instituto politÉcnico nacional -...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

CONTROL DEL SISTEMA DE COMBUSTIBLE DE UN MOTOR DIESEL

T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE: INGENIERO EN CONTROL Y

AUTOMATIZACIÓN

QUE PRESENTAN

DOMINGUEZ AGUILAR OSCAR MARTIN LAZARO ESPINOSA KARLA GEORGINA TAPIA CRUZ HECTOR EDUARDO

ASESOR

M. EN C. LEANDRO BRITO BARRERA ING. HUMBERTO SOTO RAMIREZ

MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE, 2008

Instituto Politécnico Nacional Dedicatoria

ESIME Zacatenco II

Dedicatoria

Dominguez Aguilar Oscar Martin

Porque sólo la superación de mis ideales, me han permitido comprender cada día más la

difícil posición de ser padres, mis conceptos, mis valores morales y mi superación se las

debo a ustedes.

Esto será la mejor de las herencias; lo reconozco y lo agradeceré eternamente. En adelante

pondré en práctica mis conocimientos y el lugar que en mi mente ocuparon los libros, ahora

será de ustedes, esto, por todo el tiempo que les robé pensando en mí.

Gracias a Jorge Dominguez Dominguez e Irene Aguilar Hernandez.

Además un agradecimiento especial a todos los cercanos a mi, principalmente a aquellos

que me apoyaron en este largo camino, gracias a Mary Tere Villanueva, Oliver Pérez,

Elizabeth Mendez, y a todos mis profesores en especial a él M. en C. Leandro Brito y a

el Ing. Humberto Soto.

Lazaro Espinoza Karla Georgina

Sabiendo que no existirá una forma de agradecer una vida de sacrificio y esfuerzo, quiero que sientan que el objetivo logrado también es de ustedes y que la fuerza que me ayudo a

conseguirlo fue su apoyo. Con cariño y admiración.

A Dios Por todas las bendiciones que me ha dado, por permitirme llegar hasta este momento tan

importante de mi vida y lograr otra meta más en mi vida.

A mi Mamá Por brindarme tu cariño, apoyo, comprensión y brindarme las herramientas para ser mejor

persona día con día.

A toda mi familia Por siempre alentarme a ser una persona mejor y brindarme buenos consejos …

A Fer

Por brindarme tu apoyo y cariño en cada decisión y etapa de mi vida…

Instituto Politécnico Nacional Dedicatoria

ESIME Zacatenco III

Tapia Cruz Hector Eduardo

Todo mi agradecimiento

En primer lugar deseo mostrar mi más sincero agradecimiento

A todas aquellas personas sin las cuales, este trabajo no habría visto realizado

A mis Padres Irma y Fernando, por animarme a seguir adelante con la tesis en todo

momento.

Por su apoyo, Su cariño y Amor que además los quiero mucho

A mi hermana, Mary Fer por su cariño en todo momento.

A mi novia Jazmín por estar a mi lado en momentos difíciles.

A mis amigos: Carlos Devars, Oscar Domínguez por su apoyo incondicional.

A mi Profesores por las enseñanzas dentro y fuera del Aula.

A mis primos, abuela, tíos y tías que siempre han estado conmigo en las diversas etapas de

mi vida

Muchas gracias a todos.

Instituto Politécnico Nacional Indicé

ESIME Zacatenco IV

Indicé

Dedicatoria............................................................................................................................. II Indicé .................................................................................................................................... IV

Nomenclatura........................................................................................................................ VI Índice de Figuras ............................................................................................................... VIII Índice de Tablas ..................................................................................................................... X

Planteamiento del Problema .............................................................................................. - 1 - Objetivo General................................................................................................................ - 2 - Justificación ....................................................................................................................... - 3 - Alcance del trabajo ............................................................................................................ - 4 - Introducción ....................................................................................................................... - 5 - Capítulo I .......................................................................................................................... - 7 - Motor Diesel - Biodiesel ................................................................................................... - 7 - 1.1 Definición de motor. ........................................................................................... - 7 - 1.2 Motor Diesel. ........................................................................................................... - 8 - 1.3 Ciclo de trabajo. ..................................................................................................... - 10 - 1.4 Sistemas del motor Diesel ..................................................................................... - 15 -

1.3.1 Descripción General del Sistema de combustible. ......................................... - 17 - 1.3.2 Funcionamiento del sistema de combustible. ................................................. - 26 -

1.5 Combustibles ......................................................................................................... - 28 - 1.5.1 Diesel .............................................................................................................. - 28 - 1.5.2 Biodiesel ......................................................................................................... - 30 - 1.5.3 Comparación del Diesel con Biodiesel ........................................................... - 33 -

Capítulo II ........................................................................................................................ - 38 - Establecimiento del sistema............................................................................................. - 38 - 2.1 Sistema termodinámico ......................................................................................... - 38 -

2.1.1 Ciclo Diesel .................................................................................................... - 39 - Potencia del motor ................................................................................................... - 43 - 2.1.2 Descripción del motor como un ciclo ............................................................. - 44 - 2.1.3 Descripción del sistema real ........................................................................... - 46 - 2.1.4 Propuesta del sistema de control .................................................................... - 48 -

Instituto Politécnico Nacional Indicé

ESIME Zacatenco V

Capítulo III ...................................................................................................................... - 51 - Simulación ....................................................................................................................... - 51 - 3.1 Descripción del control de combustible ................................................................ - 51 - 3.2 Sistema de control ................................................................................................. - 54 - 3.3 Programación del PLC (SLC 500)......................................................................... - 58 - 3.4 Interfaz Hombre – Máquina (HMI) INTOUCH .................................................... - 69 -

3.4.1 Comunicación PLC-PC .................................................................................. - 81 - Capítulo IV ...................................................................................................................... - 70 - Selección de equipo ......................................................................................................... - 70 - 4.1 Parámetros de operación ........................................................................................ - 70 - 4.2 Válvulas ................................................................................................................. - 71 - 4.3 Sensor de temperatura ....................................................................................... - 78 - 4.4 Sensor de velocidad ............................................................................................... - 82 - 4.5 Sensor de par ......................................................................................................... - 83 - 4.6 Controlador ............................................................................................................ - 85 -

4.5. 1 Procesadores SLC 500 .................................................................................. - 86 - Capitulo V ....................................................................................................................... - 90 - Análisis de Costos ........................................................................................................... - 90 - 5.1 Costo del Equipo ................................................................................................... - 90 -

5.1.1 Costos de investigación e ingeniería. ............................................................. - 92 - Conclusiones .................................................................................................................... - 95 - Glosario ........................................................................................................................... - 97 - Bibliografía .................................................................................................................... - 106 - Anexos .................................................................................................................................. XI

Instituto Politécnico Nacional Nomenclatura

ESIME Zacatenco VI

Nomenclatura

Cp Calor Especifico a presión cte.

Cv Calor Especifico a volumen cte.

DTI Diagrama de Tuberías e Instrumentos.

H Entalpia.

HMI Interfaz Hombre Máquina

I/O Entrada/Salida.

K Exponente Adiabático.

M Par en N.m

N Frecuencia de rotación (RPM)

NPT Roscado.

P Presión.

PMI Punto Muerto Inferior.

PMS Punto Muerto Superior.

pmt Presión Media Teórica.

Po Potencia en Kw

Q1 Calor Aportado.

Q2 Calor Extraído.

RPM Revoluciones por Minuto.

S Entropía.

T Temperatura.

V Volumen.

W Trabajo Neto.

αe Grado de explosión.

Instituto Politécnico Nacional Nomenclatura

ESIME Zacatenco VII

Nomenclatura Instrumentación

FV Válvula de flujo

NA Normalmente abierta

NC Normalmente cerrada

NT Trasmisor de par

OC Controlador de potencia

S.P. Set Point

ST Transmisor de velocidad

TC Controlador de temperatura

TT Transmisor de temperatura

TV Válvula de control de temperatura

UY Función convertidor

V1 Biodiesel mezcla

V2 Diesel

V3 Diesel mezcla

V4 Mezcla

βe Grado de combustión.

βs Grado de Contracción.

η Rendimiento.

ρ Relación Volumétrica de Compresión.

Instituto Politécnico Nacional Relación de Figuras

ESIME Zacatenco VIII

Índice de Figuras Figura 1.1 Clasificación De Motores Térmicos ............................................................... - 7 - Figura 1.2 Vista General Del Motor ................................................................................. - 8 - Figura 1.3 Vista De La Cámara De Combustión ............................................................... - 9 - Figura 1.4 Cámara de Combustión en un Motor Diesel ................................................. - 10 - Figura 1.5 Tiempo de Admisión ..................................................................................... - 10 - Figura 1.6 Tiempo de Compresión ................................................................................. - 11 - Figura 1.7 Tiempo de Expansión .................................................................................... - 12 - Figura 1.8 Tiempo de Escape .......................................................................................... - 12 - Figura 1.9 Inyección directa .......................................................................................... - 13 - Figura 1.10 Inyección indirecta ...................................................................................... - 14 - Figura 1.11 Sistema Completo de Inyección ................................................................. - 18 - Figura 1.12 Tanque De Combustible del motor KM170 ................................................ - 19 - Figura 1.13 Bomba de Alimentación Mecánica ............................................................. - 20 - Figura 1.14 Bomba de Alimentación Eléctrica .............................................................. - 21 - Figura 1.15 Filtro de Combustible .................................................................................. - 22 - Figura 1.16 Filtro Seco ................................................................................................... - 22 - Figura 1.17 Bomba De Inyección Lineal........................................................................ - 23 - Figura 1.18 Bomba De Inyección Rotativa .................................................................... - 24 - Figura 1.19 Inyector ....................................................................................................... - 25 - Figura 1.20 Sistema de combustible. .............................................................................. - 27 - Figura 2.1 Graficas del Ciclo Diesel ideal ...................................................................... - 40 - Figura 2.2 Diagrama a Descriptico del Motor Diesel ..................................................... - 44 - Figura 2.3 Sistema Real .................................................................................................. - 46 - Figura 2.4 Despiece del Sistema de Combustible .......................................................... - 47 - Figura 2.5 Vista Frontal del Sistema .............................................................................. - 47 - Figura 2.7 Diagrama a Bloques de la Propuesta ............................................................. - 48 - Figura 2.6 Vista Lateral Extensa del Sistema ................................................................. - 48 - Figura 3.1 Diagrama de flujo del sistema de control ...................................................... - 53 - Figura 3.2 Esquema de control, cascada.......................................................................... - 54 - Figura 3.3 Control en cascada para el sistema de combustible. ...................................... - 56 - Figura 3.2 Diagrama De Control Del Sistema ................................................................ - 57 - Figura 3.5 Subrutinas ...................................................................................................... - 59 - Figura 3.6 Rangos declarados en F8 ............................................................................... - 60 - Figura 3.7 Subrutina de Arranque- Escalamiento del termopar ..................................... - 60 - Figura 3.8 Arranque- Escalamiento del sensor de par .................................................... - 61 - Figura 3.9 Arranque- Escalamiento del sensor de velocidad ......................................... - 61 - Figura 3.10 Arranque- Escalamiento de la válvula modulante Diesel ........................... - 61 - Figura 3.11 Arranque- Escalamiento de la válvula modulante Biodiesel ...................... - 62 - Figura 3.12 Arranque- Condiciones de inicio del programa y salto de subrutina. ..... - 62 - Figura 3.13 Temperatura- Comparación de temperatura................................................ - 63 - Figura 3.14 Temperatura- Salto a subrutina de potencia ................................................ - 63 -

Instituto Politécnico Nacional Relación de Figuras

ESIME Zacatenco IX

Figura 3.15 Potencia- Calculo de potencia ..................................................................... - 64 - Figura 3.16 Potencia- Comparación de potencia ............................................................ - 64 - Figura 3.17 Potencia- Instrucción LES, comparación de un valor bajo de potencia. ..... - 65 - Figura 3.18 Potencia- Apertura y cierre de válvulas Diesel V2 y Biodiesel V1. ........... - 65 - Figura 3.19 Ventana para crear una nueva aplicación. .................................................... - 70 - Figura 3.20 Ventana InTouch para nombre y descripción de una aplicación ................ - 71 - Figura 3.21 Application Manager .................................................................................... - 72 - Figura 3.22 Ubicación de icono, Window Maker .......................................................... - 72 - Figura 3.23 Ventana de propiedades ............................................................................... - 73 - Figura 3.24 Pantalla de trabajo ........................................................................................ - 73 - Figura 3.25 Barra de herramientas en InTouch ............................................................... - 74 - Figura 3.27 Diagrama del control de combustible (INTOUCH). ................................... - 76 - Figura 3.28 Asignación de Tagname al botón de arranque. ............................................ - 76 - Figura 3.29 Configuración Fill Color .............................................................................. - 77 - Figura 3.30 Vinculación de tagname- Boton_1. .............................................................. - 78 - Figura 3.31 Control de combustible a baja temperatura. ................................................ - 78 - Figura 3.32 Control de combustible-Arranque con Diesel .............................................. - 79 - Figura 3.33 Mezcla de combustible (80% Diesel, 20% Biodiesel) ................................ - 79 - Figura 3.34 Mezcla de combustible (60% Diesel, 40% Biodiesel) ................................ - 80 - Figura 3.35 Pantalla principal RSLinx ............................................................................ - 82 - Figura 3.36 Pantalla de conexión de interfaz de red........................................................ - 82 - Figura 3.37 Conexión PLC- PC ....................................................................................... - 83 - Figura 4.1 Solenoide energizado .................................................................................... - 72 - Figura 4.2 Válvula solenoide típica de acción directa, normalmente cerrada, dos vías. - 73 - Figura 4.3 Válvula solenoide marca Omega ................................................................. - 74 - Figura 4.4 Electroválvula Danfoss ................................................................................. - 76 - Figura 4.6 Tacómetro industrial PAX I ......................................................................... - 83 - Figura 4.7 Sensor de par modelo 8651 ........................................................................... - 84 - Figura 4.8 Diagrama de arquitectura .............................................................................. - 89 -

Instituto Politécnico Nacional Relación de Tablas

ESIME Zacatenco X

Índice de Tablas

Tabla 1.1 Comparación diesel con biodiesel……………………………………………….32

Tabla 1.2 Comparación físico – químico entre diesel y biodiesel…………………………33

Tabla 2.1 Especificaciones del motor diesel KM170………………………………………30

Tabla 3.1 Direccionamientos utilizados en la programación del PLC SLC500…………...59

Tabla 4.1 Características de válvula solenoide SV282…………………………….............75

Tabla 4.2 Características de la electroválvula……………………………………………...77

Tabla 4.3 Caracteristicas del termopar CO1-T…………………………………………….81

Tabla 4.4 Características del sensor PAX I………………………………………………..83

Tabla 4.5 Características del sensor de par 8651…………………………………………..84

Tabla 4.6 Entradas y salidas del PLC…………………………………………………........87

Tabla 4.7 Lista de Hardware……………………………………………………….............87

Tabla 4.8 Cálculo de la fuente de alimentación……………………………………............88

Tabla 5.1 Costo total……………………………………………………………….............90

Tabla 5.2 Relación de equipo dentro de la institución……………………………………………...91

Tabla 5.3 Tabla comparativa de ahorro……………………………………………….…....92

Tabla 5.4 Precios grupo de investigación……………………………………………………… 93

Instituto Politécnico Nacional Planteamiento del Problema

ESIME Zacatenco - 1 -

Planteamiento del Problema

En la actualidad se buscan energías alternativas para utilizarse en motores de combustión

interna, una de estas alternativas es el biodiesel, el cual se utiliza mezclado con diesel. Se

siguen realizando estudios para obtener el porcentaje idóneo de la mezcla diesel y biodiesel.

Para cada tipo de motor y a las condiciones atmosféricas del Distrito Federal.

Para realizar pruebas de funcionamiento de un motor diesel, trabajando con mezclas de

diesel – biodiesel, se requiere de un banco de pruebas experimental, el cual requiere de un

control para mezclar las cantidades correctas de diesel y de biodiesel, monitoreando sus

principales parámetros de operación.

Debido a que el biodiesel libera una menor cantidad de energía en la combustión, el

consumo del combustible se ve incrementado y la potencia del motor se ve reducida. Las

propiedades del biodiesel hacen que la bomba de combustible sufra una pérdida de presión

considerable.

Su viscosidad excesiva y su gran densidad tienen una influencia negativa sobre el

funcionamiento de la bomba de inyección, bomba de alimentación, tuberías e inyectores;

por tal motivo sobre la presión de la inyección. Otros factores importantes son la

transportación y pulverización del combustible. Esto perjudica al arranque (en frío

principalmente), puesto que el encendido se ve degradado.

De lo anterior se deduce que se debe tener un control de mezclado, acorde a las

características del biodiesel.

El diseño del control convencional de un motor diesel, no satisface las necesidades de

funcionamiento con la mezcla diesel-biodiesel en el sistema de combustible, de ahí el

requerimiento de generar una propuesta de control para el banco de pruebas experimental.

Instituto Politécnico Nacional Objetivo General


Objetivo General

Proponer la modificación, instrumentación y control del sistema de combustible de un

motor Diesel KM170, componente de un banco de pruebas, para comprobar su desempeño

con diferentes proporciones de mezcla diesel-biodiesel, manteniendo la potencia constante

en un rango determinado de operación.

Objetivos Particulares

• Modificar el diseño de control del sistema de combustible, para desarrollar un

funcionamiento óptimo dentro de los rangos establecidos, de acuerdo al motor de

combustión interna a diesel KM170.

• Desarrollar una arquitectura de control de la mezcla diesel-biodiesel, basada en la

temperatura y potencia del motor.

• Indicar la posición y la instrumentación necesaria en el motor de combustión interna

a diesel KM170, para un buen funcionamiento en el control del sistema de

combustible.

Instituto Politécnico Nacional Justificación


Justificación

La contaminación ambiental ha alcanzado niveles muy altos, debido al excesivo uso de

combustibles derivados del petróleo, aunado a esto existe un problema aun mayor, el de no

ser renovable. Lo que orilla a la búsqueda e implementación de nuevas formas de energía

alterna, para la disminución de la dependencia de los combustibles derivados del petróleo y

a la disminución de agentes contaminantes.

Una alternativa para reducir las emisiones contaminantes y el uso del los combustibles

derivados del petróleo, es la utilización del biodiesel, el cual es un combustible basado en

aceites vegetales o grasas animales.

Es importante destacar que los combustibles derivados del petróleo emiten una cantidad

mayor de Dióxido de Carbono y Azufre a la atmósfera, en comparación a los combustibles

desarrollados a base de aceites vegetales o grasas animales.

Con base en lo anterior y en la poca existencia de información, se buscará ampliar el tema,

del comportamiento del combustible alterno biodiesel en un motor Diesel. Proponiendo un

control para la proporción de la mezcla de Diesel-Biodiesel, tomando en cuenta la no

existencia de la instrumentación adecuada para realizar este trabajo.

Instituto Politécnico Nacional Limitación del Tema


Alcance del trabajo

Esta tesis se limita a:

• El desarrollo teórico de una modificación al diseño del sistema de combustible del

motor KM170.

• El desarrollo de una arquitectura de control para el sistema de combustible, basado

en modelos de control, en el control de la potencia del motor KM170, la

temperatura del motor KM170 y en la inyección del combustible diesel, biodiesel o

una mezcla de ambos de acuerdo a la necesidad del motor KM170.

• Basados en la arquitectura desarrollada, se propondrán las modificaciones

necesarias al sistema de combustible del motor KM170, para obtener una mezcla

entre los dos combustibles y mantener los rangos de potencia del motor KM170, lo

que implica la implantación de la instrumentación necesaria.

• La instrumentación necesaria para la arquitectura de control desarrollada, se

seleccionará con base a Normas de las propiedades de los combustibles diesel y

biodiesel.

Instituto Politécnico Nacional Introducción


Introducción

La presente investigación se refiere a un motor de combustión interna a diesel modelo

KM170, utilizando como combustible el diesel, biodiesel y una mezcla de ambos

combustibles; definiendo el funcionamiento del motor diesel, como una máquina que

utiliza el calor del aire altamente comprimido para encender una carga de combustible

inyectada en el cilindro. El biodiesel es un combustible biodegradable, renovable y se

puede producir con aceites vegetales o grasas animales.

El aprovechamiento de productos naturales o residuos vegetales para generar energía es

común, en especial cuando el planeta se contamina debido a los gases de combustión que

emiten los vehículos cuando se emplea una mezcla compleja de hidrocarburos, procedentes

del petróleo.

La problemática principal del motor diesel utilizando el biodiesel es la reducción de

potencia en el motor.

La investigación de esta problemática se realizó por el interés social de desarrollar un

motor capaz de funcionar eficazmente con la combinación de diesel-biodiesel haciendo

frente a los problemas de contaminación.

Para hacer frente a los problemas mencionados, como reducir agentes contaminantes, y no

perder la potencia del motor, se desarrolla el siguiente análisis basado en:

• Un motor de combustión interna a diesel KM170.

• La composición físico química de los combustibles diesel y biodiesel en base a las

Normas que los rigen.

• Y en la necesidad de hacer una mezcla de combustibles capaz de mantener la

potencia del motor acorde cada valor de temperatura.

Instituto Politécnico Nacional Introducción


Basándose en las condiciones anteriores se desarrolla lo siguiente:

Capítulo 1 Marco teórico, este capítulo se constituye de una visión general del motor diesel

y los combustibles diesel – biodiesel, partiendo del concepto general del motor, el

funcionamiento de un motor de combustión interna, los sistemas y elementos que

conforman un motor. La definición de diesel y biodiesel, con sus propiedades físicas y

químicas.

Capítulo 2 Establecimiento del sistema, se enuncia el ciclo termodinámico para el

Diesel, diagramas representativos del ciclo Diesel con respecto al motor KM170. Así como

una descripción textual del control en el sistema de combustible para el motor KM170;

tomando en cuenta los parámetros de operación del motor.

Capítulo 3 Simulación, en este capítulo se describe el control del combustible mediante un

diagrama de flujo. Se muestra el DTI del control ya descrito y una visualización general de

la interfaz hombre-máquina.

Capítulo 4 Selección de equipo, a lo largo de este capítulo se muestran los diversos

componentes del control de combustible en donde se indican sus características, rangos de

operación, etc.

Capítulo 5 Costos, se desenvuelven los costos de los elementos del control de combustible;

así como el costo beneficio del proyecto, tomando en cuenta los impactos ambientales.

Instituto Politécnico Nacional Capitulo I Motor Diesel-Biodiesel


Capítulo I Motor Diesel - Biodiesel

1.1 Definición de motor.

Un motor es una máquina capaz de transformar la energía almacenada de los combustibles,

baterías u otras fuentes, en energía mecánica capaz de realizar un trabajo. En los

automóviles este efecto es una fuerza que produce el movimiento.

Existen diversos tipos, siendo común clasificarlos en:

� Motores térmicos • Motores de combustión interna • Motores de combustión externa

� Motores eléctricos

Clasificación del motor térmico:

Figura 1.1 Clasificación De Motores Térmicos



1.2 Motor Diesel.

El motor Diesel es una máquina de combustión que aspira aire y lo comprime hasta un

alto nivel, sin la necesidad de chispa para el encendido del combustible.

Los elementos del motor que forman su constitución (ver Figuras 1.2 y 1.3), pueden

dividirse en los siguientes órganos más elementales:

Elementos fijos, que son los que componen la estructura externa del motor, cuya misión es

la de alojar, sujetar y tapar a otros elementos del conjunto, como: el bloque del motor

(monoblock), la culata (cabeza de cilindros) y su junta, el Carter y su junta, la tapa de

balancines.

Figura 1.2 Vista General Del Motor

1.Cadena de la distribución; 2.Eje de levas; 3.Tapon de las bandas de balancines; 4.Conducto de

los vapores del compartimiento de los balancines; 5.Tapa de los balancines; 6.Inyector; 7.Paredes

de los cilindros; 8.Émbolo; 9.Camara de refrigeración; 10.Corona dentada del volante; 11.Volante

de inercia; 12.Contra peso del cigüeñal; 13.cuello delo cigüeñal; 14.Eje del volante; 15.Biela;

16.Muñequilla del cigüeñal; 17.Prefiltro del aceite; 18.Bomba de aceite;19.Aceite del cárter;

20.punto de sujeción del motor al bastidor.



Figura 1.3 Vista De La Cámara De Combustión

21. Polea del cigüeñal; 22.Marcas de puesta a punto; 23.Ventilador; 24.Eje de accionamiento de la

bomba de aceite; 25.Piñol sobre el eje que acciona a las válvulas de inyección, alimentación y

refrigeración; 26.Valvula; 27.Muelle de válvulas; 28.Semibalancín; 29.Antecamara de

combustión; 30.Bujia de precalentamiento; 31.Tubo que une la bomba de inyección del motor;

32.Varilla del nivel de aceite del cárter; 33.Conjunto bomba de inyección regulador y avance;

34.Filtro de aceites; 35.Conducto de admisión; 36.Difusor del regulador del vacío.

Elementos móviles, que son los encargados de transformar la energía química del

combustible en energía mecánica, como: los pistones, las bielas, el cigüeñal, y el volante de

inercia.

Instituto Politécnico Nacional

ESIME Zacatenco

1.3 Ciclo de trabajo.

En el motor diesel de cuatro tiempos las válvulas

correspondiente de trabajo controlando el intercambio de gases. Las válvulas abren o cierran

los canales de admisión y de escape del cilindro

Figura 1.4

Primer Tiempo: Admisión, la válvula de admisión está abierta completamente cuando el

émbolo pasa por el Punto Muerto Superior (PMS), como se muestra en la Figura 1.4; mientras

baja hasta el Punto Muerto Inferior (PMI) crea un vacío en el interior del cilindro y

solo. Cuando llega al PMI el cilindro está lleno de aire a la presión de casi una atmósfera

(1kg/cm2) aproximadamente y a la temperatura ambiente. La válvula de escape ha

permanecido cerrada durante todo este tiempo.

Instituto Politécnico Nacional Capitulo I Motor Diesel

En el motor diesel de cuatro tiempos las válvulas del cilindro determinan el tiempo


los canales de admisión y de escape del cilindro (ver Figura 1.4):

4 Cámara de Combustión en un Motor Diesel

, la válvula de admisión está abierta completamente cuando el


baja hasta el Punto Muerto Inferior (PMI) crea un vacío en el interior del cilindro y


) aproximadamente y a la temperatura ambiente. La válvula de escape ha

permanecido cerrada durante todo este tiempo.

Figura 1.5 Tiempo de Admisión

Capitulo I Motor Diesel-Biodiesel

- 10 -

del cilindro determinan el tiempo


, la válvula de admisión está abierta completamente cuando el


baja hasta el Punto Muerto Inferior (PMI) crea un vacío en el interior del cilindro y aspira aire


) aproximadamente y a la temperatura ambiente. La válvula de escape ha


ESIME Zacatenco

Segundo Tiempo: Compresión

admisión y al encender el émbolo va comprimiendo al aire que hay en el interior del cilindro

hasta reducir su volumen al de la cámara de combustió

continúa cerrada.

Al final de la compresión el volumen del aire se reduce de catorce a veintitrés veces, su

temperatura se eleva a más de 600 ºC y su presión aumenta de 30 a 50 k

Tercer Tiempo: Expansión, después de alcanzar el PMS el émbolo desciende hasta el PMI las

dos válvulas permanecen cerradas como muestra en la Figura 1.6. La máxima presión de la

cámara se alcanza poco después del PMS. Los gases se expanden y empuja

hacia el PMI, transmitiéndole una fuerza a través de la biela que actúa sobre el cigüeñal

dándole un nuevo impulso de rotación. Esta es la carrera de trabajo del motor.


Segundo Tiempo: Compresión y principio de la inyección, en el PMI se cierra la válvula de


hasta reducir su volumen al de la cámara de combustión (ver Figura 1.5). La válvula de escape

Figura 1.6 Tiempo de Compresión


temperatura se eleva a más de 600 ºC y su presión aumenta de 30 a 50 kg/cm2.

, después de alcanzar el PMS el émbolo desciende hasta el PMI las


cámara se alcanza poco después del PMS. Los gases se expanden y empujan el émbolo (pistón)


dándole un nuevo impulso de rotación. Esta es la carrera de trabajo del motor.


- 11 -

y principio de la inyección, en el PMI se cierra la válvula de


n (ver Figura 1.5). La válvula de escape


, después de alcanzar el PMS el émbolo desciende hasta el PMI las


n el émbolo (pistón)



ESIME Zacatenco

Cuarto Tiempo: Escape, en la figura 1.7 se muestra que después del PMI el émbolo se dirige

de nuevo hacia el PMS expulsando a los gases a través de la apertura de la válvula de escape,

que se ha abierto poco antes de que termine la carrera de expansión. La válvula de admisión

permanece cerrada al llegar el émbolo del PMS empezara un nuevo ciclo.

Generalmente, en el colector de admisión, no hay válvula de mariposa que determine la

cantidad de aire que debe llegar a los cilindros que dependerá de l

los pistones (vacío que se crea en los cilindros) y en los motores sobrealimentados del

compresor volumétrico o del turbo


Figura 1.7 Tiempo de Expansión

, en la figura 1.7 se muestra que después del PMI el émbolo se dirige



permanece cerrada al llegar el émbolo del PMS empezara un nuevo ciclo.

Figura 1.8 Tiempo de Escape


de aire que debe llegar a los cilindros que dependerá de la aspiración o succión de


del turbo-compresor.


- 12 -

, en la figura 1.7 se muestra que después del PMI el émbolo se dirige




a aspiración o succión de




Mediante el pedal acelerador se determina la cantidad de combustible que se inyecta en el

tercer tiempo, actuando sobre la bomba inyectora. Una vez que el aire se encuentra

comprimido en la cámara de combustión (momento de la máxima temperatura del aire) se

inyecta el combustible, inflamándose la mezcla por auto combustión.

No obstante, el diesel precisa un pequeño tiempo para adquirir la temperatura necesaria

para su combustión, cuyo tiempo se conoce como "retraso en la iniciación de la

combustión" o "retardo a la inflamación".

Clasificación de los motores diesel.

Según sea el tipo de inyección y de cámara empleada en los motores diesel se clasifican en

dos grupos:

• Motores de inyección directa o de cámara abierta. • Motores de inyección indirecta o de cámara dividida.

1.- Sistema de inyección directa

El combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión (situada por lo general

en el pistón) por un inyector de múltiples orificios. (Ver Figura 1.9)

Figura 1.9 Inyección directa



2.- Sistema de inyección indirecta

Como se muestra en la Figura 1.10, se tiene una precámara donde se inyecta el combustible

e inicia la combustión aunque no puede realizarse totalmente por falta de aire.

Generalmente el inyector es de un solo orificio encarado con el conducto estrecho que une

la antecámara y la cámara principal de combustión que es donde termina de realizarse el

total de la combustión y que puede hallarse o no totalmente en el cilindro.

Figura 1.10 Inyección indirecta



1.4 Sistemas del motor Diesel

En la constitución del motor Diesel encontraremos dividido su funcionamiento en

sistemas, los cuales básicamente pueden ser:

a) Sistema de distribución

b) Sistema de alimentación

c) Sistema de enfriamiento

d) Sistema de lubricación

a) Sistema de distribución

El sistema de distribución es el conjunto de órganos que aseguran, en el momento preciso,

la apertura y el cierre de las válvulas de admisión y de escape, (entrada y salida de los gases

en el cilindro) y de ello dependerá el correcto funcionamiento del motor.

b) Sistema de combustible.

El sistema de combustible tiene como finalidad hacer llegar combustible a una determinada

presión para la inyección del mismo en diversas condiciones del funcionamiento del motor.

En los motores Diesel existen tres tipos de circuitos de combustible según sea la posición

del depósito. Son los siguientes:

o Circuito con depósito de salida por gravedad

o Circuito con depósito auxiliar

o Circuito con depósito a nivel inferior

c) Sistema de enfriamiento

Con el motor funcionando, llegan a producirse temperaturas de hasta 2.200°C, lo que en

algunos casos, podría llegar a fundir las piezas metálicas, por lo que es necesario utilizar un

sistema de refrigeración capaz de evacuar parte del calor producido por la combustión.



El calor que ha de absorberse no ha de ser ni poco (se producirían dilataciones excesivas) ni

demasiado (bajaría el rendimiento del motor), aproximadamente un 30%.

Las altas temperaturas, además de dilatar, hacen que el llenado de los cilindros sea escaso y

el aceite de lubricación pierda sus propiedades lubricantes.

Las partes que requieren mayor enfriamiento son las que están sometidas a más altas

temperaturas, como son:

- La culata (especialmente la zona próxima a la válvula de escape).

- Las válvulas (con sus asientos y guías).

- Los cilindros (debido al roce del pistón).

El enfriamiento de estas piezas se hace a costa de calentar el aire del ambiente, renovándose

constantemente.

d) Sistema de lubricación

El sistema se emplea para evitar el elevado desgaste, recalentamiento y atascamiento de las

superficies frotantes; para disminuir el consumo de la potencia indicadora por perdidas

mecánicas del motor y eliminar productos del desgaste. En algunos motores el sistema de

lubricación se utiliza para enfriar el fondo del émbolo. Además el aceite mejora el

empaque por aros de embolo del espacio por encima del embolo y protege las piezas del

motor de la corrosión.

Este sistema es necesario para todas las partes móviles que existen en un motor. Por muy

esmerado y preciso que haya sido el trabajo de acabado y pulido de las superficies de dos

piezas metálicas, el aspecto de ambas aunque parezca liso, presenta enormes

irregularidades y asperezas.

Para el desarrollo de esta tesis, se enfocará el estudio en el sistema de combustible que se

desarrolla a continuación con mayor profundidad.



1.3.1 Descripción General del Sistema de combustible.

Es el encargado de suministrar el combustible necesario para el funcionamiento del motor,

(ver Figura 1.11) pudiéndose diferenciar dos apartados fundamentales:

a). Circuito de baja presión, encargado de enviar el combustible desde el depósito en que

se encuentra almacenado a la bomba de inyección. Compuesto por los siguientes

elementos:

• Depósito de combustible.

• Bomba de alimentación.

• Filtros de combustible.

• Conductos y válvulas

b). Circuito de alta presión, encargado de impulsar el combustible a una presión

determinada para ser introducido en las cámaras de combustión. Compuesto por los

siguientes elementos:

• Bomba de inyección.

• Canalizaciones: deben tener la misma longitud para tener los mismos tiempos de

inyección.

• Inyectores: Realizados en acero para poder resistir las fuertes variaciones de presión.



Figura 1.11 Sistema Completo de Inyección

El circuito de baja presión está formado de la siguiente forma:

Depósito de combustible: Se emplea en su fabricación chapa de acero galvanizado, en dos

mitades que se unen con soldadura eléctrica. En la actualidad se fabrican también de

plástico duro. Los depósitos metálicos se suelen recubrir de una capa antioxidante por el

exterior y un barnizado por el interior (ver Figura 1.12).

El depósito debe ser estanco totalmente y dispone de un tubo con una boca de llenado y un

tapón de cierre en el exterior. Posee un pequeño orificio de ventilación situado en el tubo o

en el mismo tapón de cierre. Este orificio está conectado con el exterior, y mantiene en el

interior del depósito la presión atmosférica.

Suelen llevar un tabicado interior agujereado para evitar el ruido, limitar los movimientos

del líquido y evitar la creación de vapores. Lleva también un orificio para el tubo de salida

del combustible y en la entrada a este tubo se puede colocar un filtro de malla metálica,

para un primer filtrado.



Figura 1.12 Tanque De Combustible del motor KM170

Bomba de alimentación: La misión de la bomba es la de extraer el combustible del depósito

y mandarlo al carburador o a la bomba de inyección, (dependiendo del sistema de

alimentación empleado), para su posterior mezcla con el aire.

Existen dos tipos de bombas de alimentación según su accionamiento:

- Mecánica.

- Eléctrica.

Bomba de alimentación mecánica. Se acopla al bloque motor por medio de unos tornillos

con una junta y una placa para disminuir la transmisión de calor producido por el motor,

evitando que la gasolina se convierta en gas. Esta bomba es accionada por una excéntrica

que posee el árbol de levas del motor cuando éste se encuentra en el bloque, o bien por un

dispositivo de mando, si lleva el árbol de levas en cabeza. (Figura 1.13)

Esta bomba presenta los siguientes inconvenientes:

• Se pueden producir burbujas en el combustible por la acción del calor del motor, al

estar montado en él.

• La membrana pierde elasticidad, al dilatarse, por la acción del calor del motor.

• Rotura frecuente de la membrana, por fatiga.



• Al estar separada del depósito se necesita una membrana de grandes dimensiones

para poder producir una succión efectiva.

• Para que funcione la bomba tiene que estar en funcionamiento el motor.

1. Presión turbo 2. Muelle de compresión 3. Eje de reglaje 4. Membrana 5. Tuerca de reglaje 6. Dedo palpador 7. Palanca de tope m ovil 8. Contrapesos conjunto regulador 9. Rueda dentada 10. Rueda dentada 11. Palanca de arranque 12. Palanca de tensión 13. Eje de arrastre 14. Bomba de alimentación 15. Plato porta-rodillos 16. Regulador de avance a la inyección 17. Plato de levas 18. Corredera de regulación 19. Pistón distribuidor 20. Válvula de respiración 21. Salida hacia los inyectores

Bomba de alimentación eléctrica: La parte superior es similar a la de una bomba mecánica

(membrana y válvulas de aspiración e impulsión). Esta bomba es accionada por la corriente

de la batería sobre un electroimán que mueve la membrana. (Figura 1.14)

Figura 1.13 Bomba de Alimentación Mecánica



1. Eje de arrastre 2. Bomba de alimentación 3. Regulador de avance a la inyección 4. Plato de levas 5. Válvula magnética 6. Corredera de regulación 7. Válvula de respiración 8. Salida hacia los inyectores 9. Pistón distribuidor 10. Salida hacia los inyectores 11. Entrada de combustible al pistón 12. Electroválvula de STOP 13. Servomotor

14. Retorno de diesel depósito de combustible 15. Sensor de posición 16. Perno de excéntrica 17. Entrada de combustible 18. Plato porta rodillos 19. Sensor de temperatura de combustible

Filtros

• Filtro: El sistema de alimentación lleva dos tipos de filtros:

• Filtros de combustible.

• Filtros de aire.

Filtro de combustible. Tiene como misión retener las partículas que pudiera llevar en

suspensión el combustible. Suelen estar constituidos por un pequeño tamiz de malla

metálica o de plástico. Están colocados a la salida del depósito, a la entrada de la bomba de

alimentación y a la entrada del carburador. Ver Figura 1.15

Figura 1.14 Bomba de Alimentación Eléctrica


ESIME Zacatenco

Filtro de aire. Tiene la misión de retener las partículas que el

generalmente el polvo, y evitar así que penetre en el interior de los cilindros y el desgaste,

en parte, de éstos (ver Figura 1.16).

• Filtro seco.

• Filtro húmedo.

• Filtro en baño de aceite

El circuito de alta presión está

Bomba de inyección: La bomba de inyección es el conjunto encargado de suministrar el

combustible en la cantidad precisa, en las condiciones necesarias y en el momento

adecuado, según las exigencias que se requieran del motor en cada momento.

La bomba debe inyectar el combustible

bien dosificada, para quemar 1g


Figura 1.15 Filtro de Combustible

Tiene la misión de retener las partículas que el aire lleva en suspensión,


en parte, de éstos (ver Figura 1.16). Existen tres tipos de filtros de aire:

Filtro en baño de aceite.

Figura 1.16 Filtro Seco

de alta presión está formado así:

La bomba de inyección es el conjunto encargado de suministrar el


las exigencias que se requieran del motor en cada momento.

La bomba debe inyectar el combustible a muy alta presión, pero en poca cantidad y muy

bien dosificada, para quemar 1gr. de diesel son necesarios 32 gr. de aire para una buena


- 22 -

aire lleva en suspensión,


La bomba de inyección es el conjunto encargado de suministrar el


las exigencias que se requieran del motor en cada momento.

a muy alta presión, pero en poca cantidad y muy

. de aire para una buena



combustión. Un litro de diesel necesita aproximadamente 13.000 litros de aire, (un 30%

más que la gasolina). Así pues la bomba y sus elementos han de reunir una serie de

condiciones:

• Dosificación exacta de la cantidad de combustible a inyectar en función de la

potencia del motor.

• Distribución de caudales iguales para cada cilindro.

• Inyección en el momento adecuado (orden de inyección).

Las bombas de inyección pueden ser de dos tipos:

• en línea. (Figura 1.17)

• rotativas. (Figura 1.18)

Figura 1.17 Bomba De Inyección Lineal

1. Racor de fijación de válvula; 2.Guia de muelle de válvula; 3.Muelle de válvula;

4.Válvula de impulsión; 5.Junta de válvula para el cierre de alta presión; 6.Asiento de

válvula; 7.Cilindro del elemento; 8.Émbolo; 9.Rueda dentada; 10.Talón del émbolo;

11.Palillo inferior de apoyo del muelle; 12.Arandela de ajuste; 13.Camisa de regulación;

14.Varilla de regulación con cremallera; 15.Junta para el cierre de baja presión; 16

Arandela de racor de unión.



Figura 1.18 Bomba De Inyección Rotativa

1.Eje de vaina estriado en sus extremos; 2.Buje de transmisión; 3.Arandela de resorte;

4.Retén; 5.Tapa hermética (carcasa); 6.Palaca de ajuste superior; 7.Válvula dosificadora;

8.Cámara de válvula dosificadora; 9.Orificio de dosificación; 10.Cabezal hidráulico;

11.Rotor de bombeo y distribución; 12.Bomba de trasiego (excéntrica); 13.Retén; 14.Rotor

de la bomba de trasiego; 15.Tapa de extremo que aloja la válvula de regulación;

16.Tornillo de fijación de la tapa; 17.Tapa deslizante de la bomba; 18.Orificio de

distribución 19.Orificio de admisión; 20.Conexion externa; 21.Recor de fijación del

cabezal hidráulico 22.Zapata de accionamiento; 23.Aro de levas; 24.Elemento de bombeo;

25.Placa de ajuste inferior; 26.Placa de trasmisión; 27.Rodillo de leva; 28.Eje de

trasmisión del motor; 29.Manguito de empuje; 30.Caja de contrapeso; 31.Contrapeso del

regulador; 32.Cuerpo de la bomba; 33.Orificio de salida.

Inyectores: Como se puede observar en la Figura 1.19, la misión de los inyectores es la de

realizar la pulverización de la pequeña cantidad de combustible y de dirigir el chorro de tal

modo que el combustible sea esparcido homogéneamente por toda la cámara de

combustión.


ESIME Zacatenco

Destaquemos que los inyectores son unos elementos muy solicitados, lampeados

conjuntamente cuerpo y aguja (fabricados con ajustes muy precisos y hechos expresamente

el uno para el otro), que trabajan a presiones muy elevadas de hasta 2000 aperturas por

minuto y a unas temperaturas de entre 500 y 600 °C.

Principio de funcionamiento:

a la parte superior del inyector y desciende por el canal practicado en la tobera o cuerpo del

inyector hasta llegar a una pequeña cámara situada en la base, que cierra la aguja

inyector posicionado sobre un as

superior de la aguja, que mantiene el conjunto cerrado.

El combustible, sometido a una presión muy similar a la del tarado del muelle, levanta la

aguja y es inyectado en el interior de la cámara

Cuando la presión del combustible desciende, por haberse producido el final de la

inyección en la bomba, el resorte devuelve a su posición a la aguja sobre el asiento del

inyector y cesa la inyección.



y aguja (fabricados con ajustes muy precisos y hechos expresamente


minuto y a unas temperaturas de entre 500 y 600 °C.

: El combustible suministrado por la bomba de inyección llega


inyector hasta llegar a una pequeña cámara situada en la base, que cierra la aguja

inyector posicionado sobre un asiento cónico con la ayuda de un resorte, situado en la parte

superior de la aguja, que mantiene el conjunto cerrado.


aguja y es inyectado en el interior de la cámara de combustión.



Figura 1.19 Inyector


- 25 -


y aguja (fabricados con ajustes muy precisos y hechos expresamente


nistrado por la bomba de inyección llega


inyector hasta llegar a una pequeña cámara situada en la base, que cierra la aguja del

iento cónico con la ayuda de un resorte, situado en la parte






1.3.2 Funcionamiento del sistema de combustible.

Como se muestra en la Figura 1.20, la bomba de aspiración succiona combustible del

depósito a través de una rejilla filtrante, que se encuentra en el extremo del tubo de

aspiración. Este combustible llega a través de un primer filtro que elimina las impurezas

más gruesas que lleva en suspensión el gasóleo. Después la bomba lo mandaría al filtro del

combustible y de ahí pasaría a la bomba de inyección, que lo mandaría a los inyectores.

La bomba de alimentación normalmente trabaja con presiones entorno a 1 o 2 Kg/cm2. Y en

cantidad suficiente, siendo una válvula de descarga la que regula dichas presiones, teniendo

una canalización de retorno para el combustible sobrante que va de vuelta al depósito. Esta

bomba suele contar con una pequeña bomba manual de cebado, que usa el mismo circuito y

que sirve para purgar y llenar las canalizaciones de combustible.

Si la bomba de inyección es de elementos en línea, la bomba de alimentación normalmente

irá acoplada a ella, recibiendo el movimiento del árbol de levas de la propia bomba de

inyección.

En este caso la bomba normalmente sería del tipo de pistón con muelle antagonista y

rodillo, alojados en un cilindro. También contaría con válvulas de entrada y salida del

combustible. Si la bomba de inyección fuese rotativa ya incorporaría su propia bomba de

alimentación.

La bomba de inyección suministra el combustible necesario a presión a los distintos

cilindros, a los que pasa a través de los inyectores, que lo pulverizan. Desde ellos, el

sobrante que no entra en los cilindros se hace retornar por los conductos de rebose.

En el circuito de alta presión, los tubos entre la bomba de inyección y los inyectores se

fabrican siempre de acero, a causa de las altas presiones que alcanza el combustible durante

el funcionamiento del motor. Para asegurar el ajuste correcto de cada cilindro y una

capacidad de inyección uniforme para todos ellos, los tubos deben tener la misma longitud

entre sí, ya que el cambio de longitud altera el punto de inyección de un cilindro respecto a

los demás.


ESIME Zacatenco

Esquema de un circuito de inyección en un motor diesel

Figura

1. Depósito de combustible.

2. Tubería de acceso a la bomba de alimentación.

3. Bomba de alimentación.

4. Bomba de inyección.

5. Tubería hacia el filtro.

6. Filtro.

7. Tubo de impulsión.

8. Inyector.

9. Conducto de rebose de la bomba de inyección.

10. Regulador.

11. Conducto de rebose del inyector


Esquema de un circuito de inyección en un motor diesel.

Figura 1.20 Sistema de combustible.

Depósito de combustible.

Tubería de acceso a la bomba de alimentación.

Bomba de alimentación.

Conducto de rebose de la bomba de inyección.

Conducto de rebose del inyector


- 27 -



1.5 Combustibles

Combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se cambia o transforma

su estructura química. Supone la liberación de una energía de su forma potencial a una

forma utilizable.

Los combustibles fósiles o combustibles minerales son mezclas de compuestos orgánicos

que se extraen del subsuelo con el objetivo de producir energía por combustión.

La mayor parte de la energía empleada actualmente en el mundo proviene de los

combustibles fósiles. Los utilizamos en el transporte, para generar electricidad, para

calentar ambientes, para cocinar etc.

1.5.1 Diesel

El combustible diesel es una mezcla compleja de hidrocarburos compuesta principalmente

de parafinas y aromáticos, con un contenido de olefina que alcanza solamente a un pequeño

porcentaje por volumen. La combustibilidad de un combustible diesel en los motores diesel

se caracteriza por su número de cetano, el cual es una medida de su capacidad para ser

sometido a ignición de compresión, bajo condiciones de prueba estándar. Los combustibles

con un número mayor de cetano se queman más fácilmente en los motores de ignición de

compresión.

Propiedades de los combustibles Diesel:

Estos combustibles tienen ciertas propiedades que los hacen adecuados para emplearlos en

los motores Diesel.

Viscosidad. Como se mencionó, debe ser lo bastante baja la atomización para la fácil

pulverización en la cámara de combustión.

Punto de inflamación. Es la temperatura a la cual el combustible empieza a despedir un

vapor, que se inflama de inmediato si hay una chispa o una llama. El punto de inflamación

de los combustibles Diesel es de unos 55°C, lo cual los hace mucho más seguros para el



manejo y el almacenamiento que la gasolina, que se vaporiza a todas las temperaturas

atmosféricas normales.

Temperatura de autoignición. Es la temperatura a la cual el combustible atomizado se

inflama y arde sin la ayuda de una chispa. Una baja temperatura de autoignición significa

que el motor arrancará con facilidad y funcionará con menor "cascabeleo". Esta

temperatura es de alrededor de 250°C para los combustibles Diesel.

Cualidades adecuadas para ignición: número cetano. El número cetano de un combustible

Diesel es una medida de su calidad de ignición o de su facilidad para arder en la cámara de

combustión. Los combustibles con bajo número cetano necesitan más tiempo para

inflamarse después de inyectarlos, con lo que ocasionan una demora más larga, y cuando

tiene lugar la ignición, habrá tendencia a un mayor "cascabeleo" cuando el combustible

acumulado se inflama en forma súbita y aumenta la presión.

Por otra parte, si el número cetano es suficientemente alto (número cetano correcto), el

combustible se inflamará y comenzará a arder casi tan pronto como empieza la

atomización. Por tanto, la presión de combustión aumentará uniformemente y no habrá

cascabeleo.

Para obtener el número cetano se hacen pruebas de un motor y se comparan los resultados

con ciertos combustibles de referencia. Dado que el objetivo es tener un combustible con

potencia adecuada y cualidades para ignición, el número cetano más alto que sea posible no

siempre es el requisito final. Por tanto, en esta prueba no se incluyen sólo las cualidades de

ignición, sino que se tienen en cuenta aspectos tales como el periodo de demora y la

potencia producida en el motor.

Contenido de azufre. Todos los combustibles Diesel contienen cierta cantidad de azufre. Un

contenido de azufre demasiado alto produce desgaste excesivo de los cilindros por la

formación de ácidos en el aceite lubricante. Los combustibles no deben contener más de

0.5% de azufre.



Ausencia de contaminantes. Dado que las holguras en las piezas para inyección de

combustible son tan pequeñas, que hay que impedir que entren al combustible los

contaminantes en cualquier forma, como agua, polvo, herrumbre o incrustaciones, antes de

poner el combustible en el tanque del vehículo. Los contaminantes pueden ocasionar

costosos daños en un tiempo un tanto corto. Por tanto, es de máxima importancia el cuidado

en el manejo y almacenamiento.

1.5.2 Biodiesel

El biodiesel, denominado también biogasóleo o diester, es un combustible renovable

sustitutivo del diesel que proviene del procesamiento de aceites vegetales, tanto naturales

como reciclados (soya, girasol, palma, etc.) y de grasas animales. Se lo obtiene mediante el

proceso de transesterificación de los aceites por reacción química con el alcohol para

formar esteres grasos (biodiesel) y glicerina.

Es un producto no tóxico y biodegradable, que por poseer características físicas y físico-

químicas muy similares a las del diesel, se ha convertido en uno de los combustibles más

eficaces como reemplazo del diesel.

Materias Primas:

Aceites vegetales: Provenientes de todo tipo de plantas oleaginosas: palma africana, soya,

higuerilla, girasol, colza, entre otros.

• Palma africana: El aceite de palma se extrae de la pulpa; el rendimiento de un racimo

oscila entre el 17 y el 27% .El biodiesel obtenido del aceite de palma tiene mayor

estabilidad de oxidación que el biodiesel de aceite de soya.

• Soya: Es el cultivo oleaginoso de mayor importancia a nivel mundial, Estados Unidos,

Brasil y Argentina son los principales productores. Contiene el 18% de aceite (85% no

saturado) y 38% de proteína.



• Higuerilla: El aceite se extrae de la semilla y es considerado el mejor para producir

biodiesel, por ser el único soluble en alcohol, y el proceso de obtención de biodiesel no

requiere calor y el consecuente gasto de energía que exigen otros aceites vegetales en su

transformación a combustible.

Grasas animales: Se pueden obtener como subproductos del faenamiento de ganado

vacuno, porcino, etc.

Ventajas

• BIODIESEL es un producto no tóxico y biodegradable.

• Presenta una alta estabilidad a la oxidación y se encuentra libre de partículas.

• Dada su alta solubilidad con los combustibles fósiles puede ser mezclado con los

mismos en distintas proporciones.

• Reduce en gran medida la emisión de humos visibles con respecto al diesel cuando

el producto se quema y no contiene azufre. Esto evita la contaminación del

medioambiente y brinda un almacenamiento del BIODIESEL más seguro que el del

diesel.

• Representa una fuente de energía renovable y limpia que además contribuye a la

conservación del medio ambiente gracias al reciclado de productos de desecho.



En la siguiente tabla 1.2 se muestran las dos normas aplicables al biodiesel

• EN: Norma Europea

• A.S.T.M: American Society for Testing and Materials

Parámetro Unidad Especificaciones

EN 14214-03 A.S.T.M D 6751 -02 Contenido de esteres % masa Mín. 96,5 -----

Densidad a 15 °C g/cm3 0,86 – 0,90 -----

Viscosidad cinemática a 40 °C mm2/s 3,50 – 5,00 1,90 – 6,00

Punto de Inflamación °C Mín. 120 Mín. 130

Punto de obstrucción de filtro frío

(P.O.F.F)

°C verano Máx. 0 -----

°C invierno Máx. -20 -----

Azufre total % masa Máx. 0,001 Máx. 0,05

Residuo carbonoso Conradson al 100% % masa Máx. 0,05 Máx. 0,05

Número de cetano ---- Mín. 51 Mín. 47

Contenido en cenizas % masa Máx. 0,03 Máx. 0,02

Contenido en agua mg/Kg. Máx. 500 -----

Agua y sedimentos % volumen - Máx. 0,05

Corrosión al cobre (3h/50 °C) Grado de Corrosión Máx. 1 Máx. 3

Estabilidad a la oxidación horas Mín. 6 -----

Índice de acidez mg KOH/g Máx. 0,50 Máx. 0,80

Contenido en metanol % masa Máx. 0,20 -----

Contenido en monoglicéridos % masa Máx. 0,80 -----

Contenido en diglicéridos % masa Máx. 0,20 -----

Contenido en triglicéridos % masa Máx. 0,20 -----

Glicerol libre % masa Máx. 0,02 Máx. 0,02

Glicerol ocluido % masa Máx. 0,23 -----

Glicerol total % masa Máx. 0,25 Máx. 0,24

Índice de yodo ---- Máx. 120 -----

Fósforo ppm. Máx. 10 Máx. 10

Sales Metálicas (Na+K) mg/Kg. Máx. 5 - Tabla1.1 Comparación físico – químico entre diesel y biodiesel



1.5.3 Comparación del Diesel con Biodiesel

PARÁMETRO UNIDADES UNE EN 590°

DIESEL

LILMITE CEN/TC 19**

BIODIESEL

Densidad(15°C) g/cm3 0.820-0.845 0.860-0.900

Viscosidad Cinemática 40° cS1 2.0-4.5 3.5-5.0

Punto inflamación °C 55min. 101min.

Azufre Ppm 350 máx. 10 máx.

Residuo Carbonoso (10%) % 0.30 máx. 0.30 máx.

Contaminación Total ppm 24 máx. 24 máx.

Agua ppm 200 máx. 500 máx.

Corrosión al cobre - Clase 1 Clase 1

Cenizas Sulfatadas % 0.01 máx. 0.02 máx.

Estabilidad Oxidación mg/l 25 máx. 6h min.

Numero de Cetano - 51 min. 51 min.

Índice de Cetano - 46 min.

Tabla 1.2 Comparación diesel con biodiesel.



Comparación Diesel-biodiesel: composición de los productos de combustión

• Calculo de la cantidad, la composición de los productos de combustión.

Partiendo de las reacciones de combustión de los elementos que forman parte del

combustible, la cantidad de gases que generan, se determina según las formulas:

En kilogramo de gas por kilogramo de combustible:

Para el gas carbónico CO2:

�� 11�/3 Para el vapor de agua recalentado H2O:

�� 9

Para el valor de oxígeno O2:

�� 0.231�� 1�� Para el nitrógeno N2:

�� 0.769 � �� α=Coeficiente de exceso de aire igual a 1.684

La composición elemental del diesel es: C=0.86; H=0.13; O=0.01.

La composición elemental del biodiesel es: C=0.77; H=0.12; O=0.1.

Cálculos:

Io = Cantidad necesaria de aire.

�� 83 C � 8H � 0�0.231



��diesel � �83 0.86 � 8�0.13� � 0.01�0.231 � 14.3865

��biodiesel � �83 0.77 � 8�0.12� � 0.1�0.231 � 12.5685

Calculo de las emisiones de Dióxido de carbono CO2

CO2 diesel = 11C/3 CO2 biodiesel = 11C/3

CO2 diesel = 11(0.86)/3 CO2 biodiesel = 11(0.77)/3

CO2 diesel = 3.1533 Kg. CO2 biodiesel = 2.8233 Kg.

El resultado de los cálculos anteriores nos da una visión de que es un generador menor de

CO2, ya que cuenta con un 10.46 % menos de este producto de la combustión.

Calculo de las emisiones de agua H2O.

H2O diesel = 9H H2O biodiesel = 9H

H2O diesel = 9(0.13) H2O biodiesel = 9(0.12)

H2O diesel = 1.17 Kg. H2O biodiesel = 1.08 Kg.

Despide una mayor cantidad de agua el Diesel que el Biodiesel. Mediante los cálculos

representa un 7.69% menos cantidad de agua que el Diesel.



Calculo de las emisiones de N2O.

N2O diesel = 0.769 α lo N2O diesel = 0.769 α lo

N2O diesel = 0.769 (1.684) (14.3865 ) N2O biodiesel = 0.769 (1.684) (12.5685 ) N2O diesel = 18.6305 Kg. N2O biodiesel = 16.2761 Kg.

Despide una menor cantidad de NO2 el uso de Biodiesel representando el 12.63% menos de

emisión.

Calculo de las emisiones de oxigeno O2.

O2 diesel = 0.231�� 1�� O2 biodiesel = �� 0.231�� 1�� O2 diesel = 0.231�1.684 � 1�14.3865 O2 biodiesel = �� 0.231�1.684 � 1�12.5685 O2 diesel = 2.2731 Kg. O2 biodiesel = 1.9858 Kg

El uso de biodiesel despide 12.63% de menor cantidad de oxigeno.

Instituto Politécnico Nacional Capitulo II Establecimiento del Sistema


Capítulo II Establecimiento del sistema

2.1 Sistema termodinámico

Un sistema termodinámico es una parte de un sistema que se aísla para su estudio. Este se

puede llevar de dos formas principalmente:

• Real, en el campo experimental.

• Ideal, cuando se trata de abordar un estudio teórico.

Los sistemas termodinámicos se clasifican según el grado de aislamiento que presentan con

su entorno. Aplicando este criterio pueden darse tres clases de sistemas.

� Sistema aislado: es aquel que no intercambia ni energía ni masa con su entorno. Un

ejemplo de esta clase podría ser un gas encerrado en un recipiente de paredes rígidas

lo suficientemente gruesas como para considerar que los cambios de energía

calorífica sean despreciables, ya que por hipótesis no puede intercambiar energía en

forma de trabajo.

� Sistema cerrado: es el que puede intercambiar energía pero no materia con el

exterior. Multitud de sistemas se pueden englobar en esta clase.

� Sistema abierto: en esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden

observarse en la vida cotidiana. Por ejemplo, un vehículo motorizado es un sistema

abierto, ya que intercambia materia con el exterior cuando es cargado, o su

conductor se introduce en su interior para conducirlo, o es cargado de combustible,

o se consideran los gases que emite por su tubo de escape, pero además intercambia

energía con su entorno.



2.1.1 Ciclo Diesel

Desde un punto de vista mecánico, el ciclo del motor diesel de cuatro tiempos consta de las

siguientes fases:

• Admisión: con el pistón posicionado en el PMS (punto muerto superior) comienza

la carrera descendente y al mismo tiempo se abre la válvula de admisión para llenar

de aire limpio aspirado o forzado por un turbocompresor el cilindro, terminando

este ciclo cuando el pistón llega al PMI (punto muerto inferior) y la válvula de

admisión se cierra nuevamente.

• Compresión: el pistón está en el PMI y empieza su carrera de ascenso,

comprimiendo el aire contenido en el cilindro y logrando de esa forma un núcleo de

aire caliente en la cámara de combustión por el efecto adiabático.

• Trabajo: cuando el pistón está a punto de llegar al PMS se inicia la inyección de

combustible a alta presión. En este momento se mezclan las partículas de gasóleo

pulverizado con el núcleo de aire caliente y se produce el encendido y la

consiguiente expansión de gases por la combustión del gasóleo, moviendo el pistón

desde el PMS hacia el PMI y generando trabajo.

• Escape: concluida la fase de trabajo y habiendo llegado el pistón al PMI, se abre la

válvula de escape al mismo tiempo que el pistón empieza su carrera hacia el PMS y

elimina hacia el conducto de escape los gases producidos por la combustión en el

cilindro.

De esta forma podemos ver que el ciclo diesel está formado por cuatro tiempos, por lo que,

cuando entra el combustible, este explota por la alta presión y se va quemando en el

trayecto.

Es el ciclo de referencia asignado a los motores de encendido por compresión para explicar

de forma simple y teórica los procesos, siendo oportuno comentar que el ciclo mixto

aproxima mejor a la realidad tanto al ciclo Otto como al Diesel.



La diferencia fundamental entre el ciclo Diesel y el ciclo Otto está en la fase de aportación

del calor. En el ciclo Otto el calor era introducido a volumen constante, y en el ciclo Diesel

es introducido a presión constante. Otra diferencia entre los dos ciclos se encuentra en la

relación de compresión; para los motores Diesel esta entorno de 14 a 24, mientras que para

los motores de encendido por chispa varía entre 6 y 10. Los dos tipos de motores requieren

la máxima relación de compresión para mejorar el rendimiento. Sin embargo,

condicionados por el combustible, los motores de encendido provocado no deben

sobrepasar una cierta relación de compresión para no sufrir efectos como el picado,

mientras que los motores Diesel requieren una relación de compresión mínima para

garantizar el encendido por compresión y a partir de una determinada relación de

compresión, el aumento de rendimiento ya no compensa el aumento de costos y peso del

motor capaz de resistir las presiones que se generarían.

Como se puede ver en la Figura 2.1, el ciclo Diesel está formado por cuatro procesos

térmicos:

a) 1-2 Compresión adiabática

b) 2-3 Aportación de calor a presión constante.

c) 3-4 Expansión adiabática

d) 4-1 Extracción de calor a volumen constante

Figura 2.1 Graficas del Ciclo Diesel ideal



En el proceso de aportación de calor, a presión constante, el pistón se desplaza, y por tanto

realiza un trabajo:

(�) * +,- � +�-).-��)� (1)

Si se usa la ecuación de la energía, se obtiene:

/0 � �1) � 1�� +)-) � +�-�� (2)

Y como la entalpia h del fluido tiene la expresión:

2 � 1 � +3 (3)

Entonces la ecuación (2) queda de la siguiente manera:

/0 � 2) � 2� (4)

Si se considera que el fluido de trabajo es un gas ideal y el proceso es a presión constante,

entonces:

2) � 2� � �4�5) � 5�� (5)

De manera que el calor aportado vale

/0 � �6�57 � 50� (6)

Y recordando que el grado de combustión, extensión correspondiente a la aportación de

calor a presión constante, tiene la siguiente expresión.

89 � :;:< (7)



Se obtiene finalmente la expresión del rendimiento térmico ideal del ciclo Diesel teórico:

= � 1 � 0>?@A B CD?.0E�CD.0�F (8)

Se puede observar que, a diferencia del ciclo Otto, no solo es función de p y de k, sino que

además lo es de βe y por tanto, depende del calor aportado por unidad de masa Qr

Analizando la ultima ecuación se comprueba que si se aumenta βe el rendimiento se hace

más pequeño, mientras que si se aumenta la relación de compresión el rendimiento crece.

La única diferencia entre el rendimiento del ciclo Otto y el Diesel es el termino B CD?.0E�CD.0�F que siempre es más grande que 1. Se llega a la conclusión de que, para igual relación de

compresión, es más grande el rendimiento térmico del ciclo Otto que el del Diesel.

Si se reduce βe y por tanto, el calor aportado a presión constante, el rendimiento térmico del

Ciclo Diesel se aproxima al del ciclo Otto, hasta tal punto que cuando β=1 los dos

rendimientos coinciden.

Si se aplican las condiciones del ciclo Diesel a la ecuación general de la presión media

teórica, se obtiene su expresión para este caso:

�9 � 1 8G � 1

HIJK0 � >?�C.0��>.0��E.0� = (9)



Potencia del motor

Potencia; se le llama potencia al trabajo referido a la unidad de tiempo, pero también

existen diferentes tipos de potencia en un motor, como se muestra en las definiciones

siguientes:

Potencia útil es la potencia de un motor obtenida a un número correspondiente de

revoluciones en el cigüeñal o en un dispositivo auxiliar.

Potencia nominal es la potencia máxima de un motor a plena carga.

La potencia se puede definir matemáticamente:

+L � M N O (10)

Donde

+L � +LPQRSTU en Kw O � 3Q�LST,U, URVW�UX M � 4UX Nm

La velocidad angular se define como:

O � Y Z)� (11)

Donde

n = frecuencia de rotación (RPM)

Sustituyendo 11) en 10) tenemos

+L � M�Y Z)� � (12)



2.1.2 Descripción del motor como un ciclo

Figura 2.2 Diagrama a Descriptico del Motor Diesel

La Figura 2.2 muestra como el combustible procedente del depósito (1) es aspirado, a

través de la bomba de alimentación (2) a un prefiltro (3). Esta bomba lo impulsa por la

tubería de baja presión hacia el filtro principal (4) que retiene las partículas, el agua y el

aire contenidos en el combustible, pasando éste luego a través de la tubería a la bomba de

inyección (5). En el instante oportuno esta bomba de inyección impulsa combustible a gran

presión, a través de la tubería de alta presión, hacia el inyector (6). La gran presión que



tiene el combustible a su llegada al inyector vence la resistencia que éste opone a su

apertura y el combustible se introduce en la cámara de combustión (7), en forma de chorros

pulverizados. En el instante en que la bomba de inyección deja de impulsar combustible, la

presión del que existe en el tubo desciende bruscamente, el inyector se cierra y cesa la

entrada de combustible en la cámara de combustión.

Como la presión a que está sometido el combustible y la sección de paso del inyector son

fijos, la cantidad de combustible suministrada al motor en cada inyección sólo depende del

tiempo que permanece abierto el inyector, o sea, del tiempo durante el cual la bomba está

mandando combustible a presión hacia el inyector.

Cada cilindro posee un inyector, que recibe el combustible directamente de la bomba de

inyección mediante su correspondiente tubería de alta presión. La bomba impulsa

combustible sucesivamente hacia cada uno de los inyectores, siguiendo el orden de

encendido del motor.

Existen tuberías de retorno que parten del filtro principal y de los inyectores y descargan el

exceso de combustible hacia el depósito. En el esquema de esta figura y principalmente

cuando la bomba de inyección es rotativa, existe otro conducto de retomo desde la bomba

hacia una conexión situada en el filtro. Las conexiones de los conductos de retorno

contienen una válvula que impide la circulación del combustible en sentido contrario. Visto

ya de una forma esquemática el proceso seguido por el combustible hasta ser inyectado.



2.1.3 Descripción del sistema real

Figura 2.3 Sistema Real

Se trabajará en el sistema de combustible del motor diesel KM170 (ver Figura 2.3), el cual

tiene las siguientes especificaciones.

MOTOR KM170 Tipo 4 tiempos, 1 cilindro, refrigerador para aire, motor diesel

Sistema de combustión. Inyección Directa Cilindrada ( c.c ) 211

Diámetro x carrera 70 x 55 Velocidad Motor r/min 3000 - 3600 Potencia Máxima Kw 2.8 / 3.1

Potencia Nominal Kw /rpm 2.5 / 3000 ; 2.8/ 3600 PTO eje PTO rpm ½

Sistema de arranque Manual auto envolvente Capacidad dep. combustible ( I ) 2.5

Capacidad Aceite 0.75 lts. Medidas ( An x Lg x Al ) (mm) F: 332 x 384 x 416 x S: 324 x 384 x 416

Peso 26 kg. Ratio de compresión 20

Consumo 280 g/km*h


ESIME Zacatenco

Tabla 2.1

Piezas del sistema de combustible (Figura 2.6)

1) Tornillo

2) Tornillo de ajuste

3) Junta de culata

4) Soporte de apoyo superior del

Tanque de combustible

5) Amortiguador

6) Sujetador de la tubería de

combustible

7) Tubería del retorno de combustible

8) Tornillo de desagüe

9) Tornillo 12X1.25X14

10) Soporte de apoyo inferior del

Tanque de combustible

11) Tuerca M6X14

12) Tuerca M6

13) Interruptor montado en

el tanque de combustible


Especificaciones del motor diesel KM170

combustible (Figura 2.6)

4) Soporte de apoyo superior del

) Tubería del retorno de combustible

10) Soporte de apoyo inferior del

Figura 2.4 Despiece del Sistema de Combustible

Figura 2.5 Vista Frontal del Sistema

Capitulo II Establecimiento del Sistema

- 47 -

Figura 2.4 Despiece del Sistema de Combustible

Vista Frontal del Sistema



14) Rondana

15) Sujetador

16) tubería de inyección

17) Filtro de combustible

18) Elemento montado

19) Tanque de combustible soldado

20) Malla filtradora del tanque

de combustible

21) Tapa del tanque de combustible

22 y 22-1) Unidad de tubería de alta presión

2.1.4 Propuesta del sistema de control

Contenedor Biodiesel

Válvula proporcional

Contenedor Diesel

Válvula proporcional

Válvula solenoide

Tanque Mezcla Motor

Válvula solenoide

Figura 2.7 Diagrama a Bloques de la Propuesta

Figura 2.6 Vista Lateral Extensa del Sistema



Para llevar a cabo el control del sistema de combustible se implementarán los siguientes

elementos:

� 1 Tanque para biodiesel

� 1 Tanque para Diesel

� 1 Tanque para Mezcla

� 2 Válvulas Motorizadas

� 2 Válvulas Solenoides

En la propuesta se considerará un tanque para Diesel (será el de mayor tamaño), otro para

Biodiesel (de menor proporción con respecto al de Diesel) y un tercero de para el

combustible no utilizado por el motor (exceso de combustible) para ser reutilizado.

El Biodiesel tiene la característica de que a menor temperatura mayor es su viscosidad, por

lo que este combustible no se utilizará en el arranque del motor; se iniciará con Diesel. Para

llevar a cabo la utilización del biodiesel se necesita reducir su viscosidad, lo cual se lograra

cuando el motor KM170 llegue a una temperatura mayor a 120° como lo marca la norma

EN 14214-03, para su punto de inflamación, antes de que el combustible llegue a la bomba

de inyección, tuberías e inyectores, así el combustible llegará en condiciones favorables

para su combustión.

Para la realización de la mezcla se utilizarán dos válvulas proporcionales (también llamadas

válvulas motorizadas), el control de estas válvulas se definirá por la temperatura y la

potencia del motor, ya que el propósito de este control es el no disminuir la potencia del

motor.

El control de la mezcla incluirá otros elementos como son: sensor de temperatura, sensor de

velocidad y sensor de par, estos últimos para determinar la potencia del motor.

Instituto Politécnico Nacional Capitulo III Simulación


Capítulo III Simulación

3.1 Descripción del control de combustible

1.- Inicio, arranque del motor

2.- Designación de variables

Válvula 1 = Válvula del Biodiesel (V1)

Válvula 2 = Válvula del diesel-mezcla (V2)

Válvula 3 = Válvula del diesel (V3)

Válvula 4 = Válvula de mezcla (V4)

Temperatura = T

Potencia = P

3.- Estado de las válvulas

V1= cerrado

V2= cerrado

V3= abierto

V4= cerrado

4.- Medición de la temperatura, si T≥ 120 ° C el estado de las válvulas cambia de la

siguiente manera:

V1= cerrado

V2= 100% abierto

V3= 0% abierto

V4= cerrado

Si la T≤ 120 °C debe conservar el estado de las válvulas como en el paso 3.



5.- Medición de la potencia,

Si P≥ 2.5 entonces:

V2 cierra en un 10%

V3 abre en un 10%

De lo contrario

Si P< 2.5 entonces:

V2 abre un 10%

V3 cierra un 10%

6.- El ciclo termina hasta que se apaga el motor.



Diagrama de flujo

Figura 3.1 Diagrama de flujo del sistema de control



3.2 Sistema de control

Control en cascada

Es una arquitectura que se basa en el lazo de control retroalimentado, su estructura es muy

simple, es el más utilizado en la industria y que tiene gran controlabilidad. Se basa en medir

una variable secundaria (esclava), a demás de un controlador secundario que se encarga de

modificar a la variable manipulada a través del elemento final de control.

Niveles de control Esta arquitectura tiene varios niveles de control, el nivel más alto es el

que se encarga de medir la variable controlada (primaria) y el controlador de este nivel le

proporcional el punto de referencia (set- point) al controlador del siguiente nivel; el nivel de

control más bajo es el que se encarga de medir una variable que pueda perturbar a la

variable primaria y es donde otro controlador modifica a la variable manipulada.

Esquema de control.

Figura 3.2 Esquema de control, cascada



Características:

� El controlador primario le proporciona el set-point al controlador secundario. � El transmisor secundario tiene que ser de mayor exactitud y de mayor velocidad de

lectura que el transmisor primario. � La variable secundaria tiene que ser más rápida que la variable primaria; es decir,

que tiene que cambiar con mayor rapidez con respecto al tiempo.

Ventajas:

� El lazo de control secundario corrige las perturbaciones antes de que afecten a la variable controlada.

� Aumenta la controlabilidad del sistema.

Desventajas:

� Por cada lazo de control se requiere un transmisor y un controlador, por lo que su inversión aumenta.

� Si un lazo de control retroalimentado tiene un excelente desempeño lo mas probable es que un control en cascada no lo mejore.

Modos de control

Los algoritmos de control para la arquitectura en cascada son los mismos que para el

control retroalimentado es decir, P, PI, PD, PID.

Se recomienda para el controlador esclavo utilizar los algoritmos P y PD; y para el

controlador primario PI y PID.



Control en cascada para el control del sistema de combustible

Figura 3.3 Control en cascada para el sistema de combustible.

Para el control del sistema de combustible del motor diesel KM170 se utiliza una

arquitectura de control, control en cascada como se muestra en la Figura 2.11. La cual esta

compuesta por un controlador, dos funciones convertidoras, una en base a la temperatura.,

la otra en base al par y ala velocidad esto para calcular la potencia además de cuatro

elementos de salida, dos válvulas solenoides (V3,V4) y dos motorizadas (V1,V2). El

sistema es manipulado en primera instancia en base a la temperatura ya que al alcanzar la

temperatura de 120°C mandara la señal a las solenoides, Abriendo la solenoide (V4) y

cerrando la (V3). Al mismo instantes se energizaran las válvulas motorizadas (V1,V2), las

cuales serán controladas de acuerdo a la potencia la cual será calculada en un convertidor

de función en base a los valores de lo sensores de par y de velocidad. Así V1 y V2 serán

controladas proporcionalmente.



Tag Descripción

FV Válvula de flujo

NT Trasmisor de par

ST Transmisor de velocidad

TC Controlador de temperatura

TT Transmisor de temperatura

TV Válvula de control de temperatura

OC Controlador de potencia

UY Función convertidor

Instrumento montado en campo

Tag Descripción

PLC

Válvula solenoide

Válvula motorizada

Señal eléctrica

S.P. Set Point

NC Normalmente cerrada

NA Normalmente abierta

V1 V2

Biodiesel mezcla Diesel

V3 V4

Diesel mezcla Mezcla



Figura 3.4 Diagram

a de Tub

erías e instrumentos



3.3 Programación del PLC (SLC 500)

A continuación se muestran los direccionamientos y sus valores utilizados en la

programación del PLC SLC 500.

F8:0 Rango mínimo real del termopar (-195) F8:1 Rango máximo real del termopar (260) F8:2 Entrada mínima en bits del termopar (-32767) F8:3 Entrada máxima en bits del termopar (32768) F8:4 Rango mínimo real del sensor de par (0) F8:5 Rango máximo real del sensor de par (100) F8:6 Entrada mínima en bits del sensor de par(-32767) F8:7 Entrada máxima en bits del sensor de par (32768) F8:8 Rango mínimo real del sensor de velocidad (0) F8:9 Rango máximo real del sensor de velocidad (8000) F8:10 Entrada mínima en bits del sensor de velocidad (-32767) F8:11 Entrada máxima en bits del sensor de velocidad (32768) F8:12 Porciento mínimo de apertura de la válvula modulante diesel (0) F8:13 Porciento máximo de apertura de la válvula modulante diesel (100) F8:14 Rango mínimo en bits de la válvula modulante diesel (3276) F8:15 Rango máximo en bits de la válvula modulante diesel (16384) F8:16 Porciento mínimo de apertura de la válvula modulante biodiesel (0) F8:17 Porciento máximo de apertura de la válvula modulante biodiesel (100) F8:18 Rango mínimo en bits de la válvula modulante biodiesel (3276) F8:19 Rango máximo en bits de la válvula modulante biodiesel (16384) F8:20 Salida de escalamiento del termopar (valor sensado) F8:21 Salida de escalamiento del sensor de par (valor sensado) F8:22 Salida de escalamiento del sensor de velocidad (valor sensado) F8:23 Entrada al escalamiento para la válvula Diesel (valor asignado) F8:24 Entrada al escalamiento para la válvula Biodiesel (valor asignado) F8:25 Valor comparativo para el sensor de velocidad (100) F8:26 Valor comparativo para el sensor de temperatura (120) F8:27 Valor comparativo de la potencia (2.5) F8:28 Valor de apertura de la válvula Diesel (100) F8:29 Valor de apertura de la válvula Biodiesel (0) F8:30 Resultado de la multiplicación de par *velocidad F8:31 Resultado de ∏/30 F8:32 Valor total de la potencia real



F8:33 Porcentaje de cierre o apertura de las válvulas diesel y biodiesel B: 0 Valor binario para cambio de subrutina B:1 Valor binario para apertura de válvulas B:2 Valor binario para apertura o cierre de válvulas modulantes, diesel y

biodiesel I:2.0 Entrada al escalamiento del sensor de par I:2.1 Entrada al escalamiento del sensor de velocidad I:4.0 Entrada al escalamiento del termopar O:1.0/0 Energizado de la válvula B3 O:1.0/1 Energizado de la válvula B4 O:3.0 Salida del escalamiento de la válvula modulante Diesel O:3.1 Salida del escalamiento de la válvula modulante Biodiesel

Tabla 3.1 Direccionamientos utilizados en la programación del PLC SLC500

El programa de control en el PLC SLC500 se divide en tres subrutinas: (Ver Figura 3.5)

� Arranque

� Temperatura

� Potencia

Figura 3.5 Subrutinas



Otra ventana importante es donde se asignaron los valores de los rangos de operación (F8,

flotantes) que se muestra a continuación en la Figura 3.6, para ver la relación de las

variables ver la Tabla 3.1.

Figura 3.6 Rangos declarados en F8

Subrutina “Arranque”

Figura 3.7 Subrutina de Arranque- Escalamiento del termopar



Figura 3.8 Arranque- Escalamiento del sensor de par

Figura 3.9 Arranque- Escalamiento del sensor de velocidad

Figura 3.10 Arranque- Escalamiento de la válvula modulante Diesel



Figura 3.11 Arranque- Escalamiento de la válvula modulante Biodiesel

Figura 3.12 Arranque- Condiciones de inicio del programa y salto de subrutina.



Subrutina “Temperatura”

Figura 3.13 Temperatura- Comparación de temperatura

Figura 3.14 Temperatura- Salto a subrutina de potencia



Subrutina de “Potencia”

Figura 3.15 Potencia- Calculo de potencia

Figura 3.16 Potencia- Comparación de potencia



Figura 3.17 Potencia- Instrucción LES, comparación de un valor bajo de potencia.

Figura 3.18 Potencia- Apertura y cierre de válvulas Diesel V2 y Biodiesel V1.



Comprobación teórica

Basados en la siguiente formula se podrá calcular los valores de salida de la

instrumentación.

y � \�]1 � ]0��^1 � ^0�_ `^ � ^0a � ]L Donde:

y=salida.

y0= escala mínima.

y1= escala máxima.

x= entrada.

x0=entrada mínima.

x1=entrada máxima.

A continuación se muestra un ejemplo basado en el sensor de temperatura conectado a una

tarjeta de 16 bits.

y= Valor de la salida.

y0= -32767

y1= 32768.

x= 120 = valor de la entrada

x0= -195

x1=260



Sustituyendo los valores en la ecuación anterior.

y � \�32768 � ��32767��260 � ��195�� _ `120 � ��195�a � ��32767� y � b65535�455� c `315a � `32767a y � 12603.3846 Valor en bits

El cálculo anterior se realiza para todas las entradas de los sensores.

Tomando en cuenta que la temperatura es mayor o igual a 120°C se mide la potencia con la

siguiente formula

Para el calculo de la potencia se utiliza la formula (12) del capitulo II.

+L � valor del par hvalor de lavelocidad X π30 l

Ya que se calculo la potencia se realizara el escalamiento para las válvulas motorizadas

conectadas a una tarjeta de 14 bits. Calculo para la salida

y=4586.8

y0= 0

y1= 100

x = valor de la salida

x0= 3276



x1= 16384

Sustituyendo los valores en la ecuación anterior.

^ � m ] � ]0]1 � ]0^1 � ^0n � ^0

^ � m 4586.8 � 0100 � 016384 � 3276n � 3276

^ � h4586.800.7628 l 3276 ^ � 6045.13



3.4 Interfaz Hombre – Máquina (HMI) INTOUCH

Para la realización del control de combustible se sugiere INTOUCH como interfaz hombre-

máquina, el cual se describe a continuación. El software para la visualización y control de

procesos HMI Intouch® de Wonderware, ganador de premios y famoso mundialmente

destaca por la facilidad de uso y gráficos fáciles de configurar que lo hacen único. Los

poderosos wizards y los nuevos SmartSymbols de Wonderware® permiten a los usuarios

crear e instalar de manera rápida aplicaciones personalizadas que se conectan y entregan

información en tiempo real.

Las aplicaciones de In Touch son suficientemente flexibles para cumplir necesidades

inmediatas y poder escalarlas para satisfacer requerimientos futuros, mientras conserva el

valor de la inversión y los esfuerzos de la ingeniería. Esas aplicaciones de InTouch

versátiles pueden usarse desde dispositivos móviles, computadoras remotas e incluso a

través de Internet. Además, la HMI In Touch extensible y abierta ofrece incomparable

conectividad con la más amplia gama de equipos y dispositivos de automatización en la

industria.

Las aplicaciones de InTouch pueden visualizarse desde múltiples dispositivos sin cambios

adicionales en la configuración. Una aplicación puede ser vista desde:

• Múltiples pantallas

• Internet

• En dispositivos móviles como PDAs y Tablet PCs.

El software InTouch reduce el costo del proyecto permitiendo la visualización de la misma

aplicación a través de múltiples dispositivos. En esencia, la HMI InTouch proporciona la

información necesaria para los usuarios en el dispositivo de su preferencia.


ESIME Zacatenco

InTouch tiene tres componentes principales:

� Application Manager

� WindowMaker

� WindowViewer (Run Time

Para la comunicación se tiene un software adicional llamado

este nos proporciona un I/O Servers, el cual nos permite la administración de diversos

protocolos de comunicación.

En el desarrollo de esta HMI se utiliza INTOUCH

INTOUCH abre el Application

aparecerá un cuadro de dialogo en donde definiremos la ruta de nuestra nueva aplicación.

Figura 3.19

Una vez seleccionada la ruta, le damos siguiente; el

es el directorio donde queremos que sea creada nuestra nueva aplicación.


InTouch tiene tres componentes principales:

Run Time)

Para la comunicación se tiene un software adicional llamado Wonderware


En el desarrollo de esta HMI se utiliza INTOUCH 10.0. Para crear un nuevo proyecto

Application Manager, en esta página damos click en File


19 Ventana para crear una nueva aplicación.

Una vez seleccionada la ruta, le damos siguiente; el dato que a continuación nos pedirá

es el directorio donde queremos que sea creada nuestra nueva aplicación.

Capitulo III Simulación

- 70 -

Factory Suite;


10.0. Para crear un nuevo proyecto

File – New y nos


dato que a continuación nos pedirá



Para finalizar nos pedirá el nombre y la descripción de la aplicación a desarrollar

Figura 3.20 Ventana InTouch para nombre y descripción de una aplicación

A continuación observaremos el nombre de la aplicación creada, en esta pagina nos

indicara los siguientes datos nombre, ruta, resolución, la versión de INTOUCH

utilizada, el día que fue modificada la aplicación y una descripción de la misma



Figura 3.21 Application Manager

Para crear una pantalla debemos tener creada la aplicación, seleccionamos el nombre de la

aplicación, y damos un click en el icono de Window Maker, como se muestra a

continuación.

Figura 3.22 Ubicación de icono, Window Maker

Una vez realizado lo anterior se abrirá el WindowMaker, y en esta página observaremos la

barra de menús, la barra de herramientas, etc. Aquí buscaremos Windows & Scripts

daremos click en el signo de mas de Unassigned, nos aparecerá a continuación dos

opciones la primera Windows y la segunda Scrips. Daremos click con el botón izquierdo

del mouse sobre la opción Windows y seleccionaremos New Window. Al realizar esta



acción el cuadro de dialogo Window Properties, tiene opciones configurables como son: el

nombre de la ventana nueva, el color y las dimensiones de la ventana, así como

comentarios, el tipo de ventana (Replace, Overlay, Popup).

Figura 3.23 Ventana de propiedades

Una vez seleccionadas las propiedades de la ventana, se tiene lista el área de trabajo, para

crear objetos, símbolos, entre otros; y generar la ventana de visualización del proyecto.

Figura 3.24 Pantalla de trabajo

Crear objeto

Para crear un objeto se tienen dos herramientas principales: Wizards y la barra de dibujo.

Los Wizards son objetos prediseñados que facilitan el diseño de pantallas.



Figura 3.25 Barra de herramientas en InTouch

En la realización de un objeto podemos modificar diversas propiedades por ejemplo en el

texto podemos modificar el color, el tamaño, el tipo de letra, etc.; para el recuadro podemos

cambiar el color de relleno.

Crear Símbolo

El símbolo puede contener únicamente objetos simples, esto es que no puede contener

bitmaps, tendencias, botones, wizards o celdas. El símbolo puede ser redimensionado de

acuerdo al requerimiento. El primer símbolo realizado es la válvula ON-OFF, para realizar

esto seleccionamos los objetos que conforman esta figura, enseguida damos click izquierdo

del mouse, aparecerá un menú en el cual seleccionaremos Cell/Simbol - Make simbol



Figura 3.26 Propiedades de un símbolo

Para modificar sus propiedades damos doble click sobre la figura, esto nos proporciona el

tipo de objeto y diversas opciones como se muestra en la figura ANTERIOR.

Configuración de animaciones

Para la realización de las animaciones primero se realiza el esquema del proceso, como se

muestra en la Figura 3.27



Figura 3.27 Diagrama del control de combustible (INTOUCH).

Para realizar la animacion del llenado de la tuberia una vez encendido el motor, contamos

con un botón de arranque, con fines de simulación. Para la vinculación del botón con el

llenado de la tuberia se modifican sus caracteristicas, asignando un Tagname al botón

arranque, tambien se declara el tipo de de dato en estte caso I/O Discrete.

Figura 3.28 Asignación de Tagname al botón de arranque.



Para vincular el Boton_1 con la tubería, primero abrimos el menu de configuración y

seleccionamos la opción Fill Color. (Figura 3.28 )

Figura 3.29 Configuración Fill Color



Se da click en el botón Discrete, aparecerá el siguiente cuadro de dialogo mostrado en la

Figura 3.28 en este aparece un espacio “Expression” , en este sitio se coloca el tagname

Boton_1.

Figura 3.30 Vinculación de tagname- Boton_1.

Para realizar la animación de la HMI del control de combustible se continuan las

vinculaciones de tagnames, la siguiente imagen mustra el proceso de control de

combustible.

Figura 3.31 Control de combustible a baja temperatura.



Al presionar el botón de arranque, inicia el control solo con Diesel, como se ve en la

Figura 3.30

Figura 3.32 Control de combustible-Arranque con Diesel

Figura 3.33 Mezcla de combustible (80% Diesel, 20% Biodiesel)



Figura 3.34 Mezcla de combustible (60% Diesel, 40% Biodiesel)



3.4.1 Comunicación PLC-PC

Para comunicar el PLC SLC 500 con una PC (computadora personal); se requiere de una

tarjeta de comunicación (1784-PKTX), el protocolo de comunicación entre la PC y el PLC

es Data Highway -485 (DH-485).

La tarjeta 1784-PKTX se utiliza para conectar una PC a controladores lógicos programables

(PLC) mediante los protocolos DH+ y DH-485. Esta herramienta facilita la creación de

redes de PLC con computadoras, lo cual permite fácil programación y adquisición de datos.

Esta tarjeta posee una interfaz PCI (Peripherical Component Interconnect) para adaptarla a

la PC. Además, de una interfaz para redes DH+ y una para DH-485. Para activarla se

requiere instalar un driver en el sistema operativo, y para administrarla se utiliza el software

RsLinx, el cual permite configurar la velocidad, protocolo, dirección de nodo, entre otras.

Entre las características relevantes de este tipo de protocolo se encuentra:

a. La longitud máxima de la línea troncal es de 4000 pies.

b. El tipo de medio es cable trenzado tipo Belden 9842.

c. Tasa de transmisión máxima de 19200 bps

d. Método de acceso al medio basado en un “token pass”

El software RSLinx, se encarga de la comunicación de los PLC con la computadora. En

este caso se utiliza una red DH-485; para configurar la red, se debe establecer el dispositivo

que utilizará la computadora para la comunicación; una vez que se haya configurado este

dispositivo, el RSLinx establece la comunicación con el PLC, la cual se mostrará en la

pantalla principal del programa, representada por icono del PLC con su nombre respectivo,

como se muestra en la Figura 3.35.



Figura 3.35 Pantalla principal RSLinx

Este software permite conectar la computadora a toda clase de redes de PLC, todo depende

del dispositivo con que cuente la computadora para conectarse a la red de PLC. En la

Figura 3.34 se muestra la pantalla de configuración del manejador de la red usado en esta

aplicación.

Figura 3.36 Pantalla de conexión de interfaz de red.



Conexión del PLC con Interfaz Intouch

Figura 3.37 Conexión PLC- PC

Instituto Politécnico Nacional Capitulo IV Selección del Equipo


Capítulo IV Selección de equipo

El equipo se establece de acuerdo a cada una de las variables que necesitamos medir o

controlar, cada una de estas tiene diferentes parámetros, como los que se muestran a

continuación.

4.1 Parámetros de operación

A continuación se presentan las variables que serán medidas por la instrumentación para el

control de combustible en el motor KM170.

• Medidor de Temperatura

Valor máximo de la variable temperatura 0 - 120ºC

• Válvulas de control

½” de diámetro de tubería

Válvula solenoide (para accionamiento ON-OFF)

Válvula motorizada (para apertura proporcional de la válvula)

• Medidor de par

Valor máximo requerido 50 N*m

• Medidor de Velocidad

Valor máximo requerido 3600

• Controlador Lógico Programable

Entradas y salidas analógicas, entradas digitales y entrada para sensor de temperatura.



4.2 Válvulas

� Válvula solenoide

La válvula de solenoide es un dispositivo operado eléctricamente, y es utilizado para

controlar el flujo de líquidos o gases en posición completamente abierta o completamente

cerrada. A diferencia de las válvulas motorizadas, las cuales son diseñadas para operar en

posición moduladora, la válvula de solenoide no regula el flujo aunque puede estar siempre

completamente abierta o completamente cerrada. La válvula de solenoide puede usarse para

controlar el flujo de muchos fluidos diferentes, dándole la debida consideración a las

presiones y temperaturas involucradas, la viscosidad del fluido y la adaptabilidad de los

materiales usados en la construcción de la válvula.

La válvula de solenoide es una válvula que se cierra por gravedad, por presión o por la

acción de un resorte; y es abierta por el movimiento de un émbolo operado por la acción

magnética de una bobina energizada eléctricamente, o viceversa.

Una válvula de solenoide consiste de dos partes accionantes distintas, pero integrales: un

solenoide (bobina eléctrica) y el cuerpo de la válvula.

El solenoide es una forma simple de electroimán que consiste de una bobina de alambre de

cobre aislado, o de otro conductor apropiado, el cual está enrollado en espiral alrededor de

la superficie de un cuerpo cilíndrico, generalmente de sección transversal circular. Cuando

se envía corriente eléctrica a través de estos devanados, actúan como electroimán, tal como

se ilustra en la Figura 4.1. El campo magnético que se crea, es la fuerza motriz para abrir la

válvula. Este campo atrae materiales magnéticos, tales como el hierro y muchas de sus

aleaciones. Dentro del núcleo va un émbolo móvil de acero magnético, el cual es jalado

hacia el centro al ser energizada la bobina.



Figura 4.1 Solenoide energizado

El cuerpo de la válvula contiene un orificio (puerto), a través del cual fluye el líquido

cuando está abierta. La aguja o vástago que abre y cierra el puerto de la válvula, se une

directamente a la parte baja del émbolo, en el otro extremo. El vástago o aguja tiene una

superficie sellante (asiento). De esta forma, se puede abrir o detener el flujo al energizar o

desenergizar la bobina solenoide. Este principio magnético, constituye la base para el

diseño de todas las válvulas solenoide.

Principio de operación

El la Figura 4.2 pueden apreciarse las partes principales ya integradas de una válvula de

solenoide típica. La aguja de la válvula está unida mecánicamente a la parte inferior del

émbolo. En esta válvula en particular, cuando se energiza la bobina, el émbolo es levantado

hacia el centro de la bobina, levantando la aguja del orificio donde está sentada,

permitiendo así el flujo. Cuando se desenergiza la bobina, el peso del émbolo hace que

caiga por gravedad y cierre el orificio, deteniendo el flujo. En algunos tipos de válvulas, un

resorte empuja el émbolo para que cierre la válvula; esto permite que la válvula pueda

instalarse en otras posiciones diferentes a la vertical.



Figura 4.2 Válvula solenoide típica de acción directa, normalmente cerrada, dos vías.

Tipos de Válvulas solenoide

Existe una amplia variedad de tipos de válvulas solenoide, los cuales se pueden dividir de

acuerdo a su aplicación, su construcción y su forma. Entre los fabricantes de válvulas no

existe un consenso para diferenciar los tipos por orden de importancia. Aunque

recientemente, la práctica más generalizada es dividirlas primeramente, de acuerdo a su

aplicación; es decir, a la capacidad del sistema donde va a ser instalada la válvula. Con base

en esto, las válvulas solenoide pueden dividirse de manera general, en dos tipos:

1) De acción directa,

2) Operadas por piloto.

También por su construcción, las válvulas solenoide pueden ser:

1) Normalmente cerradas

2) Normalmente abiertas

3) De acción múltiple.



Por su forma, hay tres tipos de válvulas solenoide de uso común:

1) dos vías

2) tres vías

3) cuatro vías

4) reversibles.

Puede haber válvulas solenoide con combinaciones de los tipos mencionados arriba. Por

ejemplo, hay válvulas operadas por piloto normalmente abiertas y también normalmente

cerradas. La válvula que se muestra en la Figura 4.2, es una válvula de acción directa, de

dos vías, normalmente cerrada.

Válvula solenoide marca Omega serie SV280

Figura 4.3 Válvula solenoide marca Omega



Marca Modelo Montaje

NPT(Roscado)

Orificio Alimentación

de la válvula

solenoide

Señal de

control

SV282 ½” 9/16 24 VCD 24 VCD

Tabla 4.1 Características de válvula solenoide SV282

Aplicaciones comunes de la válvula SV282:

• Tratamiento de agua

• Procesamiento de petróleo

• Enfriamiento

• Equipo de lavado de autos

� Válvula motorizada

Se componen de dos elementos básicos: cabezal servomotor y cuerpo de válvula del tipo

apropiado a cada instalación (de asiento plano, pistón, compuerta, mariposa, etc.).

El cabezal servomotor es un grupo moto reductor que transmite al eje de salida un par

elevado (de hasta 20 m.kp) y una marcha lenta (de 0,1 a 6 r.p.m.) para accionar el vástago

de la válvula.

Al igual que las válvulas solenoides, las motorizadas pueden accionarse a distancia, manual

o automáticamente.



El empleo de estas válvulas permite la regulación de caudales y, en consecuencia el

mantenimiento de las variables controladas (temperatura, presión, humedad, etc.) en los

valores deseados, resolviendo muchos problemas de regulación automática. Las válvulas

motorizadas admiten presiones de trabajo hasta unos 16 kp/cm2 y temperaturas máximas de

120ºC.

Estas válvulas son adecuadas para aperturas de paso parciales. Pueden aplicarse con

cualquier tipo de fluido, con las condiciones antes citadas: liquidas, gases, vapores, etc.

Se emplean en los mismos tipos de instalaciones que las válvulas solenoides. Hay válvulas

motorizadas de tres vías para la regulación progresiva de mezclas de fluidos (agua caliente

y fría, agua recalentada y vapor), que mantienen una cierta temperatura o concentración.

Para el control de la mezcla de los combustibles Diesel- Biodiesel se sugieren las siguientes

válvulas: Válvulas motorizadas serie H de Danfoss.

Figura 4.4 Electroválvula Danfoss

Características

� Fiabilidad comprobada. � Funcionamiento sin averías durante un elevado

� Número de operaciones. � Actuadores y cuerpos suministrados por separado, opcional. � Instalación y cableado sencillo. � Colores de cables estándar para su fácil instalación. � Construcción robusta. � Costo bajo.



Marca

Código 0HPV05B0

Tamaño de tubería ½”

Descripción Rosca hembra BSP

Kv (m3/hr) 3.0

Max. Presión (bar) 10.0

Alimentación de la válvula 24 VCD

Señal de control 4-20 mA

Tabla 4.2 Características de la electroválvula



4.3 Sensor de temperatura

En Instrumentación industrial, los termopares son ampliamente usados como sensores de

temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de

medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los

errores del sistema inferiores a un grado centígrado son difíciles de obtener.

El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los

termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas.

Los termopares están disponibles en diferentes modalidades, como sondas. Estas últimas

son ideales para variadas aplicaciones de medición, por ejemplo, en la investigación

médica, sensores de temperatura para los alimentos, en la industria y en otras ramas de la

ciencia, etc.

Otro punto importante en la selección es el tipo de termopar, el aislamiento y la

construcción de la sonda. Todos estos factores tienen un efecto en el rango de temperatura a

medir, precisión y fiabilidad en las lecturas.

Tipos de termopares

• Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una

amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad

de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a +1.372 ºC y una

sensibilidad 41µV/°C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación.

• Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su

sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico.

Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.

• Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular

que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de

termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a



760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración

permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC y una sensibilidad de ~52 µV/°C.

Es afectado por la corrosión.

• Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta

temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas

temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más

caros.

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja

sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas

(superiores a 300 ºC).

• Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas

temperaturas superiores a 1.800 ºC. El tipo B por lo general presentan el mismo

resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje.

• Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de

hasta 1.300 ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su

atractivo.

• Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los

1.300 ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en

un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el

tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43

°C).

Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen

además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse

que cubren el rango de temperaturas a determinar.



Funcionamiento

Termopar se denomina a la unión de dos alambres conductores con diferente composición

metalúrgica. El termopar genera una fuerza electromotriz (fem) que depende de la

diferencia de temperatura de la junta caliente o de medida y la unión fría o de referencia, así

como de la composición del termopar.

El funcionamiento del termopar está directamente relacionado con algunas leyes

termoeléctricas que analizamos a continuación.

• Efecto de Volta Si se unen dos metales heterogéneos que tienen igual temperaturas,

se creará una diferencia de potencial en sus extremos libres cuyo valor es constante

si se trata de la misma junta y tienen las mismas condiciones de temperatura en el

momento de la medición.

• Efecto de Peltier Siempre que se someta a temperaturas fluctuantes a la unión de

un termopar se producirá cambios en el valor del mili voltaje generado que es

dependiente únicamente, de la temperatura en la junta caliente o de medición.

• Efecto de Thomson Cuando los extremos de un mismo conductor están sujetos a

una gradiente de temperatura se producirá una diferencia de potencial que depende

de la diferencia de temperatura.

Para elegir los materiales que formen el termopar es conveniente que la fuerza

electromotriz relacionada con el efecto Peltier sea la mayor posible y la provocada por el

efecto Thomson sea mínima o nula.

Ley de las temperaturas intermedias

La suma de la fem. de un termopar con su junta fría a 0 °C y su junta caliente a una

temperatura T, más la fem. de un termopar con su junta fría a la temperatura T y su junta

caliente a la temperatura de medición, es igual a la fem. de un termopar con su junta fría a 0

°C y su junta caliente a la temperatura de medición.



Ley de los metales intermedios

Cuando la junta caliente y el instrumento están distantes es necesario introducir cables de

extensión de otra naturaleza que el termopar. Esto aparentemente provocaría alteraciones

en la respuesta del termopar.

La ley de los metales intermedios dice que el valor de la fem. se mantendrá constante,

siempre que el tercer metal no esté sujeto al efecto Thomson, es decir, que la temperatura a

lo largo de él se mantenga constante.

Termopar Adherible

Figura 4.5 Termopar

Modelo CO1-T

Estilo 1

Tipo de termopar T

Longitud 1m (40”)

Temperatura máxima ºC (ºF) 260 (500)

Tabla 4.3 Caracteristicas del termopar CO1-T



4.4 Sensor de velocidad

El tacómetro industrial PAX I puede emplearse también como un instrumento de

laboratorio flexible y preciso para medir velocidad y revoluciones o para realizar

recuentos. Esta pantalla de velocidad ha sido concebida para el uso industrial. El

componente electrónico de la pantalla digital de larga vida es utilizado y probado en todo el

mundo y nosotros lo sometemos a un control de calidad de 3 días antes de la entrega. El

tacómetro ha sido desarrollado con cinco teclas que hacen de él un instrumento de uso

rápido y seguro. La pantalla es también muy cómoda para el usuario, ya que permite

visualizar todos los parámetros a la vez y modificarlos fácilmente.

Características:

• Aparato programable con pantalla digital para velocidad / revoluciones y recuentos

en máquinas y en instalaciones, así como en pruebas o en laboratorio.

• Pantalla LED digital de 6 posiciones.

• Máximo 34 kHz, se adapta a todos los sensores de uso habitual.

• Opción conectable: 2 o 4 valores límite, como salida relé o transistor.

• Programación sencilla por medio del teclado.

• Entradas de usuario de libre programación.

• Salida analógica (0...10 V, 4... 20 mA por medio de tarjeta adicional de salida

analógica).

• Memoria de valores MIN / MAX

• Alto tipo de protección IP 65, Dimensiones: 48 x 96 x 104 mm



Modelo Señal de salida Alimentación del sensor

PAX I Salida analógica (0 - 10 V,

4- 20 mA)

12 VDC, +-10%, máximo 100 mA,

a prueba de cortacircuitos

Tabla 4.4 Características del sensor PAX I

Figura 4.6 Tacómetro industrial PAX I

4.5 Sensor de par

El sensor de par nos sirve para la medición de torsión, velocidad angular o la velocidad de

rotación; es adecuado para su uso en el laboratorio y en un entorno industrial. Este sensor

sufre poco desgaste y un funcionamiento sin mantenimiento.


ESIME Zacatenco

Sensor de torque modelo 8651

Figura 4.

Marca Modelo

8651

Tabla 4.5 Características del sensor de par

Instituto Politécnico Nacional Capitulo IV Selección

modelo 8651

Figura 4.7 Sensor de par modelo 8651

Modelo Señal analógica

de salida

Velocidad

máxima

Alimentación

± 10 V 10,000 rpm + 15 V DC

+5 %/

Tabla 4.5 Características del sensor de par 8651

Capitulo IV Selección del Equipo

- 84 -

Alimentación

del sensor

+ 15 V DC

+5 %/-10 %



4.6 Controlador

SLC 500 DE ALLEN-BRADLEY.

Cuando se trata de flexibilidad y potencia, la familia SLC 500 de Allen-Bradley y Rocwell

Automation constituye una solución probada para los controladores de lógica pequeños.

Diseñado conforme a las necesidades de aplicaciones de automatización de tamaño

mediano, el SLC 500 proporciona un rendimiento potente y confiable sin incurrir en los

gastos por la capacidad y las funciones sin utilizar de un PLC normal.

El SLC 500 fue uno de los primeros controladores pequeños en el mercado que ofreció una

amplia gama de de funciones, y sigue siendo el patrón principal de controladores de lógica

pequeños a más de diez años luego de su introducción. Es una plataforma robusta basada en

chasis, lo cual permite que se pueda configurar el sistema autónomo o distribuido

específico para el control confiable de la aplicación. De hecho el SLC 500 ya proporciona

control económico y confiable en miles de aplicaciones en todo el mundo, desde el sector

de entretenimiento y micro-cervecerías hasta los procesos farmacéuticos y alimenticios.

Controlador pequeño para aplicaciones grandes

El SLC 500 de Allen-Bradley es la familia modular pequeña basada en chasis de Rockwell

Automation de controladores y E/S programables. El tamaño reducido del SLC posibilita la

su utilización para aplicaciones en que el tamaño y los gastos generales de un PLC

tradicional dotados de todas las funciones no son viables. El diseño modular le ofrece la

flexibilidad de comprar exactamente lo que se necesita.



4.5. 1 Procesadores SLC 500

La familia SLC cumple con las normas más exigentes de confiabilidad de productos,

innovación tecnológica y rendimiento. La estabilidad y la calidad absoluta representan las

características principales del SLC 500.

El SLC puede direccionar las aplicaciones de control de procesos de alta velocidad,

discretos y complejos desde una sola plataforma. Como resultado, es idóneo para las

operaciones rápidas tales como las líneas de embotellado y las máquinas de envasado.

Módulos E/S

Dentro de la familia existen más de 60 módulos para controlar señales digitales, analógicas

y de temperatura. Con esta amplia gama se ofrece la flexibilidad y rapidez que necesita para

configurar todas sus aplicaciones de control.

E/S ANALÓGICAS

Están dotados con una gran precisión, una alta resolución y la opción de filtros de entrada

para obtener respuestas rápidas o una alta inmunidad contra ruido. Estos módulos

analógicos son idóneos para las aplicaciones de control de proceso gracias a su precisión y

robustez inherentes.

E/S ESPECIALES

Está disponible una gama de módulos para aplicaciones especiales. Todos los módulos se

integran directamente en el chasis SLC. Entre los módulos especiales con que se cuenta

están: control de temperatura, conteo de alta velocidad, movimiento y posicionamiento.

OPCIONES DE E/S DISTRIBUIDAS

Existe una gran variedad de opciones de conexiones en red de E/S que posibilitan la

conectividad a las redes Control Net, Device Net, Data High Plus y E/S remotas.



Lista de señales

Cantidad Variables Características Tipo I/O

1 Temperatura 0 - 260ºC Analógica Entrada

1 Velocidad (rpm) 8000 RPM Analógica Entrada

1 Par (Nm) 100 Nm Analógica Entrada

2 Electroválvula On – Off Digital Salida

2 Electroválvula Proporcional Analógica Salida

Tabla 4.6 Entradas y salidas del PLC

Lista de Hardware

No Descripción No. De catalogo Cantidad No. De entradas y salidas

1 Procesador

PLC* SLC 504 1747- L541 1

3 Modulo de I/O digitales 1746-I08 1 4 Entradas

4 Salidas

4 Modulo de entradas analógicas 1746-N14 1 4 Entradas

5 Modulo de salidas analógicas 1746-NO41 1 4 Salidas

6 Modulo de temperatura 1746-NT4 1 4 Entradas

7 Chasis 1746-A4 1

8

Power Supply 1746-P1 1



Tabla 4.7 Lista de Hardware

Calculo Fuente de alimentación

No de

Ranura

No de

Catalogo

Fuente de alimentación a 5 Vcc (Amperios)

Fuente alimentación a 24 Vcc (Amperios)

1 1747- L541 500mA 105mA

2 1746-I08 60mA 45mA

3 1746-N14 25mA 85mA

4 1746-NO41 55mA 195mA

5 1746-NT4 60mA 40mA

Total 700mA 470mA

Modelo de Fuente de

alimentación 1746-P2 5 A 0.96 A

Tabla 4.8 Cálculo de la fuente de alimentación

* El PLC es Allen Bradley.



Figura 4.8 Diagram

a de arquitectura

Instituto Politécnico Nacional Capitulo V Análisis de Costos


Capitulo V Análisis de Costos

5.1 Costo del Equipo

En la tabla 5.1 se muestran los costos, única y exclusivamente del equipo previamente

especificado, para la implantación necesaria del motor. El precio del instrumento dado por

los diferentes proveedores dependiendo de instrumento necesario.

Instrumento Marca Modelo Precio (USD)

Cantidad Total (USD)

Cable 16 AWG

$20.00 1/2 (carrete) $10.00

Chasis (7 ranuras) ALLEN-BRADLEY 1746-A4 $264.60 1 $264.60 Modulo de entradas analógicas ALLEN-BRADLEY 1746-N14 $528.60 1 $528.60

Modulo de entradas digitales I/O ALLEN-BRADLEY 1746-I08 $643.00 1 $643.00

Modulo de salidas analógicas ALLEN-BRADLEY 1746-NO41 $531.20 1 $531.20

Modulo de temperatura ALLEN-BRADLEY 1746-NT4 $811.10 1 $811.10

Power Supply ALLEN-BRADLEY 1746-P1 $220.80 1 $220.80

Procesador ALLEN-BRADLEY SLC 504 $350.00 1 $350.00

Sensor de Temperatura (Termopar) Omega CO1-T $24.00 1 $24.00

Sensor de Velocidad PAX PAX I $71.00 1 $71.00

Software ALLEN-BRADLEY 1747- L531 $1,209.60 1 $1,209.60

Válvula motorizada Danfoss 0HPV05B0 $490.00 2 $980.00

Válvula solenoide Omega SV282 $480.00 2 $960.00

InTouch HMI *Licencia Basica

Wonderware Versión 10.0 $1,000.00 1 $1,000.00

Tabla 5.1 Costos del equipo



TOTAL $7,603.90 (USD)

TOTAL $79,840.95 Pesos

Mexicanos (Precio aprox.) **Precio del Dólar 10.50

Como se mostro en la tabla 5.1 los precios de cada instrumento se muestra en dólares

americanos ya que la mayoría de los instrumentos son de importación. Dando un total de

$6,603.90 (USD). Para realizar un cálculo en pesos se tomo como valor de un dólar a

$10.50 pesos, e1 22 de Abril del 2008, obteniendo un total aproximado en pesos

mexicanos de $69,340.95.

Dentro del análisis de costo de equipo no se incluye precio de ingeniería. Dado que se

indica únicamente lo que se necesita para llevar a cabo una implementación adecuada para

realizar el control del sistema de combustible. Dando así la pauta para investigaciones mas

adelante dentro de la rama de los motores de combustión interna.

Haciendo un análisis dentro de la institución donde se realiza esta investigación Instituto

Politécnico Nacional, se encontró que se cuenta con algunos equipos que se pueden utilizar,

lo cual reduce el costo de la implementación del equipo.

Instrumento Marca Precio

(USD)

Cantidad Total

(USD)

Cable 16 AWG $10.00 1/2 (carrete) $10.00 Chasis (7 ranuras) ALLEN-BRADLEY $264.60 1 $264.60

InTouch HMI Versión 9.0 Wonderware $1,000.00 1 $1,000.00 Power Supply ALLEN-BRADLEY $220.80 1 $220.80 Procesador ALLEN-BRADLEY $350.00 1 $350.00

Sensor de Temperatura (Termopar)

$24.00 1 $24.00

Software ALLEN-BRADLEY $1,209.60 1 $1,209.60 Válvula solenoide $480.00 2 $960.00 Modulo de entradas digitales I/O

ALLEN-BRADLEY $643.00 1 $643.00

Tabla 5.2 Relación de equipo dentro de la institución.



TOTAL $ 4,682.00 (USD)

TOTAL $ 49,161.00

Pesos Mexicanos

**Precio del dola 10.50

Haciendo el análisis de la instrumentación dentro de la institución que se mostro en la tabal

anterior se obtiene lo siguiente.

Costo Total Compra al proveedor

Costo Total Equipo dentro de

la institución

Gasto con

Ahorro Porcentaje de

ahorro

(USD) $7,603.90 $ 4,682.00 $ 2,921.90 -61.58%

Pesos mexicanos $79,840.95 $ 49,161.00 $ 30,679.95 -61.58%

Tabla 5.3 Tabla comparativa de ahorro

5.1.1 Costos de investigación e ingeniería.

Además de los costos del equipo se deben considerar los costos de investigación e

ingeniería, que se generaron en este proyecto. Dentro del ámbito de la investigación se

encuentra el sector privado y el de financiamiento lo que nos lleva a realizar el siguiente

análisis.

Se realizo una comparación con un Grupo de Investigación Tecnológica CCCIMSA, cabe

mencionar que esta empresa dedicada a la investigación cobra honorarios por hora y en

dólares, el análisis realizado nos arroga los siguientes datos mostrados en la tabla 5.4.



Grupo de Investigación Tecnológica CCCIMSA Costo de

investigacion por hora

Costo de investigación 8 horas por dia

*Costo de investigación por

mes

**Costo de investigación por

proyecto

$500.00 $4,000.00 $80,000.00 $880,000.00 *Tomando en cuenta meses es de 20 días hábiles

**Proyecto de 11 meses

Tabla 5.4 Precios grupo de investigación

TOTAL $880,000.00 Pesos Mexicanos

(Precio aprox.)

Basándose en que solo se esta tomando en cuenta el costo de la investigación por

independiente de el equipo necesario y ya que en este proyecto no se recibió financiamiento

alguno, se considera un ahorro total de investigación el cual es muy considerable. Teniendo

solo una única inversión en el costo de equipo, cabe mencionar que solo se realizara el

gasto económico en el equipo con el que la institución no cuenta tabla 5.1 y 5.2.

El costo de la inversión se vera recuperado en tiempo ya que dentro de la institución se esta

implementando la carrera de ISA (Ingeniería en Sistemas Automotrices), ya que se ahorrara

un tiempo de 2 años ya que es el tiempo que falta para que la primera generación concluya

sus estudios para poder realizar una investigación de esta índole, además de poder ser

utilizado en practicas y experiencia para la nueva carrera implementada así como base para

proyectos de investigación en un futuro así ayudar ala avance de la institución.

Instituto Politécnico Nacional Conclusiones


Conclusiones

El presente trabajo cumple con el objetivo general, de diseñar la modificación del control

del sistema de combustible con la mezcla diesel-biodiesel, esto se llevo a cabo

determinando los requerimientos del motor diesel KM170 y las características principales

de cada combustible.

Se comprobó teóricamente que las emisiones de Dióxido de Carbono y Azufre disminuyen

de manera significativa con el uso de la mezcla diesel-biodiesel, cumpliéndose así el

objetivo particular de la reducción de las emisiones contaminantes para el motor. Sabiendo

que el planeta esta en constante lucha por la reducción de estos dos agentes contaminantes,

que son los principales causantes de problemas como el efecto invernadero y la lluvia

acida.

Con el análisis de todas las funciones de los elementos que componen el sistema de

combustible, se estructuro una arquitectura de control, con lo que se cumple uno de los

objetivos particulares. Por consiguiente se propuso la instrumentación adecuada que

satisface la arquitectura de control, especificando los rangos de operación, señales de

control requeridas, señales de salida y señales de entrada.

Esta propuesta no solo es factible para el sistema de combustible del motor KM170 sino

que se puede extender a otros motores diesel, teniendo en cuenta que se realizo el desarrollo

para un banco de pruebas, en el que se podrá colocar diferentes modelos de motor. Por lo

que cabe mencionar las aplicaciones a las que van dirigidas los motores diesel que son: en

el sector agrícola, automotriz, generación de energía eléctrica, entre otros.

Este trabajo determina un costo que pudiera considerarse como elevado, el cual se debe de

visualizar como una inversión con resultados a mediano y largo plazo para la institución, en

el sentido de proponer las bases para otras carreras como la de Ingeniería en Sistemas

Automotrices, en la cual se podrán desarrollar futuras investigaciones sobre el tema y el

ámbito ecológico.

Instituto Politécnico Nacional Conclusiones


De esta manera se cumple con las expectativas con las que inicio este trabajo, que es el

control del sistema de combustible y brindar las condiciones de operación adecuadas para

el motor, considerando el impacto ambiental favorable, el beneficio institucional y el

desarrollo profesional de cada uno de los integrantes de este trabajo.

Instituto Politécnico Nacional Glosario


Glosario

Adiabático: El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible.

Amortiguador: Es un dispositivo que absorbe energía, utilizado normalmente para disminuir las oscilaciones no deseadas de un movimiento periódico o para absorber energía proveniente de golpes o impactos.

Analógico: La señal cuya magnitud se representa mediante variables continúas.

Automatización: Como una disciplina de la ingeniería abarca la instrumentación industrial, que incluye los sensores y transmisores de campo, los sistemas de control y supervisión, los sistemas de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones de plantas o procesos industriales.

Bar: Se denomina bar a una unidad de presión equivalente a un millón de barias. 1 bar = 100.000 Pa = 1000 hPa = 10.194 kp/m 1 atm= 1.01325 bares «1 bar 1 bar = 14.5037738 PSI

Biela: Elemento mecánico sometido a esfuerzos de tracción o comprensión. Actualmente las bielas son un elemento básico en los motores de combustión interna y en los compresores alternativos.

Biodiesel: Es un biocombustible sintético líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, nuevos o usados, mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del petrodiésel o gasóleo obtenido del petróleo.

Bomba: Es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos.



By pass: Se refiere a la desviación del flujo normal por un camino alterno 1 atm= 1.01325 bares «1 bar 1 bar = 14.5037738 PSI

Calor: Es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre.

Cámara de Combustión:

Es el lugar donde se realiza la combustión del combustible.

Capacidad Calorífica:

Cantidad de energía necesaria para aumentar 1 °C la temperatura de una sustancia.

Carburador: Es el dispositivo que hace la mezcla de aire-combustible en los motores de gasolina. A fin de que el motor funcione más económicamente y obtenga la mayor potencia de salida, es importante que la gasolina esté en las mejores condiciones.

Cigüeñal: Es un eje con codos y contrapesos presente en ciertas máquinas que, aplicando el principio del mecanismo de biela - manivela, transforma el movimiento rectilíneo alternativo en rotatorio y viceversa.

Coeficiente térmico:

Es una expresión numérica que mediante alguna fórmula determina las características o propiedades de un cuerpo.

Combustible: Es cualquier material capaz de liberar energía cuando se cambia o transforma su estructura química. Supone la liberación de una energía de su forma potencial a una forma utilizable (por ser una reacción química, se conoce como energía química). En general se trata de sustancias susceptibles de quemarse.

Compresión: Es la resultante de las tensiones o presiones que existe dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiene a una reducción de volumen o un acortamiento en determinada dirección.



Compresor: Es una máquina motora, que trabaja entregándole energía a un fluido compresible. Ésta energía es adquirida por el fluido en forma de energía cinética y presión (energía de flujo).

Consumo: Del latín: cosumere que significa gastar o destruir) es la acción y efecto de consumir o gastar, bien sean productos alimenticios y otros géneros de vida efímera, bien energía, entendiendo por consumir como el hecho de destruir, utilizar comestibles u otros bienes para satisfacer necesidades o deseos, o gastar energía o un producto energético.

Corrosión: Es definida como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción electroquímica (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, la salinidad del fluido en contacto con el metal y las propiedades de los metales en cuestión.

Culata: (tapa de cilindros) Es la parte superior de un motor de combustión interna que permite el cierre de las cámaras de combustión. Constituye el cierre superior del bloque motor y en motores sobre ella se asientan las válvulas, teniendo orificios para tal fin. La culata presenta una doble pared para permitir la circulación del líquido refrigerante.

Cv: Definido como el flujo real en galones de agua por minuto a 60 °F cuando la presión de entrada (Pl) es 1 psi y la presión de salida (P2) es la atmosférica (14.696 psia).

Densidad: Es una magnitud referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen, y puede utilizarse en términos absolutos o relativos.

Diesel: Es una castellanización de Diesel, apellido de Rudolf Diesel, inventor del motor diesel. Referido al combustible, diesel es un sinónimo de gasóleo.

Digital: Basados en el procesamiento de niveles discretos de voltaje.

Eje: Es un elemento con geometría fundamentalmente axis métrica, que se emplea como soporte de piezas giratorias pero no transmite ningún esfuerzo de torsión, a diferencia del árbol de transmisión.

Elasticidad: Es la propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentra sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas



fuerzas exteriores se eliminan.

Electrobomba: Son aquellas accionadas por un motor eléctrico, para distinguirlas de las motobombas, habitualmente accionadas por motores de explosión.

Electroválvula: Es un dispositivo diseñado para controlar el flujo de un fluido a través de un conducto como puede ser una tubería.

Émbolo: Es una barra cuyos movimientos se encuentran limitados a una sola dirección como consecuencia del empleo de guías. Solamente está sometido a esfuerzos de tracción y compresión.

Energía: Se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía, «energía» se refiere a un recurso natural y la tecnología asociada para explotarla y hacer un uso industrial o económico del mismo.

Entalpía: (Del prefijo en y del griego thalpein calentar). La entalpía es una magnitud de termodinámica simbolizada con la letra H, la variación de entalpía expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, o, lo que es lo mismo, la cantidad de energía que tal sistema puede intercambiar con su entorno.

Faenamiento: Es el arte de procesar higiénicamente animales para la obtención de carne para el consumo humano.

Fatiga: Se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas. Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionándolo repetidamente se rompe con facilidad. La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes.

Filtro: Es el componente principal del sistema de filtración de una Máquina hidráulica, de lubricación o de engrase. Estos sistemas se emplean para el control de la contaminación por partículas sólidas de origen externo y las generadas internamente por procesos de desgaste o de erosión de las superficies de la maquinaria, permitiendo preservar la vida útil tanto de los componentes del



equipo como del fluido hidráulico.

Flujo másico: Es la diferencial de la masa respecto al tiempo. Esto ocurre dentro de un sistema termodinámico, cuando, un fluido atraviesa por un área en un tiempo determinado.

Flujo: Es la cantidad de fluido que pasa por determinado elemento en la unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

Fósil: (Del latín fossile, lo que se extrae de la tierra). Son los restos o señales de la actividad de organismos pretéritos. Dichos restos, conservados en las rocas sedimentarias, pueden haber sufrido transformaciones en su composición (por diagénesis) o deformaciones (por metamorfismo dinámico) más o menos intensas.

Gasóleo: También denominado gasoil o diesel, es un líquido de color blancuzco o verdoso y de densidad sobre 850 kilogramos por metro cúbico, compuesto fundamentalmente por parafinas y utilizado principalmente como combustible en motores diesel y en calefacción.

Glicerina: Es un líquido viscoso incoloro, inodoro, higroscópico y dulce. Los términos glicerina o glicerol son utilizados indistintamente para referirse al compuesto; sin embargo, el nombre oficial IUPAC es propan-1,2,3-triol.

Homogéneo: Es la uniformidad en la distribución de una determinada magnitud física o propiedad de un cuerpo físico o un sistema físico.

Ignición: Es cuando el calor que emite una reacción llega a ser suficiente como para sostener la reacción química. El paso repentino desde un gas frío hasta alcanzar un plasma se denomina también ignición.

Inyector: Es un dispositivo utilizado para bombear fluidos utilizando el efecto Venturi. Utiliza un fluido a alta presión que sale por una boquilla a alta velocidad y baja presión convirtiendo su energía potencial en energía cinética.



Isotrópica: Es aquel en el que la entropía del fluido que forma el sistema permanece constante.

Junta: Componente de material adaptable que sirve para sellar bien la unión de las caras mecanizadas de los elementos de cierre de las cajas de transmisiones que llevan lubricante en su interior para evitar que haya fuga de lubricante hacia el exterior por algún pequeño defecto en el mecanizado y de las zonas de cierre u otros mecanismo que tengan presión interna como motores de explosión o compresores.

Lubricante: Es una sustancia que, colocada entre dos piezas móviles, no se degrada, y forma asimismo una película que impide su contacto, permitiendo su movimiento incluso a elevadas temperaturas y presiones.

Modelo Matemático:

Se basa en expresar utilizando los instrumentos de la teoría matemática, declaraciones, relaciones, proposiciones sustantivas de hechos o de contenidos simbólicos.

Motor de combustión interna:

Es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor.

Motor de combustión externa:

Es una máquina que realiza una conversión de energía calorífica en energía mecánica mediante un proceso de combustión que se realiza fuera de la máquina, generalmente para calentar agua que, en forma de vapor, será la que realice el trabajo, en oposición a los motores de combustión interna, en los que la propia combustión, realizada dentro del motor, es la que lleva a cabo el trabajo.

Motor: Es una máquina capaz de transformar la energía almacenada en combustibles, baterías u otras fuentes, en energía mecánica capaz de realizar un trabajo.

Muelle: O resorte a un operador elástico, que puede ser de distintos materiales como el acero al carbono, acero inoxidable, acero al cromo silicio, cromo-vanadio, bronces, plástico, etc. que es capaz de almacenar energía y desprenderse de ella sin sufrir deformación permanente cuando cesa el esfuerzo al que se le somete.

Oxidación: Es la reacción de transferencia de electrones. Esta transferencia se produce entre un conjunto de elementos químicos, uno oxidante y uno reductor (una forma reducida y una forma oxidada respectivamente).



Pistón: Se trata de un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos. Efectúa un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presión y volumen o transformando en movimiento el cambio de presión y volumen del fluido.

Poder calorífico: Es la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación.

Potencia Mecánica:

Es la acción de fuerzas físicas de contacto o por la variación de su energía cinética o trabajo realizado por unidad de tiempo.

Potencia: Es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Esto es equivalente a la velocidad de cambio de energía en un sistema o al tiempo empleado en realizar un trabajo.

Presión: Es una magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie. En el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado.

Punto de ebullición:

Es la temperatura que debe alcanzar éste para pasar del estado líquido al estado gaseoso; para el proceso inverso se denomina punto de condensación. La definición exacta del punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor iguala a la presión atmosférica.

Punto de inflamación:

Es la temperatura mínima necesaria para que un material inflamable desprenda vapores que, mezclados con el aire, se inflamen en presencia de una fuente ígnea, para volverse a extinguir rápidamente o no por sí sola.

Rapidez: Es la relación entre la distancia recorrida y el tiempo que tomó recorrerla.

Regenerador: Es un dispositivo electrónico que recibe una señal débil o de bajo nivel y la retransmite a una potencia o nivel más alto.

Relación de compresión:

En un motor de combustión interna es el número que permite medir la

proporción en que se ha comprimido la mezcla de aire-combustible



dentro de la cámara de combustión de un cilindro.

Rendimiento ó Eficiencia:

Proviene del latín efficientia que en español quiere decir, acción, fuerza, producción. Es la relación entre la energía útil y la energía invertida.

Rendimiento Térmico:

Es una variable de proceso a dimensional que mide el coeficiente de efectividad de una máquina térmica.

Rondana: Es un disco delgado con un agujero, por lo común en el centro. Normalmente se utilizan para soportar una carga de apriete. Entre otros usos pueden estar el de espaciador, de resorte, dispositivo indicador de precarga y como dispositivo de seguro.

Sistema: (lat. systema, proveniente del griego σύστηµα) Es un conjunto integrado, real o abstracto, de componentes o partes que se interrelacionan.

Solenoide: La palabra "solenoide" se deriva de las palabras griegas "solen", que significa canal, y "oide" que significa forma. El solenoide es una forma simple de electroimán que consiste de una bobina de alambre de cobre aislado, o de otro conductor apropiado, el cual está enrollado en espiral alrededor de la superficie de un cuerpo cilíndrico, generalmente de sección transversal circular (carrete).

Temperatura: Es una magnitud referida a las nociones comunes de calor o frío. Por lo general, un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor. Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico.

Termodinámica: (Del griego θερµo-, termo, que significa "calor" y δύναµις, dinámico, que significa "fuerza" ). Es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de la temperatura, presión y volumen de los sistemas físicos a un nivel macroscópico. Aproximadamente, calor significa "energía en tránsito" y dinámica se refiere al "movimiento", por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo la energía infunde movimiento.

Termopar: Un termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia.



Tornillo: Elemento mecánico cilíndrico dotado de cabeza, generalmente metálico, aunque pueden ser de madera o plástico, utilizado en la fijación de unas piezas con otras, que está dotado de una caña roscada con rosca triangular, que mediante una fuerza de torsión ejercida en su cabeza con una llave adecuada o con un destornillador, se puede introducir en un agujero roscado a su medida o atravesar las piezas y acoplarse a una tuerca.

Trabajo: Es una magnitud que da información sobre la diferencia de energía que manifiesta un cuerpo al pasar entre dos estados.

Tubería: Es un conducto que cumple la función de transportar agua u otros fluidos. Se suele elaborar con materiales muy diversos. Cuando el líquido transportado es petróleo, se utiliza la denominación específica de oleoducto.

Turbina de gas: Es una turbo máquina motora de reacción, cuyo fluido de trabajo es un gas.

Válvula: Se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos.

Vector: Un conjunto ordenado de números reales o generalmente elementos de un cierto cuerpo.

Visual Basic: Es un lenguaje de programación desarrollado por Alan Cooper para Microsoft.

Instituto Politécnico Nacional Bibliografía


Bibliografía

1. Motores de combustión interna Dirigido por V.N. Lukain

Rusa 1988 Mir Moscu

Pág. 384

2. Inyección Diesel para camiones y automóviles

J. Miguel Pla Prades

México 1989

Ediciones Ceac S.a

Pág. 280

3. Manual de motores Diesel para tractores

B.A. Vsórov

Rusia 1986

Mir Moscu

Pag. 700

4. Better Centane Prediction Equations Developed

J.M. Unzelman Collins

EUA 1982 Oil and Gas Journal

Pag. 54

5. Maquinas termicas motoras Jesus Andres Alvarez Florez

México Alfaomega Pág. 533

6. Mecánica de Vehículos Pesados R. Auge Madrid 1978

Pons Pág. 344

7. Energy and Fuels and American Chemical Society Journal

S. Fernando, M Hanna

Noviembre 2004

Pág. 240

8. Norma Europea DIN EN 14214

9. Norma ASTM 6751-03

10. Problemas de motores de combustión interna

Jesus O. Araque M. Simon J. Figueroa S.

Merida, Venezuela 2003

Consejo de estudios de posgrado

Pág. 200

Instituto Politécnico Nacional Anexos

ESIME Zacatenco XI

Anexos


ESIME Zacatenco XII

Selección de Procesador (1747-L531)

Selección de Modulo de entradas y salidas Discretas (1746-I08)


ESIME Zacatenco XIII

Selección de modulo de entradas analógicas (1746-N14)


ESIME Zacatenco XIV

Selección de modulo de salidas analógicas (1746-NO41)

Selección de modulo de entrada de termopar (1746-NT4)


ESIME Zacatenco XV

Selección del Chasis del PLC (1746-A7)

Selección de fuente de alimentación


ESIME Zacatenco XVI

Resolución de bits de la tarjeta del termopar

Escalamiento

instituto politÉcnico nacional -...

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