Automatización de la medición de los principales parámetros de un

motor de combustión interna

Víctor Agüero Zamora Juan Guillermo Lira Cacho

AUTOMATIZACIÓN DE LA

MEDICIÓN DE LOS PRINCIPALES

PARÁMETROS DE UN MOTOR DE

COMBUSTIÓN INTERNA

Primera edición

Enero, 2012

Lima - Perú

© Víctor Agüero Zamora &Juan Guillermo Lira Cacho

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0427

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/guzlopster@gmail.com guzlopnano@gmail.com facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

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de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

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Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

AUTOMATIZACIÓN DE LA MEDICIÓN DE LOS PRINCIPALES PARÁMETROS DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

Víctor Agüero Zamora; Juan Guillermo Lira Cacho

Instituto de Motores de Combustión Interna- Facultad de Ingeniería Mecánica

Universidad Nacional de Ingeniería

RESUMEN

En este trabajo se muestran los resultados de un proyecto desarrollado en el Instituto de Motores de Combustión Interna para automatizar la toma de datos de un banco de pruebas de motores mediante el software LabVIEW 8.5. Para esto, se utilizó la tarjeta de adquisición de datos USB-6008 de National Instruments para obtener los valores de los diferentes parámetros (torque, velocidad, consumo de combustible y diversas temperaturas del motor). También se diseñaron las tarjetas de acondicionamiento de señales de los instrumentos utilizados: Termopares tipo k, celda de carga, sensor de velocidad y dos pares de sensores infrarrojos en posiciones fijas para evaluar el consumo de combustible. Finalmente, se procedió a la calibración de todas las tarjetas diseñadas. El software de control se diseñó de tal manera que se puede ver el valor de todos los parámetros del motor en tiempo real, graficando la tendencia de los parámetros más importantes en el intervalo de tiempo deseado y luego grabar los datos en un archivo de extensión.lvm, compatible con el programa Excel, para así tener un registro permanente del ensayo realizado.

INTRODUCCION

En el Instituto de Motores de Combustión Interna (IMCI) de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Ingeniería, se realizan rutinariamente diversos tipos de pruebas en bancos de ensayos de motores o de sus sistemas auxiliares, tanto para empresas privadas como entidades del Estado. También se realizan pruebas con fines de instrucción a alumnos y de investigación. Estos ensayos tienen por finalidad evaluar los diferentes parámetros de los motores, tales como consumo de combustible, potencia, torque, temperaturas, velocidad, etc. Actualmente, en el IMCI, la toma de datos se realiza generalmente en forma manual, lo que requiere de varias personas para poder registrar los datos simultáneamente en un instante determinado. Esto es complicado y agotador debido al ruido producido por el motor, la brevedad del tiempo y al tipo de instrumentación utilizada. Luego de la toma de datos, recién se pueden hacer los cálculos de los parámetros del motor, lo cual conlleva cierto tiempo. Para poder ahorrar tiempo y tener mayor exactitud en la toma de datos, se está desarrollando un proyecto institucional cuyo objetivo principal es modernizar la infraestructura y la instrumentación del instituto mediante la automatización.

Con esto se ha logrado realizar la toma de datos automáticamente, mediante el software LabVIEW 8.5, el cual es muy usado para poder realizar el control de procesos. Para ello, se utilizó una tarjeta de adquisición de datos de la National Instruments, la USB-6008, mediante la cual se adquieren valores de voltajes análogos y señales digitales. Estos son procesados dentro del programa de control, para obtener los valores de los diferentes parámetros a medir. DESCRIPCION GENERAL DEL SISTEMA

Los parámetros del motor de combustión interna que se escogieron para automatizar su medición fueron: Las temperaturas del aire de admisión y del sistema de enfriamiento del motor, la fuerza en el dinamómetro, las RPM del cigüeñal y el consumo volumétrico de combustible. Se desarrollaron tarjetas de acondicionamiento de señales para la medición de temperaturas (termopares), la fuerza (celda de carga), la velocidad de rotación del cigüeñal (tacómetro) y se diseñó una tarjeta que usa dos pares de sensores infrarrojos, en posiciones fijas, para poder evaluar el consumo volumétrico de combustible. El diagrama de bloques del sistema de adquisición de datos con los sensores utilizados en el motor, se muestra en la figura 1.

Fig. 1. Diagrama de bloques del sistema de adquisición de datos.

COMPONENTES DEL SISTEMA 1. Sensores.- Para la medición de las temperaturas se utilizaron termopares (“termocuplas”) tipo K, porque pueden medir un amplio rango de temperaturas. El termopar es un transductor formado por la unión de dos metales distintos, las cuales generan un voltaje en función de la diferencia de temperaturas entre sus bornes. Para la medición de la fuerza, se utilizó una celda de carga, la cual posee galgas extensiométricas (strain gauge), las cuales al extenderse (o comprimirse) cambian su resistencia eléctrica; con la celda utilizada se puede medir fuerzas de hasta 25 kg (245 N). Para la medición de la velocidad de rotación se utilizó un tacómetro de tipo inductivo. 2. Tarjeta de acondicionamiento de

señales.- Debido a que las señales eléctricas generadas por los sensores son pequeñas, no se pueden trabajar directamente, para ello son necesarias etapas de amplificación, aislamiento y filtrado de la señal. Se utilizó una tarjeta de acondicionamiento de la señal de cada sensor, las cuales se diseñaron de acuerdo al tipo de sensor utilizado en cada caso. 3. Tarjeta de conversión A/D.- Para la conversión de datos A/D, se utilizó la tarjeta de la National Instruments USB-6008, la cual tiene una precisión de 12 bits. Esta tarjeta está diseñada para trabajar conjuntamente con una computadora utilizando el software LabVIEW 8.5.

4. Adquisición de datos.- Para la adquisición de datos y el procesamiento de las señales de todos los sensores, se empleó una computadora personal (PC), mediante el software LabVIEW 8.5.

ACONDICIONAMIENTO DE LAS SEÑALES

El acondicionamiento de las señales provenientes de los sensores utilizados, tiene tres etapas (figura 1). En la primera etapa se produce la amplificación de la señal, la cual consiste en incrementar el valor de la señal en un determinado número de veces, el cual puede estar definido por el rango de medición y el máximo voltaje de lectura del conversor A/D. La segunda es la etapa de aislamiento del circuito de amplificación con el circuito que va a estar conectado directamente con la PC. Esto es para prevenir el daño de la tarjeta A/D o de la PC, generada por un eventual corto circuito en la zona de los sensores. En la tercera etapa se realiza el filtrado de la señal para disminuir el nivel de ruido eléctrico que se amplifica junto con ésta, de tal manera que la señal que ingresa al conversor A/D sea lo más limpia posible.

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL PARA LOS SENSORES DE

TEMPERATURA Para la amplificación de las señales de los termopares tipo K, se utilizó el amplificador operacional OP07 [Ref.6] (ver Fig. 2), el cual reúne las características de precisión

necesarias para el valor de las señales de este tipo de termocuplas (41µV/°C). La configuración del amplificador fue en modo diferencial con una amplificación de 148

veces, en donde las señales de entrada son la suma del termopar y del integrado de compensación de junta fría (LT1025) [Ref.9].

Fig. 2. Esquema del circuito de amplificación y filtrado de la señal de los termopares. Para la etapa de aislamiento se utilizó un amplificador de aislamiento, el ISO122JP [Ref.5], que tiene una ganancia igual a 1, de tal manera que la señal que entra y sale es la misma. Para el filtrado de las señales amplificadas, se utilizó un filtro activo de orden 2, con una frecuencia de corte de 20Hz y una ganancia de 1.

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL

PARA EL SENSOR DE FUERZA

Para la amplificación de las señales de fuerza de la celda de carga, se utilizó un amplificador de instrumentación, el INA114 [Ref.4], debido a que las señales son bastante pequeñas en comparación con un termopar. Se empleó la configuración diferencial para producir una amplificación de 255 veces.

Fig. 3. Esquema del circuito de acondicionamiento de la señal de fuerza de la celda de carga

del dinamómetro.

Para la etapa de aislamiento también se utilizó el integrado ISO122JP [Ref.5]; y para la etapa de filtrado, se empleó un filtro activo con un amplificador operacional de propósito general, el LM741 [Ref.7] (ver Fig.3).

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL PARA EL SENSOR DE REVOLUCIONES

(TACOMETRO) La señal de salida del sensor de revoluciones es una onda casi cuadrada de 11,5V de amplitud. La tarjeta USB-6008 tiene entradas digitales de 5V, por lo que fue necesario limitar la amplitud de la señal a 5V y generar una onda cuadrada con la frecuencia de la salida del sensor, para esto se empleó un integrado de comparación LM293 [Ref.8] (ver Fig.4). Con esto se compara la señal de ingreso del sensor de revoluciones con un voltaje de referencia, generando una señal cuadrada de 5V con la frecuencia del motor, la cual ingresa a la tarjeta USB-6008 para ser procesada en la computadora.

Fig.4. Esquema del circuito de acondicionamiento de señal del sensor de revoluciones por minuto (tacómetro).

TARJETA DEL MEDIDOR DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE

Para medir el consumo de combustible se usaron dos pares de sensores infrarrojos (emisor-receptor) colocados en dos posiciones fijas frente a una pipeta graduada vertical por donde desciende el combustible durante la medición del mismo. El volumen de combustible entre las dos posiciones es de 10cm3. Cuando el nivel superior del combustible (que tiene la forma de un menisco grueso, por efecto de la capilaridad del líquido) intersecta el haz emitido por el emisor infrarrojo superior se produce una disminución apreciable del voltaje que normalmente se genera en el receptor, cuando el haz atraviesa la columna del líquido (sin menisco) o el aire. Cuando el nivel del combustible llega al par de sensores infrarrojos inferiores, el fenómeno se repite. Para poder utilizar esta disminución de voltaje a la salida del circuito del sensor infrarrojo, se necesita generar una señal digital tipo pulso para poder procesarlo. Este pulso se generó utilizando el amplificador operacional LM358, en modo comparador, y para procesar estos pulsos se utilizó el microprocesador PIC 16F877A [Ref.10] (ver Fig.5), el cual se programó en lenguaje C [Ref.11]. El programa desarrollado mide el intervalo que existe entre las dos señales y realiza las operaciones matemáticas para mostrar los valores del consumo de combustible en un display, tomando un volumen fijo de 10cm3.

Fig. 5. Esquema del circuito de acondicionamiento de señal para la medición del consumo de

combustible.

SOFTWARE LabVIEW 8.5 El software utilizado para la adquisición de datos y el procesamiento de las señales provenientes de todos los sensores es el LABVIEW 8.5, el cual tiene una interfaz grafica de programación bastante buena y fácil de usar. La interfaz de control se diseñó de tal manera que uno puede ver el valor de todos los parámetros en tiempo real, graficando la tendencia de ciertos parámetros. También se puede seleccionar el intervalo de tiempo de la toma de datos y luego de finalizadas la pruebas, los datos se graban en un archivo de extension.lvm, el cual es compatible con el programa Excel, para poder tener así un registro permanente del historial del ensayo realizado. El diagrama de flujo utilizado para realizar el programa es el que se muestra en la Fig.6, y la interfaz gráfica diseñada para la adquisición de datos se muestra en la Fig. 7. En ella se observan tres pantallas en donde se observa como varía la fuerza, el torque y la potencia del motor en función del tiempo transcurrido en la prueba; también, se observan indicadores gráficos de los sensores de temperatura y de las revoluciones (RPM). Adicionalmente, encontramos el botón “ADQUIRIR” y el botón “DETENER” para

dar inicio y fin a la adquisición de datos; la casilla de control del intervalo usado (en s) para la adquisición de datos, la ruta y nombre del archivo con el cual será generado el archivo de registro.

Fig. 6. Diagrama de flujo del programa de adquisición de datos.

Fig.7. Interfaz de la adquisición de datos en el software LabVIEW 8.5.

RESULTADOS EXPERIMENTALES

Para ver la funcionalidad del sistema de adquisición de datos, y del sistema de medición del consumo de combustible, se hicieron pruebas en un motor Diesel.

Las características del motor y generador usados son las siguientes:

a) Motor

Modelo: LISTER PETTER TR3. Tipo de motor: Diesel, 03 cilindros, 4

tiempos, refrigerado por aire. Relación de compresión: 9,2/1. Diámetro x carrera: 98,4x101,6 mm2. Cilindrada: 2.320 cm3. Potencia nominal: 25,9 kW a 2.500

RPM. Velocidad de ralentí: 850 RPM.

b) Generador

Marca BKB Tipo: de corriente continua Potencia: 22kW Amperaje: 55 A Revoluciones: 3.000 RPM Voltaje: 400V Resistencia shunt: 300 ohm

Para la verificación del sistema de adquisición de datos, se realizaron pruebas de potencia del motor variando las RPM (mediante el acelerador) y manteniendo la carga constante en el generador (Vcampo = 130V; Icampo=0,5A). Los parámetros

registrados con la tarjeta USB6008, fueron la temperatura del aire de admisión (Ta.admisión), la temperatura del aire de la ventilación del motor (Tv.motor), las revoluciones por minuto (RPM) y la fuerza, los cuales fueron procesados dentro del programa realizado en el LabVIEW 8.5 para poder obtener el torque y la potencia del motor.

Las fórmulas utilizadas para calcular el torque (T) y la potencia (P) del motor son [Ref.3]:

pLFT 81,9 (1)

000.30

nTP

(2)

Donde:

T = Torque (N.m). F = Fuerza (kg). Lp= Longitud del brazo del generador (m). n = Revoluciones por minuto (RPM).

El registro de datos fue cada 4s. La variación de estos parámetros en función del tiempo se muestra en la Fig.8. La medición del consumo de combustible (Ccombustible) se realizó cuando el funcionamiento del motor era estable, a las revoluciones seleccionadas, y se muestra en la tabla 1, junto con los demás parámetros adquiridos.

Fig. 8. Gráfica de los parámetros del motor LISTER PETTER TR3.

Tabla 1. Parámetros del motor en función de las RPM.

RPM Tv.motor

(°C) Ta.admisión

(°C) Fuerza

(kg) Torque (N.m)

Potencia (kW)

Ccombustible (cm

3/s)

2.497 67,6 23,4 10,43 46,56 12,17 1,427 2.299 75,1 23,4 13,27 59,23 14,26 1,264 2.000 84,1 22,9 12,17 54,32 11,38 0,970 1.804 85,8 23,0 11,31 50,48 9,54 0,806 1.605 85,8 23,2 10,67 47,62 8,00 0,675 1.400 85,8 23,4 9,79 43,69 6,41 0,546 1.214 86,6 23,2 8,85 39,52 5,02 0,425 907 87,4 22,5 7,02 31,35 2,98 0,286 805 87,6 22,2 5,89 26,28 2,22 0,238

Fig. 9. Curvas del motor LISTER PETTER TR3 en función de las RPM (Vcampo = 130V, Icampo = 0,5A).

CONCLUSIONES

1. Es totalmente factible la automatización de la medición simultánea de los principales parámetros de funcionamiento de un motor de combustión con la precisión requerida. Este hecho vislumbra la posibilidad de modernizar equipos semejantes a través de un método relativamente de bajo costo, pero de alto valor agregado.

2. El sistema de acondicionamiento de señales diseñado para los sensores de temperatura y fuerza, nos permite tener

señales con bajos niveles de ruido eléctrico, lo cual es importante para evitar tener que hacer operaciones de filtrado posteriores a las adquisición de datos.

3. La medición de las RPM, mediante la tarjeta USB 6008 y el software LabVIEW 8.5, instalado en una computadora Pentium 4, tiene un error del 0,5%, comparado con el medidor de revoluciones comercial instalado en el motor LISTER PETTER TR3, lo cual es un valor aceptable ya que no produce variación significativa de la potencia obtenida.

4. Con la carga seleccionada (Vcampo = 130V, Icampo = 0,5A), la potencia máxima se produce aproximadamente a 2300 RPM, alcanzando 14,26kW.

5. El consumo de combustible se incrementa con el incremento de las RPM casi en forma lineal, lo cual depende del régimen de trabajo del motor y del diseño de su sistema de inyección.

REFERENCIAS

1. Coughlin R., Driscoll F. “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Pearson Prentice Hall, Mexico, 1993.

2. Jeffry Travis, Jim Kring: “LabVIEW for Everyone”, Prentice Hall, USA, 2006.

3. Jóvaj, M.S., “Motores de Automóvil”, Editorial MIR, Moscú, 1982.

4. Burr Brown, “Precision instrumentation amplifier INA114”, USA, 1998.

5. Burr Brown, “Precision lowest cost isolation amplifier ISO122JP”, USA, 1993.

6. Analog Devices, “OP07 Ultralow Offset Voltage Operational amplifier”, USA, 2002.

7. National Semiconductor Corporation “LM741 Single operational amplifier”, USA, 1995.

8. National Semiconductor Corporation, “Low Power, Low Offset Dual Comparators LM293”, USA, 2002.

9. Linear Technology Corporation, “Micropower Thermocouple Cold Junction Compensator LT1025”, USA, 2000.

10. Microchip Technology Inc, “PIC 16F87X Data Sheet”, USA, 2001.

11. Eduardo García, Compilador C CSS y Simulador Proteus para Microcontroladores PIC, Alfaomega, 2008.