Los pistones con hoyuelos como pelotas de golf podrían mejorar la potencia y la eficiencia diésel

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Si bien el mundo está tratando de convertirse en EV, los camiones diésel de trabajo pesado como el Ford F-250 siguen siendo la moda para aquellos que hacen grandes trabajos (o quieren parecer que lo hacen). Muchos propietarios de camiones siempre están buscando una manera de generar más potencia, reducir el consumo de combustible e incluso reducir las emisiones de partículas para reducir el costo de llenar sus tanques de líquido de escape diésel (DEF). Es por eso que las afirmaciones que Speed ​​of Air (SoA) hace sobre sus pistones son tan atractivas para aquellos que buscan reconstruir sus motores. Pero, ¿realmente funcionan estos hoyuelos? Nos enviaron los datos para demostrarnos que no es solo para mostrar.

Los hoyuelos de una pelota de golf tienen una razón de existir: crean una capa límite de aire que reduce la resistencia creando turbulencias en la superficie de la pelota. Si bien esto no explica por completo cómo una pelota de golf puede aumentar su altitud (gracias al efecto Magnus de una esfera que gira en un fluido), no pierde tanta velocidad debido al arrastre gracias a la turbulencia creada por los hoyuelos. . Esa capa turbulenta retrasa la separación del aire en la parte trasera (en relación con su dirección de desplazamiento) de la pelota de golf y reduce el tamaño de la estela que induce el arrastre en comparación con la pelota lisa.

Por supuesto, probablemente te estés diciendo a ti mismo: "Sí, genial, pero un pistón no es una bola". Cuando se trata de cómo actúan los fluidos (y el aire que usted y su motor respiran son fluidos), la creación de una capa límite aún juega un papel fundamental en su cámara de combustión, especialmente cuando se trata de mantener el combustible en suspensión con el aire. Si puede crear una capa límite bien adherida en la cámara de combustión, la carga de aire y combustible permanecerá en suspensión por más tiempo. Eso también ayudará a que el frente de la llama avance más a través de la carga, lo que lleva a que se use más mezcla de aire y combustible para forzar el pistón hacia abajo a medida que se expande dentro del cilindro. Cuando la mezcla de aire y combustible no puede quemarse por completo, se acumula carbón dentro de la cámara de combustión, las válvulas y el pistón.

Esa fue una de las formas en que Speed ​​of Air determinó si sus hoyuelos funcionaban en la cámara de combustión. "Durante la prueba de fase inicial", dijo Chris Parkhurst, CEO y director gerente de Speed ​​of Air, "SoA usó varias técnicas de banco de flujo para determinar las áreas de lavado de combustible en las coronas de los pistones que estaban indicadas por una acumulación excesiva de carbono". Los hoyuelos tampoco eran necesariamente los primeros en su lista. Probaron muchas otras técnicas de texturizado para tratar de mantener la mezcla de aire y combustible en suspensión durante más tiempo, pero descubrieron que los hoyuelos del pistón en forma de pelota de golf funcionaban mejor. En la actualidad, confían en la dinámica de fluidos computacional (CFD) para optimizar mejor sus diseños de pistones de motor Powerstroke, Duramax y Cummins para vehículos de servicio mediano. Otra mejora de diseño realizada en estos pistones son las ranuras de liberación de presión mecanizadas en las coronas de estos pistones. "Se aplican a nuestros diseños de pistones para descargar la presión en el área del tazón y acelerar la quema de la mezcla de combustible y aire", dijo Parkhurst, y estos recortes conducen a un funcionamiento más silencioso del motor en comparación incluso con el diseño de pistón OE.

SoA también envió sus pistones a probadores independientes ya en 2014, donde se usó un pistón SoA durante la reconstrucción de un motor Caterpillar 3516 usado en un camión minero 793D para Newmont North America y reconstruido por un distribuidor Cat. Ese motor fue retirado con 44,842 horas y reacondicionado con pistones SoA siendo el único cambio de las partes normales de la reconstrucción del motor. Ese motor pasó de usarse durante 16,30 horas por día con los pistones Cat a 18,34 horas por día con los pistones SoA cuando se retiró para darle servicio una vez más en 2017 después de 915 días en servicio. El razonamiento para el período de tiempo más corto se debió a que el reconstructor de motores reutilizó los pernos de cabeza, una práctica que era razonable y predecible para el reconstructor en ese momento.

Desafortunadamente, los pernos de cabeza reutilizados fueron la razón por la que se volvió a sacar el motor, como Newmont North America declaró en su informe: "Si no hubiera sido por el riesgo de tiempo de inactividad del equipo y posibles daños adicionales, causados ​​por la rotura adicional de pernos de cabeza, es razonable que el motor habría permanecido en servicio por un período de tiempo más largo, pero desconocido". Parkhurst también señaló que este distribuidor en particular ha detenido esta práctica desacertada.

A pesar de esos problemas con los pernos de cabeza, Newmont notó que los paquetes de cilindros, los pistones, los anillos y las camisas "indicaron que quedaba una vida útil significativa" y la baja cantidad de carbono acumulado en los pistones, así como los depósitos muy bajos en el cárter en comparación con otras reconstrucciones. Otros hallazgos significativos en el informe fueron sus emisiones de escape, cuyas pruebas mostraron una reducción y mejora significativas en comparación con "el motor comparativo". "Dado que solo se aplicó aproximadamente el 40 por ciento (modificación de la corona del pistón y recubrimiento térmico) de la tecnología SoA disponible", finalizó el informe, "la opinión considerada es que se logró la mejora operativa (es) aplicable a la tecnología SoA".

SoA también nos proporcionó un informe de Olsen Ecologic Lab en Fullerton, California, que comparaba un motor Cummins de 5,9 litros estándar con uno que solo tenía instalado un juego de pistones Speed ​​of Air. En ese informe, hubo un aumento del 15,5 por ciento en la potencia y un aumento del 15,2 por ciento en el par motor. Las buenas noticias tampoco se detienen ahí, ya que este informe encontró que el consumo de combustible específico del freno se redujo en un 3,2 %, la opacidad del escape se redujo (es decir, menos partículas) en un 77,6 % y los niveles de NOx se redujeron en un 61 %. , los hidrocarburos de escape se redujeron en un 32,5 por ciento y los niveles de CO2 se redujeron en un 41,4 por ciento.

Teniendo en cuenta que hay más áreas que fluyen aire y combustible, ¿por qué los pistones son los únicos elementos que SoA ha lanzado con su diseño de hoyuelos? "Nuestras patentes cubren todos los espacios por los que fluye el aire a través del motor de combustión interna (ICE), incluidos los puertos y colectores de admisión y escape, cabezas, turbos, etc. sin embargo, nuestras pruebas han demostrado que los pistones brindan la gran mayoría del beneficio con el turbo en el siguiente nivel". Cuando se trata de reconstrucciones comerciales, los colectores (tanto de admisión como de escape) y las cabezas no se consideran tan consumibles como los pistones y los turbocompresores. "Entonces, por esas dos razones, nos hemos centrado en comercializar algo que realmente podamos vender sin que nos convirtamos en un simple taller mecánico", continuó Parkhurst.

Esa es una gran pregunta, pero que solo puede responderse con hipótesis. Podría reducirse a una pregunta de costo versus beneficio que el mercado de repuestos normalmente no necesita responder. Cuando se construye en cantidades tan masivas, la velocidad y el costo son factores importantes, incluso cuando ambos son minúsculos a nivel individual. Es por eso que hay más piezas que encajan a presión en lugar de atornillarse en los vehículos que conduce hoy. El costo de tiempo adicional de mecanizar un pistón con estas características supera potencialmente los beneficios del rendimiento de un pistón sin ellas. Nuevamente, eso es solo especulación, pero tiene una razón por la cual existe el mercado de accesorios. No necesitan equilibrar sus hojas y justificar el tiempo como lo hace un OEM, ya que su objetivo principal es cumplir con nichos y mercados específicos.

Uno de esos mercados específicos que SoA busca atender es el de los propietarios y operadores de camiones diésel comerciales de California. Para motores anteriores a 2010 (o chasis no reacondicionados con un motor más nuevo que ese) y que operen en vehículos pesados ​​que pesen más de 14,000 libras, California les prohibió operar y registrarse dentro del estado. El problema se reduce a las emisiones de estos motores en particular, pero las mejoras en las emisiones que SoA ha demostrado solo con sus pistones podrían convertirse en su gracia salvadora.

"Todavía estamos en desarrollo en eso y probablemente tomará al menos 2500 horas de prueba de durabilidad", dijo Parkhurst, "pero veremos cuando recibamos una carta de prueba emitida por CARB. Creemos que apuntaremos a CAT C- familias de motores de la serie (9/12/15/18 litros) o posiblemente las series Detroit 12.7 y 14L 60, primero". El kit que Parkhurst nos describió sería un kit completo que un reconstructor puede hacer con el motor aún montado en el bastidor del vehículo y no solo incluiría los pistones de SoA, sino también un turbocompresor, un flash ECM nuevo y "un sustrato razonablemente liviano", dijo. dijo: "Estamos bastante seguros de que nuestro sustrato se limitaría a DOC y no necesitaríamos DPF, SCR o EGR. Hay mucho trabajo por hacer en ese sentido, pero ese parece ser el camino alcanzable".

Por ahora, SoA se está concentrando en la comercialización de su línea de motores diésel de servicio mediano. Pero su trabajo también se extenderá a los motores de carreras y de gasolina en un futuro cercano, todos utilizando el mismo principio aerodinámico que hace que una pelota de golf vuele por el aire. ¿Quién sabía que la humilde pelota de golf tenía tanto que ofrecer a un motor de combustión interna?