15 con un flujo de aire Q2.

85

4.7.1.1. Filtro de aire alterno

Se colocó en la probeta la membrana del filtro de aire alterno, para

proseguir a realizar las pruebas. (Ver figura 83.)

Figura 83. Probeta filtro de aire alterno.

Se recortó una muestra del papel filtrante del filtro de aire alterno (Ver

figura 81), se lo ubicó en la probeta e igualmente en el depurador y se

aseguró con los tornillos del mismo.

Los voltajes (V1 y V2) obtenidos en flujo bajo de aire Q1 y flujo de aire

alto Q2 fueron los siguientes:

A un Q1 se obtuvo un voltaje V1=1,74 y V2=1,69.

A un Q2 se obtuvo V1´=2,08 y V2´=2,09. (Ver figura 84)

Figura 84. Voltajes en filtro de aire alterno.

86

4.7.1.2. Filtro de aire original



Figura 85. Probeta con filtro de aire original.

Se recortó una muestra de la membrana del filtro de aire original (Ver

figura 83), se lo ubicó en la probeta e igualmente en el depurador y se

aseguró con los tornillos del mismo.





Figura 86. Voltajes en filtro de aire original.

87

4.7.1.3. Filtro de aire de competencia tipo panel



Figura 87. Probeta con filtro de aire de competencia.

Se recortó una muestra de la membrana del filtro de aire de competencia

(Ver figura 85), se lo ubicó en la probeta e igualmente en el depurador y

se aseguró con los tornillos del mismo.





Figura 88. Voltajes en filtro de aire de competencia.

88

4.7.2 PRUEBA MICROSCÓPICA:

Con la ayuda de un microscopio digital se pudo observar, a una

ampliación de ciento cincuenta veces su tamaño, los tres tipos de filtros:

original, alterno y de competencia.

El procedimiento de realización de la prueba fue de obtener una pequeña

muestra de cuatro por cuatro centímetros, cortando el papel filtrante de

los filtros de aire que se están analizando. Se conecta el microscopio

digital a una computadora con una conexión de cable USB y se abre el

software que incluye el microscopio, se enciende las luces LED del

aparato y procedemos a colocarlo encima de la muestra del papel

filtrante, comenzamos a enfocar la cámara del microscopio mediante una

perilla ubicada al costado del mismo, hasta que logramos observar una

imagen nítida en la computadora, para realizar una fotografía de la

imagen observada, aplastamos el botón color naranja ubicado en la parte

superior del microscopio digital y se crea una imagen .JPEG que se

guardara en la computadora.

Se realizó la observación y toma fotográfica primeramente con un haz de

luz debajo del filtro y con la luz superior del propio microscopio digital,

para luego, hacerlo únicamente con la luz superior del propio microscopio.


Se observó que sus fibras son más largas y mejor ordenadas en

comparación a las fibras del filtro de aire alterno. Igualmente se notó más

espacios abiertos por donde pasa un mayor flujo de aire. (Ver figura 89 y

90)

89

Figura 89. Ampliación 150x filtro de aire original 1.

Figura 90. Ampliación 150x filtro de aire original 2.

90


Lo primero que se nota es que sus fibras son más cortas y

desorganizadas. En comparación al filtro de aire original, que se pudo ver

destellos de luz por los agujeros, este filtro de aire alterno carece de

espacio para la circulación de aire. También se notó una diferencia en la

pigmentación, un color anaranjado en comparación a rojo del filtro de aire

original. (Ver figura 91 y 92)

Figura 91. Ampliación 150x filtro alterno 1.

91

Figura 92. Ampliación 150x filtro alterno 2.

4.7.2.3. Filtro de aire de competencia

Este tipo tiene una malla protectora que alberga en su interior cuatro

capas de membranas de algodón entrecruzado, impregnadas de un aceite

especial de color rojo. (Ver figura 93 y 94)

92

Figura 93. Ampliación 50x filtro de competencia 1.

Figura 94. Ampliación 150x filtro de competencia 2.

93

4.7.3. PRUEBAS DE GROSOR DEL ELEMENTO FILTRANTE

Utilizando un medidor de grosor digital y una placa de metal se realizó

esta prueba al filtro de aire alterno, original y de competencia. Se

realizaron cinco medidas a cada tipo de filtro para obtener un promedio.

Se debe tomar en cuenta que los resultados obtenidos son medidos en

micras (µm). Mil micras son igual a un milímetro. Este medidor tiene una

exactitud con una falla de +/- 3%, es decir si la medida es 100 µm, el

valor arrojado pueden ser medidas entre 97 µm y 103 µm ya que el 3% de

100 es 3.

Para procedimiento de esta prueba se utiliza una muestra de cuatro por

cuatro centímetros del elemento o papel filtrante del filtro de aire que se

analizará, colocamos una placa metálica y sobre esta ponemos la

muestra del elemento filtrante, prendemos el medidor de grosor y lo

ponemos encima de la muestra, automáticamente nos dará la medida del

grosor y aparecerá en la pantalla digital.

En primer lugar, se hizo la medida a la placa de metal puro, confirmando

la confiabilidad del instrumento empleado, este deberá marcar cero. (Ver

figura 95)

Figura 95. Medida de grosor sin filtro.

94


Se hicieron las medidas y el promedio arrojó 260 µm. (Ver figura 96) (Ver

tabla 12)

Figura 96. Medida de grosor filtro alterno.


Se hicieron las medidas y el promedio del grosor fue de 395,2 µm. Así

este filtro llega a ser un 152% más grueso que el filtro de aire alterno. (Ver

figura 97) (Ver tabla 12)

Figura 97. Medida de grosor filtro original.

95

4.7.3.3. Filtro de aire de competencia

Se hicieron las medidas y el promedio del grosor fue de 937,4 µm. Si bien

es un valor alto, se debe tomar en cuenta que este filtro cuenta con dos

mallas metálicas entre cruzadas, donde juntas fácilmente se pueden llevar

la mitad de esta medida. (Ver figura 98) (Ver tabla 12)

Figura 98. Medida de grosor filtro de competencia.

4.7.3.4. Tablas de resultados grosor de membrana

Mediante la realización de cinco pruebas de grosor a las membranas de

los filtros de aire alterno, original y de competencia del vehículo Nissan

Sentra B13, se obtuvieron los siguientes valores de los cuales se sacó un

promedio de las cinco medidas obtenidas en cada membrana filtrante

obteniendo los siguientes promedios. (Ver tabla 12.)

96

Tabla 12. Medidas y resultados del grosor de papel filtrante

Grosor de papel filtrante µm (micras)

Filtro de aire

alterno

Filtro de aire

original

Filtro de aire

competencia

261 409 958

273 381 924

249 397 946

262 400 945

255 389 914

Promedio 260 395,2 937,4

Teniendo en cuenta que el filtro de aire original tiene una membrana con

un grosor de 395.2 micras, vemos que la membrana del filtro de aire

alterno es menos grueso, su calidad es inferior y es menos resistente, lo

contrario del filtro de aire de competencia, que tiene una membrana de

aire mucho más gruesa que el filtro de aire original, aparte de una mayor

protección por su malla metálica que protege a la membrana filtrante.

4.8. TABLAS DE RESULTADOS

Se realizaron pruebas en el sistema que se construyó con un flujo bajo

de aire denominado Q1 y un flujo de aire a máxima capacidad del motor

aspirador, teniendo un flujo alto, denominado Q2.

Las pruebas tanto en un bajo como en un alto flujo de aire se realizaron

primeramente sin ningún filtro en el depurador y posteriormente se colocó

el filtro de aire alterno, el filtro de aire original y finalmente el filtro de aire

para competencia, cada uno testeado individualmente para cada

diferencia de flujo. En los valores con un “*” tenemos un valor que no

97

sigue el patrón de los de más valores, esto sucedió por una fuga de aire

dentro del depurador ya que el elemento filtrante del filtro de aire de

competencia al ser casi el triple de grueso del filtro de aire original (como

se prueba en el punto “4.8.3” del tema “4.8.” pruebas de grosor del

elemento filtrante”), no existe un buen sellado dentro del depurador. (Ver

tabla 13.)

Tabla 13. Voltaje - Caudal de cada filtro de aire

Tipo de filtro

Flujo Bajo Q1 Flujo Alto Q2

Voltaje antes

del filtro V1

Voltaje después

del filtro V2

Voltaje antes

del filtro V1’

Voltaje

después del

filtro V2’

Ninguno 1.81 1.80 2.16 2.15

Alterno 1.74 1.69 2.08 2.09

Original 1.79 1.74 2.14 2.12

Competencia 1.84 1.70* 2.26 2.04*

Teniendo como punto de inicio el voltaje en el sistema sin filtro, podemos

ver que en el filtro de aire alterno el voltaje y caudal bajan, mientras que

utilizando el filtro de aire original y de competencia el caudal y voltaje

aumentan. (Ver tabla 14.)

Tabla 14. Filtro - Voltaje

0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 1 1.11.21.31.41.51.61.71.81.9 2 2.12.22.32.42.5

Ninguno

Alterno

Original

Competencia

V1'

V2'

V1

V2

98

A continuación tenemos los porcentajes los cuales fueron obtenidos

mediante una regla de tres utilizando los datos de la tabla numero 14,

utilizando los voltaje registrados antes y después del depurador a un flujo

de aire bajo “Q1” y flujo alto “Q2”. En los valores con un “*” tenemos un

valor que no sigue el patrón de los de más valores, esto sucedió por una

fuga de aire dentro del depurador ya que el elemento filtrante del filtro de

aire de competencia al ser casi el triple de grueso (como se prueba en el

punto 4.8.3 del tema 4.8. Pruebas de grosor del elemento filtrante) del

filtro de aire original, no existe un buen sellado dentro del depurador. (Ver

Tabla 15.)

Tabla 15. Porcentaje de caudal.

Tipo de

filtro

Flujo Bajo Q1 Flujo Alto Q2

% caudal de

aire antes del

filtro

% caudal de

aire después

del filtro

% caudal de

aire antes del

filtro

% caudal de

aire después

del filtro

Ninguno 100% 99.44% 100% 99.53%

Alterno 96.13% 93.88% 96.29% 97.20%

Original 98.89% 96.66% 99.07% 98.60%

Competencia 101.65%* 94.44%* 104.62%* 94.88%*

4.9. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Teniendo las tablas 13 y 15 en las cuales realizamos pruebas de caudal

antes y después de cada filtro, podemos observar claramente el

comportamiento de cada elemento filtrante, en este caso se realizo las

pruebas a un filtro de aire alterno, uno original y uno de competencia,

como se explica en el punto 4.7.1. Teniendo en cuenta que el caudal de

aire es de 54,186 cm³/s y la presión de 918,15 Pa y utilizando los

99

porcentajes con la máxima potencia del motor Q2 de la tabla 15, podemos

hacer una regla de tres para poder calcular el resultante de caudal y

presión del flujo de aire que atraviesa el filtro y entra al motor (es decir los

datos arrojados después del filtro) y podemos tener una relación de los

resultados de cada filtro.

Filtro de aire alterno:

El filtro de aire alterno y su membrana restringe el flujo de aire hacia el

motor comparado con el filtro de aire original, tiene una membrana sin

mucho espacio para la circulación del aire y es mucho más fina que la del

filtro de aire original, por lo que aparte de tener un menor desempeño, su

duración es menor comparándola con el filtro de aire original tanto en

altas como en bajas RPM.

Haciendo una transformación de los porcentajes a los datos arrojados en

los cálculos de presión y caudal, tenemos estos resultados:

Para presión:

Para caudal:

Filtro de aire original:

El filtro de aire original tiene una gran ventaja, está fabricado bajo los

requerimientos del fabricante del motor y cumpliendo con normas

internacionales, como se ve en el punto 2.4.6., en la prueba de flujo de

aire podemos ver que su calidad es mucho mejor que la del filtro de aire

alterno, ya que el flujo de aire aumento, con respecto al filtro de aire

alterno.



100

Para presión:

Para caudal:

Filtro de aire de competencia:

Si bien el filtro de aire de competencia es más robusto (por su mayor

grosor comparado con los filtros de aire alterno y original), duradero (por

su doble malla metálica, su membrana filtrante lavable y reusable,

aplicando el aceite filtrante con la que debe ser impregnada) y promete un

mejor flujo de aire hacia el motor, no pudimos comprobar este ultimo

parámetro, ya que el banco de pruebas construido no tiene la capacidad

de sellado óptimo para filtros de aire o membranas muy gruesas, teniendo

fugas en el depurador.



Para presión:

Para caudal:

Obtenidos los resultados de presión y caudal, con el motor de succión a

máxima capacidad, con los datos del sensor MAF ubicado después del

filtro de aire, tenemos parámetros de cómo se comportarían en un motor y

las diferencias en las variables del flujo de aire que afecta directamente al

motor. (Ver tabla 16)

101

Tabla 16.Presión y caudal de aire después del filtro de aire.

Tipo de filtro de aire

Presión

Caudal (

Ninguno

918,15

54,186

Alterno

892,44

52,67

Original

905,3

53,42

Competencia

871,14

51,41

Analizando estos resultados se puede decir que la mejor elección para la

adquisición del elemento filtrante para el motor, es el filtro de aire original,

diseñado, fabricado, recomendado y usado por el fabricante del motor.

Tiene una mayor duración, un mejor diseño y calidad de sus elementos,

está probada previamente por el fabricante y tiene un buen desempeño

con el motor.

Algo más que se puede analizar, partiendo de las pruebas realizadas a

cada filtro de aire nuevo (original, alterno y de competencia), del vehículo

Nissan Sentra B13 y al tener en cuenta que es usado como fuente de

trabajo (medio de transporte tipo taxi) en el cual se toma en cuenta cada

aspecto y detalle de gastos que se tienen del vehículo, se puede analizar

los costos que nos arrojan los tres tipos de filtros, frente a su frecuencia

de cambio medida en kilómetros recorridos. (Ver tabla 17)

Tabla 17. Recorrido – Tiempo.

Km.

diarios

Km. semanales

(6 días) Km. mensuales

Km.

anuales Km/3 años Km/5 años

200 1200 4800 57600 172800 288000

Un taxi recorre un promedio de doscientos kilómetros diarios, multiplicado

por seis días, se llega a un promedio semanal de mil doscientos

102

kilómetros, por cuatro semanas dan cuatro mil kilómetros, multiplicados

por doce meses arrojan un total de cincuenta y siete mil seiscientos

kilómetros anuales. Generalmente el cambio o venta de vehículos se da

entre los tres y ocho años, por esto se toma un promedio de cinco años

para el cálculo, teniendo aproximadamente doscientos ochenta y ocho mil

kilómetro recorridos. Igualmente se toma en cuenta que el filtro de aire

alterno tiene una vida útil de cinco mil kilómetros, el filtro de aire original

diez mil kilómetros y el filtro de aire de competencia tiene una vida útil de

quinientas mil millas, pero se debe realizar un mantenimiento que consta

de una limpieza y lubricación del elemento cada ochenta mil kilómetros.

(Ver tabla 18)

Tabla 18. Costo – Tiempo.

Tipo de

filtro

Cambio

de

repuesto

Costo

dólares

180000

Km (3

años

aprox.)

Número

de

Cambios

(3 años)

280000

Km (5

años

aprox.)

Número

de

Cambios

(5 años)

Alterno 5000 Km $5,50 $198,00 36 $308,00 56

Original 10000 Km $14,78 $266,04 18 $413,00 28

Competencia 80000 Km $22,50 $130,62 2.25 $158,75 3,5

Esta tabla representa el número de cambios del filtro que se harán cada

tres y cinco años, teniendo en cuenta que el filtro de aire alterno tiene una

duración de cinco mil kilómetros; el filtro de aire original, diez mil

kilómetros; y finalmente, al filtro de aire de competencia basta con hacerle

una limpieza y lubricación a sus fibras de algodón cada ochenta mil

kilómetros, este kit de limpieza y lubricación tiene un costo de $45 dólares

y sirve para dos ocasiones.

El filtro de competencia tipo panel tiene un costo de $80 dólares y se

deberá limpiar y lubricar sus fibras cada ochenta mil kilómetros. Este filtro

mejora en un 4,62% el flujo de aire. En caso de que en el depurador no

existiera un filtro, mejora el rendimiento y eficiencia del motor, reduciendo

103

consumo de gasolina y reducción de gases de escape. Se añade que en

cinco años se terminará pagando $158,75 dólares.

El filtro de aire alterno tiene un costo de $5,50 dólares y se debe cambiar

cada cinco mil kilómetros. Este filtro no mejora el flujo en la admisión, si

no que la reduce en un 3,71% por su membrana baja en tecnología. Es

el más barato con un costo de $5,50 dólares, pero es el que más veces se

cambiará (el que más tiempo consumirá para realizar el cambio) con 56

veces en cinco años, a un costo de $308 dólares al cual se añaden costos

de mayor consumo de combustible por restar a la eficiencia del motor, al

no llenar de aire los cilindros de mejor manera.

El filtro de aire original tiene un costo de $14,78 dólares y se lo debe

cambiar cada 10 mil kilómetros. Este filtro mejora en un 2,31% el flujo de

aire que ingresa al motor, haciéndolo más eficiente al tener un mejor

llenado de aire en los cilindros, con un total de 28 cambios en 5 años,

invirtiendo $413 dólares.

104

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1. CONCLUSIONES

Se diseñó y construyó un dispositivo para ensayar filtros de aire, desde el

punto de evaluación con respecto al flujo de aire al cual están sometidos,

identificando parámetros comparativos, críticos y subjetivos entre varios

filtros de aire. Una vez terminada la construcción del banco de

pruebas utilizando un control electrónico, que simula las RPM del motor,

para verificar el flujo de aire antes y después de un filtro de aire, se tomó

en cuenta su posterior desarrollo y potenciación, adaptándose a un

esquema modular que facilitará estas acciones en el mismo.

Se concluyó que el filtro de aire más utilizado en los vehículos con motor

de combustión interna son los del tipo seco de panel de poliuretano y

propileno, como se observa en el punto 2.4.4. del presente trabajo,

teniendo una membrana o papel filtrante de tipo fibroso como se observa

en el punto 2.4.2.1. del presente trabajo.

se concluyó bajo las pruebas realizadas y analizadas a los tipos de filtros

seleccionados que la mejor opción para el uso de un filtro de aire en un

vehículo liviano, es el filtro de aire original, al contar con beneficios como

un efectivo flujo de aire, un mejor llenado de aire (oxígeno) en el cilindro

del motor (comparado con el alterno), un superior filtrado de partículas,

una mayor resistencia (membrana más gruesa) al alargar su

mantenimiento (el doble que el filtro de aire alterno).

105

5.2. RECOMENDACIONES

Se recomienda un posterior uso del los dos sensores de temperatura de

ingreso de aire “IAT” que se encuentran integrados en los sensores MAF

de este banco de pruebas, para saber también saber la temperatura de

aire antes y después del tipo de aire que se pruebe. Al inicio, en la

construcción del banco de pruebas se tuvo problemas con el sensor MAF,

ya que se supone que solo con alimentarlo con 5 voltios y masa ya se

obtiene su señal; sin embargo, con esta configuración, la señal era de 0

voltios. Tras unas pruebas para descartar daños en el sensor y en un

motor con el socket y todas sus conexiones activas, se dedujo que para

su funcionamiento también necesitaba la alimentación de 12 voltios del

sensor IAT. Una vez hecha esta modificación, se probaron los sensores y

se obtuvo la correcta señal enviada por el sensor MAF. En este caso, el

sensor necesita la alimentación completa en los cables correspondientes,

ya que no trabajan por separado los dos sensores integrados. Se puede

indicar que es falso que el uno solo funciona con 5 voltios y el otro con 12

voltios, ambos trabajan con masa 5 y 12 voltios para su correcto

funcionamiento, de lo contrario, simplemente la señal es de 0 voltios en

cualquier parámetro.

Se recomienda la adquisición de un medidor de grosor y un microscopio

digital, para poder profundizar futuros estudios a filtros de aire,

complementados con los datos que arroja el banco de pruebas

construido.

Se recomienda usar un osciloscopio, para capturar la onda creada por la

señal variable de los sensores con respecto al flujo utilizado en la prueba.

Se recomienda realizar otro tipo de estudios comparativos a filtros de aire

sucios, mojados y bajo otras características que afecten su desempeño y

pongan a prueba su calidad, para verificar la afectación al flujo de aire que

ingresaría al motor.

106

Se recomienda instalar un dispositivo medidor de humedad del aire que

ingresa al motor, para su posterior estudio, ya que en Ecuador se tienen

diferente tipos de ecosistemas tanto en costa, sierra y oriente.

Todo el banco se ha hecho totalmente didáctico, desmontable y

modificable para que se añadan otros instrumentos de análisis, creando

nuevas pruebas o instalación de otros sensores y componentes. Por

ejemplo, se puede desarrollar el sensor IAT ya incorporado, sensor TPS

y MAP. Instalar elementos de medición como rotámetros y anemómetros

para seguir estudiando el flujo de aire. Y algo más avanzado pero posible,

la unión de los elementos a una ECU reprogramable, teniendo un

dispositivo mucho más “inteligente” y principalmente real, al cual ya se

pueda acceder a datos mediante un escáner.

Se recomienda la implementación de un un sistema para medir

membranas filtrantes con un grosor o espesor mayor al original, ya que no

se produce un sellado correcto con este tipo de filtros de aire especiales.

Se recomienda la adquisición y compra de las normas SAE J726 e ISO

5011.

107

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110

Anexos:

Anexo 1.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS NISSAN SENTRA B13.

Especificaciones SENTRA B13

Motor GA16DNE

Desplazamiento (1) 1.6

Número y disposición de cilindros 4L

Pistón. Diámetro x carrera (mm) 76 x 88

Número de válvulas 16 (DOHC)

Potencia neta (hp @ rpm) 105 @ 6.000

Torque (Ib-pie @ rpm) 102 @ 4.000

Capacidad del sistema de enfriamiento 4.5

Relación de compresión 9.5:1

Transmisión Manual Automático

1ra. 3333

2da. 1955

3ra. 1286

4ta. 0.926

5ta. 0.773

Reversa 3417

Relación final 4167

Suspensión

Delantera Mc Pherson

Trasera Mc Pherson

111

Frenos

Delanteros Disco

Traseros Tambor

Distancia de frenado de 80 a 0 Km/h (m) 34.8

Dimensiones

Largo 4325

Ancho 1650

Alto 1381

Distancia entre ejes 2430

Entrevía delantera 1444

Entrevía trasera 1421

Volumen de cajuela 338 dm

Dirección tipo Hidráulica, piñón y cremallera

Rines 5JX13" Acero

Llantas 175/70SR13

Peso (kg)

Peso vehicular 946 963

Peso bruto vehicular 1321 1338

Capacidad de tanque de combustible (l) 50 50

112

Anexo 2.

EVALUACIÓN DE SEGURIDAD LATIN NCAP EN NISSAN SENTRA B13.

114

Anexo 3.

MANUAL DE USO DEL BANCO DE PRUEBAS CONSTRUIDO.

Tras la construcción del banco de pruebas para filtros de aire, se creó un

manual de uso, el cual es sencillo, de fácil comprensión y manipulación,

pensado para que cualquier persona lo pueda utilizar y sacarle provecho.

Primer paso: Se identifica cada elemento del banco de pruebas.

- Cable de poder: Ubicado en la parte posterior, superior

izquierda del banco de pruebas. Es de color negro y se debe

conectar a un enchufe de 110/120 voltios 50/60 Hz.

- Swich principal de encendido: De color blanco, ubicado al

lado superior derecho de la base del banco.

Posición de encendido: Presionar al lado derecho.

Posición de apagado: Presionar al lado izquierdo.

115

- Manguera de succión de aire: Ubicada en el lado derecho

central de la base del banco de pruebas, manguera de color

negro que representa la entrada de aire del motor.

- Regulador de poder de succión: Se ubica en la parte derecha

central de la base del banco de pruebas, después de la

manguera de succión. Es un perilla color negro con una marca

blanca y tiene una señal de “- +”, significa que si giramos la

hacia la izquierda o anti horario el poder de succión… continua.

116

Anexo 4.

NORMA ISO 5011 y SAE J726

No se vio necesario la compra de las normas presentes para este estudio

ya que la información requerida ya estaba presente en otros trabajos, el

uso y publicación de cualquier manera de estas normas está restringida y

protegida por las partes competentes, por lo que se ha hecho un resumen

de los parámetros de ambas normas.

Parámetro

Símbolo

Unidades

Caudal volumétrico qv m³/min

Velocidad V m/s

Densidad ρ kg/m³

Caudal másico qm kg/min

Presión p Pa

Presión diferencial ∆pd Pa

Perdida de carga ∆pl Pa

Masa m G

Tiempo t s

En cada prueba efectuada a los filtros de aire no se debe superar un

margen porcentual establecido en la norma ISO 5011.

117

Parámetro Unidades Precisión de la

medida

Caudal m³/min ± 2 %

Presión Pa ± 25 Pa

Temperatura °C ± 0.5 °C

Masa g ± 1 %

Filtro bajo ensayo: El caudal de aire que circula en el filtro debe ser de 2

a 16,6 m³/min.

Caudal de fluido sucio: El caudal de las partículas en suspensión

utilizadas en el banco de pruebas debe ser de 0.25 g/m³.

Presión de operación del filtro: La presión a la entrada del filtro de

ensayo debe ser de 92204 Pa.

Presión diferencial del filtro: Los valores de este filtro deben oscilar

entre 500 a 4000 Pa.

Temperatura de operación del filtro: Dentro del banco de pruebas el

filtro de ensayo debe estar a una temperatura óptima de 20 °C.

Polvo de ensayo: Según la norma ISA5011 se recomiendan en las

pruebas de Medium Test Dust (ISO MTD), el cual se regula mediante la

norma ISO 12103 – A2. El análisis químico y la distribución del tamaño

de partícula se ajustan según ISO 12013-1. Algunas características de

este polvo de ensayo, denominado también A2 fine.

Densidad aparente del polvo: 900 kg/m3… continua.

118

Anexo 5.

CARTA DE ENTREGA DE BANCO DE PRUEBAS.

Quito, 26 de Octubre de 2015

ING. ALEXANDER PERALVO

COORDINADOR DE LA CARRERA INGENIERIA AUTOMOTRIZ

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL

Presente.-

De mi consideración:

Mediante la presente me permito informarles que Yo, Esteban

Javier Torres Moreno, con cedula de identidad 1716986532, de

manera libre y voluntaria, hago la entrega del trabajo practico de la

tesis de título: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE

PRUEBAS, UTILIZANDO UN CONTROL ELECTRÓNICO, PARA

VERIFICAR EL FLUJO DE AIRE ANTES Y DESPUÉS DE UN

FILTRO DE AIRE, CON EL OBJETO DE DETERMINAR LA

CALIDAD FILTRANTE”, la cual se encuentra funcionando al 100%

y ninguno de sus componentes presentan ningún daño físico ni

técnico.

Al entregar la tesis practica autorizo que la UNIVERSIDAD

TECNOLOGICA EQUINOCCIAL, haga uso de la misma con fines

educativos o como estime conveniente, a favor del desarrollo de la

carrera.

Lo entregado se detalla a continuación:

119

- Banco de pruebas para medir el flujo en filtros de aire

- 2 sensores MAF con sus sockets y tapas.

- Depurador de aire chevrolet spark

- 2 multímetros digitales con sus puntas de medición

- Banco metálico color rojo

- Aspiradora 4hp

- 2 filtros de aire chevrolet spark

- 3 tipos de papel filtrante para pruebas

- 1 manual de uso

Atentamente

Esteban Javier Torres Moreno

1712793130

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