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1
INSTITUTO POLITÉCNICO 2
NACIONAL 3
4 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y 5
ELÉCTRICA 6
7 Unidad Profesional “Adolfo López Mateos”
9 10
INSTRUMENTACIÓN DEL MOTOR DIESEL KAMA 170 12
13 T E S I S 14
15 16 17
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE 19
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 21 22 23
P R E S E N T A 25
26 JOVAN MOISÉS TORRES SAN MIGUEL
28 ASESORES:
30 DR. ALEJANDRO T. VELÁZQUEZ SÁNCHEZ M. EN C. RAFAEL RODRÍGUEZ MARTÍNEZ
33 34 35
36 37 MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE DEL 200938
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 2
OBJETIVO GENERAL
Instrumentar el motor diesel Kama 170, para evaluar experimentalmente el
comportamiento del motor y mejorar su eficiencia cuando opera en el estado
transitorio.
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 3
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar el “despiece” de los sistemas de lubricación, mecánico, admisión, escape,
combustible y enfriamiento para saber el funcionamiento de los sistemas en su
conjunto y visualizar la instrumentación más adecuada.
Realizar la instrumentación al motor Kama 170, comparando tres características
de instrumentos que existen en el mercado, para medir las variables de
temperatura instantánea del motor, cantidad de oxígeno sobrante en el múltiple de
escape, porcentaje de apertura del acelerador y velocidad de la flecha de salida
del motor.
Realizar pruebas experimentales en el motor Kama 170, usando combustible
diesel; elaborando tablas que ayuden a conocer, el comportamiento de este motor
y los cambios que generan las variables del mismo, a diferentes condiciones de
trabajo en el estado transitorio, para implementar un controlador que compense
las perturbaciones en dicho estado.
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 4
JUSTIFICACIÓN
Debido a que el motor Kama 170 es de gran uso agropecuario, como es el caso
de sistemas de riego, plantas de luz, podadoras, labradoras y tractores pequeños,
es necesario mejorar la eficiencia implementando instrumentos y controladores
que sean capaces de proporcionar los valores de las variables con las que opera
el motor.
Experimentos realizados en Bolivia por La Universidad de Cartagena, con un
motor Agrale M-80, como también en La Universidad de Marivor en Eslovenia en
conjunto con una empresa de Canadá dedicada a la producción de biodiesel, con
un motor Perkings, concluyeron, que existe una disminución de la velocidad de la
flecha de salida en el estado transitorio, durante el tiempo en el que los motores
llegan a la temperatura nominal de trabajo, causado por la baja temperatura a la
que se encuentra el motor y las características de las diferentes variables que
interactúan en el funcionamiento del mismo[1].
La instrumentación del motor permitirá obtener valores de las variables tales
como; velocidad, cantidad de oxígeno en la salida, apertura de aceleración y
temperatura instantánea. Estos valores permiten evaluar las perturbaciones del
motor en el estado transitorio, para poder instalar un controlador que compense
dichas perturbaciones.
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 5
PRÓLOGO
En 1895, Rudolf Diesel presentó por primera vez su invento al público con un
motor de encendido por compresión donde el invento de Diesel se impuso muy
rápidamente y pronto dejó de tener competencia en el campo de los motores
navales y estacionarios. Estos motores de compresión trabajan bajo el
funcionamiento de los principios de la termodinámica [1, 2].
Estudios realizados en diferentes universidades del mundo demostraron mediante
un dinamómetro el comportamiento de los motores de ciclo diesel bajo diferentes
condiciones de operación donde las variables a medir fueron el número de
revoluciones por minuto (RPM´s), la temperatura (°C) y las emisiones
contaminantes [1], por ende en el presente trabajo se tomó en cuenta las variables
más importantes en el funcionamiento del motor diesel para conocer su
comportamiento en diferentes condiciones de trabajo, donde las variables son:
Temperatura instantánea del motor (°C)
Velocidad de la flecha de salida (RPM)
Cantidad de moléculas de oxígeno (%)
Apertura de la mariposa de aceleración (%)
En artículos referidos se menciona, que se han hecho estudios con respecto a los
diferentes orígenes del Biodiesel y se demuestra cuales son los que más dañan al
motor de ciclo Diesel, también mencionan que al utilizar biodiesel como
combustible, hay una disminución de la velocidad en la flecha de salida y un
incremento en el consumo de combustible, esto depende del origen del
biocombustible y el porcentaje en la mezcla de biodiesel con diesel [3, 4].
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 6
El biodiesel se utiliza en la industria automotriz como un combustible alterno cuyos
productos de combustión contaminan mucho menos que los combustibles
convencionales, sin embargo la deficiencia que presentan los motores al utilizar
biodiesel, se debe a que tiene una viscosidad, densidad y un punto de explosión
mayores a los del combustible diesel [4].
El biodiesel es un biocombustible sintético líquido, que se obtiene a partir de
lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, nuevos o usados,
mediante el proceso industrial llamado Transesterificación, y que se aplica en la
preparación de sustitutos totales o parciales del diesel, obtenido del petróleo.
En el presente trabajo se realizó la instrumentación a un motor modelo Kama 170,
para monitorear las variables que están en el proceso y así conocer el valor de
cada variable, cuando el motor opera a diferentes condiciones de trabajo.
Se realizaron las pruebas experimentales requeridas para obtener las tablas con
datos de velocidad, temperatura instantánea, cantidad de oxígeno en el múltiple
de escape, porcentaje en la apertura de la mariposa de aceleración y tiempo, en
donde se muestra el comportamiento real que tiene el motor con el combustible
Diesel.
Las pruebas experimentales están bajo diferentes condiciones de trabajo, donde
afectan directamente al comportamiento del motor, debido a las condiciones de
operación del Motor Kama 170, como también a diferentes horas de trabajo.
Es importante agradecer el apoyo recibido por la secretaria de investigación y
posgrado (SIP) del Instituto Politécnico Nacional a través del proyecto “Integración
de sistemas embebidos para el control de prótesis robóticas”, con referencia
SIP20091185, sin el cual el desarrollo de este trabajo no fuera posible.
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
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ÍNDICE
Objetivo General 2 Justificación 3 Objetivos Específicos 4 Prólogo 5 Índice de figuras 9 Índice de tablas 10 Glosario de conceptos y abreviaturas 12 CAPÍTULO I. ESTADO DEL ARTE 1.1 Combustible Diesel 16 1.2 Combustible Biodiesel 17 1.3 Estado Actual del Biodiesel y experiencias en otros Países 18 1.4 Motor de 4 Tiempos Ciclo Diesel 21 1.4.1 Fase de Admisión 22 1.4.2 Fase de Compresión 22 1.4.3 Fase de Explosión 23 1.4.4 Fase de Escape 23 1.5 Ciclo Ideal de Motor Diesel 24 1.6. Ciclo Real del Diesel 28 1.6.1 Cotas de Reglaje del Ciclo Real 29 1.6.2 Variación de la presión del cilindro en función al giro del cigüeñal 31 1.7 Tipos de Motores Diesel 33 1.8 Tipos de controladores Diesel 36 1.9 Planteamiento del Problema 41 1.10 Sumario 42 CAPÍTULO II. SISTEMAS DEL MOTOR KAMA 170 2.1 Descripción del Motor Diesel Kama 170 44 2.2 Funcionamiento del Motor Kama 170 45 2.3 Subsistemas del Motor Kama 170 46 2.3.1 Sistema de Combustible de Motor Kama 170 46 2.3.2 Sistema Mecánico del Motor Kama 170 47 2.3.3 Sistema de Lubricación de Motor Kama 170 49 2.3.4 Sistema de Admisión del Motor Kama 170 49 2.3.5 Sistema de Escape del Motor Kama 170 50
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2.3.6 Sistema de Enfriamiento del Motor Kama 170 50 2.4 Sumario 51 CAPÍTULO III. INSTRUMENTACIÓN AL MOTOR KAMA 170 3.1 Instrumentación del Motor Kama 170 53 3.2 Instrumentación en La Flecha de Salida (Velocidad) 53 3.3 Sensor Inductivo Auxiliar 57 3.4 Instrumentación en el porcentaje de oxígeno en los gases de escape 60 3.5 Instrumentación del acelerador 64 3.6 Instrumentación de la temperatura instantánea del motor 67 3.7 Sumario 70 CAPITULO IV. PRUEBAS Y ANALISIS DE RESULTADO 4.1 Descripción de la pantalla de monitoreo del motor Kama 72 4.1.2 Sistemas embebidos 74 4.2 Pruebas experimentales 79 4.3 Mejoramiento de la velocidad de la flecha de salida del motor 88 4.4 Sumario 99 CONCLUSIONES 100 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 103 ANEXOS 106
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 9
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 :Motor Diesel 4 cilindros, 4 tiempos 21
Figura 2: Tiempo de admisión de aire del motor diesel 22
Figura 3: Tiempo de compresión de aire del motor diesel 22
Figura 4: Tiempo de explosión del motor diesel 23
Figura 5: Tiempo de escape de aire del motor diesel 23
Figura 6: Diagrama del ciclo diesel teórico. 26
Figura 7: Comparación del ciclo diesel real con el teórico 31
Figura 8: Diagrama de presiones en función del giro del cigüeñal 31
Figura 9: Corte seccional de cámara de combustión de un motor Diesel 34
Figura 10: Inyección en la cámara de combustión 34
Figura 11: Combustión en la antecámara 35
Figura 12: Vista superior computadora de camión 36
Figura 13: Sensor inductivo 37
Figura 14: Sensor de oxigeno de zonda Lamnda 37
Figura 15: Potenciómetros 38
Figura 16: Interruptores de aceite 38
Figura 17: Válvula EGR 39
Figura 18: Elemento internos del canister 39
Figura 19: Tipos de inyectores para motores diesel 40
Figura 20: Motor Kama 170 45
Figura 21: Sistemas del motor Kama 170 46
Figura 22: Sistema de combustible 47
Figura 23: Ensamble de bloque de cilindros y cigüeñal 48
Figura 24: Árbol de levas, culata de cilindro O pistón 48
Figura 25: Sistema de lubricación 49
Figura 26: Ensamble de filtro de aire 49
Figura 27: Múltiple de escape 50
Figura 28: Turbina de enfriamiento 50
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Figura 29: Diagrama de instrumentación del motor Kama 170 53
Figura 30: Tacómetro digital modelo CDT-2000 54
Figura 31: Tacómetro modelo MT-200 55
Figura 32: Tacómetro modelo DHC6J-Z 56
Figura 33: Comparación de tres diferentes tipos de medidores de velocidad 56
Figura 34: Sensor inductivo PNP modelo 871 CC 57
Figura 35: Sensor inductivo NPN modelo E2A-M08 58
Figura 36: Sensor inductivo PNP modelo EL202-PPOSS 59
Figura 37: Comparación de instrumentos para el sensor inductivo 59
Figura 38: Instalación de sensor inductivo modelo EL1204.PPOSS 60
Figura 39: Analizador de O2 AMATEK 61
Figura 40: Analizador de O2, con indicador manual de varilla 62
Figura 41: Comparación de los modelos para el sensor de oxigeno 63
Figura 42: Instalación de sensor de oxigeno zonda lamda 63
Figura 43: Potenciómetro de carbón tipo swich 64
Figura 44: Comparación de tres modelos para el potenciómetro 66
Figura 45: Instalación del potenciómetro lineal 66
Figura 46: Indicador de temperatura modelo A25 serie T 67
Figura 47: Termopar tipo K modelo 60 PK-25 68
Figura 48: Termopar tipo G universal 69
Figura 49: Comparación de los médelos de termopar 69
Figura 50: Pantalla de monitoreo en visual basic 73
Figura 51: Phidget inetrfece kit 75
Figura 52: Tarjeta Phidget 76
Figura 53: Diagrama de interacción Hombre maquina 78
Figura 54: Diagrama de localización de componentes para puesta en marcha 81
Figura 55: Gráfica de velocidad al 25% de aceleración 82
Figura 56: Gráfica de velocidad al 35% de aceleración 84
Figura 57: Gráfica de velocidad al 50% de aceleración 85
Figura 58: Gráfica de velocidad al 85 % de aceleración 87
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Ingeniería en Control y Automatización Página 11
Figura 59: Diagrama de bloques de un lazo de control abierto 89
Figura 60: Diagrama de bloques de un control lazo cerrado 90
Figura 61: Diagrama típico de instrumentación 91
Figura 62: Pantalla visual basic de monitoreo y control con relevador
encendido 92
Figura 63: Pantalla visual Basic de monitoreo y control con relevador
apagado 93
Figura 64: Diagrama de flujo de rutina de selección de temperatura 94
Figura 65: Gráfica de velocidad con y sin control 96
Figura 66: Gráfica de temperatura con y sin control 97
Figura 67: Gráfica de moléculas de oxigeno sobrantes en los gases de
escape con y sin control 98
ÍNDICE DE TABLAS 4.1 Aplicaciones de la familia phidget 77
4.2 Velocidad al 25 % de aceleración 82
4.3 Velocidad al 35 % de aceleración 83
4.4 Velocidad al 50 % de aceleración 85
4.5 Velocidad al 85 % de aceleración 86
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 12
GLOSARIO DE CONCEPTOS Y ABREVIATURAS
Árbol de levas: Este es accionado por el cigüeñal y a su vez acciona la bomba de
inyección y también abre las válvulas de la cámara de combustión.
B(20): Mezcla de Diesel en un 80% y con Biodiesel en un 20%.
Balancín: Es un mecanismo que tiene la función de transmitir el movimiento
ascendente y descendente de las válvulas.
Biela: Transmite la fuerza desde cada pistón a la manivela correspondiente del
cigüeñal.
Biomasa: Se refiere a toda la vegetación de la Tierra y a muchos productos y
subproductos que provienen de ella.
Bloque y Bancada: Es la estructura que contiene los cilindros, cigüeñal y cojinetes,
que además sirve para mantener a estas piezas firmemente conectadas entre sí,
está constituida por dos piezas: el bloque y la bancada.
Bomba de inyección de combustible: Ayuda al combustible a entrar en los
cilindros, en cada uno de los cuales, hay además, una tobera de inyección, que
forma parte del inyector y que separa el combustible, en un chorro de gotas muy
pequeñas; es decir, pulveriza el combustible.
Cigüeñal: Pieza mecánica que convierte el movimiento lineal del pistón, en
movimiento angular.
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
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Cilindro: Cavidad donde el pistón genera su movimiento ascendente, descendente
y se lleva a cabo la explosión.
Cojinetes del cigüeñal: Los cojinetes sirven como soporte del cigüeñal
permitiéndole girar.
Culata: Sirve para tapar el extremo superior de los cilindros, formando un espacio
cerrado, en el que se comprime el aire y quedan confinados los gases durante la
combustión y expansión.
Densidad: Cantidad de masa que ocupa un determinado volumen.
Gasoil: Destilado de Petróleo (Diesel). Combustible convencional.
Hidrocarburos Aromáticos Polinucleares (PAH´s): Estas son moléculas
hidrocarbonadas, que contienen más de un anillo aromático, su efecto es tóxico y
carcinogénico. Este afecta a la calidad del producto.
Ignición: Esta ocurre cuando el calor que emite una reacción, llega a ser suficiente
como para sostener la reacción química.
Inyector: Dispositivo mecánico o eléctrico, que pulveriza el combustible dentro de
la cámara de combustión de un motor ciclo Diesel u Otto.
Monóxido de Carbono (CO): Es un gas incoloro, inodoro e insípido. No irrita, no
produce tos y es muy venenoso.
Pistón: El pistón cumple con dos funciones, comprimir el aire admitido y recibir el
impulso de los gases durante la combustión y la expansión de estos.
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PMI: Punto Muerto Inferior.
PMS: Punto Muerto Superior.
Proceso Adiabático: Proceso termodinámico que se produce en un sistema
aislado, sin intercambio de calor con el exterior.
Proceso Isocórico: Proceso el cual ocurre a volumen constante.
Regulador: Su función es regular la cantidad de combustible suministrado en cada
carrera, controlando así el régimen del motor y su potencia.
Transesterificación: Combinación de aceite (normalmente aceite vegetal) con un
alcohol ligero (normalmente metanol) y deja como residuo biodiesel y glicerina.
Despiece: Termino usado en el ámbito ingenieril para el desarmado de alguna maquia u objeto.
Válvulas: Su misión es permitir la entrada de aire nuevo en los cilindros y facilitar
la salida de los gases consumidos.
Viscosidad: Oposición que presenta un fluido a las deformaciones tangenciales,
también es la fluidez que tiene un cuerpo a determinadas temperaturas.
Volante de inercia: Almacena la energía sobrante durante las carreras de
combustión y la devuelve a los pistones durante las carreras de compresión.
Instrumentación al Motor Kama 170 para la implementación de Biodiesel como combustible
Ingeniería en Control y Automatización
CAPÍTULO I
“ESTADO DEL ARTE”
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 16
1.1 COMBUSTIBLE DIESEL
El Diesel se obtiene por la destilación del petróleo por lo cual se le denomina
Petro-Diesel o gasoil. El diesel es una mezcla de hidrocarburos de cadena larga,
este tipo de combustible tiene diferentes propiedades a la gasolina, ya que esta
contiene hidrocarburos más livianos. Una de las características físicas más
notable es la densidad y lo aceitoso, por lo tanto se le denomina aceite diesel, o
gasoil. El diesel tiene un mejor rendimiento como combustible fósil, en los motores
diesel es más económico por que requiere de menos refinación [5, 6].
Los parámetros que rigen la composición del combustible diesel son: Índice de
Cetano, Densidad, Viscosidad, Azufre y Aromáticos.
El índice de cetano mide la calidad de ignición de un diesel, también éste provoca
un mayor ruido en el motor en la fase de explosión.
Las variaciones en la densidad y viscosidad del combustible repercuten en la
potencia del motor, emisiones contaminantes y consumo así como el tiempo de
suministro en los equipos de inyección controlados mecánicamente.
Una viscosidad muy alta, puede generar una distorsión en la bomba y por otra
parte una baja viscosidad aumenta las filtraciones desde los elementos de
bombeo y en algunas ocasiones puede provocar una filtración total.
El azufre se remueve en gran parte en el proceso de refinación, para disminuir las
emisiones contaminantes que provoca el diesel al ser quemado, pero no se puede
eliminar completamente el azufre, ya que es indispensable para la lubricación del
las piezas mecánicas con las que tiene contacto el diesel, como es el caso de la
bomba rotatoria [7].
El contenido de aromáticos afecta la combustión y la formación de las emisiones
de hidrocarburos poli aromáticos, también de aromáticos; influye en la
temperatura de la explosión y por lo tanto, en las emisiones de óxido nitroso (NOx)
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 17
durante la combustión. La influencia del contenido de poli aromáticos en el
combustible, afecta la formación de las emisiones de hidrocarburos en el tubo de
escape [8, 9].
1.2 COMBUSTIBLE BIODIESEL
La crisis del petróleo a fines de la década de los 70 y comienzos de los 80, va
acompañada sobre la incertidumbre por la falta de un recurso no renovable. El
Biodiesel, es el nombre del combustible de origen biológico que no se ha fosilizado
obtenido a partir de recursos naturales renovables y puede producirse a partir de
diferentes tipos de aceites, tales como los de soya, colza, girasol y grasas
vegetales o animales a través de un proceso denominado Transesterificación, en
el cual, los aceites orgánicos derivados se combinan con alcohol (etanol o
metanol) y alterados químicamente, forman esteres grasos como el etílico o
metílico. Los esteres metílicos o etílicos derivados de biomasa, pueden ser
mezclados con combustibles diesel convencional o usados, como combustible
biodiesel puro 100% denominado también B100 [10, 11].
El biodiesel no contiene petróleo, la utilización de biodiesel es tan antigua como lo
es el motor diesel, ya que el inventor de este motor utilizó biocombustible por
primera vez, como parte de la demostración en la adaptación de este motor y a
partir de ese momento se han hecho numerosos experimentos sobre esta energía
alternativa, entre los años 1930 – 1940 [12].
El biodiesel puede ser utilizado en cualquier motor diesel, existiendo
perturbaciones que afectan la eficiencia del motor, pero sirve de igual manera para
pequeños utilitarios del diesel y vehículos pesados o calderas[4, 13].
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 18
1.3 ESTADO ACTUAL DEL BIODIESEL Y EXPERIENCIA EN OTROS PAISES Las primeras pruebas técnicas con biodiesel se llevaron a cabo en 1982 en
Australia y Alemania, pero solo hasta el año 1985 en Slberg (Austria), se
construyo la primera planta piloto y hoy en día, países como Alemania, Austria,
Canadá, Estados Unidos, Francia, Italia, Malasia y Suecia son los pioneros en la
producción, ensayo y uso de biodiesel en automotores[11, 14].
El empleo del biodiesel ha estado creciendo en todo el mundo, este crecimiento
ocurre de forma diferente en cada país, debido a las condiciones económicas
locales.
A continuación se menciona algunos países que cuentan con la tecnología del
biodiesel.
En la Unión Europea el biodiesel ocupa mayor importancia entre los
biocombustibles, en Alemania, Francia e Italia son los mayores productores, y en
menor cantidad en Eslovenia, Estonia, Lituania, Grecia, Malta, Bélgica, Chipre y
Portugal [15, 16].
La penetración del biodiesel en Estados Unidos en nichos de mercado, en flotas
que posen sistemas de almacenamiento propio y que usualmente trabajan con
B20 como autobuses, servicios postales y órganos del gobierno. El biodiesel se
considera un “diesel Premium” para motores empleados en actividades mineras y
para embarcaciones [3].
En Canadá existen algunos pequeños productores de biodiesel, a partir de aceites
usados en escala comercial y cuatro productores de biodiesel de capacidades
medianas. En el 2003 en Australia el ministro del ambiente y herencia, firmó las
especificaciones de calidad para el biodiesel, así como los mecanismos que el
gobierno implementará para usar las verificaciones de conformidad [3].
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 19
En Japón se está experimentando con micro alga, sin embargo la producción de
biodiesel es muy pequeña y es vista como acción ambiental de reciclar el aceite
usado, y no como acciones de introducción comercial del biodiesel [3].
Las actividades en el campo del biodiesel en India, aún están concentradas en
universidades e institutos de investigación, utilizando siempre aceites no
comestible obtenidos de oleaginosas locales y del piñón. Actualmente se realizan
pruebas en automotores como tractores, camiones y locomotoras, que varía su
mezcla de B20 a B100 [3].
En China hasta el momento, la materia prima para la producción de biodiesel es el
aceite usado, pero con el aumento de la producción prevista, serian necesarias
otras materias primas.
En Malasia se desarrollan pruebas de producción de biodiesel a partir del aceite
de la palma. A pesar de ser un país exportador de petróleo y gas natural, el país
también es el mayor productor de aceite de palma en el mundo.
En Tailandia el gobierno definió una meta de participación de 3% de biodiesel
hasta el 2011. La empresa PTT anunció que en el año 2007 empezará a
comercializar el B5 [3].
En Indonesia tiene como meta el uso del 2% de biodiesel hasta el 2010 y el 5%
hasta el 2025. La oleaginosa escogida es la palma aceitera. Este país es el
segundo mayor exportador de aceite de palma [9].
En Brasil a finales de los años 1970, el Instituto Nacional de Tecnología (INT),
empezó a probar aceites vegetales en motores diesel, visualizando su remplazo.
En septiembre del 2005, el gobierno autorizó la introducción obligatoria del 2% de
biodiesel a partir de enero del 2006 [17].
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
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En Argentina existen flotas de vehículos, realizando pruebas con el biodiesel en
Buenos Aires y en Argentina, la materia prima para el biodiesel es la soya, ya que
este país la produce a gran cantidad [14].
En Nicaragua Utilizan principalmente grupos electrógenos para la generación de
electricidad. En algunos lugares también se emplean aceites reciclados,
provenientes de las cocinas de hoteles, restaurantes y viviendas [14].
En Malí y Zimbabwe El aceite de piñón se utiliza en motores diesel, con ante-
cámara de combustión para hacer funcionar generadores, con un rango de 5 a
20 Kw [9].
En Hong Kong existen experiencias, con aceites usados de establecimientos de
comida rápida[13].
México es uno de los países con muy poca experiencia con el uso de biodiesel,
dentro de los proyectos de biodiesel, destaca la planta de biodiesel del grupo de
energéticos en Cadereyta Nuevo León, que lo producen a partir de aceites y
grasas de la cafetería del Instituto Tecnológico de Monterrey, donde se producen
300 m3 al mes [14, 18].
Otro proyecto es la universidad de Vasconcelos de Oaxaca, en la que producen
una mezcla B20 a partir de aceites vegetales de desecho, el cual se consume en
un autobús propiedad de la universidad [19].
El biodiesel es un combustible alternativo que no es de gran uso en los motores de
ciclo diesel debido a los siguientes inconvenientes:
-Disminuye la eficiencia del motor.
-Aumento del gasto de combustible.
-Mayor costo de producción.
-Afecta las partes mecánicas del motor.
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
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1.4 MOTOR DE 4 TIEMPOS CICLO DIESEL
El motor diesel es un motor térmico de combustión interna, en el cual el encendido
se logra por la temperatura elevada que produce la compresión del aire en el
interior del cilindro en cual consta de 4 fases que son admisión compresión, explosión, escape [7]. Un motor diesel, funciona mediante la ignición del combustible, al ser inyectado en
una cámara (o antecámara, en el caso de inyección indirecta) de combustión, que
contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de auto combustión, sin
necesidad de chispa. La temperatura que inicia la combustión, se obtiene del
aumento de la presión que se produce en el segundo tiempo del motor, “la
compresión”. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de
combustión a una elevada presión con una relación de compresión de 15 a 1, de
tal forma, que el combustible se pulveriza y se mezcla con el aire a una elevada
temperatura y presión, la mezcla se quema rápidamente. Esta combustión
ocasiona una explosión, generando una fuerza y como resultado el pistón
desciende hacia su punto muerto inferior. La biela, transmite este movimiento al
cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento lineal del pistón, en un
movimiento angular [20]. En la figura 1 se muestra un motor diesel completamente
ensamblado con sus accesorios.
Figura 1: motor diesel 4cilindros, 4 tiempos [21].
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 22
FASE DE ADMISIÓN
Durante la carrera de admisión, el pistón se mueve hacia abajo aspirando el aire
por la abertura de una válvula de admisión e introduciéndolo en la cámara de
combustión como se muestra en la figura 2. Algunos motores tienen más de una
válvula de admisión y escape por cilindro [7].
Figura 2: Tiempo de admisión de aire del motor diesel [22].
FASE DE COMPRESIÓN
Durante la carrera de compresión, todas las válvulas están cerradas y el pistón se
mueve hacia arriba en el cilindro, comprimiendo el aire. A medida que se
comprimen las moléculas de aire, aumenta la temperatura considerablemente.
Cuando el pistón se acerca a la parte superior de su carrera, se inyecta
combustible en la cámara de combustión, sobre la parte superior del pistón.
Finalmente el combustible se mezcla con el aire caliente comprimido, produciendo
la combustión como se muestra en la figura 3 [7].
Figura 3: Tiempo de compresión de aire del motor diesel [22].
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
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FASE DE EXPLOSIÓN
Durante la carrera de explosión, se cierran las válvulas, la fuerza de la
combustión, empuja hacia abajo el pistón y la biela, lo que hace girar al cigüeñal
como se muestra en la figura 4. La energía térmica se convierte en energía
mecánica [7].
Figura 4: Tiempo de compresión de aire del motor diesel [22].
FASE DE ESCAPE
Durante la carrera de escape, la fuerza de inercia creada por la rotación del
volante ayuda a continuar la rotación del cigüeñal, para empujar hacia arriba el
pistón dentro del cilindro, forzando la salida de los gases quemados por las
válvulas de escape abiertas, como se muestra en la figura 5. Esto completa las
cuatro carreras del pistón, estas se repiten en forma cíclica, mientras funcione el
motor [7].
Figura 5: Tiempo de escape de aire del motor diesel [22].
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
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Es importante mencionar las características principales que hacen apto el uso de
motores de combustión interna de ciclo diesel:
*Mayor rendimiento
*Combustible más barato
*Mayor par motor
*Ausencia de carburador
*Peligro de incendio por residuo
*Gases de escape menos contaminantes [23].
1.5 CICLO IDEAL DE MOTOR DIESEL
El motor Diesel de cuatro tiempos, tiene una estructura semejante a los motores
de explosión de ciclo Otto. Dentro de las semejanzas está que el pistón desarrolla
cuatro carreras alternativas, mientras el cigüeñal gira 720º, otra semejanza entre
ellos es que el llenado y evacuación de gases se realiza a través de dos válvulas
situadas en la culata, cuyo movimiento de apertura y cierre están sincronizado con
el cigüeñal mediante un sistema de distribución por el árbol de levas, donde las
dimensiones del cilindro, carrera y diámetro del pistón, determinan el volumen
interior y por lo tanto, la cantidad de aire aspirado en cada ciclo establece parte de
la potencia desarrollada por el motor [24].
El régimen de funcionamiento del motor Diesel, se determina por la frecuencia de
rotación del cigüeñal, posicionando el órgano de regulación, (cremallera de la
bomba de combustible en el motor) y la válvula de estrangulación de paso de
combustible [24].Y cuyo funcionamiento de este motor durante su ciclo se describe
a continuación [6].
Primer tiempo: Admisión.
En este primer tiempo, el pistón efectúa su primera carrera o desplazamiento,
desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI), aspirando
sólo aire de la atmósfera, debidamente purificado a través del filtro.
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 25
El aire pasa por el colector y la válvula de admisión, de forma ideal se abre
instantáneamente y permanece así, con objeto de llenar todo el volumen del
cilindro y al mismo tiempo la polea del cigüeñal gira 180º., con la finalidad de que
al llegar al PMI la válvula de admisión se cierra instantáneamente.
Segundo tiempo: Compresión.
En este segundo tiempo, con las dos válvulas completamente cerradas, el pistón
comprime el aire a gran presión quedando sólo aire alojado en la cámara de
combustión, así mismo la polea del cigüeñal gira otros 180º y completa la primera
vuelta del árbol motor. La presión alcanzada en el interior de la cámara de
combustión, mantiene la temperatura del aire por encima de los 600 ºC, superior al
punto de inflamación del combustible, para lo cual la relación de compresión tiene
que ser de 1:22.
Tercer tiempo: Trabajo.
Al final de la compresión con el pistón en el PMS, se inyecta el combustible en el
interior del cilindro, en una cantidad que se regula por la bomba de inyección.
Como la presión en el interior del cilindro es muy elevada, el combustible tendrá
que entrar a una presión mayor entre 150 y 300 atmósferas.
Debido a la presión con la que ingresó el combustible al momento de su inyección,
sale pulverizado y se inflama cuando entra en contacto con el aire caliente
produciéndose la combustión del mismo. Durante este proceso se eleva la
temperatura y la presión interna las cuales son constantes durante el periodo de
trabajo mientras la polea del cigüeñal gira otros 180º.
Cuarto tiempo: Escape.
Durante este cuarto tiempo de forma ideal la válvula de escape se abre
instantáneamente y permanece abierta. Durante su recorrido ascendente del
pistón, la válvula expulsa a la atmósfera los gases remanentes que no han salido,
efectuando el barrido de gases quemados lanzándolos al exterior.
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Ingeniería en Control y Automatización Página 26
La polea del cigüeñal efectúa otro giro de 180º, completando las dos vueltas del
árbol del motor, que corresponde al ciclo completo de trabajo, como se muestra en
la figura 6 [24].
Figura 6: Diagrama del ciclo diesel teórico [24].
.
0-1.- Admisión (Isóbara P=K): Durante la admisión, de forma ideal el cilindro se
llena totalmente de aire que circula sin rozamiento por los conductos de admisión,
por lo que se puede considerar que la presión se mantiene constante e igual a la
presión atmosférica. Es por lo que esta carrera puede ser representada por una
transformación isóbara.
1-2.- Compresión (Adiabática): Durante esta carrera, el aire se comprime hasta
ocupar el volumen correspondiente a la cámara de combustión y alcanza en el
punto 2 como se muestra en la figura 6, donde las presiones alcanzan valores de
50 kp/cm2. De forma ideal no se consideran perdidas de calor por lo que esta
transformación puede considerarse adiabática. La temperatura alcanzada al
finalizar la compresión supera los 600 ºC, que es la temperatura que necesita el
combustible para inflamarse sin necesidad de chispa eléctrica.
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Ingeniería en Control y Automatización Página 27
2-3.- Inyección y combustión (Isóbara P=K):El tiempo que dura la inyección, el
pistón inicia su descenso sin embargo la presión del interior del cilindro de forma
ideal se mantiene constante (transformación isóbara), debido a que el combustible
que entra se quema progresivamente en el cilindro, compensando el aumento de
volumen que genera el desplazamiento del pistón al que se conoce como retraso
de combustión.
3-4.- Expansión (Adiabática): Terminada la inyección se produce una expansión, la
cual se realiza sin intercambio de calor con el medio exterior, por lo que se
considera una transformación adiabática en donde la presión interna desciende a
medida que el cilindro aumenta de volumen.
4-1.- Primera fase del escape (Isócora): En el punto 4 se abre instantáneamente la
válvula de escape y los gases quemados salen rápidamente al exterior, por lo que
se puede considerar que la transformación que experimentan es una isócora. La
presión en el cilindro disminuye hasta llegar a la presión de la atmosfera y la
cantidad de calor no transformada en trabajo se cede a la atmósfera. (V=K)
1-0.- Segunda fase del escape (Isóbara): Los gases residuales que quedan en el
interior del cilindro, se expulsan al exterior por el pistón durante su recorrido (1-0)
hasta el PMS. Al llegar a el de forma ideal se cierra la válvula de escape y se abre
la de admisión para iniciar un nuevo ciclo. Como no hay pérdida de carga debida
al rozamiento de los gases quemados al circular por los conductos de escape, la
transformación (1-0) de forma ideal se considerada como isóbara (P=K) [25].
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Ingeniería en Control y Automatización Página 28
1.6 CICLO REAL DE MOTOR DIESEL
Las diferencias que surgen entre el Ciclo Real y el Ciclo Teórico en los motores de
ciclo Diesel, están causadas por:
Pérdidas de calor:
Estas son de suma importancia en el ciclo real, ya que el pistón necesita tener un
sistema de enfriamiento, para asegurar un buen funcionamiento del pistón, una
cierta parte del calor del fluido se trasmite a las paredes y a las líneas de
compresión y expansión ya que no son adiabáticas sino politró picas.
Tiempo de apertura y cierre de la válvula de admisión y escape:
En el ciclo teórico se dice, que la apertura y cierre de válvulas ocurre
instantáneamente, al ser físicamente imposible, esta acción tiene lugar a un
tiempo relativamente largo, por lo que, para mejorar el llenado y el vaciado del
cilindro, las válvulas de admisión y escape se abren con anticipación, lo que
provoca una pérdida de trabajo útil.
Combustión no instantánea:
En el ciclo teórico la combustión, se realiza en una transformación Isocórica
instantánea , en el ciclo real de la combustión dura un intervalo de tiempo, debido
a que la inyección tuviera lugar justamente en el PMS, la combustión ocurriría
mientras el pistón sé aleja, teniendo una pérdida de trabajo.
Para evitar esta pérdida de trabajo, se anticipa la combustión, teniendo lugar en su
mayor fuerza cuando se encuentra próximo al PMS por lo que, en el ciclo se
presenta un redondeo en el proceso Isocórico, en la introducción de calor
teniendo una pérdida de trabajo útil, tomando en cuenta que esta pérdida de
trabajo resulta menor que la que se tendría sin adelantar el encendido.
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Ingeniería en Control y Automatización Página 29
Pérdidas de bombeo:
En el ciclo real diesel es pequeña la fricción de rozamiento de aire que ingresa a la
cámara de combustión, debido a que no existe un carburador o una mariposa de
aceleración que genere una obstrucción o fricción al aire que ingresa al interior del
motor, mientras que al regresar el aire, existe un mayor rozamiento, debido a que
fluye por el silenciador y posteriormente por el convertidor catalítico [6].
1.6.1 COTAS DE REGLAJE DEL CICLO REAL
El ciclo real diesel es el tiempo real en que tarda la mezcla en quemarse y a la
eficiencia en el llenado y evacuado de los gases dentro de la cámara de
combustión.
Para conseguir que el ciclo ideal se asemeje al real, se modifica la distribución
adelantando y retrasando el instante de comienzo y de finalización de la entrada y
salida del fluido operante del cilindro, con el propósito de conseguir un mejor
llenado y evacuación de los gases, además se realiza un adelanto del encendido o
de la inyección compensando tiempo necesario para la combustión.
Estas variaciones en la apertura o cierre de válvulas en el adelanto del encendido
de la inyección conocidas como cotas de reglaje en la distribución, son las
siguientes [8]:
Adelanto de la apertura de admisión (AAA).
Consiste en que la válvula de admisión abra antes que el pistón llegue al punto
muerto superior en la carrera de escape, al iniciarse la aspiración de la mezcla la
válvula se encuentra casi totalmente abierta, evitando el estrangulamiento del aire
que entra a la cámara de combustión.
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Retraso del cierre de admisión (RCA)
Consiste en que la válvula de escape cierre después de que el pistón llegue al PMI
debido a la inercia de los gases al final de la admisión, estos siguen entrando al
cilindro aunque el pistón comience a desplazarse hacia el punto muerto superior.
Adelanto de la inyección de combustible (AI).
Consiste en compensar el tiempo necesario para que al final de la combustión el
movimiento del pistón, en su fase de trabajo, sea mínimo en un aproximado de
30`.
Adelanto de la apertura del escape (AAE)
Consiste en que la presión interna disminuye cuando se inicie el escape de los
gases cuando la válvula esté completamente abierta, evitando el
estrangulamiento a la salida y la pérdida de energía necesaria, para realizar el
barrido del os mismos.
Retraso del cierre de escape (RCE)
Consiste en una mejor evacuación de gases quemados, debido a la succión
provocada por la alta velocidad de los gases de escape, evitando que los gases
residuales puedan quedar en el interior del cilindro impidiendo la entrada de aire
fresco.
Cruce de válvulas (CV)
Es el periodo en que las válvulas de admisión y escape están simultáneamente
abiertas, debido a la velocidad de los gases de escape se crea una succión que
facilita la mezcla y barrido de los gases residuales. Cuando los gases frescos
llegan a la válvula de escape ya se encuentra cerrada sin que se pierdan en la
atmósfera [26].
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En la figura 7 se puede observar que existe una superficie mayor en el ciclo real y
un rendimiento del 80% debido a las cotas de reglaje
Figura 7: Comparación del ciclo diesel real con el teórico [1].
Las cotas de reglaje son establecidas por el fabricante, y se fijan en principio por
comparación con otro tipo de motores, con características análogas y
posteriormente se corrigen en ensayos en el banco de pruebas hasta conseguir
resultados óptimos de máximo rendimiento.
1.6.2 Variación de la presión del cilindro en función al giro del cigüeñal
En el ciclo real Diesel, se explica la variación de la presión del cilindro en función
del ángulo del giro del cigüeñal, representando en la figura 8 en ejes cartesianos y
en abscisas el giro del cigüeñal, contando desde el comienzo de la admisión. En
ordenadas se representan las presiones en el interior del cilindro, durante un ciclo
completo que comprende la admisión, compresión, explosión y escape [1].
Figura 8: Diagrama de presiones en función del giro del cigüeñal [1].
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Admisión
Al comienzo de la admisión, el cilindro se encuentra a una presión ligeramente
superior a la atmosférica, por no haber terminado completamente la fase de
escape. Cuando el pistón se desplaza hacia el PMI, aspira cierta cantidad de aire
o mezcla gaseosa a través de la válvula de aspiración, abierta oportunamente
durante toda esta fase la presión se hace igual a la atmosférica, (punto 2) y en el
resto de la carrera. En el interior del cilindro existe una presión menor, a causa de
la resistencia del gas que se encuentra en los conductos originando la caída de
presión en la aspiración, lo cual resulta más intenso cuanto mayor es la velocidad
del gas producida de este fluido ya que debe vencer a su paso de dichos
conductos, lo cual genera un trabajo negativo en esta fase de admisión.
En el punto 3 el pistón inicia su carrera hacia el PMS y el cilindro todavía se
encuentra con una baja presión. Mientras tanto, sigue introduciendo fluido hasta
su punto 4, donde se iguala la presión interna con la atmosférica, en donde se
debe de serrar la válvula de admisión.
Compresión
Esta se produce como consecuencia del movimiento del pistón hacia el punto
muerto superior. A parir del punto 4, el fluido operante es comprimido por el
pistón hasta el punto 5, donde se produce el adelanto de inyección de diesel.
Combustión o explosión
La combustión o el encendido del combustible, se inicia en el punto 5, lo que
origina una repentina elevación de temperatura y una caída de presión que
alcanza su valor máximo en el punto 7, lo cual, indica que el inicio de la explosión
se origina antes de llegar al PMS y su mayor fuerza la genera, cuando el pistón se
encuentra en su movimiento descendente.
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Escape
Para facilitar la expulsión de gases, se interrumpe la fase de explosión, al abrir
anticipadamente la válvula de escape del PMI en el punto 8, como los gases se
encuentran a presión superior que la atmosférica, se descarga rápidamente al
exterior descendiendo la presión con rapidez, como se muestra en el punto 9. La
presión de los gases de escape puede alcanzar presiones inferiores a la
atmosférica, lo cual se representa en el punto 10.
En el punto número 11, se inicia la segunda fase de escape, donde el pistón
expulsa los gases que ocupan en el cilindro, con lo que la presión se hace
ligeramente superior a la atmosférica, debido a la resistencia de los gases al
circular a travez de la válvula y los conductos de escape [1].
TIPOS DE MOTORES DIESEL
Existen tres categorías principales en las cámaras de combustión, para los
motores diesel y son: los motores de inyección directa, con cámara de pre
combustión y los motores con cámara de turbulencia.
Motores de inyección directa:
En estos motores, la cámara de combustión se compone del volumen formado por
el espacio libre que queda entre la cabeza del embolo y la cara inferior de la
culata, cuando se encuentra la cabeza del embolo en el PMS.
El chorro de combustible que sale del pulverizador, siempre se adapta a la forma
de la culata, de manera que el líquido resulte distribuido lo más uniformemente
como se muestra en la figura 9 [27].
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Figura9: Corte seccional de cámara de combustión de un motor diesel [28].
Motores de antecámara:
En estos motores se realiza una pulverización de combustible totalmente
diferente, debido a que del 20 al 30 % de su cámara de combustión se encuentra
separada por un paso estrangulador. El combustible es inyectado a baja presión
en la antecámara, el cual arde debido a la poca cantidad de aire; como
consecuencia de la presión que ello origina. La mezcla es expulsada con
movimiento turbulento a través del espacio estrangulado pasando a la cámara
principal de combustión, como se muestra en la figura 10 [29].
Figura 10: Inyección en la cámara de combustión [21].
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Motores con cámara de turbulencia:
En estos motores la cámara de combustión va dividida en dos partes: La primera
está constituida por una cavidad ahuecada ya sea en el embolo o bien en la culata
donde esta cavidad constituye la reserva de aire o cámara de turbulencia.
La otra parte es el espacio comprendido entre la cabeza del embolo y la culata;
cuando el embolo se encuentra en el PMS, estas dos partes de la cámara de
combustión se comunican entre sí mediante un paso de diámetro grande.
El inyector se dispone de manera que envíe su chorro desde el exterior a la
cámara auxiliar pasando por una resistencia de calentamiento, dirijido según el eje
del cono, hacia el fondo de la cámara de reserva, generando fuertes movimientos
turbulentos en la culata, como se muestra en la figura 11 [30].
Figura11. Combustión en la antecámara [31].
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1.8 TIPOS DE CONTROLADORES DE MOTORES DIESEL
Las unidades modernas automotrices, cuentan con un controlador general
computadora (figura12).Cuando se abre el interruptor de llave en la posición de
ignición, la computadora PCM hace un monitoreo de todos los elementos
primarios de medición con los que cuenta la unidad. Conociendo los parámetros y
valores con los cuales empezará su marcha, puede corregir deficiencias o
perturbaciones como la temperatura interna del motor y el estado de niveles de
lubricantes y refrigerante [32].
Figura12: Vista superior de computadora de camión sin tapa [33].
En caso de tener alguna deficiencia o bajos niveles la computadora mandará
activar una bombilla de advertencia según sea la falla, una vez que la
computadora del motor detecta el movimiento por medio del sensor inductivo,
ubicado en el árbol de levas o en la polea del cigüeñal, esta monitorea y controla
las emisiones contaminantes por medio de un sensor de oxígeno ubicado en el
sistema de escape con la que determina si es una mezcla rica o mezcla pobre y
hacer una retroalimentación, mandando mas pulsos de inyección de combustible o
mayor apertura de la válvula de admisión, para permitir mayor entrada de aire a la
cámara de combustión. Algunos de los dispositivos utilizados son:
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Sensores inductivos
Estos sensores se les conocen también de efecto hall, por que generan una FEM
(fuerza electromotriz) al detectar un flujo magnético.Se usan para detectar el
movimiento del motor, por medio de un engrane para generar un flujo magnético,
este sensor se muestra en la figura13 [27].
Figura13: Sensor inductivo [34].
Sensores de oxígeno
Estos sensores se muestran en la figura 14y funcionan por medio de comparación
del aire del exterior y los gases de escape que proporciona el motor. Este sensor
es alimentado por 4 cables, con +12vcd, común, señal de computadora y tierra
física, según las emisiones contaminantes, variará una señal cuadrada en el cable
de monitoreo [32].
Figura 14.Sensor de oxigeno de sonda lambda [35].
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Sensor de mariposa de Aceleración
Este es un potenciómetro es conectado mecánicamente a la mariposa de
Aceleración del motor, con la finalidad que la computadora tenga los grados de
apertura de la mariposa de aceleración sabiendo así la cantidad de aire que
ingresa al motor [29]. En la figura 15 se muestra el sensor de mariposa de
aceleración.
Figura15: Potenciómetros [29]. Interruptor de presión de aceite Este interruptor es normalmente cerrado, cambia su posición a normalmente
abierto cuando le llega presión de aceite por una vena de lubricación, que viene
directamente de la bomba de aceite. En caso de no llegar esta presión requerida
para vencer el interruptor, la computadora no mandará a interrumpir, la
alimentación del foco de aviso de baja presión de lubricación en el sistema
mecánico, este interruptor se muestra en la figura 16 [2].
Figura16: Interruptores de aceite [35].
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Válvula EGR Esta válvula tipo solenoide, se controla y monitorea por la computadora de la
unidad, para regular los gases de aceite generados por el movimiento del motor,
para que estos sean quemados por el motor en las cámaras de combustión, este
tipo de válvula se muestra en la figura 17 [29] .
Figura 17: Válvula EGR [28].
Canister Es un tanque pequeño de almacenamiento de gases que provienen del tanque de
combustible, generados por el movimiento de la unidad. Este tiene una válvula tipo
solenoide, controlada por la computadora, que permite el paso de gases a la
cámara de combustión, para ser quemados cuando el motor se encuentra en
marcha mínima, en la figura 18 se muestra el canister y su interior [29].
Figura 18: Elementos internos del canister [36].
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Inyectores electrónicos Es una electro válvula controlada por la computadora de la unidad, permitiendo la
pulverización del combustible, cuando el pistón se encuentra en el PMS para
general la explosión, donde en las figuras 19 se muestran los inyectores
mecánicos, y el diagrama eléctrico de la inyección diesel [29].
Figura19: Tipos de inyectores para motores diesel [28, 37].
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Actual mente en México los motores de uso agropecuario cuentan con una baja
eficiencia ya que no son equipados con ningún sensor y controlador que pueda
mejorar su eficiencia debido a su bajo costo de adquisición.
Esta baja eficiencia genera mayores emisiones contaminantes y aumento de
consumo de combustible, por lo cual el costo monetario al usar este motor
aumenta considerablemente.
En la escuela ESIME ZAC del IPN se adquirió un motor de ciclo diesel Kama 170
de uso agropecuario con la finalidad de mejorar las condiciones de operación a un
bajo costo en este tipo de motores ya que dicho motor es completamente austero
de arranque manual que no cuanta con ningún sensor que permita realizar
mediciones de las variables con las que cuenta el motor, así como tampoco
controlador que pueda compensar las perturbaciones que tienen a diferentes
condiciones de trabajo.
Debido a esto, en este trabajo se llevo a cabo la instrumentación del motor con la
finalidad de evaluar su comportamiento en el estado transitorio para poder
implementar un controlador que mejore la eficiencia.
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SUMARIO
En el capítulo 1 se presentó la investigación más relevante sobre los motores de
ciclo diesel existentes y su funcionamiento en conjunto con todos los sistemas que
conforma un motor, así como las características y diferencias del combustible
diesel y del biodiesel en México y en el mundo.
Los motores de ciclo diesel producen movimiento torsional en el sistema mecánico
cuando el combustible diesel es quemado en la cámara de compresión a una
temperatura aproximado de 93 °C, dependiendo de las características de cada
motor. Cuando se usa combustible biodiesel existen perturbaciones y deficiencias
en el motor, ya que presenta una disminución en la flecha de salida debido a que
la temperatura de explosión de combustible biodiesel oscila entre los 97 y 100 °C,
dependiendo de la semilla con la que se elaboró.
Una vez comprendido el funcionamiento del motor diesel y las perturbaciones que
existen al usar combustible biodiesel, se procede a analizar el motor Kama de
ciclo diesel con el fin de realizar pruebas experimentales para evaluar su
funcionamiento a diferentes condiciones de trabajo, en el capítulo ll se menciona la
descripción y el funcionamiento en conjunto de los sistemas de un motor ciclo
diesel Kama modelo 170 con el objetivo de analizar las variables de los sistemas
que se requieren instrumentar.
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CAPÍTULO ll
“SISTEMAS DEL MOTOR KAMA”
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 44
2.1 DESCRIPCIÓN DEL MOTOR DIESEL KAMA MOD 170 Para llevar a cabo la instrumentación, se requiere del conocimiento de los
sistemas que comprenden al motor.
El motor utilizado en las pruebas experimentales con combustible diesel, es un
Motor Kama Modelo 170, que consta de un cilindro de 211 centímetros cúbicos de
volumen, de tecnología japonesa, ensamblado en España.
El motor Kama modelo 170 se usa generalmente para la industria agrícola, como
es el caso de labradoras, peladoras de caña, bombas de agua, compresor y
revolvedor; las características principales del Motor Kama son las siguientes:
El Motor Kama cuenta con un cilindro de 4 tiempos (admisión, compresión,
explosión y escape), con 211 cm3 de volumen, 7.0 cm de diámetro y 5.5 cm de
carrera del pistón, alimentado por un inyector mecánico con una presión de 650
psi generadas por una bomba rotatoria integrada al cigüeñal del motor [38].
El Motor Kama pesa de 29 a 31 kilogramos dependiendo la cantidad de
combustible y aceite que éste contenga, las dimensiones son de 324 mm de
ancho, 384 mm de largo y 416 mm de alto, con una capacidad de 250 ml en el
depósito de combustible y 75 ml en el depósito de aceite de lubricación [38].
Este motor tiene un consumo de combustible de 280 g/km*h, con una relación de
compresión de 1 a 20 cuando desarrolla una velocidad entre 3000 y 3600 RPM;
proporciona una potencia máxima de 2.8 - 3.1 Kw/rpm y una potencia nominal de
2.5 - 2.8 Kw/rpm [38].
El sistema de arranque del motor Kama 170 es de tipo manual auto-envolvente, el
cual consta de un balero loco, resorte y una correa acoplados a la turbina de
enfriamiento del motor [38].El motor Kama 170 se muestra en la figura 20
Instrumentación del Motor Kama 170
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Figura 20: Motor Kama modelo 170 [39].
2.2 FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR KAMA 170
Para que pueda estar en condiciones de operar el motor, la válvula de paso que
se encuentra en el tanque de combustible, tendrá que estar en posición “ON” y
ajustar la válvula reguladora de aceleración, para jalar la correa del sistema de
arranque y generar un movimiento de torsión, con lo cual la bomba rotatoria envié
el flujo de combustible al riel del inyector [38].
El motor diesel funciona mediante la ignición del combustible al ser inyectado en
una cámara de combustión, que contiene aire a una temperatura superior a la
temperatura de auto combustión, sin necesidad de chispa. La temperatura que
inicia la combustión, procede de la elevación de la presión en el cilindro provocada
en el segundo tiempo del motor, debido al calentamiento de las moléculas por una
reducción de volumen en el cilindro.
El combustible se introduce por medio del inyector en la parte superior de la
cámara de compresión, a una presión de 550 libras/pie generadas por la bomba
rotatoria, de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y
presión [39].
Esta combustión, ocasiona que el pistón acoplado a la biela se impulse hacia su
PMI. La biela transmite este movimiento al cigüeñal al que hace girar,
transformando el movimiento lineal del pistón en un movimiento de rotación que se
transmite a la flecha de salida.
Instrumentación del Motor Kama 170
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2.3 SUBSISTEMAS DEL MOTOR KAMA 170
En el diagrama de la figura 21, se muestra la distribución del motor Kama modelo
170 y de los subsistemas que está conformado.
Figura 21: Sistemas del Motor Kama 170.
2.3.1 Sistema de combustible
La mezcla diesel, se almacena en el tanque de combustible y se lleva la cámara
de combustión del motor, cuando la bomba rotatoria de alta presión acoplada al
cigüeñal empieza a funcionar por el movimiento de torsión del motor, trasladando
el combustible a una elevada presión mediante el riel del inyector, venciendo el
diafragma mecánico del inyector y generando una pulverización dentro del motor,
en el cual se quema a una alta temperatura debido a la compresión del aire que
produce el pistón cuando se encuentra en el PMS [39]. En la figura 22 muestran
las partes mecánicas del sistema de combustible.
Instrumentación del Motor Kama 170
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Las transformaciones del combustible en el interior del motor, se realizan de
acuerdo a que el ciclo es cerrado, utiliza aire a presión atmosférica y la inyección
del combustible que se enciende por la alta temperatura del aire lograda después
de la compresión, el sistema de combustible se muestra en la figura 22 [39].
Figura 22: Sistema de combustible [38].
2.3.2 Sistema Mecánico
En el sistema mecánico, el pistón acoplado al cigüeñal empieza su carrera
descendente. Cuando se jala el cordón del sistema de arranque, la válvula de
admisión se abre por medio del árbol de levas acoplado y sincronizado al cigüeñal
por medio de una cadena de distribución. Esta operación permite que el aire
atmosférico ingrese a la cámara de combustión, mientras el pistón inicia su
movimiento ascendente, y las válvulas de admisión y escape se cierran
comprimiendo el aire, en este momento el pistón alcanza el punto muerto superior,
la cámara de combustión se encuentra a una elevada temperatura, y se inyecta
una cierta cantidad de combustible líquido pulverizada, que a medida que ingresa,
se enciende y produce una combustión. Finalmente el pistón empieza su
movimiento descendente, en cuyo transcurso entrega trabajo y posteriormente en
la carrera ascendente, la válvula de escape se abre y se eliminan los gases de la
combustión y el ciclo se inicia nuevamente [38].
Instrumentación del Motor Kama 170
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En la figura 23 se muestra el ensamble mecánico de los cilindros y del cigüeñal
con cremallera que comprenden al sistema.
Figura 23 Ensamble de bloque de Cilindros y cigüeñal [39].
En la figura 24 se muestra el ensamble de árbol de levas, pistón y culata de
cilindro, con válvulas de admisión, escape y pistón que conforman el sistema
mecánico.
|Árbol de levas culata de cilindro pistón
Figura 24: árbol de levas, culata de cilindro y pistón [38].
Instrumentación del Motor Kama 170
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2.3.3 Sistema de Lubricación
El motor cuenta con una bomba interna de lubricación, que funciona cuando el
motor empieza su movimiento de rotación. En la figura 25 se muestran las piezas
del sistema; el aceite alojado en el cárter se traslada hacia todas las cavidades y
extremos del motor, por medio de venas o conductos a una presión adecuada,
donde fluye el aceite con el fin de lubricar todas las piezas que se encuentran en
movimiento [38].La figura 25 muestras las partes mecánicas del sistema de
lubricación
Figura 25: Sistema de Lubricación [39].
2.3.4 Sistema de Admisión
Este sistema contiene, un múltiple con un conducto para llevar la mezcla de
aire-combustible al cilindro. El sistema de admisión provee al motor de aire limpio
a una temperatura y restricción razonables, removiendo del aire los materiales
finos como el polvo, arenas, u otras impurezas (figura 26) [38].
Figura26: Ensamble de filtro de aire [39].
Instrumentación del Motor Kama 170
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2.3.5 Sistema de Escape
Cuando el pistón se encuentra en su movimiento ascendente, en la fase de
escape, la válvula de escape se encuentra abierta, permitiendo la liberación de
todos los vapores de la combustión, pasando al múltiple de escape, donde se
filtran las emisiones contaminantes y el ruido por medio de un catalizador; en la
figura 30 se muestra el múltiple de escape del sistema [39].
Figura:27 Múltiple de Escape [39].
2.3.6 Sistema de enfriamiento
El motor se enfría a través del aire comprimido de una turbina que se encuentra
acoplada al cigüeñal del motor; en la figura 31 se muestra la turbina de
enfriamiento [38].
Figura 28: Turbina de enfriamiento [39].
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 51
SUMARIO
En el capítulo II se abordó la descripción del motor Kama 170 y el funcionamiento
de los sistemas que lo comprenden, el motor cuenta con un cilindro de ciclo diesel
de 4 tiempos con una capacidad en el depósito de combustible de 2.5L y 0.9 L en
el depósito de aceite, así como un consumo de combustible de 280 g/km*h, a una
relación de compresión de 20, aun cuando desarrolla una velocidad entre 3000 y
3600 RPM proporcionando una potencia máxima de 2.8 - 3.1 Kw/rpm y una
potencia nominal de 2.5 - 2.8 Kw/rpm.
Los sistemas con los que el motor funciona en conjunto para generar un
movimiento torsional son: admisión, escape, combustible, mecánico, lubricación y
enfriamiento. Una vez realizado el análisis de las perturbaciones que existe en un
motor de ciclo diesel, se puede observar que existe una disminución en la flecha
de salida debida al punto de explosión elevado del diesel y a la temperatura de
arranque; por ello se realizó en el capítulo ll un análisis de los sistemas del motor
Kama contemplando sus dimensiones y funcionamiento de todas sus piezas. con
el objetivo de realizar una instrumentación eficiente, que permita evaluar el
funcionamiento real del motor.
En el capítulo lll se muestra el análisis de pertinencias de la instrumentación
realizada al motor Kama, evaluando tres instrumentos para cada variable a
instrumentar donde las variables son, velocidad en la flecha de salida, temperatura
instantánea del motor, apertura de la mariposa de aceleración y gases de escape.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización
CAPÍTULO
III
“INSTRUMENTACIÓN DEL MOTOR KAMA 170”
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 53
3.1 INSTRUMENTACIÓN DEL MOTOR KAMA 170
En este capítulo se analiza el trabajo de instrumentación realizado al Motor diesel
Kama 170, con la finalidad de monitorear las principales variables que intervienen
en su operación. Estas variables son velocidad, temperatura instantánea,
porcentaje de oxígeno en los gases de escape y porcentaje de apertura en la
mariposa de aceleración del motor. El diagrama tipico de instrumentacion
realizado se muestra en la figura 29.
Figura29: Diagrama de instrumentación del motor Kama 170
3.2 INSTRUMENTACIÓN DE LA FLECHA DE SALIDA (VELOCIDAD) Uno de los instrumentos más comunes para la medición de la velocidad en la flecha
de salida, es el tacómetro. Por lo cual se realiza la selección de tres tipos de
tacómetros, donde son:
a) TACÓMETRO DIGITAL CDT-2000
El tacómetro de contacto-óptico digital modelo CDT- 2000, puede monitorear los
cambios que existen en la flecha de salida.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 54
Este instrumento es capaz de medir directa e indirectamente la velocidad en RPM.
Para medir la velocidad en forma directa se coloca en contacto directo con la flecha
de salida del motor. Para la medición indirecta, el sensor cuenta con una luz roja
visible, que interactúa con el eje motriz de salida del motor.
El instrumento se muestra en la figura 30 y cuenta con las siguientes características
técnicas [40]:
Resolución ±0.02%.
Precisión 0.01 RPM.
Rango 1 RPM - 99,000 RPM.
Detecta sin tener contacto directo por medio de una luz roja visible.
Contiene una memoria.
Costo USD$ 285.00.
Figura 30: Tacómetro digital modelo CDT-2000[41][40].
.
Este instrumento presenta como desventaja su costo elevado y en las pruebas, el
instrumento tendría que estar fuera del tablero de instrumentación, ya que es portátil.
b) TACÓMETRO MECÁNICO MT-200
El tacómetro mecánico MT-200 mide velocidades rotatorias y de superficies con
precisión. La construcción robusta y portabilidad del tacómetro MT-200 lo hace una
opción ideal para el personal de mantenimiento. Este tacómetro análogo no requiere
pilas, por lo tanto es el instrumento ideal para el personal que presta servicio de
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campo [42]. Este instrumento que se muestra en la figura 31, cuenta con las
siguientes características técnicas:
Rango es de 16 RPM a 50,000 RPM.
Resolución ±0.5%.
Mide en pies por minuto (FPM) para velocidad lineal.
Costo USD$ 269.00.
No contiene memoria.
Figura31: Tacómetro modelo MT-200 [42].
c) TACÓMETRO DIGITAL MODELO DHC6J-Z
El tacómetro DHC es una carátula de 10 cm de ancho y 5 cm de alto con display de 6
caracteres dentro de su carcasa, el cual recibe la señal de un sensor inductivo PNP,
por medio de pulsos que identifica el sensor inductivo PNP, el tacómetro DHC6J-Z
puede dar una lectura en RPM y RPS [43]. Este instrumento que se muestra en figura
32, cuenta con las siguientes características técnicas:
Rango de velocidad 6 RPM – 6000 RPM.
Fuente de Alimentación 110 – 240 VCD.
Resolución ± 0.06%.
Auxiliado de sensor PNP.
Cuenta con display
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Costo USD$ 115.00.
No cuenta con memoria.
Figura 32: Tacómetro modelo DHC6J-Z [43].
.
Para la elección del tacómetro, se tomó en cuenta la resolución, el rango de
operación y el costo. En la figura 33 se pueden observar estas características para
los tres modelos de tacómetros.
Figura 33: Comparación de tres diferentes tipos de medidores de velocidad.
De acuerdo con los resultados mostrados en la figura 33, se determinó que el
indicador de velocidad más adecuado es el DHC6J-Z debido a que tiene los
requerimientos técnicos y el menor costo.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 57
3.3 SENSOR INDUCTIVO AUXILIAR Una vez seleccionado el instrumento de velocidad, el siguiente paso es instalar el
tacómetro DHC, éste tiene como característica, que trabaja en conjunto con un
sensor inductivo ya sea PNP o NPN, y se necesita elegir el más adecuado.
A continuación se describen tres modelos diferentes para seleccionar el que se ajuste
mejor a los requerimientos
a) MODELO 871 CC PNP
Este tipo de sensor inductivo es NPN, es un generador de pulsos, cada que detecta
una parte ferrosa a cierta distancia genera un pulso, la distancia la marca el
fabricante. Cuenta con 3 hilos, dos son de alimentación y el tercero para la toma de
señal [44]. El instrumento que se muestra en la figura 34, cuenta con las siguientes
características técnicas:
Rango de detección de 12 mm.
Voltaje de Trabajo de 10 – 30 VCC
Temperatura de trabajo de -40 º C a +70 º C
Su costo es de US$ 55.20
Figura 34: Sensor Inductivo PNP modelo 871 CC [44].
El sensor tiene las características que se requieren para el tacómetro digital, pero su
costo es elevado y por lo tanto no puede ser una alternativa.
Instrumentación del Motor Kama 170
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b) MODELO E2A-M08 NPN
Otro instrumento propuesto, es el Modelo E2A-M08, el sensor es NPN al igual que el
otro, genera pulsos, cuenta con 3 hilos, 2 para su alimentación y uno para señal de
salida [45].Este instrumento se muestra en la figura 35, cuenta con las siguientes
características técnicas:
Rango de detección de 2mm.
Alimentación 12 a 24 VCD
Temperatura de trabajo de -40 º C a +70 º C
Su costo es de US$ 40.20
Figura 35: Sensor inductivo NPN modelo E2A - M08 [45].
c) MODELO EL1204-PP0SS TIPO PNP
Este instrumento se propuso ya que en el manual del fabricante, se menciona que es
idóneo para trabajar en conjunto con el tacómetro. Este tipo de sensor cuenta con
una carcasa de acero inoxidable y con una protección de corto circuito [46]. Este
instrumento que se muestra en la figura 36, cuenta con las siguientes características
técnicas:
Rango de detección de 1- 4 mm.
Alimentación 12-36 VCD
Temperatura de trabajo -25 ° C hasta +70 ° C
Su costo es de US$ 37.00
Corriente 200 mA.
Protección contra cambios de polaridad
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Ingeniería en Control y Automatización Página 59
Diámetro del sensor 1 cm.
Led indicador de prendido
Cable aislador de temperaturas altas
Figura 36: Sensor Inductivo PNP modelo EL1202-PPOSS [46].
En la figura 37, se muestra la gráfica de tres características similares para cada
modelo, que son, rango de lectura, temperatura de trabajo y costo, de esta manera, la
gráfica ayuda a la selección del instrumento.
Figura 37: Comparación de instrumentos para el Sensor Inductivo.
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Ingeniería en Control y Automatización Página 60
De acuerdo con los resultados mostrados en la figura 37, se determinó que el sensor
inductivo PNP modelo EL1202-PPOSS debido a que cumple los requerimientos
técnicos y tiene el menor costo.
El sensor modelo EL1204-PP0SS, se instaló enfrente de la polea del motor Kama
170, para detectar las revoluciones por minuto, como se muestra en la figura 38.
Figura 38: Instalación de sensor inductivo modelo EL1204.PP0SS.
3.4 INSTRUMENTACIÓN PARA EL ANALISIS DE LOS GASES DE ESCAPE
Dentro del proceso se generan gases que salen al exterior, algunos perjudican al
medio ambiente y otros perjudican a la salud. El sensor de oxígeno permite verificar
si la combustión del motor es buena; para que la combustión del motor sea buena, es
necesario que todas las moléculas de oxígeno que entren a la cámara de combustión
sean quemadas junto con el aire.
El objetivo del sensor es medir la cantidad de oxígeno sobrante, además de saber si
la mezcla fue rica o pobre en la cámara de combustión.
La mezcla de un motor de combustión interna de ciclo diesel es rica, cuando el
sensor de oxígeno no detecta partículas de oxígeno, debido a que todo el aire
admitido fue quemado con toda o una parte del combustible. De forma inversa se le
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Ingeniería en Control y Automatización Página 61
llama mezcla pobre cuando el sensor detecta partículas de oxígeno, debido a que el
aire admitido no fue quemado en su totalidad en la fase de combustión por la falta de
combustible [5].
a) ANALIZADOR DE OXÍGENO O2 AMATEK
Este sensor detecta la cantidad de oxígeno sobrante en una combustion y es de
fácil instalación [47]. El instrumento que se muestra en la figura 39, cuenta con las
siguientes características técnicas:
Temperatura de trabajo 350 °C a 450 °C.
Salida 0 a 20 mA
Disponibilidad al usuario de un dia.
Costo US$120
Figura 39: Analizador de O2 AMATEK [47].
Este sensor de oxígeno tiene como desventaja su costo elevado y su dificil
instalación en el motor.
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Ingeniería en Control y Automatización Página 62
b) ANALIZADOR DE OXíGENO O2 PORTATIL
Este sensor detecta la cantidad de oxígeno en cualquier proceso, cuenta con un
indicador manual de varilla [48].Este instrumento se muestra en la figura 40,cuenta
con las siguientes características técnicas:
Temperatura de trabajo -10°C a 45°C
Salida 0 a 50 mV
Costo USD$250
Disponibilidad al usuario un día
Figura 40: Analizador de O2, con indicador manual de varilla [48].
El sensor de oxígeno tiene como desventaja, su elevado costo y su dificultad para
instalarlo debido a que es de uso manual.
C) SENSOR DE OXÍGENO DE SONDA LAMBDA DE ZIRCONIO
El sensor detecta la cantidad de oxígeno que existe en los gases de escape, de un
motor de combustión interna, generando una diferencia de potencial como indicador
[49].
Este instrumento cuenta con las siguientes características técnicas:
Temperatura de trabajo 80°C a °350°C
Resistencia de calentamiento 80°C a 350 °C
Salida 0 a 1000 mV.
Disponibilidad al usuario al instante
Costo US$ 160.
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En la figura 41, se pueden observar las características de costo, rango de
temperatura y disponibilidad al usuario de los tres modelos de sensores de
oxígeno.
Figura 41: Comparación de los modelos de instrumentos para el Sensor de oxigeno
De acuerdo con los resultados mostrados en la figura 41, se determinó que el
sensor de oxígeno mas adecuado, es el de sonda lamda, debido a que tiene los
requerimientos técnicos y es de menor costo.
El sensor de oxigeno se muestra instalado en la figura 42.
Figura 42: Instalación de sensor de oxigeno sonda lamba.
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3.5 INSTRUMENTACIÓN DEL ACELERADOR Para realizar la medición en el porcentaje de aceleración, un potenciómetro, es el
instrumento más adecuado. La cantidad de ohms (Ω) del potenciómetro, es
proporcional a la cantidad de apertura de la mariposa de aceleración en el motor
Kama 170.
A continuación se describen tres modelos para seleccionar el que se ajuste mejor a
sus requerimientos
A) POTENCIÓMETRO STEREN DE CARBON CON SWITCH
El potenciómetro cuenta con un switch, con un intervalo de 100 kΩ a 108 kΩ y una
potencia de 5 watts (W) [50].
El instrumento que se muestra en la figura 43, cuenta con las siguientes
características técnicas:
Costo de MN$ 55
Rango de 0 a 20kΩ.
Potencia 5 W.
Figura 43: Potenciómetro de carbón con Switch [50].
Este potenciómetro no fue seleccionado, debido a que su estructura es muy
compleja de instalar al regulador de paso de combustible, ya que su resistencia
variable es rotatoria y tiene baja resolución.
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B) POTENCIÓMETRO STEREN DE ALAMBRE SIN SWITCH
El potenciómetro no cuenta con switch, tiene un intervalo de 126 Ω a 1 kΩ y una
potencia de 5W.
Este instrumento cuenta con las siguientes características técnicas:
Costo de MN$ 45.
Rango de 0 a 30kΩ.
Potencia de 5W.
El potenciómetro no fue utilizado debido a que, su diseño no es apropiado para la
instalación en el regulador del paso de combustible y su resistencia variable es de
baja resolución, sin embargo el precio es accesible, pero su resolución es baja y es
una característica importante que se busca [51].
C) POTENCIÓMETRO LINEAL SL60VB20K
El potenciómetro lineal SL60VB20K de cuatro terminales, tiene dimensiones de 1
cm de ancho por 8 cm de largo, es una resistencia variable con un rango de 0 a 50 k
Ω, que se controla por medio de una palanca que esta acoplada al regulador del
motor.
Este sensor fue utilizado debido a su alta resolución y la linealidad ideal para la
carrera de la palanca del regulador del combustible [50].
Este instrumento cuenta con las siguientes características técnicas:
Costo MN$ 40
Rango de 0 a 50 kΩ.
Potencia de 5W.
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En la figura 44 se pueden observar las características de rango, potencia y costo
para los tres modelos de tacómetros.
Figura 44: Comparación de tres modelos para el potenciómetro.
De acuerdo con los resultados mostrados en la figura 44, se determinó que el
potenciómentro, más adecuado es el modelo SL60VB20K, debido a que cumple con
los requerimientos técnicos y un modelo ideal para su instalación.
En la figura 45, se muestra la instalación del potenciómetro lineal.
Figura45: Instalación del Potenciómetro Lineal.
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3.6 INSTRUMENTACIÓN EN LA TEMPERATURA INSTANTÁNEA DEL MOTOR
A) Indicador de temperatura Modelo A20 y A25.
El Indicador de Temperatura modelo A20 Y A25 son instrumentos que trabajan por
medio de un diafragma, este sirve para interrumpir la acción de una alarma o
dispositivos eléctricos. Este instrumento tiene un bulbo sensible para que detecte la
temperatura de los gases, sirve como un interruptor On – Off [52].
El instrumento de la figura 46, cuenta con las siguientes características técnicas:
Contiene dos escalas: ºF y ºC
Tiene un rango de configuración de 66ºC a 150ºC
Resistente a la corrosión ya que el bulbo tiene policarbonato
Costo US$ 80.
Figura 46: Indicador de temperatura modelo A25 serie T [52].
El tipo de instalación que requiere el instrumento de la figura 46, no es el adecuado
según las necesidades del Motor Diesel Kama 170, debido a que tiene un tamaño
robusto, y no es ideal para el tamaño de la tapa en la culata de cilindro donde se
pretende instalar.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 68
B) Termopar tipo “K” Modelo 80pkK-25.
El termopar tipo “K” modelo 80pkK-25 es diseñado para ser utilizado en los
líquidos [53].
El instrumento de la figura 47, cuenta con las siguientes características técnicas:
Rango de temperatura de -40 °C a 350 °C.
Precisión de ± 2.2 °C.
Sensibilidad de 40.50 µV / °C.
Costo de US$ 198.
Escala en ºC Y ºF.
Figura 47: Termopar tipo "K" modelo 60 PK-25 [53].
El termopar tipo K, no cumple con las características demandadas por el motor
Diesel Kama 170, debido a que su rango de operación, en su temperatura máxima
sobrepasa el rango de operación, lo cual lo vuelve un instrumento de costo
elevado.
C) Termopar tipo “J” universal
El termopar es un dispositivo que está formado por la unión de dos metales
distintos que producen una FEM, donde La FEM es función de la diferencia de
temperatura entre uno de los extremos, denominado “punto caliente” o de medida
y el otro denominado “punto frío” o de referencia. El termopar se utiliza como
sensores de temperatura, son económicos, intercambiables, tienen conectores
estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas [52].
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 69
El instrumento de la figura 48, cuenta con las siguientes características técnicas:
Rango de temperatura de -40°C a 760ºC.
Sensibilidad de ~52 µV/°C.
Sensible a la corrosión.
Costo US$ 100
Escala en ºC Y ºF.
Figura48: Termopar tipo J universal [52].
En la figura 49, se muestra las gráficas de las diferentes características de los
instrumentos propuestos.
Figura 49: Comparación de los modelos de termopar.
De acuerdo con los resultados mostrados en la figura 49, se determinó que el
termopar más adecuado es el tipo J, debido a que cumple con los requerimientos
técnicos para su instalación en la tapa de culata de cilindros.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 70
SUMARIO
En el capítulo lll, se mostró la instrumentación realizada al motor Kama 170, donde
se instalo una base y un tablero de mediciones, con el objetivo de obtener una
lectura ergonómica y segura al operador. Se analizaron tres instrumentos a
seleccionar para cada variable, donde los instrumentos que se instalaron son:
Indicador de velocidad DHC6-Z, alimentado a 110 o 220 VCA, cuenta con una
carátula de 6 caracteres que puede proporcionar una lectura en RPM ó RPS con
un intervalo de 6 a 6000 RPM.
Sensor Inductivo Auxiliar, modelo 1204-pposs tipo PNP, alimentado 12-36 VCD
con un rango de detección de 1-4mm.
Sensor de oxígeno de sonda lambda, alimentado a 12 VCD que genera una
diferencia de potencial de 0 a 1000 mV, de CD cuando detecta partículas de
oxígeno en los gases de escape.
Potenciómetro lineal SL60VB20K, con un intervalo de 0 a 50 K Ω, generando una
resistencia variable, al haber una apertura en la mariposa de aceleración del
motor.
Una vez realizada la instrumentación eficiente en el capítulo lll, en el capítulo 4 se
realizan las pruebas experimentales a diferentes condiciones de trabajo, en donde
se evaluará el funcionamiento real del motor Kama 170, en el estado transitorio
que es el tiempo en el que tarda el motor en llegar a su temperatura nominal de
trabajo con combustible diesel.
Instrumentación del Motor diesel Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización
CAPÍTULO IV
“PRUEBAS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS”
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 72
4.1 DESCRPCION DE LA PANTALLA DE MONITOREO DEL MOTOR KAMA
Estudios realizados por universidad de Cartagena en España en conjunto con una
empresa del sector productivo desarrollaron experimentos en un motor diesel
modelo Agrale de un cilindro donde demostraron múltiples perturbaciones, se
presentan en el estado transitorio, uno de estos casos es la disminución de la
velocidad de la flecha de salida [1].
Actualmente el uso de programas computacionales facilitan el control de procesos
industriales, por lo general se pueden realizar un gran número de tareas. Con
esta premisa se utilizo un software de 4º generación integrada a un ambiente
grafico con la finalidad de reducir tiempos de programación y generar un interfaz
hombre- máquina de fácil acceso.
Visual Basic 6.0 es un programa basado en objetos, aunque no orientado a
objetos como C++ y Java. Está dirigido a la realización de programas para
Windows, logra incorporar todos los elementos de este entorno informático:
ventanas, botones, cuadros de dialogo y de texto, botones de opción y de
selección, barras de desplazamiento, gráficos, menús, etc.
Prácticamente todos los elementos de interacción con el usuario de los que
dispone Windows pueden ser programados en Visual Basic 6.0 de un modo muy
sencillo. En ocasiones bastan unas cuantas operaciones con el ratón y la
introducción a través del teclado de algunas sentencias para disponer de
aplicaciones con todas las características de Windows.
Visual Basic 6.0 es una excelente herramienta de programación que permite crear
aplicaciones propias (programas) para Windows. Con ella se puede crear desde
una simple calculadora hasta una hoja de cálculo de la talla de Excel (en sus
primeras versiones), pasando por un procesador de textos o cualquier otra
aplicación que se le ocurra al programador. Sus aplicaciones en ingeniería son
casi ilimitadas: representación de movimientos mecánicos o de funciones
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 73
matemáticas, gráficas termodinámicas, simulación de circuitos, etc. Este programa
permite crear ventanas, botones, menús y cualquier otro elemento de Windows de
una forma fácil e intuitiva.
Un programa (en sentido informático) está constituido por variables que contienen
datos con los que se trabaja y por algoritmos que son las sentencias que operan
sobre estos datos. La plataforma de control del motor Kama incorpora elementos
del entrono informático como son: ventanas, botones, cuadros de dialogo y de
texto, botones de opción y de selección, barras de desplazamiento, gráficos,
menús, etc.
La pantalla de monitoreo se encuentra dividida por las siguientes áreas como se
muestra en la figura 50.
a) Arranque y paro del programa
b) Indicador de apertura en la mariposa de aceleración.
c) Indicadores de los sensores de temperatura instantánea, moléculas de oxigeno,
y velocidad.
d) Temporizador.
Figura 50: Pantalla de monitoreo en visual basic.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 74
En la sección b) se visualiza los indicadores de la posición de aceleración en
donde cada vez que se realiza una prueba la primera operación que se debe de
realizar es la selección de la apertura de la mariposa en la barra que se muestra
en el inciso b) de la figura 50. Una vez seleccionado la apertura de aceleración
con la cual operara el motor se procede a arrancar el motor y encender el
programa con el botón ON, como se muestra en la sección a).
Una vez que el motor comienza su movimiento torsional, los sensores comienzan
a detectar el valor de cada variable correspondiente mostrando sus valores en la
sección c), cuando se requiere detener el programa para realizar una nueva
prueba se procede con el botón de OFF mostrado en la sección a). La pantalla
cuenta con un temporizador que proporciona la duración de cada prueba con el
objetivo de visualizar el tiempo en el cual el motor termina a su estado transitorio
que es el tiempo en el que el motor llega a su temperatura nominal de trabajo.
4.1.2 SISTEMAS EMBEBIDOS
Los sistemas embebidos son dispositivos usados para controlar equipos,
operación de maquinarias o plantas industriales completas. El término "embebido"
(también se lo conoce como "incrustado" o "embutido") y se pueden agrupar de las
siguientes maneras:
A) Microprocesadores individuales:
Pueden encontrarse en dispositivos como sensores de temperatura, detectores de
humo y gas, interruptores de circuitos, etc. Es poco probable que sean sensibles a
fechas, pero requieren de pruebas para su verificación.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 75
B) Conjuntos de microprocesadores sin funciones de reloj:
Controladores de flujo, amplificadores de señal, sensores de posición ,
servomecanismos de válvula. Es poco probable que estos sean afectados, sin
embargo su operatoria interna puede depender de un reloj provisto por un
dispositivo de tiempo que puede no ser compatible
C) Conjuntos de microprocesadores con funciones de reloj:
Equipos médicos de monitoreo, controladores, centrales telefónicas, sistemas de
adquisición de datos (SCADA), sistemas de diagnostico y tiempo real.
D) Sistemas computarizados usados en control de procesos e industrias:
Son computadoras conectadas a equipamiento para controlarla, En estos casos la
computadora se utiliza para el control y monitoreo del sistema.
El sistema embebido utilizado para el desarrollo de la interface hombre-máquina
del motor KAMA es una tarjeta “ Phidget interfece kit” la cual se muestra en la
siguiente figura 51.
Figura51: Phidget interfece kit [54].
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 76
La tarjeta de adquisición de datos Phidget mostrada en la figura 51 es compatible
con los sistemas operativos: Windows 2000/XP/Vista, Windows CE, Linux, y Mac
OS X. Y puede ser programada con leguajes de alto nivel como : VB6, VB.NET,
C#.NET, C++, Flash 9, Flex, Java, LabVIEW. La tarjeta se encuentra dividida en
las siguientes partes como se muestra en la figura 52:
A) 8 entradas digitales. Se emplean para conectar botones pulsadores,
interruptores, relevadores, etc.
B) 8 entradas analógicas. Se emplean para conectar sensores de temperatura,
posición, presión, etc.
C) 8 salidas digitales. Se utilizan para conectar relevadores de estado solidó,
leds, transistores, o cualquier otro dispositivo.
D) Alimentación de la tarjeta.
E) Conector para cable USB de internas con la PC
F) Conector para cable USB de comunicación para agregar otra tarjeta de
adquisición de datos phidget o cualquier otra.
Figura52: Tarjeta Phidget [54].
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 77
En la tabla 4.1 se presentan las aplicaciones de cada uno de los dispositivos de la
familia “Phidget interfece kit” [54].
TABLA 4.1: APLICACIONES DE LA FAMILIA PHIDGET.
DISPOSITIVO APLICACIÓN PhidgetEncoder Detecta cambios en la posición de un encoder
absoluto o incremental. PhidgetInterfaceKit Provee una combinación de salidas digitales,
entradas digitales y entradas analógicas. PhidgetServo Coloca un servo motor en una posición deseada,
dentro del rango de 0° a 180°. PhidgetRFID Lee las etiquetas de identificación de radio
frecuencia PhidgetTextLCD Despliega texto en un modulo LCD. PhidgetLED Controla la intensidad y el estado de un LED PhidgetTextLED Despliega texto y números en módulos de LED,
también se puede controlar la intensidad del modulo.
PhidgetAccelerometer Mide la fuerza en función de la gravedad y puede medir la aceleración dinámica y estática.
PhidgetWeightSensor Registra el peso de un objeto. PhidgetTemperatureSensor Registra la temperatura de un termocople y
notifica sobre cambios de temperatura. PhidgetMotorControl Controla el arranque y paro de un motor de
corriente directa, así como la velocidad de giro. PhidgetStepper Controla la posición, velocidad y aceleración de
un motor a pasos. PhidgetAdvancedServo Controla la posición velocidad y aceleración de
un servo motor en un rango de 0 a 180°.
En la figura 53 se presenta un diagrama esquemático de la forma cómo se lleva a
cabo la interfaz hombre-máquina, en donde el operario monitorea el
funcionamiento del motor directamente en la PC sin necesidad de ubicarse en
lugar de la maquina, si algún valor de las variables se encuentra fuera de su rango
de operación el operador lo podrá visualizar mediante la PC.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 78
Figura53: Diagrama de interacción hombre-máquina.
A) Operador. Persona que monitorea el comportamiento del motor mediante la
computadora
B) Computadora. Instrumento que permite monitorear los valores del motor en
tiempo real al operador
C) Motor de proceso. Maquina térmica que desarrolla un trabajo con el objetivo
de cumplir las necesidades del proceso.
D) Elemento final de control. Resistencia de calentamiento de combustible para
riel de inyectores
E) Elemento primario de medición. Instrumento capaz de medir la variable del
proceso, para este caso se trata de la temperatura instantánea del motor.
F) Phidget. Tarjeta de adquisición de datos que contiene las variables de
operación del motor.
G) Cable de comunicación USB. Comunica el phidget con la PC.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 79
4.2 PRUEBAS EXPERIMENTALES
De acuerdo con estudios realizados por distintas universidades del mundo, es
necesario monitorear el funcionamiento de los motores a velocidades altas,
medias y bajas en el estado transitorio [1], que corresponde desde la temperatura
inicial de arranque hasta su temperatura nominal de trabajo, con el objetivo de
implementar un dispositivo que mejore la eficiencia del motor. En la escuela
ESIMEZ se realizaron las pruebas experimentales con un motor diesel Kama 170
en el estado transitorio, donde los resultados de las variables monitoreadas se
obtienen bajo las siguientes unidades.
Para la temperatura instantánea del motor: Grados Celsius (ºC).
Para la velocidad: Revoluciones por Minuto (RPM).
Para la cantidad de oxígeno a la salida: Porcentaje (%).
Para la apertura de la mariposa de aceleración: Porcentaje (%).
De acuerdo con el principio de la termodinámica de los motores diesel, se necesita
mayor suministro de aire y de combustible cuando se encuentra en su estado
transitorio, para poder mantener la misma velocidad en la flecha de salida, como si
estuviera en su temperatura nominal de trabajo [55].
Al realizar las pruebas en el motor Kama 170 con el combustible diesel, en su
estado transitorio a una aceleración constante, la velocidad de la flecha de salida
aumenta conforme el motor se acerca a su temperatura nominal de trabajo.
Es importante monitorear la apertura de la mariposa de aceleración estableciendo
un punto inicial, esto se estipula según el porcentaje de apertura donde la finalidad
es controlar el flujo y la cantidad de combustible que es dirigida hacia la cámara
de combustión y conocer el comportamiento de las variables ya instrumentadas.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 80
Un porcentaje de aceleración del 100% no es recomendable, por seguridad del
motor y del personal que realiza la prueba, ya que si el motor trabaja a su máxima
capacidad sin carga, puede sufrir daños mecánicos y presentar un estado
inseguro para el medio donde se realiza la prueba [56].
Cada variable monitoreada del motor tiene un objetivo fundamental ya que para
visualizar el funcionamiento es necesario realizar pruebas a diferentes condiciones
de trabajo, debido a que los motores de combustión interna presentan diferentes
comportamientos en cada condición de operación donde estas dependen de
factores como: temperatura ambiente, localización, hora, fecha, altitud, carga
sometida al motor, etc. Por ende en el motor Kama se procedió a realizar las
pruebas en una sola localidad de la ciudad de México, con una altitud aproximada
de 2240 metros sobre el nivel del mar en la época de invierno durante el mes de
diciembre con un horario de 6 a 13 horas sin someterle carga con aceleraciones
bajas, medias y altas, donde la localización de los componentes para la puesta en
marcha se muestran en la figura 54, de acuerdo a los pasos que se muestran a
continuación.
1) Verifique que en la polea del motor, no se encuentre ningún material que pueda
obstruir el libre movimiento del motor.
2) Retire el tapón de combustible del tanque y verifique que el nivel se
encuentre superior al nivel del filtro de combustible.
3) Verifique que la palanca de paso de combustible de color blanca, que se
encuentra debajo del tanque de combustible, se encuentre señalando hacia la
parte inferior del motor.
4) Ajuste la apertura del acelerador deseada para el motor, por medio de la
palanca que se encuentra en la parte superior del motor.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 81
5) Presione hacia abajo la palanca del embrague, que se encuentra ubicada a un
costado del termopar, en la parte superior derecha de la culata de cilindro, al
mismo tiempo girar la polea del motor, con la mano hasta que se enclave la
palanca.
6) Jale el cordón hasta que el motor arranque.
Figura 54: Diagrama de localización de componentes para puesta en marcha.
Con base a lo mencionado anteriormente se establece el protocolo a las pruebas
en sus diferentes porcentajes de apertura de aceleración, de acuerdo con los
datos obtenidos por la tarjeta phiget se obtuvo que:
La prueba No. 1, se realizó con combustible diesel al 25 % de apertura en la
mariposa de aceleración durante 19 minutos con el siguiente comportamiento:
Inge
En laacel
niería en C
6
6
6
6
7
7
7
VELOCIDAD (R
PM)
V
a figura 55eración.
Control y Au
690
690
680
685
690
695
700
705
710
1 2
TABL
VELOCIDAD (RPM)
690
690
691
692
692
692
696
696
697
697
699
700
701
702
702
702 704
704
704
5 se presen
FIGUR
Instrumen
utomatizac
691 692
692
692
3 4 5 6
VELO
LA 4.2: VELOCID
TEMPERA2
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
99
9
9
nta la gráfic
RA 55: Gráfica al
ntación del M
ción
692
696
696 697
6 7 8 9
TIEMP
OCIDAD
VELOCIDAD
DAD (RPM) AL 25
ATURA Cº 23
23
28
34
38
43
48
53
58
64
69
74
79
84
89
91 96
96
96
ca de velo
25 % de aceler
otor Kama 17
697 699 700 701
10 11 12 13
PO (min)
(RPM)
D (RPM)
5% ACELERACIÓ
CANTIDADOXÍGENO (
0
80
105
90
105
110
150
380
310
353
358
290
350
300
270
220 380
240
250
cidad al 25
ración.
70
701 702
702
702
3 14 15 16
ÓN.
D DE (mV) TIEM
5 % de ape
P
704
704
704
17 18 19
MPO (min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
ertura de
ágina 82
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 83
En la figura 57, se presenta la gráfica donde se observa el aumento de la
velocidad en la flecha de salida conforme aumenta la temperatura instantánea del
motor, ya que el motor tiene una mejor eficiencia cuando alcanza su temperatura
nominal de trabajo, en este caso el motor, comenzó a trabajar con su mínima
apertura de aceleración, lo que originó que hasta el minuto 17, se alcanzara su
máximo régimen de revoluciones por minuto, debido a que a menor aceleración, el
motor tarda más en llegar a su temperatura nominal.
La prueba No.2, se realizó con combustible diesel al 35% de apertura en la
mariposa de aceleración, durante el mismo periodo de tiempo con el
comportamiento siguiente:
TABLA 4. 3: VELOCIDAD (RPM) AL 35% DE ACELERACIÓN.
VELOCIDAD (RPM) TEMPERATURA Cº
CANTIDAD DE OXÍGENO (mV) TIEMPO (min)
999 22 50 1
1000 28 80 2
1008 38 105 3
1010 49 150 4
1010 58 280 5
1010 69 216 6
1012 70 280 7
1014 80 240 8
1015 84 310 9
1015 88 353 10
1015 91 358 11
1015 92 360 12
1015 93 350 13
1015 95 370 14
1015 95 270 15
1015 96 220 16
1014 96 240 17
1014 96 240 18
1014 96 210 19
Inge
En l
acel
traba
origi
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el m
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La p
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com
niería en C
VELOCIDAD (R
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minuto 16,
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Control y Au
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1000
990
995
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1010
1015
1020
1 2
56 se pre
onde se o
do a que la
aumento
abajo en m
posterior
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FIGURA
o.3, se rea
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Instrumen
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1000
1008 1010
1010
2 3 4 5
VELO
esenta la g
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a apertura
en el trab
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a este m
de enfriam
56: Gráfica al 3
alizó con
ción duran
te:
ntación del M
ción
1010 1012 1014
1015
6 7 8 9
TIEM
OCIDAD
VELOCIDAD
gráfica de
tiempo en
de la mar
bajo del m
po, lo cual
minuto se
miento del m
35 % de acelera
combustib
nte el m
otor Kama 17
1015
1015
1015
1015
10 11 12 13
MPO (min)
D (RPM)
D (RPM)
e velocidad
n que alca
riposa de
motor y és
l se observ
observa q
motor es d
ación.
ble diesel
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70
1015
1015
1015
1015
1014
3 14 15 16 1
d al 35 %
anza su m
aceleració
ste alcanc
va desde
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deficiente.
al 50% d
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P
1014
1014
1014
17 18 19
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locidad dis
de apertur
tiempo
ágina 84
rtura de
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Inge
En lacel
VE
niería en C
a figura 57eración.
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1300
1304
1309
1314
1312
1313
1316
1316
1316
1315
1315
1314
1313
1313
1313
1313
1313
Control y Au
1290
1295
1300
1305
1310
1315
1320
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PM)
7 se presen
TEMPERA23
30
39
50
59
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79
88
93
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95
95
96
96
96
97
96
96
Instrumen
utomatizac
1299
1300 13
0413
09
0
5
0
5
0
5
0
1 2 3 4
VEL
nta la gráfi
FIGURA 57:
TURA Cº 3
0
9
0
9
9
8
3
4
5
5
6
6
6
7
6
6
ntación del M
ción
130913
1413
1213
13 1316
1316
5 6 7 8 9
TIEMP
LOCIDAD
VELOCIDA
ica de velo
Gráfica al 50%
CANTIDAD OXÍGENO (m
105
98
155
140
190
380
420
350
190
290
350
300
350
300
270
290
330
310
otor Kama 17
1316
1316
1315
1315
1314
9 10 11 1213
PO (min)
D (RPM)
AD (RPM)
ocidad al 5
% de aceleración
DE mV)
70
1313
1313
1313
1313
1313
14 15161718
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0 % de ap
n.
TIEMPO (min1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
P
1313
1313
8 19
TAVE(RDEACN.
ertura de
n)
ágina 85
ABLA 4.4: ELOCIDAD
RPM) AL 50% E CELERACIÓ
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 86
En la figura 57, se presenta la gráfica correspondiente a este analisis donde la
velocidad del motor alcanza su máximo régimen de trabajo a un menor tiempo,
como se observa hasta el minuto 8 de su arranque, posterior al minuto 12, la
velocidad disminuye ya que el motor sobrepasa la temperatura ideal necesaria
para desarrollar su máxima velocidad debido a que el motor se encuentra
acelerado al 50 % de su capacidad.
La prueba No.4, se realizó con el combustible diesel al 85 % de apertura de la
mariposa de aceleración durante el mismo periodo de tiempo con el
comportamiento siguiente:
TABLA 4.5: VELOCIDAD (RPM) DE ACELERACIÓN.
VELOCIDAD (RPM) TEMPERATURA Cº
CANTIDAD DE OXÍGENO (mV) TIEMPO (min)
1884 23 105 1 1890 33 98 2 1893 45 155 3 1895 55 210 4 1896 67 190 5 1899 78 380 6 1900 85 420 7 1900 94 350 8 1897 95 190 9 1897 96 290 10 1897 96 350 11 1897 96 310 12 1897 95 350 13 1897 96 310 14 1897 96 270 15 1897 96 280 16 1897 96 330 17 1897 96 310 18 1897 96 390 19
Inge
En lacel
En l
veloc
85%
por
temp
De a
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cual
niería en C
la figura 5eración.
la figura 6
cidad máx
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minuto, p
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Control y Au
1884
1875
1880
1885
1890
1895
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VELOCIDAD (R
PM)
58 se pre
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celeración,
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Instrumen
utomatizac
1884
1890 18
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1 2 3 4 5
VELO
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FIGURA 58:
sible aprec
rabajo, deb
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1899
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otor Kama 17
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PO (min)
(RPM)
(RPM)
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1897
1897
1897
1897
1897
14 15 16 17 18
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1897
1897
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ágina 87
rtura de
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a de los
a mayor
rabajo lo
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 88
4.3 MEJORAMIENTO DE LA VELOCIDAD DE LA FLECHA DE SALIDA DEL MOTOR
De acuerdo con los resultados experimentales obtenidos en las tablas y gráficas,
se observo que existe una disminución de la velocidad en la flecha de salida
durante el estado transitorio del motor, debido a la baja temperatura del mismo
cuando se encuentra en el arranque. Por ello se procede a proponer un sistema
de control de lazo cerrado para compensar la perturbación originada en el estado
transitorio del motor.
Un sistema de control es el conjunto de dispositivos que interactúan para lograr un
objetivo de control, para lo que se emplean sistemas de control de lazo cerrado o
lazo abierto y los elementos que los conforman son los siguientes:
-Planta o sistema a controlar.
-Controlador.
-Elemento primario de medición.
-Elemento final de control.
En los sistemas de lazo abierto la salida no afecta la acción de control y no se
mide la salida ni se realimenta para compararla con la entrada. En cualquier
sistema de control en lazo abierto la salida no se compara con la entrada de
referencia, por tanto a cada entrada de referencia le corresponde una condición
operativa fija; como resultado, la precisión del sistema depende de la calibración.
Ante la presencia de perturbaciones un sistema de control en lazo abierto no
realiza la tarea deseada. En la práctica, el control en lazo abierto sólo se utiliza si
se conoce la relación entre la entrada y la salida y si no hay perturbaciones
internas ni externas, donde sus elementos básicos son:
1. Elemento de control: Este elemento determina qué acción se va a tomar, dada
una entrada al sistema de control.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 89
2. Elemento de corrección: Este elemento responde a la entrada que viene del
elemento de control e inicia la acción para producir el cambio en la variable
controlada al valor requerido.
3. Proceso: El proceso o planta en el sistema en el que se va a controlar la
variable.
En la figura 59 se muestra el diagrama de bloques de un sistema de lazo abierto.
. FIGURA 59: Diagrama de bloques lazo abierto [57].
En un sistema de control en lazo cerrado, se retroalimenta al controlador la señal
de error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la salida
(que puede ser la señal de salida misma o una función de la señal de salida y sus
derivadas o integrales), a fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un
valor conveniente. El término control en lazo cerrado siempre implica el uso de
una acción de control realimentando para reducir el error del sistema. Los
elementos de un control de lazo cerrado se muestran a continuación.
1. Elemento de comparación: Este elemento compara el valor requerido o de
referencia de la variable por controlar con el valor medido de lo que se obtiene a la
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 90
salida, produce una señal de error la cual indica la diferencia del valor obtenido a
la salida y el valor requerido.
2. Elemento de control: Este elemento decide que acción tomar cuando se recibe
una señal de error.
3. Elemento de corrección: Este elemento se utiliza para producir un cambio en
el proceso al eliminar el error.
4. Elemento de proceso: El proceso o planta, es el sistema dónde se va a
controlar la variable.
5. Elemento de medición: Este elemento produce una señal relacionada con la
condición de la variable controlada, proporciona la señal de realimentación al
elemento de comparación para determinar si hay o no error. En la figura 60 se
muestra el diagrama a bloques de un sistema de control de lazo cerrado.
FIGURA 60 Diagrama de bloques lazo abierto Cerrado[57] .
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 91
Para compensar la perturbación de la disminución de la velocidad como se
muestra en las tablas 4.2, 4.3, 4.4 y 4.5 en los primeros minutos de las pruebas,
del motor se instaló un sistema de control lazo cerrado en donde se planteo
calentar la temperatura del combustible en el riel de inyector de acuerdo al
diagrama de la figura 61.
FIGURA 61: DIAGRAMA TIPICO DE INSTRUMENTACIÓN.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 92
En el diagrama de la figura 61, se presenta la forma de cómo se realiza la
implementación de control de temperatura, el cual manipula una resistencia en el
riel del inyector, cuando la temperatura instantánea del motor es baja.
La pantalla de monitoreo y control desarrollado en visual basic queda de la
siguiente manera (figura 62).
.
FIGURA 62: PANTALLA VISUAL BASIC DE MONITOREO Y CONTROL CON RELEVADOR ENCENDIDO.
De acuerdo a lo descrito en el capítulo anterior y con ayuda del diagrama de flujo
presentado en la figura 62 se desarrolla la plataforma de control de temperatura, la
cual está formada por las siguientes partes:
a) Representación de relevador de estado sólido en posición ON. (luz
indicadora color verde). Esta permanece encendida mientras la temperatura
instantánea es inferior a los “52 c°”.
b) Indicador de temperatura instantánea del motor. El valor cambia conforme
aumenta o disminuye la temperatura instantánea.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 93
En la figura 63 se presenta la plataforma de control de temperatura en posición off
donde está formada por las siguientes partes:
a) Representación de relevador de estado sólido en posición OFF. (luz
indicadora color rojo). Esta permanece encendida mientras la temperatura
instantánea es superior a los “52 c°”.
b) Indicador de temperatura instantánea del motor. El valor cambia conforme
aumenta o disminuye la temperatura instantánea.
FIGURA 63: PANTALA VISUAL BASIC DE MONITOREO Y CONTROL CON RELEVADOR APAGADO.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 94
El diagrama de flujo de la figura 64 se utilizó para desarrollar la rutina de
sentencias y arreglos de la plataforma de control que describe la interfaz hombre-
máquina.
El cuerpo principal del programa lo conforma la estructura de programación
necesaria para definir el aspecto de la pantalla, donde se monitorean el valor de
las variables a medir o controlar. Cuando el programa termina de cargar los
valores, pregunta por el estado actual de los mismos y de esta forma hace la
redirección del flujo de programa hacia la rutina correspondiente.
Figura 64: Diagrama de flujo de rutina.
Dentro del diagrama de flujo de la Figura 64 se observa una serie de subrutinas
para el manejo de constantes, inicialización de variables y de comunicación con la
tarjeta de phidget, de la cual destacan las subrutinas de selección de temperatura
y la subrutina que actualiza la posición del calentador.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 95
En la tabla 4.6 se presenta la comparación de dos pruebas realizadas al 50% de
aceleración, donde el color azul (izquierda) representa los valores obtenidos sin
utilizar la implementación del control de temperatura y el color rosa (derecha)
presenta los valores obtenidos con la implementación del control.
TABLA 4.6: VELOCIDAD (RPM) DE ACELERACIÓN.
En la tabla 4.6 se observa como la implementación del control aumenta la
velocidad y la temperatura en un menor tiempo, debido a que el calentamiento del
combustible ayuda a incrementar la temperatura de combustión que se realiza en
el motor.
VELOCIDAD (RPM)
TEMPERATURA C°
OXIGENO (%) VELOCIDAD (RPM)
TEMPERATURA C°
OXIGENO (%)
TIEMPO (MIN)
1299 23 105 1255 20 105 1
1300 30 96 1305 35 100 2
1304 39 155 1312 45 150 3
1309 50 200 1325 53 140 4
1314 59 300 1340 64 190 5
1312 71 359 1355 75 200 6
1313 79 190 1371 82 150 7
1316 88 290 1400 95 300 8
1316 93 350 1450 98 200 9
1316 94 190 1470 98 50 10
1315 95 290 1470 98 40 11
1315 95 350 1470 102 30 12
1314 96 300 1475 99 20 13
1313 96 350 1480 99 50 14
1313 96 300 1475 99 100 15
1313 96 270 1475 102 150 16
1313 97 290 1480 100 200 171313 96 330 1480 100 190 18
1313 96 310 1480 100 120 19
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 96
En la figura 65 se presenta la gráfica de la variación de velocidad con respecto al
tiempo que muestra la tabla 4.6, la cual indica la velocidad que desarrolla el motor
cuando opera con y sin control de temperatura (líneas rojo y azul
respectivamente).
Figura 65: Grafica de velocidad con y sin control.
La gráfica de la figura 65 se presenta las velocidades en la flecha de salida
donde el calentamiento del combustible que ingresa a una mayor temperatura en
la cámara de combustión mejora la explosión. Así como también se observar una
mezcla aire combustible más eficiente (mezcla rica), debido a que las moléculas
de oxigeno que ingresan a la cámara de combustión son quemadas entre un 80%
y 90%, a diferencia de las pruebas realizadas sin la implementación de control,
como se muestra en la tabla 4.6.
1100
1150
1200
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
VELOCIDAD(RPM) SIN CONTROL
VELOCIDAD (RPM) CON CONTROL
Instrumentación del Motor Kama 170
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En la figura 66 se presenta la gráfica de la variación de la temperatura con
respecto al tiempo, de los valores que muestra la tabla 4.6, que indica la
velocidad que desarrolla el motor cuando opera con y sin el control de
temperatura de combustible (líneas rojo y azul respectivamente).
Figura 66: Gráfica De temperatura con y sin control.
La figura 66 presenta los resultados de la prueba realizada con control de
temperatura (representada por la línea roja), el cual llego a su temperatura
nominal de trabajo en el minuto 10, a diferencia de la prueba realizada sin control
(representada por la línea azul) que llega a su temperatura nominal de trabajo
después del minuto 19.
La disminución del tiempo transitorio mejora la eficiencia del motor debido a que
cuando opera a temperaturas inferiores existe un mayor consumo de combustible
y aumentan las emisiones contaminantes, ya que cada fabricante diseña los
motores para que sean operados a su temperatura nominal de trabajo.
0
20
40
60
80
100
120
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
TEMPERATURA (C°) SIN CONTROL
TEMPERATURA (C°) CON CONTROL
Instrumentación del Motor Kama 170
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En la figura 67 se presenta la gráfica de diferencia de moléculas de oxigeno
sobrantes en el múltiple de las pruebas realizadas con control de temperatura
(línea de color rojo) y sin control de temperatura (línea de color azul) que
corresponden a los valores de la tabla 4.6.
Figura 67: Gráfica de moléculas de oxigeno sobrantes en los gases de escape.
En la figura 67 se presenta en la gráfica una disminución en la moléculas de
oxigeno en el múltiple de escape debido a que existe una mezcla rica en la
cámara de combustión del motor, como se analizó en el capítulo 1 por el autor
Edward. F Obert. El cual menciona que un motor de combustión interna realiza
una mezcla rica cuando existe el mismo número de moléculas de oxigeno y de
combustible (mezcla estequiometria) y una mezcla pobre cuando existen mayor
numero de moléculas de oxigeno en los gases de escape [41]. Para el caso del
motor
Kama en el estado transitorio disminuye las moléculas de oxigeno al usar el
control de temperatura, como se muestra en la figura 68 y en la tabla 4.6
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
OXIGENO(%) SIN CONTROL
OXIGENO(%)CON CONTROL
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 99
SUMARIO.
En el capítulo 4 se mostro la implementación de una tarjeta de adquisición de
datos Phidget intefece kit que cuenta con 8 salidas digitales, 8 entradas analógicas
y 8 entradas digitales la cual se conecta mediante el puerto USB. La tarjeta y la
programación en lenguaje Visual Basic, permite realizar la interacción entre el
operador y el motor Kama por medio de la computadora, donde se puede
monitorear el comportamiento de las variables del motor que fueron
instrumentadas en el capítulo 3. Por medio de la pantalla de visualización en la
PC, sin necesidad que el operador se encuentre en el motor, se pueden manipular
las variables involucradas en las prueba de eficiencia y almacenarlas en la PC.
Una vez obtenido el funcionamiento real del motor en la PC, se procedió a
implementar un dispositivo para mejorar la velocidad de la flecha de salida en el
estado transitorio, destacando el uso del control de una resistencia de
calentamiento acoplada al riel del inyector, esta es activada por un relevador de
estado solido controlado por la tarjeta phidget provocando como resultado un
aumento notable en la velocidad de la flecha de salida, disminuyendo el tiempo
transitorio y las moléculas de oxigeno en los gases de escape.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 100
CONCLUSIONES
A partir de la problemática de la escasez del petróleo en el mundo, se plantea el
mejoramiento de los motores de ciclo diesel, por lo cual, diferentes universidades
del mundo han realizado estudios. En México solo el Tecnológico de Monterrey y
la Universidad de Vasconcelos Oaxaca, son las que han desarrollado estos
trabajos; en ESIME Unidad Zacatenco, se está dando con este proyecto, el primer
paso para el mejoramiento de la eficiencia de los motores de ciclo diesel,
evaluando el motor diesel Kama 170 en su estado transitorio.
En el estado del arte se presento una investigación sobre las características
generales de los combustibles con los que puede funcionar los motores de ciclo
Diesel como es el caso del diesel de origen fósil y biodiesel de origen biológico
donde éste se ha comercializado en todo el mundo, obteniendo una gran
desventaja debido a que se incrementa su costo de fabricación entre un 30% y
50% dependiendo del método de fabricación y de la semilla a utilizar, ya que
previamente se requiere un cultivo.
En Europa y Centro América realizaron estudios al usar biodiesel como
combustible, demostrando múltiples perturbaciones y problemas como la
disminución de la potencia y velocidad de la flecha de salida, ocasionada por
puntos de explosión y densidad mayores, generando a largo plazo una obstrucción
por residuos de polímeros al realizarse la combustión en los sistemas de
inyección; por ende a estas problemáticas se planteo la mejora del funcionamiento
del motor Kama 170 con combustible diesel ya que este motor no contiene
sensores o controles que mejore su operación bajo cualquier condición de trabajo,
generando una baja optimización en el consumo de combustible y elevadas
emisiones contaminantes, debido a que es de uso agropecuario y de bajo costo de
adquisición.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 101
Derivado de los análisis de los sistemas de lubricación, mecánico, admisión,
escape, combustible y enfriamiento, se obtuvieron áreas de trabajo y puntos
específicos, donde fueron colocados sensores e instrumentos de medición que
permitieron la recopilación de las variables de interés.
Se obtuvo la correcta selección de instrumentos al realizar un estudio a tres
diferentes instrumentos por variable a medir, donde se analizaron características
como rango de operación, costo, precisión y disponibilidad, generando una
adquisición de variables eficiente.
En la revisión bibliográfica mostrada en esta disertación, se estableció que los
motores de ciclo diesel presentan una notable disminución de las revoluciones por
minuto, durante el tiempo en el que el que éstos tardan en llegar a su temperatura
nominal de trabajo, así mismo, las pruebas experimentales realizadas bajo
diferentes condiciones de operación del motor kama modelo 170 demostraron
dicha premisa, planteada al inicio de la investigación.
Se realizo la correcta instalación de los sensores y controles para la medición de
variables como: temperatura, cantidad de oxigeno sobrante en el múltiple de
escape, apertura de la mariposa de aceleración, temperatura instantánea del
motor y velocidad en la flecha de salida, con lo que se consiguió conocer las
perturbaciones en las etapas de arranque y temperatura nominal de trabajo.
Los instrumentos implementados, mencionados en el Capítulo III, permitieron
monitorear las variables del motor Kama 170. En las gráficas de las figuras 61 a
64, se observa que el motor, mientras tenga mayor apertura de aceleración,
alcanza más rápido su máxima velocidad, teniendo como temperatura instantánea
de 81 a 94 °C. Así mismo, entre mayor sea la temperatura, el tiempo transitorio
será menor.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 102
Por otro lado, en el estudio experimental se utilizó combustible diesel, tabulando
el comportamiento bajo las siguientes condiciones de trabajo: Ubicación
geográfica, temperatura ambiente, temperatura del motor y altitud. Se concluye
que el mejoramiento de la eficiencia del motor en el estado transitorio, se logra al
implementar una resistencia para el calentamiento del combustible en el riel del
inyector. Está siendo energizada por un relevador de estado sólido, así mismo,
controlada mediante la tarjeta de adquisición de datos y programada mediante
una computadora, utilizando paquetería computacional especializada orientada a
objetos.
Final mente mediante esta investigación, se logró incrementar la velocidad de la
flecha de salida así como la disminución de la emisiones contaminantes y el
tiempo del estado transitorio del motor kama 170 como se muestra en las gráficas
de las figuras 67, 68 y 69 que comprenden a la tabla 4.6, basándose en los datos
recopilados de la literatura especializada y los resultados obtenidos de forma
experimental, mediante las instrumentación ya establecida y a su vez,
comprobando los experimentos que le anteceden al autor Macarena Carolina [ ].
Los resultados obtenidos en este trabajo, en cuanto a la implementación de
instrumentos que mejoraron el funcionamiento del motor Kama 170 pueden ser
extrapolados a cualquier motor de ciclo Diesel debido a que todos los motores
trabajan bajo el mismo principio de operación de termodinámica, lo cual el Instituto
Politécnico Nacional da el primer paso para el mejoramiento de operación de los
motores de combustión interna que utilizan diesel como combustible generando,
un panorama mayor para estudios posteriores.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 103
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICAS
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Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 104
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2000. [57] "http://es.wikipedia.org/wiki/Proporcional_integral_derivativo," 2009.
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ANEXO I
INSTRUCTIVO PARA PUESTA EN MARCHA Y TOMA DE MEDICIONES 1 Verifique que en la polea del motor, no se encuentre ningún material que pueda obstruir el libre movimiento del motor.
. 2 Retire el tapón de combustible del tanque y verifique que el nivel se encuentre superior al nivel del filtro de combustible.
. 3 Verifique que la palanca de paso de combustible de color blanca, que se encuentra debajo del tanque de combustible, se encuentre señalando hacia la parte inferior del motor.
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Ingeniería en Control y Automatización Página 107
4 Coloque una diferencia de potencial de 12 V, en el par de bornes superiores izquierdos ubicados en el tablero azul de mediciones del motor, durante 5 min, para poder calentar la resistencia de caldeo del sensor de oxígeno y tomar la lectura adecuada cuando el motor se encuentre funcionando. 5 Coloque las dos puntas del voltmetro en los bornes que se encuentra al costado derecho de los bornes de alimentación, para medir el porcentaje de oxígeno en los gases de escape. 6 Ajuste la apertura del acelerador deseada para el motor, por medio de la palanca que se encuentra en la parte superior del motor, para saber el porcentaje de aceleración del motor coloque un óhmetro en los bornes superiores centrales del motor, ubicados en el tablero de mediciones del motor, tomando en cuenta que 42 KΩ equivalen al 100 % aceleración y 2.2 KΩ al 0 % de aceleración del motor.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 108
7 Conecte el tacómetro DHC a una fuente de 127 VCA como se muestra en la siguiente figura. 7 Coloque el voltmetro o pirómetro en los bornes centrales inferiores en el tablero de mediciones del motor, para medir la temperatura instantánea del motor. 8 Presione hacia abajo la palanca del embrague, que se encuentra ubicada a un costado del termopar, en la parte superior derecha de la culata de cilindro, al mismo tiempo gire la polea del motor, con la mano hasta que se enclave la palanca.
8 Para poner en marcha el motor, jale el cordón de arranque que se muestra en la siguiente figura, tenga cuidado de que el motor no se jale hacia usted.
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9 Tome la lectura de cada instrumento mencionado, como se muestra en la siguiente figura. 10 Tome lectura de las RPM´s del motor, por medio de la carátula DHC de color blanca ubicada en el tablero de instrumentos del motor.
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ANEXO II
ESPECIFICACIONES DEL MOTOR KAMA
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PARTES DEL MOTOR (SISTEMAS DESGLOSADOS POR PARTES)
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Ingeniería en Control y Automatización Página 112
ANEXO III
Pruebas que se realizaron al 25% de apertura de aceleración del motor Kama en diferentes días.
VELOCIDAD (RPM)
TEMPERATURACANTIDAD
DE OXÍGENO
(mV)
TIEMPO (min)
INSTANTÁNEA DEL MOTOR
(°C)
690 23 0 1
690 23 80 2
691 28 105 3
692 34 90 4
692 38 105 5
692 43 110 6
696 48 150 7
696 53 380 8
697 58 310 9
697 64 353 10
699 69 358 11
700 74 290 12
701 79 350 13
702 84 300 14
702 89 270 15
702 91 220 16
704 96 380 17
704 96 243 18
704 96 250 19
a)
Media Aritmética 697.421053 62.421053 228.63158
Moda 692 96 105
Mediana 697 64 250
b)
Tabla 1. (a) Análisis de pruebas realizadas al 25% de apertura de aceleración, día 1.
(b) Media Aritmética, Moda y Mediana.
Instrumentación del Motor Kama 170
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VELOCIDAD (RPM)
TEMPERATURACANTIDAD
DE OXÍGENO
(mV)
TIEMPO (min) INSTANTÁNEA
DEL MOTOR
(°C) 689 21 45 1 690 21 77 2 692 27 142 3 692 31 140 4 692 38 120 5 692 42 196 6 692 47 186 7 695 51 229 8 695 58 238 9 695 59 290 10 698 65 378 11 699 69 345 12 700 79 337 13 700 83 347 14 700 88 360 15 703 93 390 16 704 97 312 17 704 97 290 18 705 97 332 19
a)
Media Aritmética 696.684211 61.210526 250.210526
Moda 692 97 290
Mediana 695 59 290
b)
Tabla 2. (a) Análisis de pruebas realizadas al 25% de apertura de aceleración, día 2.
(b) Media Aritmética, Moda y Mediana.
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VELOCIDAD (RPM)
TEMPERATURA
CANTIDAD DE OXÍGENO
(mV) TIEMPO
(min) INSTANTÁNEA DEL MOTOR
(°C) 692 24 20 1 691 25 110 2 693 29 106 3 693 36 110 4 693 41 133 5 694 45 157 6 697 49 152 7 697 56 222 8 699 62 384 9 699 66 310 10 702 71 340 11 702 76 348 12 703 82 297 13 703 85 374 14 704 89 321 15 704 89 283 16 704 95 259 17 704 96 331 18 705 96 348 19
a)
Media Aritmética 698.89474 63.7894737 242.3684211
Moda 704 89 110
Mediana 699 66 283
Tabla 3. (a) Análisis de pruebas realizadas al 25% de apertura de aceleración, día 3. (b) Media Aritmética, Moda y Mediana.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 115
Pruebas que se realizaron a un 35% de apertura de aceleración del motor Kama
en diferentes días.
VELOCIDAD
(RPM)
TEMPERATURACANTIDAD
DE OXÍGENO
(mV)
TIEMPO (min)
INSTANTÁNEA
DEL MOTOR
(°C)
999 22 50 1
1000 28 80 2
1008 38 105 3
1010 49 150 4
1010 58 280 5
1010 69 216 6
1012 70 280 7
1014 80 240 8
1015 84 310 9
1015 88 353 10
1015 91 358 11
1015 92 360 12
1015 93 350 13
1015 95 370 14
1015 95 270 15
1015 96 220 16
1014 96 240 17
1014 96 240 18
1014 96 210 19
a)
Media Aritmética: 1011.8421 75.57894 246.42105
Moda: 1015 96 240 Mediana: 1014 86 255
b)
Tabla 4. (a) Análisis de pruebas realizadas al 35% de apertura de aceleración, día 1.
(b) Media Aritmética, Moda y Mediana.
Instrumentación del Motor Kama 170
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VELOCIDAD (RPM)
TEMPERATURACANTIDAD
DE OXÍGENO
(mV)
TIEMPO (min) INSTANTÁNEA
DEL MOTOR
(°C)
997 21 45 1
999 22 66 2
999 27 123 3
1003 36 167 4
1005 45 212 5
1008 57 237 6
1010 68 268 7
1012 73 285 8
1014 79 232 9
1015 83 343 10
1014 87 382 11
1014 92 350 12
1015 92 376 13
1015 93 334 14
1015 94 278 15
1015 95 398 16
1015 96 358 17
1014 96 285 18
1014 96 275 19
a)
Media Aritmética: 1010.1579 71.157895 263.89474
Moda: 1015 96 285 Mediana: 1014 81 281.5
b)
Tabla 5. (a) Análisis de pruebas realizadas al 35% de apertura de aceleración, día 2. (b) Media Aritmética, Moda y Mediana. ig491@chrysler.com
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VELOCIDAD (RPM)
TEMPERATURACANTIDAD
DE OXÍGENO
(mV)
TIEMPO (min) INSTANTÁNEA
DEL MOTOR
(°C)
1002 24 70 1
1003 25 90 2
1005 29 158 3
1010 37 136 4
1011 46 186 5
1013 57 234 6
1013 69 278 7
1014 74 234 8
1015 86 289 9
1016 93 340 10
1016 94 312 11
1016 94 396 12
1015 95 405 13
1015 95 380 14
1015 96 320 15
1014 96 321 16
1014 96 335 17
1014 95 297 18
1014 96 303 19
a)
Media Aritmética: 1012.3684 73.526316 267.57892
Moda: 1014 96 234 Mediana: 1014 89.5 296
b)
Tabla 6. (a) Análisis de pruebas realizadas al 35% de apertura de aceleración, día 3. (b) Media Aritmética, Moda y Mediana.
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Pruebas que se realizaron al 50% de apertura de aceleración del motor Kama en diferentes días.
VELOCIDAD (RPM)
TEMPERATURA INSTANTÁNEA
DEL MOTOR
CANTIDAD DE
OXÍGENO (mV)
TIEMPO (min)
(°C)
1299 23 105 1
1300 30 98 2
1304 39 155 3
1309 50 140 4
1314 59 190 5
1312 71 380 6
1313 79 420 7
1316 88 350 8
1316 93 190 9
1316 94 290 10
1315 95 350 11
1315 95 300 12
1314 96 350 13
1313 96 300 14
1313 96 270 15
1313 97 290 16
1313 96 330 17
1313 96 310 18
1313 96 310 19
a)
Media Aritmética: 1311.6316 78.368421 269.89474
Moda: 1313 96 350 Mediana: 1313 94 300
b)
Tabla 7. (a) Análisis de pruebas realizadas al 50% de apertura de aceleración, día 1.
(b) Media Aritmética, Moda y Mediana.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 119
VELOCIDAD (RPM)
TEMPERATURA INSTANTÁNEA
DEL MOTOR
CANTIDAD DE
OXÍGENO (mV)
TIEMPO (min)
(°C)
1298 20 60 1
1301 27 80 2
1304 36 150 3
1309 47 189 4
1312 59 233 5
1313 68 354 6
1313 78 389 7
1315 88 412 8
1316 95 234 9
1315 95 198 10
1316 96 325 11
1315 96 378 12
1315 96 289 13
1314 97 278 14
1314 96 296 15
1313 96 357 16
1313 96 324 17
1314 96 374 18
1314 96 374 19
a)
Media Aritmética: 1311.7895 77.789474 278.63158
Moda: 1313 96 374 Mediana: 1314 95 296
b)
Tabla 8. (a) Análisis de pruebas realizadas al 50% de apertura de aceleración, día 2.
(b) Media Aritmética, Moda y Mediana.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 120
VELOCIDAD (RPM)
TEMPERATURA INSTANTÁNEA
DEL MOTOR
CANTIDAD DE
OXÍGENO (mV)
TIEMPO (min)
(°C)
1300 25 54 1
1302 31 99 2
1306 40 88 3
1310 53 167 4
1313 61 212 5
1314 75 332 6
1315 85 189 7
1317 90 213 8
1317 95 323 9
1318 96 298 10
1316 95 256 11
1316 95 234 12
1317 95 289 13
1315 96 268 14
1315 95 278 15
1313 97 347 16
1314 97 321 17
1315 96 290 18
1315 96 290 19
a)
Media Aritmética: 1313.0526 79.631579 239.368421
Moda: 1315 95 290 Mediana: 1315 95 268
b)
Tabla 9. (a) Análisis de pruebas realizadas al 50% de apertura de aceleración, día 3.
(b) Media Aritmética, Moda y Mediana.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 121
Pruebas que se realizaron al 85% de apertura de aceleración del motor Kama en diferentes días.
VELOCIDAD (RPM)
TEMPERATURA INSTANTÁNEA
DEL MOTOR
CANTIDAD DE
OXÍGENO (mV)
TIEMPO (min)
(°C)
1884 23 105 1
1890 33 98 2
1893 45 155 3
1895 55 210 4
1896 67 190 5
1899 78 380 6
1900 85 420 7
1900 94 350 8
1897 95 190 9
1897 96 290 10
1897 96 350 11
1897 96 310 12
1897 95 350 13
1897 96 310 14
1897 96 270 15
1897 96 280 16
1897 96 330 17
1897 96 310 18
1897 96 390 19
a)
Media Aritmética: 1896 80.736842 278.31579
Moda: 1897 96 350 Mediana: 1897 95 310
b)
Tabla 10. (a) Análisis de pruebas realizadas al 85% de apertura de aceleración, día 1. (b) Media Aritmética, Moda y Mediana.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 122
VELOCIDAD (RPM)
TEMPERATURA INSTANTÁNEA
DEL MOTOR
CANTIDAD DE
OXÍGENO (mV)
TIEMPO (min)
(°C)
1883 22 88 1
1890 33 99 2
1893 44 109 3
1896 58 134 4
1897 69 213 5
1899 79 268 6
1902 88 345 7
1902 88 453 8
1900 89 389 9
1900 94 415 10
1897 95 389 11
1896 95 418 12
1896 95 305 13
1897 95 324 14
1896 96 289 15
1896 96 234 16
1897 96 324 17
1897 96 312 18
1897 96 320 19
a)
Media Aritmética: 1896.36842 80.210526 285.68421
Moda: 1897 96 389 Mediana: 1897 94 312
b)
Tabla 11. (a) Análisis de pruebas realizadas al 85% de apertura de aceleración, día 2. (b) Media Aritmética, Moda y Mediana.
Instrumentación del Motor Kama 170
Ingeniería en Control y Automatización Página 123
VELOCIDAD (RPM)
TEMPERATURA INSTANTÁNEA
DEL MOTOR
CANTIDAD DE
OXÍGENO (mV)
TIEMPO (min)
(°C)
1885 23 110 1
1891 33 145 2
1895 44 134 3
1895 55 98 4
1896 68 225 5
1900 78 277 6
1900 88 325 7
1900 95 398 8
1898 95 435 9
1897 96 401 10
1898 96 190 11
1897 97 350 12
1897 97 298 13
1896 97 308 14
1896 97 430 15
1896 97 298 16
1896 97 296 17
1897 97 344 18
1897 97 312 19
a)
Media Aritmética: 1896.1579 81.421052 282.842105
Moda: 1896 97 298 Mediana: 1897 96 298
b)
Tabla 12. (a) Análisis de pruebas realizadas al 85% de apertura de aceleración, día 3. (b) Media Aritmética, Moda y Mediana.
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