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FORMULA UEM . (Desarrollo motor sostenible para la competición internacional Formula Student Combustible E85) Introducción.- Formula UEM es el nombre del equipo de la Universidad Europea de Madrid con el que participa en las competiciones internacionales de Formula Student. El equipo Formula UEM está compuesto por 80 miembros de diferentes Facultades y cursos, formando un grupo multidisciplinar entusiasta que, como el resto de equipos que participa en esta competición, sacrifica el tiempo de ocio por su afición a la tecnología, a la investigación y a la mejora de formación como futuros profesionales ganando experiencia y acercándose, desde su etapa de estudiantes, a los problemas del mundo real. El equipo ha decidido que el vehículo sea propulsado por la energía de un combustible ecológico: E85. La descripción del desarrollo del motor con este combustible es el objeto del presente artículo. Vehículo.- Las características principales del vehículo son las recopiladas en la siguiente tabla:

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FORMULA UEM .

(Desarrollo motor sostenible para la competición internacional Formula Student Combustible E85)

Introducción.- Formula UEM es el nombre del equipo de la Universidad Europea de Madrid con el que participa en las competiciones internacionales de Formula Student.

El equipo Formula UEM está compuesto por 80 miembros de diferentes Facultades y cursos, formando un grupo multidisciplinar entusiasta que, como el resto de equipos que participa en esta competición, sacrifica el tiempo de ocio por su afición a la tecnología, a la investigación y a la mejora de formación como futuros profesionales

ganando experiencia y acercándose, desde su etapa de estudiantes, a los problemas del mundo real.

El equipo ha decidido que el vehículo sea propulsado por la energía de un combustible ecológico: E85. La descripción del desarrollo del motor con este combustible es el objeto del presente artículo.

Vehículo.- Las características principales del vehículo son las recopiladas en la siguiente tabla:

Motor.- El motor base es un Honda CBR 600 rr cuyos parámetros fundamentales originalmente eran:

Cylinder arrangement 4 cylinders in line, inclined 38º from the vertical

Bore and stroke 67x42.5 mmCompresion ratio 12,5:1Valve train DOHC, chain drivenIntake valve opens 22 º BTDCIntake valve closes 43º ABDCExhaust valve opens 40 º BBDCExhaust valve closes 5 ºATDCLubrication system Forced presure. Wet sumpCooling system Liquid cooledFiring order 1-2-4-3Fuel delivery system PGM-Fi system (8 injector)Throttle bore 40 mm

Motor.- El motor base ha sufrido profundas modificaciones y desarrollo con objeto de obtener las máximas prestaciones del mismo.

El sistema de admisión ha sido diseñado mediante modelado solido y utilizando programas de CFD para la optimización. El objetivo ha sido conseguir sintonizar el sistema para obtener el máximo de rendimiento volumétrico de 11000 a 12000 rpm. Asimismo el se ha diseñado para alojar cuatro inyectores en lugar de los ocho del motor original.El sistema fue realizado en prototipado rápido utilizando fibra de vidrio reforzada con aramida. La figura representa los valores experimentales obtenidos en el banco dinamométrico del banco de ensayos de motores de la Universidad Europea.

El sistema de inyección está comandado por una unidad de control MOTEC 8000. Con objeto de aumentar la tasa de inyección instantánea se ha aumentado la presión de inyección hasta 6 bares y los inyectores originales de un flujo de 240l/min han sido sustituidos por otros de geometría similar pero de 20l/min.Estas modificaciones han sido necesarias por el uso del combustible E85 ya que al tener este un poder calorífico 38% inferior al de la gasolina se hace necesario aumentar la inyección en el mismo porcentaje sin aumentar el tiempo en que se realiza la misma.

El sistema de escape diseñado ha sido un 4-2-1 sintonizado con el mismo propósito que el de admisión

La unidad de control utilizada ha sido una Motec 8000, no solo por su

4000 6000 8000 10000 12000 140000.6500.6900.7300.7700.8100.8500.8900.9300.970

Rendimiento volumetrico vs RPM

potente capacidad de gestión, sino por su capacidad de almacenamiento de datos para su posterior tratamiento. En la figura adjunta se puede ver el diagrama de cableado y los sensores utilizados. El sensor de posición de cigüeñal ha sido modificado para aumentar la precisión de la medida.

El desarrollo del motor se ha realizado en el banco dinamométrico del laboratorio de Motores Térmicos de la Universidad Europea de Madrid. Se han realizado ensayos, variando el dosado y el punto de inyección, barriendo todo el mapa de utilización del motor. Posteriormente se han fijado los óptimos atendiendo a criterios de potencia y de consumo especifico de combustible.Asimismo se han realizado estudios de las pérdidas de fricción de motor, por el método Morse, con objeto de hacer una mejor evaluación de los parámetros termodinámicos del mismo. (PMI, Rendimiento indicado, etc.) El rendimiento final ha sido favorable a la optimización con combustible E85 debido fundamentalmente a que su dosado estequiometrico es sensiblemente menor (9,5) frente al 14,6 de la gasolina. (E85 es una mezcla de 85% etanol CH3CH2OH y 15% gasolina. En la combustión el oxigeno liberado de la molecula aumenta la masa disponible de oxígeno comburente)En la figura adjunta se pueden observar las diferencias de presion media indicada y presion media efectiva entre ambas optimizaciones. A pesar de el mayor rendimiento termico conseguido con el E85 el consumo especifico es mayor que con la gasolina ya que el poder calorifico es sensiblemente menor (31000 kJ/kG frente a 43000 kJ/kg de la gasolina). Para proximas ediciones se aumentará la relación de compresión a 13,5 para mejorar el rendimiento sacando así beneficio del mayor indice de octano del E85.

El accionamiento del cambio de marchas desarrollado ha sido de tipo eléctrico comandado por levas instaladas en el volante. La gestión de cambios no requiere el concurso del embrague pudiéndose optimizarse el punto de cambio a plena carga mediante la gestión de la ECU minimizando así los tiempos de aceleración.

0 5000 10000 1500000

05

10

15

20Perdidas friccion (kW)

50007000

900012000

1300005

10152025

PMF(Gasolina) PME(E85)PME bar(Gasolina) PMI(E85) PMI

En la figura se puede ver el cálculo realizado de fuerza en rueda versus velocidad. Realizando los cálculos de aceleración neta se ha determinado que en la prueba de aceleración 75m se obtendrán tiempos inferiores a 4 segundos. (Estos cálculos no tienen en cuenta que en primera marcha la fuerza de tracción es superior a la de fricción por lo que el piloto debe jugar con estos parámetros para evitar el deslizamiento de rueda en la salida).

Como corolario respecto a la optimización del motor con E85 se puede concluir:

1.- El cambio de inyectores por unos de mayor flujo junto con un aumento de la presión de inyección se hace imprescindible para compensar la mayor cantidad de combustible a inyectar como consecuencia del menor valor de poder calorífico del E 85. (No seria posible aplicar una sola de las medidas ya que compensando únicamente con inyectores mayores deteriorarían la pulverización y haciéndolo con presiones mayores, éstas debieran se tan altas que peligraría la seguridad). Evidentemente la capacidad del depósito de combustible debe ser incrementada

2.- Las mejoras de PME han sido mayores de los esperados en las simulaciones teóricas.

3.- La necesidad de refrigeración del motor se ha visto ligeramente reducida.

4.- Se hace imprescindible modificar todo el sitema de alimentación de combustible para compatibilizar sus componentes . Básicamente, para los componentes metálicos, el mayor problema es la corrosión producida por la posible presencia de ácidos orgánicos e inorgánicos en el etanol, además de iones, como el cloruro.

5.-El avance al encendido ha sido aumentado en una media de cinco grados de cigüeñal. Los valores maximos de presion en camara de combustion no superan los 60 bar como se ilustra en las graficas de presión vs angulo de cigüeñal y diagrama de indicador.

6.- La utilización del E 85 es altamente recomendble para ser utilizado en este tipo de vehiculos ya que además de la consideracion combustible respetuoso con el medio ambiente que reduce la huella de carbono, reporta incremento de rendimiento/potencia que mejora las prestaciones del vehiculo en las competición

Vicente Padilla (Profesor y Faculty Advisor)Javier Leal (Team Leader)

5000 7000 9000 12000 130000

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2

3

4Aumento PME % (E85 vs gasolina)