Monitorizacion de Motores
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1 Monitorización de motores térmicos Héctor de los Ojos Barroso
Introducción
La monitorización de un motor, tiene como finalidad la supervisión y control del
mismo, mediante displays o transfiriéndolas a un ordenador mediante una tarjeta de
adquisición de datos mostrándonos los parámetros a monitorizar, pudiendo éstos ser
verificados por parte de un operario. Además, estas medidas pueden ser también
empleadas para la automatización del motor en una unidad de control, obteniendo
mejor funcionamiento y rendimiento del mismo, así como la posibilidad de recibir
avisos mediante alarmas en caso de fallo o mal funcionamiento del motor, realizando
así un mejor mantenimiento del mismo. Estos parámetros pueden ser monitorizados
bien en el lugar del funcionamiento del motor (como en un buque), o bien en un banco
de pruebas en un taller o laboratorio.
Los parámetros monitorizados, son obtenidos por el sistema mediante unos sensores
dispuestos en el motor, los cuales convierten una determinada magnitud física como
temperatura, presión, caudal, etc. o química, como calidad del aire o gases de escape
en otra eléctrica que puede ser bien una tensión o una corriente, la cual debe ser
acondicionada para su transmisión a un ordenador mediante una tarjeta de
adquisición de datos.
↑Instalación del sistema de adquisición de datos en un banco de pruebas de un motor
2 Monitorización de motores térmicos Héctor de los Ojos Barroso
↑Diagrama de bloques de un sistema de adquisición de datos mediante tarjeta de adquisición de datos conectad a un PC.
Sensores y sistemas de medición
El sensor, sonda o transmisor, como se ha citado anteriormente convierte una
magnitud física como temperatura, presión, revoluciones del motor, etc., o química
que generalmente no son señales eléctricas, en otra magnitud eléctrica (tensión o
corriente) que tendrá que ser acondicionada para ser recibida por una tarjeta
adquisición de datos o DAQ para transmitirla a un ordenador, o un banco de pruebas
en donde se analizarán los diferentes parámetros del funcionamiento. O bien para ser
transmitida a una unidad de control, la cual analizará esta señal de entrada emitiendo
otra señal de salida para actuar sobre el órgano del motor que sea oportuno.
3 Monitorización de motores térmicos Héctor de los Ojos Barroso
En un banco de pruebas, se encuentran todos los sensores e instrumentos necesarios
para hacer diferentes mediciones de motor en un taller o laboratorio, que mediante
una conexión a un ordenador, nos permite obtener los diferentes parámetros de
funcionamiento del motor, como curvas de paz y potencia, presión media indicada,
consumo específico de combustible, rendimiento volumétrico, relación aire-
combustible, rendimiento mecánico, volumétrico, así como los diagramas p-V y p-t,
etc… a diferentes regímenes de giro o diferentes estados de carga. Además dispone
generalmente de displays que nos muestran determinados parámetros de
funcionamiento.
Banco de pruebas para motores
Sensor de temperatura del aceite
La lubricación del motor de combustión interna, se ve dificultada con las elevadas
temperaturas producidas durante el proceso de combustión y por las grandes variaciones
en las temperaturas experimentadas a lo largo del ciclo. A mayor abundancia de aceite,
las cargas producidas en los cojinetes se vuelven fluctuantes.
Debido a esto es de gran importancia monitorizar la temperatura del aceite ya que si ésta
es baja, éste no tendrá la fluidez necesaria y dificultará el movimiento entre las piezas
del motor, mientras que si la fluidez es elevada, el aceite pierde su capacidad lubricante
y disminuye la presión del sistema.
4 Monitorización de motores térmicos Héctor de los Ojos Barroso
Sensor de presión del aceite
Este sensor se sitúa generalmente en el filtro de aceite o en sus proximidades y
convierte la presión del aceite en una medida eléctrica proporcional a la misma.
Sensor de presión de aceite
Sensor de temperatura de la cabeza de los cilindros (CHT o cylinder head
temperature)
Las temperaturas elevadas en las cabezas de los cilindros pueden ser perjudiciales para
el motor, ya que las culatas o bien sus juntas podrían deteriorarse, así como los pistones
y otros elementos.
Temperaturas bajas en la cabeza del cilindro, también son nocivas para el motor, ya que
pueden producir depósitos en los vástagos de las válvulas de escape, lo que conlleva un
desgaste prematuro de estas válvulas.
↑Sensor CHT y disposición del mismo en el motor
Estos sensores generalmente se localizan en el interior de la cámara de combustión
fijados a la culata.
5 Monitorización de motores térmicos Héctor de los Ojos Barroso
Sensor de Temperatura de los gases de escape (EGT- Exhaust Gas Temperature)
Los gases de escape, son producto de la combustión de la mezcla aire-combustible
dentro del motor.
Es importante monitorizar y controlar la temperatura de los gases de escape, ya que
algunos de los problemas que se podrían presentar por un fallo como al funcionamiento
del motor, son por ejemplo la presencia de alta temperatura en este o que algunos de los
conductos del motor se obstruyeran por acumulación de productos de la combustión.
Este sensor se sitúa generalmente en el colector de escape.
Sensor de temperatura de agua de refrigeración o refrigerante del motor
Se localiza en el punto de mayor temperatura de la culata, generalmente próximo al
termostato o en un conducto de refrigerante de la culata.
La función de este sensor es enviar una señal de tipo eléctrico variable al ordenador
proporcional a la temperatura de este refrigerante. Generalmente se alimentan
directamente por el ordenador con una tensión de referencia y una tierra.
6 Monitorización de motores térmicos Héctor de los Ojos Barroso
Sensor de temperatura del aire de admisión (ACT)
Puede localizarse desde la salida del filtro de aire hasta cualquier otro punto en el
colector de admisión o bien en el interior del caudalímetro y su función es enviar una
señal proporcional a la temperatura del aire de admisión.
Caudalimetro del aire de admisión (MAF)
Se sitúa generalmente próximo al filtro de aire y envía una señal eléctrica variable
proporcional a la cantidad de aire admitido en el motor que tendrá que ser
acondicionada para adquirirla en la tarjeta de adquisición de datos.
↑Gama de caudalímetros del aire de admisión
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Caudalimetro de combustible
Mide la cantidad de combustible consumido en cada instante de funcionamiento del
motor, y envía una señal eléctrica variable proporcional al caudal de combustible
suministrado por la bomba de combustible.
Sensor de detonación (KS)
Este sensor, detecta las detonaciones producidas en el motor enviando una señal de
tensión a la unidad de control. Esta a su vez usa esta señal para controlar la
sincronización del motor.
En el interior del sensor de detonación hay un elemento piezoeléctrico el cual genera
una tensión cuando la presión o vibración se aplica a ellos. El elemento piezoeléctrico
en el sensor de detonación se sintoniza en la frecuencia de golpeteo del motor
Sensor de oxígeno o sonda Lambda
Se localiza en el escape y tiene como función enviar una señal eléctrica variable
proporcional a la cantidad de oxígeno presente en los gases de escape, la cual define si
la mezcla aire-combustible es rica o pobre. Este sensor sirve para la automatización del
motor, por lo que va conectado a la unidad de control pudiendo con esta medida
enriquecer o empobrecer la mezcla.
Se fabrica de dióxido de zirconio, es capaz de generar tensiones dependiendo de la
cantidad de oxígeno presente en el área de medida. Cuando el contenido de oxígeno en
el tubo de escape en donde está localizado el sensor es elevado, la tensión generada será
baja, mientras que cuando el contenido de oxígeno es bajo, la tensión generada será
elevada, fluctuando generalmente entre 0,1 y 0,9 V.
8 Monitorización de motores térmicos Héctor de los Ojos Barroso
Sensor del ángulo de giro del cigüeñal (CKP- Crankshaft Position Sensor)
Se compone de un plato rotor unido al eje del cigüeñal con 360 ranuras, las cuales
representan 1° de giro del cigüeñal y aberturas cada 120° que representan el ángulo del
cigüeñal y de diodos LED que emiten luz y fotodiodos que la reciben, de este modo
durante el funcionamiento el plato rotor pasa a través del espacio existente entre el
diodo LED y el fotodiodo, cortando el haz de luz intermitentemente, lo que causa un
voltaje alterno.
9 Monitorización de motores térmicos Héctor de los Ojos Barroso
Sensor de presión de la cámara de combustión
Son sensores que piezoeléctricos, que miden en tiempo real en el interior de la cámara
de combustión, pudiendo obtener información sobre el desarrollo de la combustión. Su
empleo a largo plazo permite el control de la generación excesiva de hollín y óxidos de
nitrógeno, así como la detección inminente de algunos fallos del motor, como pérdida
de compresión por fallos en los aros, etc. También se emplea para la obtención de la
presión en cada instante en el interior de la cámara de combustión, así como para la
obtención de la presión media indicada
Freno hidráulico
Se emplean en los bancos de pruebas, para crear un par de freno al eje del motor,
generalmente se compone de un rotor y una carcasa llena de agua que sirve tanto de
elemento refrigerante como de frenante. El par de frenado generado, se varía mediante
señales de control enviadas a través de la tarjeta adquisición de datos. El control del
freno hidráulico, puede disponer también de una salida conectada a la tarjeta
adquisición de datos que muestra la posición del volante de freno.
Sensor del par motor
El par motor se mide bien con galgas extensiométricas o con sensores que funcionan
bajo este principio.
Una galga extensiométrica consiste en un cable muy fino formando una rejilla, lo cual
se sujeta a un respaldo muy fino que irá unido al eje del motor. La tensión sufrida en el
eje ante un esfuerzo, bien en funcionamiento o bien en un banco de pruebas mediante un
freno hidráulico, se verá reflejada en esta galga mediante un cambio de resistencia de la
misma debido a la deformación producida. Con el valor del esfuerzo producido en el eje
(debido a la carga del motor) y con el de esta deformación, puede obtenerse el par
motor.
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Galga extensiométrica
Instrumento para medir el par motor
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Bibliografía
Sistema de monitoreo para motores navales-Capetolo Emilio – Maximiliano Zapata
http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/bancomot.htm
http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/7372
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA-Facultad de ciencias mecánicas,
ingeniería automotriz
http://www.e-auto.com.mx
Tesis doctoral de ingeniería aeronáutica: “sistema de adquisición de datos para un motor
de combustión interna alternativo” (Juan Carlos Santiago Martínez)-Instituto
politécnico nacional de México