Monitoreo de temperatura de los gases de escape del

Monitoreo de temperatura de los gases de escape
del motor de combustión interna utilizando
microcontrolador (PIC) y asistida por PC
Monitored of temperature of exhaust gases of the
engine of internal combustion using microcontroller
(PIC) and attended by PC
José Reyes, Ronmel Valcárcel
Resumen
Se construyó un modulo de pruebas para el monitoreo de
This module will provide several qualitative advantages to
temperatura de los gases de escape del motor de com-
technicians and quantitative advantages in task mainte-
bustión interna. El objetivo de la construcción de este
nance and repairs that are performed regularly to internal
módulo es poder monitorear la temperatura de los gases
combustion engines, benefiting in cost savings and time
de escape del motor de combustión interna, para así po-
of maintenance and repair.
der procesar estos datos y utilizarlos en el diagnóstico del
funcionamiento del motor. El comportamiento de la tem-
Palabras claves
peratura de los gases que salen de cada cilindro, podrá
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precisar la ubicación de alguna anomalía en el motor. Las
Monitoreo, temperatura, gases de escape, motor de com-
anomalías serán relacionadas con la temperatura de los
bustión interna, mantenimiento.
gases de escape y así se determinará la posible falla en los
componentes del motor.
Key words
Este módulo permitirá aportar ventajas cualitativas a los
Monitored, temperature, exhaust gas, internal combus-
técnicos de motores y ventajas cuantitativas en las tareas
tion engine, maintenance.
de mantenimiento y reparación que se realizan periódicamente a los motores de combustión interna, benefi-
INTRODUCCIÓN
ciando principalmente en el ahorro de costos y tiempo
de mantenimiento y reparación.
Abstract
El empleo de una herramienta adecuada para el monitoreo
de temperatura de gases de escape del motor de combustión interna nos permitirá localizar el cilindro que tiene alguna anomalía y con la adecuada experiencia diagnosticar
It was built a test module for monitoring temperature of
una posible falla de las partes del motor de combustión
the exhaust gases of the internal combustion engine. The
interna. Este módulo ha sido elaborado para monitorear
purpose of the construction of this module to monitor
durante todo el régimen de funcionamiento el motor. El
individual temperature of exhaust gases of internal com-
módulo de monitoreo envía mensajes y advierte cuando
bustion engine to process data and use in the diagnosis
un parámetro está fuera del promedio de temperatura de
of functioning of the engine. The behavior of each cylin-
gases de escape, promedio tomado en diversas condicio-
der may specify the location in the engine of any anomaly
nes de operación del motor. Aplicando este método a las
in terms of the temperature of exhaust gases and thereby
tareas de mantenimiento lograremos minimizar los costos
determine the possible fault in the engine components.
y tiempos de reparación y calibración.
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La realización de este módulo surge por la necesidad de
PROCEDIMIENTO
tener una herramienta práctica para el diagnóstico del
funcionamiento del motor en todo momento; es decir, du-
En la Figura 1 se muestra una descripción del módulo de
rante su operación y durante pruebas de mantenimiento.
adquisición, el cual consta de cuatro etapas: la etapa de
Para tal propósito se desarrolló un circuito electrónico de
sensado, etapa de amplificación, etapa de comparación y
adquisición de señales, procesamiento de señales, trans-
etapa de indicación.
misión y visualización de datos en interfaces gráficas.
El desarrollo requiere sensores de temperatura que midan continuamente la temperatura individual de gases
de escape en cada cilindro del motor de combustión interna comparando con motores con control electrónico,
Figura 1. Esquema del método del módulo de adquisición (fuente
que tienen opciones de diagnóstico y autodiagnóstico,
propia).
que solamente lo usan para ubicar fallas de inyectores
durante pruebas de mantenimiento, pero no durante su
La metodología para la toma de datos se divide en 4
operación.
etapas:
El sustento de este proyecto radica en que es una herra-
1. Etapa de sensado. En esta etapa se realiza la me-
mienta útil para el diagnóstico de motores, el cual permi-
dición de las magnitudes eléctricas, para nuestro
tirá ubicar puntualmente anomalías, obteniendo un aho-
caso una termocupla. Se llama sensor al instrumento
rro en tiempo para la evaluación del motor. Aplicándolo
que produce una señal, usualmente eléctrica, el cual
a grandes industrias se minimizaran costos de manteni-
refleja el valor de una propiedad, mediante alguna
miento.
correlación definida o ganancia. Estos sensores están
en número igual a la cantidad de cilindros que con-
Esta herramienta, aplicada en todo tipo de motores de
forman el motor y se ubican a la salida del conducto
combustión interna como son: gasolineros, diesel, gas y
de los gases de escape del motor.
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también a motores con diferentes números de cilindros
4, 6, 8, 16, etcétera.
Para la selección de la termocupla se usaron termocuplas tipo K [2], disponibles en el mercado local.
Las fallas más comunes que se presentan en los motores
Estas termocuplas fueron sometidas a pruebas para
de combustión interna son: recalentamiento, pérdida de
determinar los valores de fuerza electromotriz y esta-
potencia, consumo excesivo de combustible y presencia
blecer su rango de medición.
de humos anormales. Todas estas fallas están relacionadas con los sistemas de alimentación de combustible, alimentación de aire y de refrigeración.
Se realizó la medición del voltaje en la termocupla
y se registraron los voltajes cuando se elevó la temperatura [3]. Este es el procedimiento normal que se
Tanto los motores diesel, gasolineros y gas, tienen similar
realiza para la calibración de los termopares.
estructura mecánica, similar sistema de refrigeración, similar sistema de alimentación de aire, diferente sistema
combustible para su funcionamiento, pero todos tienen
como resultado final los gases de escape de los cuales
analizaremos sus temperaturas.
Para implementar este módulo de monitoreo se diseñó
un circuito electrónico capaz de procesar las señales de
los sensores de temperatura. Para realizar las pruebas se
empleó el motor diesel marca Volvo Modelo TD70H [1].
Figura 2. Resultados de las pruebas del sensor
sometido a temperatura.
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En la Figura 2 observamos los valores obtenidos durante las pruebas de los sensores y vemos que la variación del voltaje del sensor es proporcional a la variación de la temperatura, por lo tanto es una función
lineal. La prueba se inició a temperatura ambiente,
teniendo una medición de 0.0 milivoltios, después se
aumentó la temperatura hasta los 350ºC y se obtuvo
una medición de 11.1 milivoltios.
2. Etapa de Amplificación. En esta etapa se realiza la
amplificación de la señal de la termocupla, la cual
convierte esta medición a una señal eléctrica ideal
para que puedan alimentar a un instrumento de
procesamiento, de lectura, registro o controlador de
las magnitudes medidas.
Figura 4. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador
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(fuente propia).
Figura 3. Amplificador de instrumentación [4]
En la Figura 3 observamos la configuración típica de un
sigue el programa del microcontrolador, el cual ha
amplificador de instrumentación, el cual empleamos
sido elaborado para el proceso de monitoreo, que
para mejorar el procesamiento y calidad de señal.
Los sensores y transductores pueden funcionar en
ubicaciones alejadas del observador, así como en entornos inadecuados o impracticables para los seres
humanos. En esta etapa usamos dispositivos electrónicos discretos, el amplificador es un dispositivo
lineal de propósito general, el cual tiene capacidad
de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante; tiene además límites
de señal que van desde el orden de los nano voltios
(nV), hasta voltios (V) definidos por el fabricante [5].
3. Etapa de Comparación. Esta etapa toma las señales
de los amplificadores, las cuales son digitalizadas en
el microcontrolador y mediante su programa realizamos las funciones adecuadas para que efectúe la
operación de monitoreo, transmisión de datos hacia
la pantalla de visualización y también para la transmisión de datos hacia la computadora.
En la Figura 4 observamos el diagrama de flujo que
fue programado y grabado en el microcontrolador.
El uso del microcontrolador PIC, lo empleamos por
ser un dispositivo programable, capaz de realizar diferentes funciones que requieran el procesamiento
de datos digitales, control y comunicación digital de
diferentes dispositivos.
4. Etapa de Indicación. En esta etapa se muestra la adquisición de datos, mediante una pantalla y se visualizan los datos transmitidos por el microcontrolador.
Mediante la transmisión de datos hacia la computadora, se tienen los datos almacenados en un archivo, también se visualizan los datos en un programa gráfico.
En la computadora el manejo de datos se puede hacer
de diferentes maneras, así por ejemplo: mostrar las variables medidas en forma de texto, para luego poder ser
procesadas en programas estadísticos o programas de
cálculo. También grafico en tiempo real donde se muestra
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el comportamiento de los datos transmitidos, mediante
analógica AN0 al AN7, el puerto B lo configuramos para
cada variable en función del tiempo. Se usó un software
señales de entrada y de salida, en el Puerto C usamos los
de National Instruments.
Pines Tx y Rx para la transmisión y recepción de datos de
la PC y el Puerto D lo empleamos para enviar mensajes a
la pantalla de visualización.
El circuito de conexión con la pantalla de visualización:
permite la alimentación, contraste y la transmisión de datos hacia la pantalla o display.
Figura 5. Visualización esquemática del módulo de monitoreo
(fuente propia).
El circuito de transmisión de datos a la PC permite comunicar al microcontrolador con la PC. En esta etapa usamos
En la Figura 5 observamos el esquema del sistema de mo-
el Integrado Max232, el cual transforma los valores TTL
nitoreo, es decir, el proceso empleado para su funciona-
del PIC a niveles CMOS requeridos por la PC.
miento, para lo cual se consideraron diferentes aspectos
como:
• Tipo de diagnóstico que obliga a ejecutar ciertos maquinados en el múltiple de escape.
• Las temperaturas teóricas de los motores para la selección del sensor.
• La ganancia adecuada para la etapa de amplificación.
• El tiempo de muestreo.
Figura 6. Diagrama del interfaz (fuente propia).
• Las ventajas y desventajas que tiene la aplicación del
microcontrolador.
• Los medios de visualización.
Respecto a los materiales utilizados, este módulo consta
de circuitos, los cuales cuentan con componentes que se
encuentran en el mercado local y son los siguientes:
Fuente de alimentación: La fuente de alimentación fue
diseñada con reguladores convencionales fijos de 5, 9 y
-9 voltios.
El circuito de funcionamiento del microcontrolador consta de los siguientes componentes:
En la Figura 6 observamos el interfaz del módulo de monitoreo, cuyas etapas son importantes para el funciona-
99
miento del sistema de monitoreo de temperatura de gases de escape.
RESULTADOS
La implementación del sistema de monitoreo se verificó
con el funcionamiento de nuestro equipo, la variación de
los parámetros sensados se relacionan con el funcionamiento del motor. Comparando lo datos medidos, nos da
una idea de lo que puede estar sucediendo en cada una
de los cilindros que conforman el motor, pues se comprobó que la variación de los datos procesados se da en
• Un oscilador de 20 MHz.
función de la temperatura.
• Un pulsador para el Reset.
Se observaron los valores medidos de cada cilindro y mediante el programa de monitoreo se visualizan individual-
• Un PIC 16F877A.
• Leds de Indicación.
• Switchs para encendido e inicio del programa.
Empleamos el Puerto A y Puerto E, dependiendo del número de cilindros a usar, usamos los canales de entrada
mente los valores medidos de cada cilindro. Durante el
funcionamiento del motor cuando un valor medido está
fuera del promedio de medición, el programa automáticamente nos envía un mensaje indicándonos el número
del cilindro y sonidos de advertencia, la cual se obtuvo
cuando se hizo la prueba de simulación de corte de inyección en el cilindro 4.
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motor; al momento de instalar el sistema de monitoreo no se conocía el estado real del motor, ya que
era un motor con tiempo de funcionamiento y, por
lo tanto, presenta desgaste en sus componentes. Las
condiciones ideales para establecer el monitoreo es
cuando el motor es nuevo, tiene pocas horas de funcionamiento o está recién reparado.
• Observando la Figura 8 podemos observar el comportamiento que tienen los cilindros en situaciones
de aceleración y operación del motor, podemos
Figura 7. Datos almacenados como texto.
mencionar las siguientes teorías:
- El cilindro 4, que es la línea de color celeste, en un
En la Figura 7 observamos los datos procesados en una
inicio está por debajo de las demás curvas 68ºC.
hoja de cálculo, los cuales fueron almacenados anterior-
Cuando se le acelera primer pico y cuando se le
mente en un archivo de texto y se pueden procesar con
simula carga segundo pico mayor a 155ºC, este
diferentes programas estadísticos y gráficos. Después del
tiende a superar a las demás curvas, mediante el
procesamiento adecuado observamos la variación de la
análisis podríamos decir que el comportamiento
temperatura conforme al arranque del motor luego del
se debe a una descalibración interna del inyector.
tiempo de calentamiento requerido para la operatividad
del motor, se hicieron aceleraciones para aumentar las
- En el tiempo de 05:35:40 PM cuando simulamos
RPM del motor y se observó la variación de la temperatura
la carga en el motor podemos observar que rápi-
en función de los RPM.
damente se incrementa la temperatura y cuando
dejamos de hacer la simulación de carga observamos que las curvas decrecen a diferentes temperaturas 05:36:40 PM, mediante el análisis podríamos
100
decir que esta teoría se debe a la descalibración
de los inyectores, es decir algunos inyectores no
están atomizando correctamente el combustible
y por tal efecto se observan variaciones en la temperatura, asimismo influye la regulación de la luz
de válvulas en la temperatura de evacuación de
los gases de escape de la cámara de combustión.
Figura 8. Visualización gráfica.
En la Figura 8 observamos los datos en un entorno gráfico,
se visualizaron los datos transmitidos por el módulo de
monitoreo, se obtuvo una gráfica en tiempo real, se hicieron aceleraciones para aumentar las RPM del motor y se
observó la variación de la temperatura en función de las
RPM del motor; en los valores altos del gráfico mayor a
130ºC se realizaron las pruebas de calado, el cual nos permitió simular carga en el motor.
Sobre los resultados obtenidos observamos que:
• En una aplicación real del monitoreo lo ideal es tener valores similares. En la Figura 8 la diferencia de
temperatura entre los cilindros en el mismo instante,
se debe al estado de los diferentes componentes del
- El cilindro 6, de color morado, en un inicio está
entre las curvas de los otros cilindros. Cuando se
acelera (primer pico) y cuando se simula carga
(segundo pico mayor), su tendencia es a decrecer mas rápido que las demás curvas. Mediante
el análisis podríamos decir que la teoría de este
comportamiento se debe a una mayor luz en la
regulación de la válvula de escape, por lo tanto
se refrigera más rápidamente, por lo tanto en el
motor se tendría pérdida de potencia.
- En la Figura 10 observamos la falla que fue simulada en uno de los cilindros. Se realizó el corte de
inyección en el cilindro 4, al inicio de la simulación
de la falla 05:28:20PM se puede observar la caída
de temperatura para este cilindro, se aceleró el
motor para ver el comportamiento de la curva del
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operación). La combustión en los diferentes tipos de
motores y su estructura mecánica tienen como resultado final los gases de escape. Analizando la temperatura se podría determinar lo que está ocurriendo
en el funcionamiento del motor, por lo tanto es una
herramienta que permite evaluar el motor.
Figura 9. Corte de inyección de cilindro 4 (fuente propia).
cilindro con corte de inyección y se observa que la
temperatura sigue por debajo de las demás temperaturas de los cilindros.
• Esta herramienta de diagnóstico permite evaluar rápidamente el estado de funcionamiento del motor.
Por medio de la temperatura de los gases de escape
se localiza al cilindro con falla, por lo tanto se minimizan considerablemente los tiempos de evaluación
del motor.
• Este módulo puede ser aplicado a los motores convencionales que no tienen ningún control electrónico, por lo tanto optimizará las labores del personal
de mantenimiento mecánico.
• El programa de monitoreo alerta al usuario sobre el
mal funcionamiento del motor y dependiendo del
componente, se podrán minimizar las fallas potencialmente perjudiciales. Por ejemplo, cuando de manera intempestiva se quiebra la cabeza de válvula y
daña la cámara de combustión.
Figura 10. Corte de inyección de cilindro 6 (fuente propia).
- En la Figura 10 observamos falla que fue simulada
en otro cilindro. Se realizó el corte de inyección
en el cilindro 6, al inicio de la prueba, se puede
observar la caída de temperatura para este cilindro en el tiempo de 05:40:00, se acelera el motor
y continúa por debajo de las demás curvas, hasta
el tiempo de 05:41:20 donde se reestablece la inyección y se observa la recuperación de la temperatura de funcionamiento.
- Después de revisar y comparar el comportamiento de las curvas podemos relacionarlas a los
componentes que conforman el motor. Realizando más pruebas y verificando el estado físico de
los componentes y sus regulaciones o tolerancias,
podremos determinar que son principalmente
problemas del inyector, compresión de cilindros
(anillos) y calibracion de válvulas.
CONCLUSIONES
• El módulo de monitoreo de temperatura de gases
de escape es una herramienta para el diagnóstico
del funcionamiento del motor (en tiempo real y bajo
• Usando el concepto de que los componentes no
tienen el mismo tipo de desgaste es mejor analizar
solamente la zona que presenta la anomalía. Se efectuarán pruebas de cada uno de los componentes de
la zona afectada y dependiendo del caso se harán las
calibraciones necesarias o cambio del componente,
beneficiando el ahorro de costos y tiempos de reparación o calibración.
101
• Relacionando la temperatura de gases de escape
con el componente podemos decir:
- Baja temperatura se relaciona con el sistema de inyección, sistema de alimentación de aire y compresión.
- Alta temperatura se debe a la regulación de luz
de válvulas, sistema de inyección o el sistema de
refrigeración.
• Manteniendo las curvas similares entre sí y realizando las acciones correctivas, durante la operación de
la maquina, lograremos mantener las potencias nominales de funcionamiento del motor y aplicando
estadísticas se podría programar tareas de mantenimiento predictivo.
REFERENCIAS
[1] Manual de servicio del motor Volvo TD70H-1990
[2] Tablas de calibración de termopar tipo K.
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[3] Bacacorzo, Roberto (2003)
Curso Instrumentación Industrial Tecsup.
[4] http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_de_instrumentación
[5] Datasheet LM741 y TL081.
[6] Cesar Medina Tong (2006). Tesis de Grado Universidad Nacional de Ingeniería. Digitalización de un variador de velocidad DC Analógico con control PID. Lima-Perú
[7] Robalino, Ramón (2004)
Curso de Microcontroladores Tecsup.
[8] Microchip
http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.
aspx?dDocName=en010242
[9] Maxim
http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/1798
[10] Mplab
http://www.microchip.com/stellent/
idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocNa
me=en019469&part=SW007002
A CERCA DE LOS AUTORES
José Reyes Miranda es profesional en
electrónica y automatización industrial y
en mantenimiento de maquinaria pesada. Posee experiencia en mantenimiento
y configuración de sistemas de control
electrónico de equipo pesado en empresas como: Ferreyros, M&R y Southern
Perú. Ha patentado circuitos electrónicos
de aplicación a equipo pesado a nivel
nacional.
Ronmel Valcárcel Bornas es experto en
electricidad y electrónica de vehículos
por la GTZ e IFB en Alemania. Posee experiencia en el mantenimiento y reparación de vehículos en empresas como:
Volvo, Mercedes Benz y Daewoo. Ha participado como ponente en seminarios
técnicos, a nivel nacional, sobre electrónica en motores de combustión interna.
[11] Lab View
http://www.ni.com/labview
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