Diseñodeprobadordeinyectoresmúltiple
126
DISEÑO Y ELABORACIÓN DE UN PROBADOR DE INYECTORES Y SU IMPLEMENTACIÓN EN PRÁCTICAS DE ATOMIZACIÓN Y HERMETICIDAD DE LOS SISTEMAS BOMBA-INYECTOR Y BOMBA-TUBERÍA-INYECTOR; UTILIZANDO ACEITE COMBUSTIBLE PARA MOTOR (ACPM) Y BIODIESEL DE PALMA 1 DANIEL FERNANDO FARFÁN GACHA EDISSON HERNANDO PAGUATIAN TUTISTAR FUNDACIÓN UNIVERSITARIA LOS LIBERTADORES FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D.C. 2008 1 Todos los derechos reservados por parte de los autores y la Fundación Universitaria Los Libertadores
-
Upload
edisson-paguatian -
Category
Engineering
-
view
38 -
download
5
Transcript of Diseñodeprobadordeinyectoresmúltiple
DISEÑO Y ELABORACIÓN DE UN PROBADOR DE INYECTORES Y SU
IMPLEMENTACIÓN EN PRÁCTICAS DE ATOMIZACIÓN Y HERMETICIDAD
DE LOS SISTEMAS BOMBA-INYECTOR Y BOMBA-TUBERÍA-INYECTOR;
UTILIZANDO ACEITE COMBUSTIBLE PARA MOTOR (ACPM) Y BIODIESEL
DE PALMA1
DANIEL FERNANDO FARFÁN GACHA
EDISSON HERNANDO PAGUATIAN TUTISTAR
FUNDACIÓN UNIVERSITARIA LOS LIBERTADORES
FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, D.C.
2008
1 Todos los derechos reservados por parte de los autores y la Fundación Universitaria Los Libertadores
DISEÑO Y ELABORACIÓN DE UN PROBADOR DE INYECTORES Y SU
IMPLEMENTACIÓN EN PRÁCTICAS DE ATOMIZACIÓN Y HERMETICIDAD
DE LOS SISTEMAS BOMBA-INYECTOR Y BOMBA-TUBERIA-INYECTOR;
UTILIZANDO ACEITE COMBUSTIBLE PARA MOTOR (ACPM) Y BIODIESEL
DE PALMA
DANIEL FERNANDO FARFÁN GACHA
EDISSON HERNANDO PAGUATIAN TUTISTAR
Anteproyecto presentado como requisito para optar por el título de ingeniero
mecánico
Asesor Técnico
Claudio Moreno
Ingeniero Mecánico
INSTITUCIÓN UNIVERSITARIA LOS LIBERTADORES
FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, D.C.
2008
Nota de aceptación
______________________
______________________
______________________
______________________
______________________
Jurado
______________________
Jurado
______________________
______________________
Presidente del jurado
Bogotá, Julio 6 de2007
A Dios por la sabiduría adquirida,
a nuestros padres por todo su
amor y apoyo y ha la Fundación
Universitaria Los Libertadores por
formarnos como excelentes
ingenieros.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos a:
A Dios, por todos los favores recibidos y todas las bendiciones derramadas
sobre nosotros para que podamos desarrollar nuestros talentos y dar frutos
oportunos en el transcurso de nuestra vida.
La Fundación Universitaria los Libertadores en especial a la facultad de
ingeniería mecánica, las respectivas dependencias locativas y cuerpo docente
que a través del tiempo de formación como ingenieros mecánicos siempre
estuvieron a disposición de nosotros para debatir, aportar y pulir las ideas que
llevaron a la conclusión de nuestra formación como ingenieros mecánicos.
Doctor Héctor Díaz Ángel, decano de ingenierías por su gestión, preocupación
y compromiso constante con todos los alumnos de la facultad.
Claudio Alberto Moreno Arias, ingeniero mecánico y director del proyecto, por
sus valiosas orientaciones en el desarrollo del proyecto.
Rafael Cortés Sierra, ingeniero mecánico, gerente de ingeniería de Inca
Fruehauf-Inca S.A., por sus aportes y asesorías durante el proceso de
desarrollo del proyecto.
José E. Sierra, técnico diesel, gerente general de Punto Pincher-laboratorio de
inyección, por los aportes y sugerencias realizadas con respecto al
accionamiento del prototipo.
A nuestros padres, por el apoyo incondicional en todo nuestro proceso de
formación personal y profesional.
A todas aquellas personas que de una u otra forma colaboraron en la
realización del presente trabajo.
7
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN
1. JUSTIFICACIÓN 27
2. OBJETIVOS 29
2.1 OBJETIVOS GENERALES 29
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 29
3. METODOLOGÍA de INVESTIGACIÓN 32
3.1 INGENIERÍA DE PROYECTO 32
3.1.1 Fase investigativa 32
3.1.2 Fase experimental 32
3.1.3 Fase de análisis e identificación 33
3.1.4 Fase de resultados y evaluación 33
4. MARCO TEORICO 34
4.1 HISTORIA DE LA INYECCIÓN 34
4.2 LA INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE 39
4.3 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA DE INYECCIÓN DE
COMBUSTIBLE
40
4.3.1 Medir 40
4.3.2 Tiempo 40
4.3.3: Presurización 41
8
4.3.4 Atomización 42
4.3.5 Distribución 43
4.4 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE INYECCIÓN 45
4.4.1 Sistema de inyección directa 45
4.4.2 Sistema de inyección indirecta 47
4.5 RELACIÓN DE LOS MOMENTOS DE INYECCIÓN CON
RESPECTO A LAS EMISINES SÓLIDAS Y LIQUIDAS DE LA
COMBUSTIÓN
49
4.6 PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE
INYECCIÓN DIESEL
51
4.6.1 Bomba de inyección en línea 51
4.6.2 Bombas de inyección distribuidoras (bombas rotativas) 52
4.6.3 Bombas de inyección individuales 53
4.6.4 Unidad de bomba-inyector (UIS) 54
4.6.5 Unidad de bomba-tubería-inyector(UPS) 60
5. ACEITE COMBUSTIBLE PARA MOTOR(A.C.P.M) 66
6. BIODISEL 67
6.1 DEFINICION DE BIODIESEL 67
6.2 PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS 69
7. APLICATIVO 70
7.1 PARTES QUE COMPONEN EL PROBADOR 72
7.3 SELECCIÓN DE MATERIALES 77
9
7.3.1 Aceros 77
7.3.2 Cobres y bronces 79
7.3.3 Soldaduras 80
7.3.4 Filtro 83
7.3.5 Tornillería 84
8. CÁLCULOS 85
8.1 CÁLCULO DEL RESORTE 85
8.2 CÁLCULO DEL MECANISMO PALANCA-LEVA 94
8.2.1 Análisis de F019-01 soporte eje 96
8.3 CALCULO DE LA BASE DE APOYO DEL PROBADOR DE
INYECTORES
104
8.3.1 Análisis del banco soporte probador 104
9. CONCLUSIONES 112
BIBLIOGRAFÍA 114
10
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Especificaciones técnicas de inyector-bomba seleccionado para
ser probado
57
Tabla 2. Características del inyector Bosch 63
Tabla 3. Propiedades y características de los sistemas de inyección 65
Tabla 4. Parámetros del combustible diesel a nivel mundial 66
Tabla 5. Propiedades físico-químicas más características del biodiesel 69
Tabla 6. Partes compradas del prototipo de probador de inyectores
múltiple
72
Tabla 7. Partes fabricadas del prototipo de probador de inyectores
múltiple
75
Tabla 8 Sistema de designación AISI-SAE para aceros al carbono y de
baja aleación
78
Tabla 9. Propiedades físicas del Cu-DHP 79
Tabla 10. Clasificación de los procesos de soldadura 81
Tabla 11. Otra clasificación de la soldadura 82
Tabla 12. Resistencias de tornillos 84
11
Tabla 13. Constantes A y m de Sut = A/dm para calcular la resistencia de
tensión mínima de alambres para resortes comunes.
86
Tabla 14. Esfuerzos de torsión máximos permisibles para resortes
helicoidales de compresión en aplicaciones estáticas
87
Tabla 15. Formulas para el cálculo de resortes de compresión 88
Tabla 16: Propiedades mecánicas de algunos alambres para resortes 89
Tabla 17. Constantes utilizadas para determinar la altura sólida del
resorte de compresión
90
Tabla 18. Estadística de soporte eje seguidor 96
Tabla 19. Análisis de materiales-acero 98
Tabla 20. Definiciones de carga y restricción 98
Tabla 21. Resultados estructurales 100
Tabla 22. Estadísticas de la base de apoyo del banco 105
Tabla 23. Acero del soporte del banco 106
Tabla 24. Definición de cargas y restricciones 107
Tabla 25. Resultados estructurales 108
12
LISTA DE GRÁFICAS
pág.
Gráfico 1. Sistema de inyección de Fuscaldo 1940 35
Gráfica 2. Pasado y futuro de la unidad Bomba-inyector 38
Gráfica 3. Relación de las presiones obtenidas con respecto a los giros
del cigüeñal en el momento de combustión
41
Gráfica 4. Inyección directa sobre cabeza de cilindro formado 43
Gráfica 5. Etapas de combustión en un sistema Diesel 44
Gráfico 6. Fases de inyección directa 46
Gráfica 7. Diversos perfiles de cabeza de pistón, con diferentes efectos
de doble turbulencia para inyección directa
46
Gráfico 8. Cámara de combustión para inyección indirecta 47
Gráfico 9. Desarrollo de la inyección 49
Gráfica 10. Sistema de bomba lineal tipo Bosch 52
Gráfica 11. Sistema de bomba tipo distribuidor Deere & Co 53
Gráfica 12. Sistema bomba-inyector 54
13
Gráfica 13. Sistema bomba inyector Detroit diesel 55
Gráfica 14. Principio funcional de la unidad bomba-inyector 56
Gráfica 15. Unidad bomba-tubería-inyector 60
Gráfica 16. Descripción interna del sistema 61
Gráfica17. Relación de los sistemas Bomba-inyector y Bomba-Tubería-
inyector
64
Gráfico 18. Geometría del resorte 92
Gráfico 19. Esquema general del probador 93
Gráfica 20. Mecanismo palanca seguidor con eje de rotación en 1. 94
Gráfica 21. Mecanismo palanca seguidor con eje de rotación en 2. 95
Gráfica 22. Tensión equivalente 100
Gráfica 23. Tensión principal máxima 101
Gráfica 24. Tensión principal mínima 101
Gráfica 25. Deformación 102
Gráfica 26. Coeficiente de seguridad 102
Gráfica 27. Tensión equivalente 109
Gráfica 28. Tensión principal máxima 109
Gráfica 29. Tensión principal mínima 110
Gráfica 30. Deformación 110
14
LISTA DE ANEXOS
Pág.
ANEXO A. PLANOS DEL PROBADOR 118
PARTES FABRICADAS 118
SUB-ENSAMBLES 151
ANEXO B. MANUAL DE OPERACIÓN Y DESCRIPCION DE LAS
PRUEBAS
152
ANEXO C. MANUAL DE MANTENIMIENTO Y SEGURIDAD
INDUSTRIAL
158
15
GLOSARIO
ANGULO DE ATOMIZADO: ángulo que se busca para una mejor distribución
del flujo de combustible.
ÁNGULO DE DISPERSIÓN DEL ROCIADO: ángulo incluido del cono de
combustible formado por una clavija o boquilla de asiento invertido o un orificio
sencillo de inyección o rociado en una boquilla tipo orificio.
ÁNGULO DE INCLINACIÓN DEL CONO DE ROCIADO: ángulo entre el eje del
ángulo del cono de rociado y el eje de la boquilla.
ÁNGULO DEL CONO DE ROCIADO: ángulo incluido del cono que abarca los
ejes de los orificios de inyección o rociado en una boquilla multiorificios.
16
Algunos diseños particulares de boquillas pueden tener más de un ángulo de
cono de rociado.
ÁNGULO DIFERENCIAL: diferencia entre los ángulos de las superficies de
sellado cónico de la aguja y el cuerpo de la boquilla.
ASIENTO DE LA BOQUILLA: línea o superficie de contacto entre el cuerpo de
una boquilla cerrada y la aguja, que impide el flujo de combustible a los orificios
de inyección o rociado.
ASIENTO DEL RESORTE: Vástago corto usado en inyectores de resorte bajo.
ATOMIZACIÓN: dividir en partes sumamente pequeñas (pulverizar).
BIOCOMBUSTIBLE: es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de
combustible que se derive de la biomasa.
BIODIESEL: combustible que se fabrica a partir de aceites vegetales, mediante
procesos industriales de esterificación y transesterificación, la propiedad se
destina a la combustión en motores de ciclo diesel convencionales o
adaptados.
BOQUILLA CON ASIENTO INVERTIDO: boquilla en la cual una aguja en
forma de hongo se abre hacia el exterior.
BOQUILLA DE AGUJA (ORIFICIO CUBIERTO CON LA AGUJA DE LA
"VÁLVULA"): boquilla tipo orificio con orificios de rociado o inyección en el
asiento del cuerpo, recubiertos por la aguja en el momento en que se cierra.
17
BOQUILLA DE CLAVIJA APLANADA: boquilla de clavija de retardo con una o
más partes planas en el perfil de la aguja, que influye en el flujo de combustible
durante la elevación inicial de la aguja.
BOQUILLA DE CLAVIJA DE RETARDO (ESTRANGULACIÓN): boquilla de
clavija con una aguja perfilada que estrangula el flujo de combustible durante
la elevación inicial de la aguja.
BOQUILLA DE CLAVIJA: boquilla que posee una aguja con una saliente
perfilada que se prolonga en el cuerpo de la boquilla a través de un orificio
coaxial.
BOQUILLA DE TIPO ORIFICIO: boquilla con uno o más orificios de rociado o
inyección y una aguja que no afecta el área del orificio. Estos se denominan
comúnmente boquillas de orificio sencillo o múltiple.
BOQUILLA PINTAUX: boquilla de clavija de retardo con orificio(s) auxiliar(es)
que el combustible derive la etapa de estrangulamiento de la elevación inicial
de la aguja.
BOQUILLA REFRIGERADA: boquilla con un cuerpo que contiene canales a
través de los cuales pasa un refrigerante.
18
CARA DE PRESIÓN: caras en el cuerpo de la boquilla y el porta y la placa
adaptadora, en donde sea aplicable, que se mantienen unidas en un inyector
ensamblado para formar un sello estanco al combustible.
CARA DE SELLADO: cara sobre la cual el inyector se asienta para formar un
sello estanco al gas con el motor. Generalmente esta cara se encuentra sobre
la tuerca de retención de la boquilla.
CILINDRO INYECTOR: es un recinto por donde se desplaza un pistón es una
pieza hecha de un metal fuerte, para soportar trabajo a alta temperatura con
explosiones constantes de combustible.
CONECTOR DE ENTRADA DE COMBUSTIBLE; ESPÁRRAGO DE
ENTRADA: adaptador colocado al cuerpo del porta boquilla, que funciona como
una conexión de entrada.
CONEXIÓN DE ENTRADA DE COMBUSTIBLE: parte del porta boquilla a la
cual se conecta el tubo de alta presión.
CONEXIÓN PARA RETORNO DE COMBUSTIBLE: parte de la porta boquilla a
la cual se conecta el tubo para eliminar las fugas de retorno.
Diámetro del vástago del inyector de combustible: diámetro del que determina
la ubicación coaxial en el motor.
19
FILTRO DE BORDE: tipo de filtro de entrada de combustible colocado en el
conector de entrada o cuerpo del porta boquilla.
FUGAS DE RETORNO: combustible que se escapa a través del espacio entre
la aguja y el cuerpo de la boquilla.
HELICOIDAL: figura en hélice; órgano de propulsión y tracción o de
sustentación accionado por un motor.
INYECTOR DE COMBUSTIBLE (CONVENCIONAL): inyector accionado
únicamente por la presión del combustible medido.
INYECTOR DE COMBUSTIBLE COLOCADO CON BOLA O ESPIGO: inyector,
en donde la colocación angular del motor está determinada por una bola o
espigo sobre el cuerpo del porta boquilla y una ranura correspondiente en el
orificio de montaje.
INYECTOR DE COMBUSTIBLE COLOCADO CON BRIDA FIJA: inyector en
donde la colocación angular en el motor está determinada por una brida fija
(integral) sobre el cuerpo del porta boquilla
INYECTOR DE COMBUSTIBLE COLOCADO CON PARTES PLANAS: inyector
en donde la colocación angular en el motor está determinada por las partes
planas en el cuerpo del porta boquilla y la forma correspondiente de la brida o
mordaza de retención.
20
INYECTOR DE COMBUSTIBLE FIJO CON BRIDA: inyector fijo al motor por
medio de una brida móvil o integral perpendicular al eje del inyector y
asegurado por dos pernos o espárragos, como mínimo.
INYECTOR DE COMBUSTIBLE FIJO CON MORDAZA: inyector fijo al motor
por medio de un sujetador de dedos sencillo o doble y asegurado con pernos o
espárragos.
INYECTOR DE COMBUSTIBLE FIJO CON TORNILLO: inyector) fijo y
asegurado al motor por medio de una tuerca estopera
INYECTOR ELÉCTRICO DE COMBUSTIBLE: inyector accionado por medios
eléctricos apropiados.
INYECTOR HIDRÁULICO DE COMBUSTIBLE: inyector accionado por medios
hidráulicos diferentes de la presión del combustible.
INYECTOR MECÁNICO DE COMBUSTIBLE: inyector) accionado por medios
mecánicos externos.
INYECTOR: elemento del sistema de inyección que se encarga de inocular el
combustible al cilindro o al conducto de admisión o a la cámara de
precombustión en el caso de los motores diesel.
LONGITUD DEL VÁSTAGO DEL INYECTOR DE COMBUSTIBLE: distancia
desde la cara de sellado primario (véase el numeral 9.9) de la tuerca de
21
retención de la boquilla (con la boquilla colocada) hasta un punto de referencia
en el porta boquilla determinada por el tipo particular de fijación del inyector.
PRESIÓN DE ABERTURA DEL INYECTOR (BOQUILLA) DE COMBUSTIBLE:
la menor presión hidráulica (aplicada a una tasa de incrementos lentos) a la
cual comienza el flujo a través del inyector
PRESIÓN DE CIERRE DEL INYECTOR (BOQUILLA) DE COMBUSTIBLE: la
mayor presión hidráulica a la cual la aguja comienza a cerrarse.
PRESIÓN DE REGLAJE DEL INYECTOR (BOQUILLA) DE COMBUSTIBLE:
presión de apertura de la boquilla a la cual un inyector es regulado inicialmente
para asegurar la .correcta presión de trabajo después de estabilización.
PRESIÓN DE TRABAJO DEL INYECTOR (BOQUILLA) DE COMBUSTIBLE:
presión estabilizada de apertura de la boquilla, para el funcionamiento correcto
del inyector en el motor.
PROTECTOR TÉRMICO; SELLO: componente usado para reducir el efecto
térmico de la combustión sobre la boquilla.
PULVERIZAR: esparcir un líquido en distintas direcciones en facciones muy
pequeñas.
RELACIÓN DIFERENCIAL: relación del diámetro de guía al diámetro de
asiento de la aguja. Se expresa en función de los valores de diámetro, en
milímetros (por ejemplo: 6x3).
22
SACO DE LA BOQUILLA: orificio del saco: cámara dentro del extremo de una
boquilla de tipo orificio a partir del cual el combustible entra en los orificios de
rociado o inyección.
TORNILLO DE AJUSTE: Tornillo por medio del cual se ajusta la fuerza del
resorte sobre la aguja.
TRASLAPO: longitud, medida en posición cerrada, de la porción de
estrangulamiento (con retardo) de la clavija que penetra el orificio en una
boquilla con clavija de retardo
TUERCA DE RETENCIÓN DE LA BOQUILLA; TUERCA TAPA DE LA
BOQUILLA: componente que asegura la boquilla y la placa adaptadora, en
donde sea aplicable, al cuerpo de la porta boquilla.
TUERCA ESTOPERA: componente roscado que gira libremente, ensamblado
coaxialmente al cuerpo del porta boquilla, usado para colocar un inyector al
motor.
TURBULENCIA: agitado revuelto, para que el combustible y el aire se mezclen
eficazmente.
VASTAGO: componente de alguna longitud, colocado entre el resorte y la
aguja.
23
VOLUMEN DEL SACO DE LA BOQUILLA: volumen de la cámara ubicada en el
extremo de la boquilla de tipo orificio, entre la aguja y la entrada a los orificios
de inyección o rociado, determinado con la boquilla cerrada.
VOLUMEN MUERTO DEL INYECTOR DE COMBUSTIBLE: volumen a alta
presión contenido dentro de un inyector entre la aguja cuando está en su
asiento y la base del cono de la conexión de entrada.
COEFICIENTE DE SEGURIDAD (también conocido como factor de seguridad):
es un número que se utiliza en ingeniería para los cálculos de diseño de
elementos o componentes de maquinaria, estructuras o dispositivos en general,
proporcionando un margen extra de prestaciones por encima de las mínimas
estrictamente necesarias.
En resistencia de materiales se aplica un coeficiente de seguridad superior o
inferior dependiendo del uso del componente.
DEFORMACIÓN: es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a
esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo
o la ocurrencia de dilatación térmica.
COEFICIENTE DE POISSON (denotado mediante la letra griega ): es una
constante elástica que proporciona una medida del estrechamiento de sección
de un prisma de material elástico lineal e isótropo cuando se estira
24
longitudinalmente y se adelgaza en las direcciones perpendiculares a la de
estiramiento.
DENSIDAD: simbolizada habitualmente por la letra griega y denominada en
ocasiones masa específica, es una magnitud referida a la cantidad de masa
contenida en un determinado volumen, y puede utilizarse en términos absolutos
o relativos
ENSAYO DE TRACCIÓN: de un material consiste en someter a una probeta
normalizada realizada con dicho material a un esfuerzo axial de tracción
creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la
resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Las
velocidades de deformación en una ensayo de tensión suelen ser muy
pequeñas (ε=10-4 a 10-2 s-1).
LÍMITE ELÁSTICO: también denominado límite de elasticidad, es la tensión
máxima que un material elástico puede soportar sin sufrir deformaciones
permanentes. Si se aplican tensiones superiores a este límite, el material
experimenta deformaciones permanentes y no recupera su forma original al
retirar las cargas.
MODULO DE ELASTICIDAD O MÓDULO DE YOUNG: es un parámetro que
caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la
que se aplica una fuerza. Para un material elástico lineal e isótropo, el módulo
25
de Young tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión,
siendo una constante independiente del esfuerzo siempre que no exceda de un
valor máximo denominado límite elástico, y es siempre mayor que cero.
EL LÍMITE DE FLUENCIA: es el primer punto detectable, a partir del cual hay
un aumento notorio en la deformación, sin que se acuse un aumento en el
esfuerzo aplicado a la probeta. En los metales es el punto, a partir del cual se
produce una plastificación notable y aparecen por tanto deformaciones
plásticas irreversibles.
INTRODUCCIÓN
Se pretende diseñar un probador de inyectores cuya característica innovadora
sea la de probar inyectores sin bomba de inyección (sistema bomba-inyector), y
probar inyectores con bomba de inyección (sistema inyector-bomba); en un
26
solo conjunto mecánico, para inyectores que tengan una presión entre 0-3000
P.S.I.
Las pruebas a las que serán sometidos los inyectores son:
Para el sistema bomba-inyector se realizarán pruebas para la medición
exacta de la presión de apertura de las toberas.
Para el sistema inyector-bomba se realizaran pruebas visuales de fugas y
se someterá el inyector a pruebas de hermeticidad.
Para confirmar el correcto funcionamiento de los inyectores que se van a
probar, se realizarán pruebas con los diferentes tipos de combustible diesel
consumido en Colombia; como son: El ACPM (aceite combustible para motor),
el cual se ha denominado como combustible base, ya que con el se harán
todas las pruebas de verificación y análisis del funcionamiento del prototipo del
probador de inyectores.
Por otra parte se va a utilizar biodiesel de palma al cinco por ciento (5%) y una
serie de muestras de biodiesel con un porcentaje de aumento gradual para
determinar cual es el máximo porcentaje que el prototipo de probador de
inyectores atomiza en condiciones normales de operación y sin alteraciones
mecánicas de ningún tipo.
27
1. JUSTIFICACIÓN
Los probadores de inyectores que se encuentran actualmente en el mercado,
presentan soluciones independientes para cada uno de los sistemas de
inyección anteriormente mencionados, además de presentar un costo muy
elevado para las empresas que pretenden brindar este servicio a los clientes
dentro de la gama de servicios de reparación que proveen.
Para nuestro diseño en particular, el probador será estándar para pruebas en
sistema bomba-inyector Detroit Diesel J23010 y el probador para sistemas
inyector-bomba marca Cummins, para una gama de inyectores de entre 0-3000
P.S.I.
La implementación del combustible biodiesel en las pruebas comunes
determinadas para la gama de inyectores que se van a probar en el prototipo
de probador de inyectores se hace con el fin de brindar al usuario una
alternativa más segura en caso de querer utilizar un porcentaje mayor de
biodiesel en su vehículo, determinando factores experimentales del porcentaje
máximo que puede soportar un inyector con presiones entre 0-3000 P.S.I, y así
poder brindar al usuario un dato importante a la hora de implementar un
porcentaje de biodiesel superior al establecido por el gobierno colombiano,
28
cabe aclarar que el resultado es experimental debido a ser un proyecto
académico y sería parte de un conjunto de pruebas establecidas para la
implementación del biodiesel como una alternativa de combustible.
La contaminación actual en el planeta ha llevado a las naciones a utilizar
nuevas tecnologías limpias tales como los biocombustibles. Colombia adoptó
el uso de biocombustibles, inicialmente en una proporción de 5 por ciento2 de
biocombustible de palma africana a partir del año 2007 para aminorar un poco
el daño producido por los combustibles fósiles.
Hay alternativas limpias que reemplazan el aceite combustible derivado del
petróleo, sin hacer alteraciones mecánicas en el sistema de inyección de los
motores diesel; además de la economía, el punto más importante es la
reducción en las emisiones de monóxido de nitrógeno, bióxido de nitrógeno,
bióxido de carbono y el más nocivo en nuestro país es el monóxido de azufre
del combustible diesel entre muchos otros3.
2 MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA. Unidad de planeación minero energética (UPME). Ley No.
939. EN: Programa de biodiesel en Colombia. Bogotá (30 de diciembre de 2004); p. 23 - 25 3UNIVERSIDAD DE CALIFORNIA., Labor Occupational Safety and Health program (LOSH). EN:
www.osha.gov/SLTC/dieselexhaust/index.html. Los Ángeles, California, agosto de 2003
29
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir un probador de inyectores diesel para sistemas bomba-
inyector (marca Cummins) e inyector-bomba (marca Detroit Diesel) hasta 3000
P.S.I integrado en un solo conjunto mecánico, además de llegar a la conclusión
de que porcentaje máximo de biodiesel de palma africana es capaz de atomizar
el prototipo de probador de inyectores en condiciones normales de operación y
sin alteraciones mecánicas.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Establecer parámetros y condiciones de selección de los sistemas de
inyección inyector-bomba y bomba-inyector.
Establecer parámetros y condiciones de diseño del probador de inyectores.
30
Identificar y seleccionar la gama de inyectores que se probarán con el
prototipo de probador de inyectores.
Diseñar los componentes que se utilizarán en el probador de inyectores,
mediante un cálculo estático y dinámico preliminar de las piezas que lo
requieran basados en un cálculo de elementos finitos y apoyados por un
sistema CAD (inventor 2008).
Seleccionar las partes que requieran ser compradas en el mercado
automotriz para implementarlas en el probador de inyectores.
Elaboración de los planos, generales y específicos del prototipo de probado
de inyectores.
Fabricación de los elementos móviles y fijos que así lo requieran.
Implementación y ensamble de las partes compradas y fabricadas para el
prototipo de probador de inyectores.
Ensamble y construcción del prototipo de probador de inyectores.
Elaboración de los manuales de funcionamiento, operación y mantenimiento
del prototipo de probador de inyectores.
31
Elaborar prácticas de atomización y hermeticidad de cada inyector probado
con aceite combustible para motor (ACPM).
Análisis y evaluación del pleno funcionamiento del prototipo de probador de
inyectores a partir de los resultados de las prácticas de atomización y
hermeticidad.
Establecer el límite del porcentaje de biodiesel que el prototipo de probador
de inyectores atomiza sin alteraciones mecánicas.
32
3. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN
3.1 INGENIERÍA DE PROYECTO
3.1.1 Fase investigativa: Recopilar, analizar e identificar información teórica
acerca de los probadores de inyectores, sistemas de inyección, aceite
combustible para motor utilizado en Colombia y biodiesel de palma africana.
3.1.2 Fase experimental: Esquematización de las alternativas posibles de
diseño para la selección de un modelo que llene las expectativas de los
objetivos propuestos, tanto económicos como técnicos.
Selección del modelo de probador de inyectores basados en la selección de
la esquematización preliminar.
Realización de los planos del modelo seleccionado.
Selección de materiales para la realización del prototipo del probador de
inyectores.
33
Realización del prototipo del probador de inyectores
Realización de los manuales de operación y mantenimiento del probador
de inyectores.
Elaboración de las guías de laboratorio para desarrollar pruebas
experimentales en el prototipo de probador de inyectores para los sistemas
bomba-inyector y sistema inyector bomba.
Elaboración y selección de muestras de biodiesel de palma africana en
diferentes porcentajes para determinar el porcentaje máximo de porcentaje
de biodiesel que el inyector atomiza en condiciones normales de operación
y sin alteraciones mecánicas.
3.1.3 Fase de análisis e identificación:
Identificar inconvenientes de operación y mantenimiento del prototipo de
probador de inyectores.
Identificar el porcentaje de biocombustible que el inyector a través de la
presión ejercida por el prototipo de probador de inyectores puede atomizar
34
en condiciones normales de operación y sin modificaciones mecánicas del
inyector.
3.1.4 Fase de resultados y evaluación: Analizar la información obtenida de los
resultados experimentales y sacar conclusiones finales.
4. MARCO TEÓRICO
4.1 HISTORIA DE LA INYECCIÓN
La historia de la inyección comienzan en la aviación, mientras paralelamente se
mejoran los carburadores en la industria automotriz, en 1903 el aparto Whight
Flier utilizó un motor de inyección de combustible de 28 HP4. Las ventajas que
proporcionaban los sistemas de inyección con respecto a los sistemas de
carburador, radicaban en que al presentar un aumento de altitud los
carburadores tendían a congelarse, limitando la potencia disponible, además;
las tazas de los carburadores eran propensas a derramar combustible.
En 1906 el biplano Voisin con un motor Antoinette voló con un sistema de
inyección de combustible que consistía en una bomba de pistón a alta presión y
4 Santander Rueda Jesús. Historia de la inyección. Manual técnico de fuel injection. Guayaquil, Ecuador :
Diseli editores. 2006, 59 p.
35
sus inyectores calibrados, lo novedoso era que la bomba de inyección tenía la
posibilidad de variar su carrera que permitía reducir o aumentar la cantidad de
combustible.
A partir de 1912 Robert Bosch empezó a trabajar en los sistemas de inyección
aeronáuticos, el primer desarrollo que obtuvo fue la inyección directa, que
permitía un roseado del combustible directamente sobre la cámara de
combustión.
Para la segunda guerra mundial, el desarrollo de la inyección llego a la
industria automotriz después de varios adelantos paralelos diseñados por
diferentes compañías y diseñadores independientes, tales como: la SU
Carburetter de Inglaterra, Octavio fuscaldo y principalmente el sistema de
inyección indirecta de combustible creado por Stuart Hiborn, que fue utilizado
por primera vez en las 500 millas de Indianápolis por un Offenhauser en 1949,
resaltando que a diferencia de la inyección directa de Bosch el combustible era
inyectado en el múltiple de admisión, exactamente delante de la válvula de
inyección.
Gráfico 1. Sistema de inyección de Fuscaldo 1940
36
Fuente: Manual técnico de fuel injection
A partir de los desarrollos particulares expuestos y la asimilación por parte de la
industria automotriz de las ventajas y mejoras que representaban los sistemas
de inyección de combustible las diferentes marcas empezaron a desarrollar y
aportar adelantos en los sistemas de inyección, por nombrar varios casos se
encuentran:
La inyección Chevrolet Ramjet desarrollada en 1957 que introdujo al mercado
el primer automóvil de producción masiva con un motor con inyección de
combustible, el Corbette. El sistema se componía de una bomba de alta
presión, la cual movía el combustible del tanque a los inyectores, en un circuito
37
de inyección indirecta que incluía un diafragma que controlaba la presión del
múltiple de admisión y la carga del motor.
La inyección Bosch D-Jetronic desarrollada en 1968 y utilizada por la marca
Volkswagen, Saab, Volvo y Mercedes Benz, entre los años 1970-1976, siendo
este sistema el primero en utilizar sistemas electrónicos para el mejoramiento
de la dosificación del combustible.
La inyección cadillac Bendix, fue desarrollada en 1975, por un grupo
interdisciplinario formado por ingenieros de Bendix, Bosch y GM y aplicada en
el primer Cadillac Seville en 1976 que mantenía los patrones de control
electrónica propuestos por Bosch para el sistema D-Jetronic, el desarrollo
avanzo tanto que para 1980 fue creado el primer sistema de inyección digital
(DFI), consistía en un sistema multipunto con un inyector por cilindro, este
avance mejoro todos los sistemas del vehículo, ya que; el panel digital incluido
en el motor asistía por parte de sensores los sistemas de encendido, las
operaciones de la bomba, la dosificación del combustible y muchas otras partes
que permitían el almacenaje de fallas en la memoria del panel digital. Que
posteriormente serian analizadas por los mecánicos.
38
De aquí en adelante la empresa Chevrolet desarrollo los sistemas Crossfire
injection(CIS), Port Fuel Injection(PFI) y el sistema Tuned Port Fuel
Injection(TPFI), avances logrados entre 1982 y 1985.5
Los avances en la inyección se siguieron dando de manera especifica para
cada uno de los sistemas de inyección(directa he indirecta) para 1905, Rudolf
Diesel crea la unidad bomba-inyector y ha ido evolucionando al pasar de los
años presentando un momento importante para el año 1999, en este año; se
implementa el sistema de regulación electrónica diesel(EDC)6.
El futuro de la unidad bomba-inyector, por mencionar uno de los mas
desarrollados; presenta propuestas de diseño en nuevas activaciones
electrónicas y el incremento de presiones constantes.
Gráfica 2. Pasado y futuro de la unidad Bomba-inyector
5 Ibid., p. 62
6 Berger Joachim, Projahn Ulrico. Sistemas de inyección diesel-Unidad bomba inyector/bomba-tubería-
inyector. Editorial Robert Bosch, Alemania 2001, 29 p.
39
Fuente: Sistemas de inyección diesel, unidad de bomba-inyector/bomba-
tubería-inyector
40
4.2 LA INYECCION DE COMBUSTIBLE
Se considera la acción de inyectar combustible a una cámara de combustión, el
hecho de dosificar una cantidad de ACPM (Aceite combustible para motor) y
expulsar por la boquilla del inyector el contenido dosificado en forma de gotas
pulverizadas a una alta presión para combinarse con el aire comprimido y
caliente logrando una combustión teniendo en cuenta el oxigeno del aire y el
combustible.
El aire entra a la cámara -donde se aloja el cilindro- a través de un filtro, justo
en la el ciclo de admisión. Por su parte, el combustible es llevado por la bomba
de inyección desde un depósito, por medio del sistema de alimentación. En la
bomba se genera una alta presión y el combustible es distribuido a cada
inyector. Se requieren unas condiciones esenciales para una inyección óptima:
41
4.3 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE
4.3.1 Medir: dosificar el combustible para cada cilindro, cumpliendo las
condiciones de marcha del motor. El combustible se mide dentro de la bomba
de inyección o del inyector a medida que se llena la cámara de bombeo
(medición de entrada) o al salir del elemento de bombeo (medición de salida)
4.3.2 Tiempo: calibrar la inyección de una manera exacta de coordinada con el
régimen de giro del motor y las condiciones de carga, los motores diesel
arrancan mejor cuando se inyecta el combustible en el momento en que se
llega al punto muerto superior(PMS) ya que es el momento en que el aire esta
más caliente, los avances en este sentido se han concentrado en la inclusión
de dispositivos anexos en la bombas de inyección que cambian la
sincronización automáticamente al cambiar la velocidad del motor evitando los
atrasos y adelantos que hacia el ciclo de inyección para compensar el retrazo
de la misma. Estos dispositivos hacen que se aproveche al máximo la
eficiencia del motor y la dosificación del combustible.
42
Grafica 3. Relación de las presiones obtenidas con respecto a los giros del
cigüeñal en el momento de combustión
Fuente: Técnicas del automóvil
4.3.3: Presurización: la presión ejercida por la bomba al combustible tiene que
ser la adecuada para que las gotas pulverizadas que salen de la boquilla de
inyección tengan la suficiente energía cinética y así logren una buena
penetración. El objetivo es vencer la presión de compresión, que puede ser de
25 a 32 Kg/cm2 y lograr la distribución de presión en la punta de orificios
(boquilla tipo multi-orificio) o alrededor de la aguja (boquilla tipo aguja)
Por cada grado de giro del cigüeñal, debe inyectarse únicamente la cantidad de
combustible que pueda quemarse en ese espacio de tiempo.
43
4.3.4 Atomización: el combustible que entra a la cámara tiene que estar
totalmente pulverizado, el grado de atomización varía de un motor a otro de
acuerdo al diseño de la cámara de combustión.
Por ejemplo:
En un motor con precombustión se necesita poca atomización debida a que
existe la pre-cámara donde se inyecta primero y posteriormente a la cámara
principal, ya que en la pre-cámara el combustible se calienta previamente
genera mas turbulencia y una mejor mezcla con el aire caliente.
En un motor de inyección directa la atomización es una sola por lo tanto
dependiendo exclusivamente de la presión ejercida, la calidad de la
atomización y la forma de la corona del pistón que da dirección a la turbulencia
para que se genere la mezcla con el aire caliente y posteriormente la
combustión.
44
Gráfica 4. Inyección directa sobre cabeza de cilindro formado
Fuente: Gestión electrónica de la inyección diesel. Equipos Bosch VE y VP,
Equipos Lucas DPC-FT, regulación y control de averías
4.3.5 Distribución: debe mezclarse con el aire caliente en una forma uniforme y
de acuerdo con el orden de encendido del motor. En este caso depende del
diseño del motor y el manejo de las bombas de distribución con respecto a las
45
tuberías de alta presión y la ubicación de los inyectores con respecto al a la
posición de los cilindros.
Gráfica 5. Etapas de combustión en un sistema Diesel
Fuente: Gestión electrónica de la inyección diesel. Equipos Bosch VE y VP,
Equipos Lucas DPC-FT, regulación y control de averías
46
4.4 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE INYECCIÓN
4.4.1 Sistema de inyección directa: el inyector expulsa el combustible
pulverizado sobre la cabeza formada del pistón, la forma de la corona de pistón
genera un torbellino que mantiene el movimiento de las partículas de
combustible mientras se mezclan con el aire caliente.
Gráfico 6. Fases de inyección directa
47
Fuente: Gestión electrónica de la inyección diesel. Equipos Bosch VE y VP,
Equipos Lucas DPC-FT, regulación y control de averías
El la gráfica número 6 podemos observar los diferentes comportamientos de la
relación existente entre el inyector, la cabeza del pistón formado y como la
mezcla aire-combustible se unifica en el torbellino generado a partir de la
circulación por la forma de la cabeza del pistón, los pasos describen los
siguientes movimientos:
A: el tiempo de entrada de aire en el ciclo de admisión combinado con la
bajada del pistón, la forma de la cabeza del pistón y la disposición de la válvula
de admisión hacen que el aire se mueva de una manera rápido que se
mantiene hasta el ciclo de compresión B, en este ciclo; se añade otro
movimiento transversal C, generando un torbellino alrededor de las paredes de
la cámara del cilindro y la concavidad del pistón D, la combinación de las dos
48
corrientes de aire caliente E generadas por los dos ciclos de la carrera del
pistón dejan preparado el espacio para la mezcla con la inyección del
combustible F.
Gráfica 7. Diversos perfiles de cabeza de pistón, con diferentes efectos de
doble turbulencia para inyección directa
Fuente: Reparación y puesta a punto de motores diesel
4.4.2 Sistema de inyección indirecta: La diferencia radical con el sistema de
inyección directa es la existencia de una cámara de precombustión que se
comunica con la cámara principal a través de un conducto, donde se aloja el
inyector, al obtener un precalentamiento del combustible en la cámara de
precombustión la mezcla con el aire caliente es mejor.
Gráfico 8. Cámara de combustión para inyección indirecta
49
Fuente: Gestión electrónica de la inyección diesel. Equipos Bosch VE y VP,
Equipos Lucas DPC-FT, regulación y control de averías
La gráfica número 8 presenta el esquema general de cómo funciona la
inyección indirecta:
El numeral 1 muestra el instante en que el pistón alcanza su PMS (Punto
muerto superior) al final del ciclo de compresión, el aire comprimido pasa por el
conducto de estrangulamiento que da acceso a la cámara de precombustión,
se genera una gran turbulencia hasta que antes de llegar al PMS se inicia la
inyección, la nube de partículas pulverizadas entran en contacto directo con el
torbellino del aire caliente oxidando y evaporando de una manera más rápida el
combustible, al salir al pistón facilitará el autoencendido.
50
4.5 RELACIÓN DE LOS MOMENTOS DE INYECCIÓN CON RESPECTO A
LAS EMISINES SÓLIDAS Y LIQUIDAS DE LA COMBUSTIÓN
El desarrollo de la inyección genera una serie de beneficios con respecto al
resultado y aprovechamiento del combustible desde el punto de un inyección
51
del combustible y la mezcla con el aire caliente hasta la ultima fase de
combustión, con respecto al tipo de emisiones generadas por la combustión, a
continuación se plantean los ciclos específicos dentro te la inyección y los
referentes con respecto a las emisiones:
Gráfico 9. Desarrollo de la inyección
Fuente: Sistemas de inyección diesel. Unidad de bomba inyector/bomba-
tubería-inyector
El gráfico 9 ilustra el desarrollo de la inyección de la siguiente manera:
Inyección previa(1): reduce el ruido de la combustión y las emisiones de
NOx.
Desarrollo de la inyección (2).
Aumento pronunciado de la presión (3): reducción de emisiones de NOx.
52
Desarrollo de la presión en forma de rebote (4): para la reducción de
emisiones de NOx y hollín.
Los ítems (3 al 7) se especifican para diferentes casos de sistemas de
inyección con respecto a las bombas y ha la inyección como tal, teniendo como
objetivo la reducción de hollín durante la retroalimentación de los gases de
escape.
Los ítems (8 y 9) presentan inyecciones retrazadas o avanzadas para la
inclusión de un catalizador de NOx.
4.6 PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE
INYECCIÓN DIESEL
53
Los sistemas de inyección se caracterizan por componentes similares de
diferentes tipos, en cuanto a la alimentación y presurización del combustible,
previo a la inyección se encuentran las bombas de inyección que se clasifican
por el tipo de bomba y la distribución:
4.6.1 Bomba de inyección en línea: presenta pistones de bombeo, uno por
cada cilindro, que recibe el movimiento del árbol de levas accionado por el
motor, la bomba se encarga de presurizar, dosificar y sincronizar la inyección
del combustible, este sistema se divide en dos:
Bomba de inyección en línea estándar
Bomba de inyección en línea con correderas de mando
Grafica 10. Sistema de bomba lineal tipo Bosch
54
Fuente: Motores diesel y sistemas de inyección. Tomo 2
4.6.2 Bombas de inyección distribuidoras (bombas rotativas): Tienen un
regulador de revoluciones mecánico o electrónico y un variador de avance
integrado, permite la inyección de bajos caudales en corto tiempo con alta
frecuencia, su tamaño reducido; se utiliza específicamente en motores de bajo
cilindraje con configuraciones de motor de 4 a 6 cilindros, que giran a altas
velocidades. Se subdividen en:
Bomba de inyección distribuida de embolo axial
Bomba de inyección distribuida de embolo radial
Gráfica 11. Sistema de bomba tipo distribuidor Deere & Co.
55
Fuente: Motores diesel y sistemas de inyección. Tomo 2
4.6.3 Bombas de inyección individuales: la característica principal de este
sistema radica en la no existencia de un árbol de levas propio, son empleadas
en motores pequeños de locomotoras, motores navales y maquinaria para
construcción. En el caso de motores grandes el regulador mecánico-hidráulico
o electrónico esta adosado directamente al cuerpo del motor, la transmisión de
movimiento para las levas de accionamiento se encuentran sobre el árbol de
levas correspondiente al control de válvulas del motor, una de sus grandes
ventajas es que pueden mover aceites combustibles pesados y muy viscosos.
Se subdividen en dos sistemas que actualmente son los más utilizados en el
mercado automotriz permitiendo el manejo de altas presiones debido a la
independencia que le da su individualidad y la interacción entre componentes
que se ayudan entre si, los sistemas que se van a mencionar a continuación
son la base de prueba del prototipo que se va a diseñar:
56
4.6.4 Unidad de bomba-inyector (UIS): como su nombre lo indica se trata de un
componente que cumple la función de bomba he inyector en una sola unidad,
para cada uno de los cilindros del motor se monta un modulo en la culata que
es accionado directa o indirectamente por el árbol de levas del motor.
Gráfica 12. Sistema bomba-inyector
Fuente: Sistemas de inyección diesel, unidad de bomba-inyector/bomba-
tubería-inyector
57
Gráfica 13. Sistema bomba inyector Detroit diesel
Fuente: Manual de servicio serie 92. Motores Detroit diesel
58
Gráfica 14. Principio funcional de la unidad bomba-inyector
59
Fuente: Sistemas de inyección diesel, unidad de bomba-inyector/bomba-
tubería-inyector
Para el caso particular de dos de los inyectores seleccionados de la marca
Detroit diesel, del sistema bomba-inyector se especifica una cita textual del
funcionamiento interno de los dos inyectores y sus características técnicas:
Tabla 1. Especificaciones técnicas de inyector-bomba seleccionado para ser
probado
INYECTOR No. Parte Desig
plunger
P & B(Part No.
de plonger)
TIP(PUNT
A) desig
N 70 5228770 7 N 5228682 5229192
TIP DESING CALIBRATOR(Entr
ega Min/Max)
CATALO
G TYPE
SERIE(DETRO
IT)
7
HOLES(0,0001)1
65º 71-76 MIL 8088 71
Fuente: Manual del usuario serie 92
60
Operación del inyector N 70
El combustible a presión, entra al inyector por el lado de admisión a través de una tapa de filtro y el filtro. De
allí pasa a través de un conducto perforado hacia al cámara de abastecimiento, el área entre el buje del
émbolo y el deflector de derrame, además del área abajo del émbolo del inyector dentro del buje. El émbolo
se mueve de arriba hacia abajo en el buje, cuya perforación está abierta al abastecimiento de combustible en
la cámara anular mediante dos lumbreras en forma de embudo en el buje del émbolo.
El movimiento del balancín del inyector se transmite al émbolo por medio del seguidor que se apoya contra el
resorte del seguidor. Además de seguir el movimiento, el émbolo puede ser rotado durante la operación
alrededor de su eje por medio del engranaje que se acopla con la cremallera de control. Para dosificar el
combustible, se encuentran una ranura helicoidal superior y una inferior en la parte inferior del émbolo. La
relación de la abertura con las dos lumbreras cambia con la rotación del helicoidal del émbolo.
A medida que el émbolo se mueve hacia abajo, bajo presión del balancín del inyector, una parte del
combustible atrapado bajo el émbolo se desplaza hacia la cámara de abastecimiento a través de la lumbrera
inferior hasta que el extremo inferior del émbolo cierra la lumbrera. Una porción del combustible atrapado
debajo del émbolo es forzada hacia arriba a través del conducto central en el émbolo hacia el espacio
dosificador de combustible y hacia la cámara de abastecimiento a través de la lumbrera superior hasta que el
helicoidal superior del émbolo cierra esa lumbrera. Con las lumbreras superior e inferior cerradas, el
combustible restante bajo el embolo está sujeto a una presión aumentada por el movimiento descendente
continuo del émbolo.
Cuando se acumula suficiente presión, se abre la válvula plana de retención. El combustible en la caja de la
válvula de retención, la caja del resorte, los pasajes de las puntas y la cavidad del combustible de la punta
se* comprime hasta que la fuerza de la presión, actuando en sentido ascendente sobre la válvula de aguja,
es suficiente para abrirla por la fuerza descendente del resorte de la válvula. Tan pronto corno la válvula de
61
aguja deja su asiento, el combustible es forzado a través de pequeños orificios en !a punta de rociado y es
atomizado en la cámara de combustión.
Cuando el resalto inferior del émbolo deja de cubrir la lumbrera inferior en el buje, se libra la presión del
combustible debajo del émbolo y el resorte cierra la válvula de aguja, terminando así la inyección.
Se ha provisto un pasaje de alivio de la presión en la caja del resorte para permitir el sangrado del
combustible que se fuga y que pasa por el macho centrador de la aguja en el conjunto de la punta.
Una válvula de retención directamente por debajo del buje, evita la fuga de la cámara de combustión hacia el
inyector de combustible en caso de que la válvula se quede accidentalmente abierta por una pequeña partí-
cula de suciedad. El émbolo del inyector regresa entonces a su posición original por medio del resorte del
seguidor del inyector. La figura 4 muestra las diferentes fases de la operación del inyector mediante la carrera
vertical del émbolo del inyector.
En el movimiento ascendente del regreso del émbolo, el cilindro de alta presión dentro del buje se llena
nuevamente con aceite combustible a través de las lumbreras. La circulación constante de aceite frío a través
del inyector renueva el abastecimiento de combustible en la cámara, ayuda a enfriar el inyector y también
elimina con eficacia todo trazo de aire que de otra manera podría acumularse en el sistema e interferir con la
precisa dosificación del combustible.
La abertura de salida del inyector de combustible, a través de la cual pasa de regreso el aceite de
combustible en exceso al múltiple de retorno de combustible y después vuelve al tanque de combustible, está
directamente adyacente a la abertura de entrada.
El cambio de posición de la ranura helicoidal, mediante la rotación del émbolo, retarda o acelera el cierre de
las lumbreras al principio y al fin del período de inyección. Al mismo tiempo, aumenta o disminuye la cantidad
de combustible inyectado al cilindro. Con la cremallera de control removida completamente (sin inyección) la
lumbrera superior no es cerrada por el helicoidal sino después que la lumbrera inferior es destapada. En
consecuencia, con la cremallera en esta posición, todo el combustible es forzado de nuevo hacia la cámara
de alimentación sin inyección alguna. Con la cremallera de control a fondo (inyección completa), la lumbrera
superior se cierra poco después de que ha cubierto la lumbrera inferior, produciendo así una carrera con
máxima eficiencia y una inyección máxima. Desde la posición sin inyección hasta la de inyección completa
(movimiento completo de la cremallera), el contorno del helicoidal superior acelera el cierre de las lumbreras
y el principio de la inyección7.
7 MOTORES DETROIT DIESEL. Compendio, manual de servicio. Serie 92. USA, 1976, sección 2.1.1, p 3 y p 4
62
4.6.5 Unidad de bomba-tubería-inyector: la diferencia radical entre el sistema
bomba-inyector y esta unidad es que su estructura es modular, ya que; el
inyector y la bomba está unida por una tubería de alta presión, cada cilindro
posee una unidad de inyección (compuesta por la bomba, tubería, y
combinación de porta-inyector)
Gráfica 15. Unidad bomba-tubería-inyector
63
Fuente: Sistemas de inyección diesel, unidad de bomba-inyector/bomba-
tubería-inyector
Gráfica 16. Descripción interna del sistema
64
Fuente: Técnicas del automóvil: Sistemas de inyección de combustible en los
motores diesel
La gráfica 16 presenta un esquema general de la unidad bomba-tubería-
inyector incrustada dentro de un porta inyector, A representa el cuerpo del
porta inyector, C constituye el inyector como tal, con su respectiva aguja B, la
tuerca D realiza la unidad, en el interior del cuerpo A se aloja la varilla E,
aplicada contra la aguja B por la acción del muelle F, cuya fuerza es regulable
por la fuerza del tornillo G y contra tuerca H. El combustible llega al porta
inyector a través de la canalización K, y pasa al inyector a través de un ducto
lateral, el sobrante de combustible circula alrededor de la varilla empujadora E,
para salir por la canalización J que lo lleva al depósito de combustible por un
circuito de retorno. En la parte superior del inyector, mediante el tornillo G,
puede variarse la presión ejercida por el muelle, el sistema esta protegido por
el tapón I.
65
El acoplamiento entre la aguja y el cuerpo presentan un juego de 2 a 4 micras,
en la figura anexa dos de la descripción interna del sistema se presenta un
esquema que detalla la unión entre la aguja B y el cuerpo A que en su parte
inferior esta provista de dos superficies cónicas C y D, de las cuales, la ultima
apoya en un asiento formado entre el cuerpo y la superficie C, que recibe el
empuje del liquido que provoca el levantamiento de la aguja, alrededor del cono
C se forma una cámara E, a la que llega el combustible a presión por el ducto
F, procedente de la bomba de inyección, la salida del combustible se realiza
por el orificio G. la aguja B se mantiene contra su asiento por medio de un
muelle tarado a una presión determinada.
Al presentarse la presión en la bomba por parte del combustible alojado en la
cámara E aumenta y se produce un empuje que tiende a hacer subir la aguja B,
esta acción es contrarestada por el muelle, al no encontrar salida el
combustible y a medida que la bomba sigue inyectando, la presión va
aumentando progresivamente, llegando al punto donde la presión es mayor
que la que contra resta el muelle sobre la aguja B, con lo cual esta, se levanta y
comienza la inyección de combustible en el cilindro8.
8 ALONSO, Manuel José. Técnicas del automóvil. Compendio, sistemas de inyección de combustible en los motores diesel.
España, Thomson editores, 2001, P 59 Y P 60
66
Para el caso particular del diseño se tiene un inyector Bosch de motor cummins
con las siguientes características:
Tabla 2. Características del inyector Bosch
INYECTOR No. Parte Desig
plunger
P & B(Part No.
de plonger)
TIP(PUNT
A) desig
432131835 8965 N6 KDAL 59 P 9 155P274
TIP DESING CALIBRATOR(Entr
ega Min/Max)
CATALO
G TYPE
SERIE(CUMMI
NS)
6HOLES(0,0001)
245 BAR 65-70 MIL 361 6
Fuente: los autores
67
Grafica17. Relación de los sistemas Bomba-inyector y Bomba-Tubería-inyector
68
Fuente: Sistemas de inyección diesel, unidad de bomba-inyector/bomba-
tubería-inyector
69
Tabla 3. Propiedades y características de los sistemas de inyección
70
Fuente: Sistemas de inyección diesel, unidad de bomba-inyector/bomba-
tubería-inyector
5. ACEITE COMBUSTIBLE PARA MOTOR (A.C.P.M)
Es una mezcla de hidrocarburos que se obtiene por destilación fraccionada del
petróleo entre 250 °C y 350 °C a presión atmosférica. El gasóleo es más
sencillo de refinar que la gasolina y suele costar menos. Por el contrario, tiene
mayores cantidades de compuestos minerales y de azufre.
Tabla 4. Parámetros del combustible diesel a nivel mundial
71
Diesel Alto
Azufre (2001 /
2005)
Diesel Bajo
Azufre (2001 /
2005)
Gravedad API ° API 34-38 34-38 41.1 - 45.4 33 - 39 30,0 33 - 41 -
Azufre ppm 4500 / 500 1200 / 500 10 500 500 500 10 - 50
Aromáticos % vol 35 / 35 35 / 35 5 10 36 5 10 - 15
PNA % vol ----- ----- 0,02 ----- ----- ----- 2 - 4
PNA % wt ----- ----- ----- 1,4 ----- ----- -----
Indice de Cetano 45 / 45 45 / 45 ----- ----- 40,0 50,0 54 - 56
Número de Cetano ----- ----- 50 48 ----- ----- -----
Destilación D86
PIE °C 180-220 180-220 185 171 - 216 ----- ----- -----
10% Evaporado °C ----- ----- ----- 205 - 255 ----- ----- -----
50% Evaporado °C ----- ----- ----- 243 - 293 282 ----- -----
90% Evaporado °C ----- ----- ----- 288 - 321 338 ----- -----
95% Evaporado °C ----- ----- 285 305 - 349 ----- 370 320
PFE °C 390 / 390 360 / 360 300 ----- ----- ----- -----
EU/JapónPROPIEDAD UNIDADESDiesel
Urbano
DIESEL COLOMBIANO
Clase 1
SuizaCARB EPA
Fuente. ECOPETROL 2005
La tabla 4, muestra los altos índices de azufre que se presentan en el diesel
colombiano
6. BIODIESEL
6.1 DEFINICIÓN DE BIODIESEL
El biodiesel es hecho a partir de extractor de aceites vegetales o grasas
animales, es obtenido por un proceso de transesterificación con etanol o
metanol, dando como resultado de la mezcla: un mono-alquil ésteres de los
72
ácidos grasos con cadena larga derivados de los aceites vegetales y grasas
animales9.
El biodiesel tiene un alto desempeño como combustible alternativo frente al
combustible diesel consumido en Colombia, cabe resaltar que la selección de
la materia prima, en este caso el aceite vegetal depende de la capacidad local
y la disponibilidad de cultivos en el país donde se va a implementar, para el
caso de Colombia se tienen: el aceite de palma africana, principalmente.
La constante búsqueda de elementos que proporcionen energía por parte de
todas las naciones ha sido exhaustiva y necesaria, para atenuar los problemas
ambientales existentes, tales como: el calentamiento global, la lluvia acida y la
destrucción de la capa de ozono entre muchos otros.
En Europa se producen principalmente esteres metílicos de colza (canola), en
Estados Unidos, la mayor producción esta enfocada en aceite de soya; en
9 INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN (ICONTEC). END
41, Biocombustibles para motores diesel. EN: ICONTEC. Bogotá. (9 de junio de 2005); P.5.
73
países de clima tropical como malasia y Colombia el enfoque esta dado a
aceite de palma10.
6.2 PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS
Las propiedades físico-químicas del biodiesel son:
10
CENIPALMA Y FEDEPALMA. Biodiesel, una energía limpia del campo para Colombia. EN:
Cartilla de biodiesel. Bogotá. (septiembre de 2006); p.4.
74
Tabla 5. Propiedades físico-químicas más características del biodiesel
Fuente: biodiesel from palmoil an analysis of its properties and potential.
Los datos presentados en la tabla 5 determinan que el biodiesel es un
combustible de mayor biodegradabilidad con respecto a los combustibles
derivados del petróleo, presentando de un 90-99% frente a un 25-40% de los
combustibles hechos a base de combustibles fósiles.
7. APLICATIVO
Para el desarrollo del diseño del probador de inyectores múltiple se han tenido
en cuenta todos los parámetros de diseño y sus respectivos sub-indices, el
75
prototipo esta construido con base en piezas existentes en el mercado,
principalmente un inyector Detroit diesel N90, que constituye el eje fundamental
de distribución de presión para todo el sistema, las características de
funcionamiento interno fueron especificadas en el capítulo anterior, al igual que
sus especificaciones técnicas. El inyector N90 de Detroit diesel fue modificado
para que actuara como bomba, generando un rango de presión de 0-3000 p.s.i.
El probador se compone de 32 partes fabricadas acordes al diseño del
prototipo y 52 partes que fueron adquiridas (en el caso de los inyectores fueron
comprados como artículos de segunda) en las que se incluyen todas las piezas
de articulación de los mecanismos de acople al igual que las intercepciones y
terminales de los circuitos de alta y baja presión entre los que se encuentran:
racores, acoples rápidos y uniones roscadas.
A continuación se combinan una serie de reseñas teóricas de los materiales
que componen todo el conjunto mecánico y una serie de cálculos que en
conjunto dan como resultado el prototipo de probador de inyectores múltiple
para inyección directa.
Los cálculos se realizaron de acuerdo al accionamiento mecánico de los dos
sistemas de inyección directa, con respecto a la presión ejercida sobre el
resorte (en el caso del inyector Detroit diesel), los cálculos de resistencia de
76
materiales fueron hechos con diagramas de cuerpo libre y analizados por
elementos finitos bajo el software de autodesk, inventor 2008. En el caso de los
cálculos hidráulicos y dado que las condiciones de operación están
normalizadas por la presión suministrada por el inyector N90 que para nuestro
caso es una presión máxima de 3000 p.s.i. según el manual de fabricante y
debido a que los recorridos de los circuitos de baja y alta presión son
demasiado cortos no se tendrán en cuenta.
7.2 PARTES QUE COMPONEN EL PROBADOR
Tabla 6. Partes compradas del prototipo de probador de inyectores múltiple
77
PARTES COMPRADAS
CODIGO NOMBRE
C001-01 ACOPLE UNION REDUCCION NPT A UNF
C002-01 RACOR CODO MIXTO
C003-01 TEE MIXTA DE 1/8"
C004-01 BUSHING REDUCCION DE 1/4" A 1/8"
C005-01 UNION REDUCCION DE 1/2" A 1/4"
C006-01 MANOMETRO DE 3000 PSI
C007-01 VALVULA ANTI-RETORNO 3000 PSI 1/4"NPT
C008-01 RACOR REDUCCION DE 3/8" A 1/4"
C009-01 TANQUE DE COMBUSTIBLE DE 150 cm3
C010-01 VALVULA DIRECCIONAL
C011-01 RACOR TAPON DE 1/4"
C012-01 RACOR CODO DE 1/4" X 1/8"
C013-01 RACOR CODO DE 1/4" X 1/4"
C014-01 RACOR CODO MIXTO DE 1/4" X 1/4"
C015-01 BUSHING 1/4" X 1/4"
C016-01 INYECTOR BOSCH 877
C017-01 NIPLE DE 1/8" X 1/8"
C018-01 TORN. CAB. HEX. G2 3/8" X 3/4" UNC
C019-01 RESORTE DE COMPRESION
C020-01 ACOPLE DE 1/8" PARA MANGUERA DE 1/4"
78
C021-01 RACOR UNION DE 1/8"
C022-01 NIPLE DE BRONCE DE 1/8" X 3"
C023-01 ACOPLE RAPIDO CON O-RING
C024-01 INYECTOR DETROIT DIESEL 9G90
C025-01 RACOR CODO HEMBRA DE 1/4"
C026-01 FILTRO DE COMBUSTIBLE
C027-01 ACOPLE MACHO 3/8"UNF X 1/4" NPT
C028-01 TORNILLO CAB. HEX. 3/8" UNC x 1 1/2" GRADO 2
C029-01 TUERCA HEX DE 3/8" UNC GRADO 2
C030-01 RACOR CONECTOR DE 1/4" NPT x 9/16" UNF
C031-01 RACOR CONECTOR MIXTO DE 1/4" NPT X 9/16" UNF
C032-01 TUBO ALTA PRESION 1/8" CON TERMINALES
ROSCADAS
C033-01 RACOR PARA MANGUERA FLEXIBLE DE 1/4"
PARTES COMPRADAS
CODIGO NOMBRE
C034-01 CASQUILLO LINEA HIDRAULICA MANG. DE 1/4"
C035-01 MANGUERA DE CAUCHO 1/4"
C036-01 ABRAZADERA CREMALLERA DE 3/8"
C037-01 MANGUERA DE CAUCHO 1/4" PARA 200 PSI X 400mm
79
C038-01 TUBO ALTA PRESION 3/16" CON TERMINALES
ROSCADAS
C039-01 RACOR PARA MANGUERA DE 3/16"
C040-01 CASQUILLO LINEA HIDRAULICA MANG. DE 3/16"
C041-01 MANGUERA DE CAUCHO DE 3/16"
C042-01 TORNILLO CAB. HEX. RO G2 1/4" X 3/4"
C043-01 ARANDELA DE PRESION 1/4"
C044-01 TUERCA HEX RO G2 1/4"
C045-01 TUERCA HEX RO G2 3/16"
C046-01 ARANDELA DE PRESION 3/16"
C047-01 AVISO DETROIT DIESEL
C048-01 ABISO BOSCH
C049-01 AVISO CERRADO
C050-01 PLACA DE IDENTIFICACIÓN PROBADOR
C051-01 PLACA DE PRECAUCIÓN
C052-01 PLACA DEL ESQUEMA DEL SISTEMA HIDRAULICO
Fuente: Los Autores
80
Tabla 7. Partes fabricadas del prototipo de probador de inyectores múltiple
PARTES FABRICADAS
CODIGO NOMBRE
F001-01 RUEDA SEGUIDOR
F002-01 SOPORTE SEGUIDOR
F003-01 SOPORTE SEGUIDOR
F004-01 PIN SEGUIDOR
F005-01 SOPORTE MECANISMO
F006-01 SOPORTE INYECTOR BOMBA
F007-01 SOPORTE
F008-01 PUNTA TUERCA INYECTOR
F009-01 TUERCA INYECTOR
F010-01 TUERCA PORTA INYECTOR
F011-01 UNION DE ACERO DE 1/4"
F012-01 MEDIA UNION DE 3/8" UNC
F013-01 BUJE DE SUJECION
F014-01 OREJA SOPORTE
F015-01 PLACA APOYO DE LEVA
F016-01 PLACA APOYO DE RESORTE
F017-01 BARRA GUIA MECANISMO
F018-01 LEVA
81
F019-01 SOPORTE EJE SEGUIDOR
F020-01 ANGULO ASIENTO BALANCIN
F021-01 EJE LEVA
F022-01 PALANCA DE ACCIONAMIENTO
F023-01 SOPORTE MANOMETRO
F024-01 ABRAZADERA SOPORTE MANOMETRO
F025-01 ARANDELA DE AJUSTE
F026-01 TORNILLO CAB. HEX. 3/8" UNF GRADO 2
F027-01 BUJE SOPORTE BALANCIN
F028-01 BALANCIN
F029-01 MANIJA LEVA
F030-01 ARANDELA
F031-01 SOPORTE PROBADOR
F032-01 BASE SOPORTE PROBADOR
82
7.3 SELECCIÓN DE MATERIALES
7.3.1 Aceros: La selección de aceros, incluye: acero 1010, aleación de carbono
y manganeso; se utilizo para las bridas, soportes y base de anclaje vertical del
conjunto mecánico.
Se utilizó aceros inoxidables en las uniones verticales de del manómetro, para
nuestro caso se utilizo unas uniones de acero inoxidable austenítico (18% Cr;
8% Ni; 0.08% de C).
Los aceros de las levas (acople rápido), eje de balancín (articulación del eje de
distribución para los dos sistemas) son de acero 4140 (0.95 de Cr, 0.2 de
molibdeno)
Los aceros de la tubería de alta presión (sistema de alta presión) y las uniones
roscadas que reciben los inyectores están en un acero inoxidable ferrítico
(0.08-0.12% C; 27% de Cr)
A continuación en la tabla 8 se presentan los diferentes aceros al carbono y las
variaciones las codificaciones según norma AISI-SAE
83
Tabla 8. Sistema de designación AISI-SAE para aceros al carbono y de baja
aleación
84
Fuente:Metals hand book, american society for metals, Metal Park, Ohio, 1978,
novena edición, volumen 1
7.3.2 Cobres y bronces: la selección de materiales en bronce se hizo para las
uniones angulares y terminales de los circuitos de alta presión (racores,
bushing, reducciones y válvulas) también se utiliza este tipo de materiales en
los acoples rápidos, existen dos válvulas principales seleccionadas en este
material: válvula direccional de tres vías y la válvula unidireccional (cheque)
En el caso del cobre existen combinaciones entre bronce y cobre y un tramo
importante que da paso del cheque a los acoples roscados que van al inyector
en una tubería de ¼”
Tabla 9. Propiedades físicas del Cu-DHP
85
Fuente: www.procobrelaconexionvital.com
7.3.3 Soldaduras: Cuando nos referimos al tipo y la calidad de las soldaduras
que se deben aplicar en las uniones angulares y en las terminaciones de alta
presión debemos ser puntuales en las especificaciones técnicas que nos darán
una fusión de los materiales adecuada para que no se presenten fugas ni
fisuras internas al momento de operación en el recorrido de los tramos de alta
presión.
Para las uniones angulares de la base vertical con la base horizontal del
prototipo y la ubicación de los tubos de retorno al tanque y alimentación de los
86
acoples rápidos se utilizó: soldadura eléctrica MING/MAG un electrodo 6013
de 1/8.
Identificación: WEST ARCO E6010
Clasificación: AWS E6013
Especificación: AWS A5.1, NTC 2191, ASME SFA 5.1
Aprobado: ABS (Grado 2), Lloyd’s (Grado 2)
Para hacer el acople de materiales entre la punta del inyector N90 y la válvula
unidireccional se utilizo soldadura de bronce con electrodos para varilla de
bronce por proceso de oxiacetileno (OFW):
Identificación: WEST ARCO BRONSOL
Clasificación: AWS RBCuZn-C
Especificación: AWS A5.8
Tabla 10. Clasificación de los procesos de soldadura
87
Fuente: ANSI/ASME AWS D1.1 2006
88
Tabla 11. Otra clasificación de la soldadura
Fuente: ANSI/ASME AWS D1.1 2006
89
7.3.4 Filtro: La acumulación de agua dentro del recipiente del filtro tiene un
límite. Si este es alcanzado se enciende un testigo en el panel de instrumentos
y es necesario atenderlo sin dejar pasar muchos días, porque esta
comenzando a pasar agua a la línea de alta presión. El Problema del agua está
en que el motor diesel trabaja con una relación de compresión de 22:1 (en
algunos casos de 24:1) y como el agua no se puede comprimir, su presencia
reduce el tamaño de la cámara de combustión de manera que la relación de
compresión de eleva peligrosamente.
Los filtros de motores más modernos automáticamente van eliminando el agua
una ves que esta alcanzo cierto nivel, de todos modos el testigo se mantiene
por si falla la evacuación del agua11.
Para el caso puntual del prototipo de probador de inyectores se recomienda
cambiar el filtro cada 20 cargas del sistema, del cambio oportuno del filtro
depende la vida útil de todo el sistema de alta presión, teniendo en cuenta que
la parte final de unión entre el inyector N90 y la válvula unidireccional presentan
una sobre presión al momento de ser cargado el sistema para generar las 3000
P.S.I, el cambio inoportuno del filtro en relación con las consecuencias
habituales en los automóviles, por ejemplo; el arranque en frió y la perdida de
potencia del motor, representaría para el prototipo un deterioro de los acoples
de bronce, desgaste de las partes internas del inyector bomba debido a las 11
www.diesel.htm
90
impurezas y por ende un mal funcionamiento a la hora de cargar el sistema, así
el practicante crea que ha purgado bien el sistema.
7.3.5 Tornillería: Para los anclajes a la base y el porta barra, se utilizaron
tornillos de cabeza hexagonal y tornillería de cabeza tipo estrella y tipo pala,
con sus respectivos accesorios como son: arandela de presión y arandela
superior o de fijación.
Tabla 12. Resistencias de tornillos
Fuente: ROBERT L. MOTT, Diseño de elementos de máquina, Pearson
educación, segunda edición
91
8. CÁLCULOS
8.1 CÁLCULO DEL RESORTE
Para el cálculo del resorte de compresión se utilizará alambre ASTM A228-51,
ya que es un material muy utilizado para resortes pequeños; a continuación se
mostrará el procedimiento para definir la geometría del resorte.
Para ver dimensiones del resorte, ver plano C019-01, en donde:
d (Diámetro del alambre) = 0.0625 pulg = 1.5875mm
D (Diámetro nominal del resorte) = 0.5 pulg = 12.7mm
Para calcular la resistencia de tensión mínima:
92
Tabla 13. Constantes A y m de Sut = A/dm para calcular la resistencia de
tensión mínima de alambres para resortes comunes.
Material ASTM
Núm.
Exponente,
m
Diametro,
pulg
A,
Kpsi ·
pulgm
Alambre de piano* A228 0.145 0.004-
0.256
201
Alambre T y R en aceite** A229 0.187 0.020-
0.500
147
* La superficie es lisa, sin defectos y tiene un acabado brillante y lustroso
** Tiene escamas ligeras por el tratamiento térmico, que se deben remover
antes del galvanizado
Fuente: SHIGLEY, Joseph E., DISEÑO EN INGENIERIA MECANICA, Sexta
edición, Ed. McGraw Hill, 2002, pag. 608
Para calcular el esfuerzo de cedencia a la torsión del resorte Ssy:
93
Tabla 14. Esfuerzos de torsión máximos permisible para resortes helicoidales
de compresión en aplicaciones estáticas.
Material
Porcentaje máximo de la resistencia a la tensión
Antes de la
remoción de
la
deformación
(incluye KW o
KB)
Después de la remoción de la
deformación
(incluye KS)
Alambre de piano y acero
al carbono trefilado en frío
45 60-70
Acero al carbono T y R
y acero de baja aleación
50 65-75
Fuente: SHIGLEY, Joseph E., DISEÑO EN INGENIERIA MECANICA,
Sexta edición, Ed. McGraw Hill, 2002, pag. 614
Para el cálculo del índice del resorte C:
94
Para determinar el factor de curvatura del resorte KB:
Para calcular la carga estática FS correspondiente al esfuerzo de cedencia:
Para determinar el modulo del resorte:
Tabla 15. Formulas para el cálculo de resortes de compresión.
Término
TIPO DE EXTREMOS DE RESORTES
A escuadra y
cerrado
A escuadra y
esmerilado
Espiras Totales, Nt Na + 2 Na + 2
Longitud sólida, Ls D(Nt + 1) dNt
95
Fuente: SHIGLEY, Joseph E., DISEÑO EN INGENIERIA MECANICA,
Sexta edición, Ed. McGraw Hill, 2002, pag. 603
Tabla 16. Propiedades mecánicas de algunos alambres para resortes.
Material
Limite elástico,
porcentaje de
Sut
Tensión
Limite
elástico,
porcentaje
de Sut
Torsión
Diametro
d, pulg
G
Mpsi
Alambre de piano*
A228
65-75 45-60 0.033-0.063 11.85
Fuente: SHIGLEY, Joseph E., DISEÑO EN INGENIERIA MECANICA, Sexta
edición, Ed. McGraw Hill, 2002, pag. 614
96
Para determinar la deflexión que se ocasionaría por la carga calculada Fs.
Para determinar la longitud sólida del resorte, se utilizará la tabla 4 para Ls.
Tabla 17. Constantes utilizadas para determinar la altura sólida del resorte de
compresión.
Q Q’
Extremos a escuadra o cerrados 2 3
Extremos a escuadra o esmerilados 2 1
Fuente: SHIGLEY, Joseph E., DISEÑO EN INGENIERIA MECANICA,
Sexta edición, Ed. McGraw Hill, 2002, pag. 602
97
¿Cuál será la longitud del resorte para asegurar que cuando se comprima
hasta su longitud sólida y luego se suelte, no haya cambio permanente de la
longitud libre?
¿Cuál es el paso de las espiras?
La geometría del resorte según los cálculos y las condiciones de ensamble, se
puede definir según el siguiente dibujo:
98
Gráfico 18. Geometría del resorte
Fuente: los autores
99
Gráfico 19. Esquema general del probador
100
Fuentes: los autores
101
8.2 CALCULO DEL MECANISMO PALANCA-LEVA
Como parámetro inicial para el cálculo de los componentes del mecanismo
palanca-leva, que acciona el resorte del inyector Detroit Diesel; se determino
experimentalmente que la fuerza que se necesita aplicar a la palanca en su
extremo a la palanca para que el resorte se comprima totalmente es de 10 Kgf.
A continuación se describe el procedimiento para el cálculo de las reacciones
en el eje del soporte del seguidor (R1) y en la base de contacto de la leva con
el resorte (R2).
Gráfica 20. Mecanismo palanca seguidor con eje de rotación en 1.
Fuente: Los autores
102
Gráfica 21. Mecanismo palanca seguidor con eje de rotación en 2.
Fuente: Los autores
Estas reacciones se utilizarán para el cálculo por el método de elementos
finitos de las partes involucradas en el mecanismo palanca-leva del probador
de inyectores y, a continuación se presenta el informe de ANSYS respecto al
cálculo de cada componente.
103
8.2.1 Análisis de F019-01 soporte eje: Análisis de tensión de Autodesk Inventor
Professional se ha utilizado para simular el comportamiento de una pieza
mecánica en condiciones de carga estructural. La tecnología ANSYS ha
generado los resultados que este informe presenta.
Geometría y malla
El ajuste Relevancia que aparece más abajo ha controlado la finura de la malla
que se ha utilizado en este análisis. Como referencia, un valor de -100 produce
una malla gruesa, soluciones y resultados rápidos que puede incluir
incertidumbre significativa. Un valor de +100 genera una malla fina, tiempo de
solución más largos y una incertidumbre menor en los resultados. El valor de
relevancia predeterminado es cero.
Tabla 18. Estadística de soporte eje seguidor
Cotas del cuadro delimitador
19,0 mm
21,5 mm
9,525 mm
Masa de la pieza 2,054e-002 kg
104
Volumen de la pieza 2617 mm³
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 4819
Elementos 896
Fuente: Autodesck-Inventor 2008
Las cotas del cuadro delimitador representan longitudes en las direcciones
globales X, Y y Z .
Datos de material
Las siguientes asunciones sobre el comportamiento de los materiales se
aplican a este análisis:
Lineal: la tensión es directamente proporcional a la presión.
Constante: la temperatura de todas las propiedades es independiente.
Homogénea: las propiedades no cambian en todo el volumen de la pieza.
Isotrópica: las propiedades de los materiales son idénticas en todas las
direcciones.
105
Tabla 19. Análisis de materiales-acero
Módulo de Young 2,1e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 0,3
Densidad de masa 7,85e-006 kg/mm³
Límite de elasticidad 207,0 MPa
Resistencia máxima a tracción 345,0 MPa
Fuente: Autodesk-Inventor 2008
Cargas y restricciones
Las siguientes cargas y restricciones actúan sobre regiones específicas de la
pieza. Las regiones se han definido mediante la selección de superficies,
cilindros, aristas y vértices.
Tabla 20. Definiciones de carga y restricción
Nombre Tipo Magnitud Vector
106
Nombre Tipo Magnitud Vector
Fuerza 1 Fuerza de superficie 8,5 N
8,5 N
-1,041e-015 N
0,0 N
Restricción fija 1 Restricción fija de superficie 0,0 mm
0,0 mm
0,0 mm
0,0 mm
Reacciones de restricciones
Nombre Fuerza Vector Momento Pares de vector
Restricción fija 1 8,5 N
-8,5 N
1,101e-007 N
1,144e-008 N
1,02e+004
N·mm
1,359e-005
N·mm
-3,427e-008
N·mm
1,02e+004
N·mm
Fuente: Autodesk-inventor 2008
Nota: los datos del vector corresponden a los componentes globales X, Y y Z.
Resultados
107
La tabla siguiente muestra todos los resultados estructurales que el análisis ha
generado. La sección siguiente proporciona cifras que muestran cada resultado
sobre la superficie de la pieza.
El coeficiente de seguridad se ha calculado utilizando el equivalente máximo de
la teoría de fallo de tensión para materiales dúctiles. El límite de tensión del
material se ha especificado a partir del límite de elasticidad de dicho material.
Tabla 21. Resultados estructurales
Nombre Mínima Máxima
Tensión equivalente 5,447e-003 MPa 0,4663 MPa
Tensión principal máxima -0,115 MPa 0,4716 MPa
Tensión principal mínima -0,5709 MPa 7,58e-002 MPa
Deformación 0,0 mm 4,582e-005 mm
Coeficiente de seguridad 15,0 N/A
Fuente: Autodesk-inventor 2008
Gráfica 22. Tensión equivalente
108
Fuente: Autodesk-inventor 2008
Gráfica 23. Tensión principal máxima
Fuente: Autodesk-inventor 2008
109
Gráfica 24. Tensión principal mínima
Fuente: Autodesk-inventor 2008
Gráfica 25. Deformación
110
Fuente: Autodesk-inventor 2008
Gráfica 26. Coeficiente de seguridad
Fuente: Autodesk-inventor 2008
Conclusión del análisis: El esfuerzo al que está sometido el soporte es muy
bajo y funcionará adecuadamente sin verse comprometida la funcionalidad del
mecanismo.
111
8.3. CALCULO DE LA BASE DE APOYO DEL PROBADOR DE INYECTORES
Para el cálculo de la base de apoyo del probador de inyectores se calculo
previamente la fuerza mayor a la que esta sometido el resorte del inyector en el
momento de aplicar una fuerza con la palanca de 10 Kg, en este punto la
fuerza es de 93.33 Kg (9.51 N), a esta fuerza adicionamos el peso de la
estructura del probador con el tanque lleno y un inyector Detroit Diesel
probándose que es 23 Kg, para un total de 116.33 Kg (11.85N).
112
A continuación se presenta el informe suministrado por ANSYS para el cálculo
de la base del probador de inyectores.
8.3.1 Análisis del banco soporte probador: Análisis de tensión de Autodesk
Inventor Professional se ha utilizado para simular el comportamiento de una
pieza mecánica en condiciones de carga estructural. La tecnología ANSYS ha
generado los resultados que este informe presenta.
Geometría y malla
El ajuste Relevancia que aparece más abajo ha controlado la finura de la malla
que se ha utilizado en este análisis. Como referencia, un valor de -100 produce
una malla gruesa, soluciones y resultados rápidos que puede incluir
incertidumbre significativa. Un valor de +100 genera una malla fina, tiempo de
solución más largos y una incertidumbre menor en los resultados. El valor de
relevancia predeterminado es cero.
Tabla 22. Estadísticas de la base de apoyo del banco
Cotas del cuadro delimitador
373,4 mm
373,4 mm
700,0 mm
Masa de la pieza 13,47 kg
Volumen de la pieza 1,716e+006 mm³
113
Valor de relevancia de malla 0
Nodos 22270
Elementos 10425
Fuente: Autodesk-inventor 2008
Las cotas del cuadro delimitador representan longitudes en las direcciones
globales X, Y y Z .
Datos de material
Las siguientes asunciones sobre el comportamiento de los materiales se
aplican a este análisis:
Lineal: la tensión es directamente proporcional a la presión.
Constante: la temperatura de todas las propiedades es independiente.
Homogénea: las propiedades no cambian en todo el volumen de la pieza.
Isotrópica: las propiedades de los materiales son idénticas en todas las
direcciones.
Tabla 23. Acero del soporte del banco
Módulo de Young 2,1e+005 MPa
Coeficiente de Poisson 0,3
114
Densidad de masa 7,85e-006 kg/mm³
Límite de elasticidad 207,0 MPa
Resistencia máxima a tracción 345,0 MPa
Fuente: Autodesk-inventor 2008
Cargas y restricciones
Las siguientes cargas y restricciones actúan sobre regiones específicas de la
pieza. Las regiones se han definido mediante la selección de superficies,
cilindros, aristas y vértices.
Tabla 24. Definición de cargas y restricciones
Nombre Tipo Magnitud Vector
Fuerza 1 Fuerza de 11,85 N 0,0 N
115
Nombre Tipo Magnitud Vector
superficie 0,0 N
-11,85 N
Restricción fija 1 Restricción fija de
superficie 0,0 mm
0,0 mm
0,0 mm
0,0 mm
TABLA 4
Reacciones de restricciones
Nombre Fuerza Vector Momento Pares de
vector
Restricción fija
1 11,85 N
3,625e-010 N
-2,748e-010 N
11,85 N
3,184e-005
N·mm
1,909e-005
N·mm
2,548e-005
N·mm
1,565e-007
N·mm
Nota: los datos del vector corresponden a los componentes globales X, Y y Z.
Fuente: Autodesk-inventor 2008
116
Resultados
La tabla siguiente muestra todos los resultados estructurales que el análisis ha
generado. La sección siguiente proporciona cifras que muestran cada resultado
sobre la superficie de la pieza.
El coeficiente de seguridad se ha calculado utilizando el equivalente máximo de
la teoría de fallo de tensión para materiales dúctiles. El límite de tensión del
material se ha especificado a partir del límite de elasticidad de dicho material.
Tabla 25. Resultados estructurales
Nombre Mínima Máxima
Tensión equivalente 1,98e-004 MPa 7,247e-002 MPa
Tensión principal máxima -8,467e-003 MPa 7,307e-002 MPa
Tensión principal mínima -7,878e-002 MPa 7,463e-003 MPa
Deformación 0,0 mm 3,103e-004 mm
Coeficiente de seguridad 15,0 N/A
Fuente: Autodesck-inventor 2008
117
Gráfica 27. Tensión equivalente
Fuente: Autodesk-inventor 2008
Gráfica 28. Tensión principal máxima
118
Fuente: Autodesk-inventor 2008
Gráfica 29. Tensión principal mínima
Fuente: Autodesk-inventor 2008
Gráfica 30. Deformación
119
Fuente: Autodesk-inventor 2008
Conclusión del análisis: La fuerza máxima a la que está sometido el banco
soporte del probador es muy baja, esto permite que la estructura este firme
bajo cualquier circunstancia de operación normal del probador, el material con
que fue construida la estructura de la base es acero y proporciona al conjunto
una gran masa, haciendo que el centro de gravedad sea bajo y disminuya la
posibilidad de que toda la estructura voltee debido a la fuerza que se le
proporciona en la parte superior.
120
9. CONCLUSIONES
El diseño y construcción del prototipo de probador de inyectores múltiple para
los sistemas: bomba-inyector (UIS) y bomba-tubería-inyector (UPS) se llevo a
cabo en su totalidad y en pleno funcionamiento de sus mecanismos articulaos y
estáticos, al igual que sus circuito de alta y baja presión, teniendo como
elementos base de prueba: un inyector Detroit diesel N70 (sistema bomba-
inyector) y un inyector Bosch de motor cummins 877(sistema: bomba-tubería-
121
inyector), basados en los sistemas de inyección directa por múltiples orificios y
logrando encadenar los dos sistemas en solo dispositivo mecánico.
Las pruebas con biodiesel al 5%, dieron como resultado el daño del manómetro
y una atomización defectuosa que pone en tela de juicio la aplicación de este
porcentaje y la posible inclusión de un porcentaje más alto en el parque
automotriz colombiano, por esto planteamos la conclusión teórica de que el
exceso de azufre presente en el aceite combustible para motor (A.C.P.M) y el
aumento en la viscosidad de la mezcla de diesel y biodiesel de palma generan
sobre presiones que al ser trasmitidas al sistema de inyección dan como
resultado pequeñas vibraciones que deterioran el sistema con el paso del
tiempo y aceleran el daño de los orificios de la punta del inyector, acortando la
vida útil del motor.
La inclusión de pruebas con biodiesel requieren de un elemento auxiliar
instalado debajo del manómetro, llamado: trasmisor de diafragma, ya que; al
circular biodiesel por el sistema de medición (manómetro de rango 0-5000 p.s.i)
genera un daño del sistema de registro de presión. La aplicación en el conjunto
de todo el motor debe llevar un catalizador adicional para que no se presenten
este tipo de desgastes acelerados.
122
Los acoples articulados diseñados para acoplar los dos sistemas de inyección
directa, al igual que los estáticos, funcionan exitosamente dando precisión a las
uniones roscadas para las pruebas con cualquier tipo de inyector que presente
el rango de 0-3000 p.s.i y se acomoden a las dimensiones calculadas para tal
fin.
El prototipo de probador de inyectores múltiple brinda al estudiante una serie
de posibles nuevos proyectos con reformas y mejoramientos mecánicos,
electrónicos y de sistemas tipo P.L.C.
El prototipo de probador de inyectores múltiple puede ser adaptado para
pruebas de flama, estudio de los ángulos de atomización y regulación de
tiempos de inyección, teniendo como base las adecuaciones expuestas.
BIBLIOGRAFÍA
ALONSO, Manuel José. Técnicas del automóvil. Compendio, sistemas de
inyección de combustible en los motores diesel. España, Thomson editores,
2001
123
APOSGRAN. Volumen 3, nº 69.
ARIAS PAZ. Manual de automóviles, 55ª Edición Año 2004
BEER, JOHNSTON. Mecánica vectorial para ingenieros, estática; México, D.F,
1998, sexta edición.
BERGER, Joachim, PROJAHN, Ulrico. Sistemas de inyección diesel, unidad de
bomba-inyector/bomba-tubería-inyector, Alemania, Robert Bosch editores,
2001
BOSCH, Robert. Gestión electrónica de la inyección diesel, equipos bosch VE y
VP, equipos lucas DPC-FT, regulación control y averías. Alemania, Robert
Bosch editores, 2001
CARERAS PLANEÉIS, R., Á. COMAS AMENGUAL, A. CALVO LARRUY,
Motores de Combustión Interna. Fundamentos, Ediciones UPC: 1995.
CARRARETTO, C., MACOR A., MIRANDOLA, A., STOPPATO S, TONON.
Biodiesel as alternative fuel: Experimental analysisand energetic evaluations.
Department of Mechanical Engineering, University of Padova, Via Venezia,
Padova, Italy
CASILLAS. Maquinas
CENIPALMA., FEDEPALMA. BIODIESEL: Una Energía Limpia para Colombia.
En: Paper. Bogotá. Septiembre de 2006.
CORPODIB, pagina web: http://www.corpodib.com/estudios2.htm
Cummins, Compendio, Service parts Topic. Big cam III, USA, 1985
DANTE GIACOSA. Motores endotérmicos.
124
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING, National Institute of
Technology Calicut, Calicut-673 601. India. Received 22 September 2004;
accepted 15 January 2005
ILUSTRACIONES - Sitio Web MECÁNICA VIRTUAL para estudiantes de
automoción.
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACION.
Compendio, tesis y otros trabajos de grado. Sexta actualización. Bogotá:
ICONTEC, 2006
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACION.
Compendio, tesis y otros trabajos de grado. Quinta actualización. Bogotá:
ICONTEC, 2002.
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN.
Compendio, NTC 4589, equipo de inyección de combustible, vocabulario, parte
2: inyectores de combustible, Bogotá, ICONTEC, 1994
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN.
Compendio, NTC 4589, equipo de inyección de combustible, vocabulario, parte
3t: inyectores de combustible, Bogotá, ICONTEC, 1994
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN.
END. Biocombustibles para motores diesel. Bogotá: ICONTEC, 1993
J.L. ABIA.G. Elementos de dibujo mecánico y diseño.
JAMES F. SHACKELFORD. Introducción a la ciencia de los materiales para
ingenieros; Madrid, España, 1998, cuarta edición
125
JULIA J, Enrique. Analisis de chorros diesel mediante fluorescencia inducida
por laser. Barcelona, España, Reverté, S.A., 2006
KNOTHE, Gerhard. GERPEN, VAN, Jon., KRAHL, Jürgen., The biodiesel
handbook, Ed. AOCS Press Champaign, Illinois. 2005
LEE, R., PEDLEY, J., HOBBS, C., Fuel Quality Impact on Heavy Duty Diesel
Emissions: -A Literature Review, SAE 982649.
MÁRQUEZ AMADOR, Eduardo. Motores diesel y sistemas de inyección, tomo
2. México, Limusa S.A., 1995
MAY ED. Mecánica para Motores diesel, México, Ma Graw-Hill, tomo II.
MILLARES DE IMPERIAL. Motores Diesel, Barcelona España, ediciones
CEAC, Pág. 141-145.
MOTORES DETROIT DIESEL. Compendio, manual de servicio. Serie 92. USA,
1976
MOTT, Robert L., Mecánica de fluidos aplicada, 4ª edición, Editorial Prentice
Hall, 1996.
MUÑOS, M, PAYRI, F. Motores de combustión interna alternativos, seccion de
publicaciones de la E.T.S.I.I Fundación general U.P. Madrid, ISBN, 1989
PEDRO EGEA GIL. Mecanismos hidráulicos; Barcelona, España, segunda
edición.
PEDRO MIRANDA. Construcción y manejo de motores diesel marinos y
estacionarios.
126
RAMADHAS, A., MURALEEDHARAN, C., JAYARAJ S. Performance and
emission evaluation of a diesel engine fueled with methyl esters of rubber seed
oil.
ROBERT L. MOTT, Diseño de elementos de maquinas; México, 1992, segunda
edición.
SAMPIERI HERNADEZ, Roberto., COYADO FERNANDEZ Carlos., LUCIO
BAPTISTA, Pilar, Metodología de la investigación, Ed. Mc Graw Hill, Mexico.
1991
SANTANDER RUEDA, Jesús. Manual técnico de fuel injestión. Guayaquil,
Ecuador, Diseli editores, 2006
SURAMERICANA DE ACOPLES. Catalogo acoples hidráulicos; Bogota,
Colombia
TOMÁS VALLMITJANA, Miguel. Reparación y puesta a punto de motores
diesel. Colombia, alfaomega grupo editorial, 1996
UGOLINI, Jorge. Biodiesel: el futuro lo está esperando. Revista
