Monitoreo de temperatura de los gases de escape del...

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Invest Apl Innov 2(2), 2008

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 PCJosé Reyes, Ronmel Valcárcel

Resumen

Se construyó un modulo de pruebas para el monitoreo de

temperatura de los gases de escape del motor de com-

bustión interna. El objetivo de la construcción de este

módulo es poder monitorear la temperatura de los gases

de escape del motor de combustión interna, para así po-

der procesar estos datos y utilizarlos en el diagnóstico del

funcionamiento del motor. El comportamiento de la tem-

peratura de los gases que salen de cada cilindro, podrá

precisar la ubicación de alguna anomalía en el motor. Las

anomalías serán relacionadas con la temperatura de los

gases de escape y así se determinará la posible falla en los

componentes del motor.

Este módulo permitirá aportar ventajas cualitativas a los

técnicos de motores y ventajas cuantitativas en las tareas

de mantenimiento y reparación que se realizan periódi-

camente a los motores de combustión interna, benefi-

ciando principalmente en el ahorro de costos y tiempo

de mantenimiento y reparación.

Abstract

It was built a test module for monitoring temperature of

the exhaust gases of the internal combustion engine. The

purpose of the construction of this module to monitor

individual temperature of exhaust gases of internal com-

bustion engine to process data and use in the diagnosis

of functioning of the engine. The behavior of each cylin-

der may specify the location in the engine of any anomaly

in terms of the temperature of exhaust gases and thereby

determine the possible fault in the engine components.

This module will provide several qualitative advantages to

technicians and quantitative advantages in task mainte-

nance and repairs that are performed regularly to internal

combustion engines, benefiting in cost savings and time

of maintenance and repair.

Palabras claves

Monitoreo, temperatura, gases de escape, motor de com-

bustión interna, mantenimiento.

Key words

Monitored, temperature, exhaust gas, internal combus-

tion engine, maintenance.

INTRODUCCIÓN

El empleo de una herramienta adecuada para el monitoreo

de temperatura de gases de escape del motor de combus-

tión interna nos permitirá localizar el cilindro que tiene al-

guna anomalía y con la adecuada experiencia diagnosticar

una posible falla de las partes del motor de combustión

interna. Este módulo ha sido elaborado para monitorear

durante todo el régimen de funcionamiento el motor. El

módulo de monitoreo envía mensajes y advierte cuando

un parámetro está fuera del promedio de temperatura de

gases de escape, promedio tomado en diversas condicio-

nes de operación del motor. Aplicando este método a las

tareas de mantenimiento lograremos minimizar los costos

y tiempos de reparación y calibración.

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Reyes J. , Valcárcel R. – Monitoreo de temperatura de los gases de escape del motor de combustión interna utilizando microcontrolador(PIC) y asistida por PC

La realización de este módulo surge por la necesidad de

tener una herramienta práctica para el diagnóstico del

funcionamiento del motor en todo momento; es decir, du-

rante su operación y durante pruebas de mantenimiento.

Para tal propósito se desarrolló un circuito electrónico de

adquisición de señales, procesamiento de señales, trans-

misión y visualización de datos en interfaces gráficas.

El desarrollo requiere sensores de temperatura que mi-

dan continuamente la temperatura individual de gases

de escape en cada cilindro del motor de combustión in-

terna comparando con motores con control electrónico,

que tienen opciones de diagnóstico y autodiagnóstico,

que solamente lo usan para ubicar fallas de inyectores

durante pruebas de mantenimiento, pero no durante su

operación.

El sustento de este proyecto radica en que es una herra-

mienta útil para el diagnóstico de motores, el cual permi-

tirá ubicar puntualmente anomalías, obteniendo un aho-

rro en tiempo para la evaluación del motor. Aplicándolo

a grandes industrias se minimizaran costos de manteni-

miento.

Esta herramienta, aplicada en todo tipo de motores de

combustión interna como son: gasolineros, diesel, gas y

también a motores con diferentes números de cilindros

4, 6, 8, 16, etcétera.

Las fallas más comunes que se presentan en los motores

de combustión interna son: recalentamiento, pérdida de

potencia, consumo excesivo de combustible y presencia

de humos anormales. Todas estas fallas están relaciona-

das con los sistemas de alimentación de combustible, ali-

mentación de aire y de refrigeración.

Tanto los motores diesel, gasolineros y gas, tienen similar

estructura mecánica, similar sistema de refrigeración, si-

milar 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].

PROCEDIMIENTO

En la Figura 1 se muestra una descripción del módulo de

adquisición, el cual consta de cuatro etapas: la etapa de

sensado, etapa de amplificación, etapa de comparación y

etapa de indicación.

Figura 1. Esquema del método del módulo de adquisición (fuente

propia).

La metodología para la toma de datos se divide en 4

etapas:

1. Etapa de sensado. En esta etapa se realiza la me-

dición de las magnitudes eléctricas, para nuestro

caso una termocupla. Se llama sensor al instrumento

que produce una señal, usualmente eléctrica, el cual

refleja el valor de una propiedad, mediante alguna

correlación definida o ganancia. Estos sensores están

en número igual a la cantidad de cilindros que con-

forman el motor y se ubican a la salida del conducto

de los gases de escape del motor.

Para la selección de la termocupla se usaron termo-

cuplas tipo K [2], disponibles en el mercado local.

Estas termocuplas fueron sometidas a pruebas para

determinar los valores de fuerza electromotriz y esta-

blecer su rango de medición.

Se realizó la medición del voltaje en la termocupla

y se registraron los voltajes cuando se elevó la tem-

peratura [3]. Este es el procedimiento normal que se

realiza para la calibración de los termopares.

Figura 2. Resultados de las pruebas del sensor

sometido a temperatura.


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En la Figura 2 observamos los valores obtenidos du-

rante las pruebas de los sensores y vemos que la va-

riación del voltaje del sensor es proporcional a la va-

riación 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 3. Amplificador de instrumentación [4]

En la Figura 3 observamos la configuración típica de un

amplificador de instrumentación, el cual empleamos

para mejorar el procesamiento y calidad de señal.

Los sensores y transductores pueden funcionar en

ubicaciones alejadas del observador, así como en en-

tornos inadecuados o impracticables para los seres

humanos. En esta etapa usamos dispositivos elec-

trónicos discretos, el amplificador es un dispositivo

lineal de propósito general, el cual tiene capacidad

de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuen-

cia 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 reali-

zamos las funciones adecuadas para que efectúe la

operación de monitoreo, transmisión de datos hacia

la pantalla de visualización y también para la trans-

misión de datos hacia la computadora.

Figura 4. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador

(fuente propia).

En la Figura 4 observamos el diagrama de flujo que

sigue el programa del microcontrolador, el cual ha

sido elaborado para el proceso de monitoreo, que

fue programado y grabado en el microcontrolador.

El uso del microcontrolador PIC, lo empleamos por

ser un dispositivo programable, capaz de realizar di-

ferentes 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 ad-

quisición de datos, mediante una pantalla y se visua-

lizan los datos transmitidos por el microcontrolador.

Mediante la transmisión de datos hacia la computado-

ra, se tienen los datos almacenados en un archivo, tam-

bién 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 va-

riables 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

cada variable en función del tiempo. Se usó un software

de National Instruments.

Figura 5. Visualización esquemática del módulo de monitoreo

(fuente propia).

En la Figura 5 observamos el esquema del sistema de mo-

nitoreo, es decir, el proceso empleado para su funciona-

miento, para lo cual se consideraron diferentes aspectos

como:

• Tipodediagnósticoqueobligaaejecutarciertosma-

quinados en el múltiple de escape.

• Lastemperaturasteóricasdelosmotoresparalase-

lección del sensor.

• La ganancia adecuada para la etapa de amplificación.

• Eltiempodemuestreo.

• Lasventajasydesventajasquetienelaaplicacióndel

microcontrolador.

• Losmediosdevisualización.

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 cons-

ta de los siguientes componentes:

• Unosciladorde20MHz.

• UnpulsadorparaelReset.

• UnPIC16F877A.

• LedsdeIndicación.

• Switchsparaencendidoeiniciodelprograma.

Empleamos el Puerto A y Puerto E, dependiendo del nú-

mero de cilindros a usar, usamos los canales de entrada

analógica AN0 al AN7, el puerto B lo configuramos para

señales de entrada y de salida, en el Puerto C usamos los

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 da-

tos hacia la pantalla o display.

El circuito de transmisión de datos a la PC permite comu-

nicar al microcontrolador con la PC. En esta etapa usamos

el Integrado Max232, el cual transforma los valores TTL

del PIC a niveles CMOS requeridos por la PC.

Figura 6. Diagrama del interfaz (fuente propia).

En la Figura 6 observamos el interfaz del módulo de mo-

nitoreo, cuyas etapas son importantes para el funciona-

miento del sistema de monitoreo de temperatura de ga-

ses 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 funciona-

miento 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 com-

probó que la variación de los datos procesados se da en

función de la temperatura.

Se observaron los valores medidos de cada cilindro y me-

diante el programa de monitoreo se visualizan individual-

mente los valores medidos de cada cilindro. Durante el

funcionamiento del motor cuando un valor medido está

fuera del promedio de medición, el programa automáti-

camente 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 inyec-

ción en el cilindro 4.


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Figura 7. Datos almacenados como texto.

En la Figura 7 observamos los datos procesados en una

hoja de cálculo, los cuales fueron almacenados anterior-

mente en un archivo de texto y se pueden procesar con

diferentes programas estadísticos y gráficos. Después del

procesamiento adecuado observamos la variación de la

temperatura conforme al arranque del motor luego del

tiempo de calentamiento requerido para la operatividad

del motor, se hicieron aceleraciones para aumentar las

RPM del motor y se observó la variación de la temperatura

en función de los RPM.

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 hicie-

ron 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 per-

mitió simular carga en el motor.

Sobre los resultados obtenidos observamos que:

• En una aplicación real del monitoreo lo ideal es te-

ner 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

motor; al momento de instalar el sistema de moni-

toreo 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 fun-

cionamiento o está recién reparado.

• Observando la Figura 8 podemos observar el com-

portamiento que tienen los cilindros en situaciones

de aceleración y operación del motor, podemos

mencionar las siguientes teorías:

- El cilindro 4, que es la línea de color celeste, en un

inicio está por debajo de las demás curvas 68ºC.

Cuando se le acelera primer pico y cuando se le

simula carga segundo pico mayor a 155ºC, este

tiende a superar a las demás curvas, mediante el

análisis podríamos decir que el comportamiento

se debe a una descalibración interna del inyector.

- En el tiempo de 05:35:40 PM cuando simulamos

la carga en el motor podemos observar que rápi-

damente se incrementa la temperatura y cuando

dejamos de hacer la simulación de carga observa-

mos que las curvas decrecen a diferentes tempera-

turas 05:36:40 PM, mediante el análisis podríamos

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 tem-

peratura, asimismo influye la regulación de la luz

de válvulas en la temperatura de evacuación de

los gases de escape de la cámara de combustión.

- 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 decre-

cer 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 simu-

lada 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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cilindro con corte de inyección y se observa que la

temperatura sigue por debajo de las demás tem-

peraturas de los cilindros.

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 cilin-

dro 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 in-

yección y se observa la recuperación de la tempe-

ratura de funcionamiento.

- Después de revisar y comparar el comportamien-

to de las curvas podemos relacionarlas a los

componentes que conforman el motor. Realizan-

do 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

operación). La combustión en los diferentes tipos de

motores y su estructura mecánica tienen como resul-

tado final los gases de escape. Analizando la tempe-

ratura se podría determinar lo que está ocurriendo

en el funcionamiento del motor, por lo tanto es una

herramienta que permite evaluar el motor.

• Esta herramienta de diagnóstico permite evaluar rá-

pidamente 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 minimi-

zan considerablemente los tiempos de evaluación

del motor.

• Estemódulopuedeseraplicadoalosmotorescon-

vencionales que no tienen ningún control electróni-

co, por lo tanto optimizará las labores del personal

de mantenimiento mecánico.

• Elprogramademonitoreoalertaalusuariosobreel

mal funcionamiento del motor y dependiendo del

componente, se podrán minimizar las fallas poten-

cialmente perjudiciales. Por ejemplo, cuando de ma-

nera intempestiva se quiebra la cabeza de válvula y

daña la cámara de combustión.

• 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 efec-

tuarán 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 repa-

ración o calibración.

• Relacionando la temperatura de gases de escape

con el componente podemos decir:

- Baja temperatura se relaciona con el sistema de inyec-

ción, 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.

• Manteniendolascurvassimilaresentresíyrealizan-

do las acciones correctivas, durante la operación de

la maquina, lograremos mantener las potencias no-

minales de funcionamiento del motor y aplicando

estadísticas se podría programar tareas de manteni-

miento predictivo.

REFERENCIAS

[1] Manual de servicio del motor Volvo TD70H-1990

[2] Tablas de calibración de termopar tipo K.

Figura 9. Corte de inyección de cilindro 4 (fuente propia).


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A CERCA DE LOS AUTORES

José Reyes Miranda es profesional en

electrónica y automatización industrial y

en mantenimiento de maquinaria pesa-

da. Posee experiencia en mantenimiento

y configuración de sistemas de control

electrónico de equipo pesado en em-

presas 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 ex-

periencia en el mantenimiento y repa-

ración de vehículos en empresas como:

Volvo, Mercedes Benz y Daewoo. Ha par-

ticipado como ponente en seminarios

técnicos, a nivel nacional, sobre electró-

nica en motores de combustión interna.

[3] Bacacorzo, Roberto (2003)

Curso Instrumentación Industrial Tecsup.

[4] http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_de_instrumen-

tación

[5] Datasheet LM741 y TL081.

[6] CesarMedinaTong(2006).TesisdeGradoUniversidadNa-

cional de Ingeniería. Digitalización de un variador de velo-

cidad 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

h t t p : / / w w w . m i c r o c h i p . c o m / s t e l l e n t /

idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocNa

me=en019469&part=SW007002

[11] Lab View

http://www.ni.com/labview


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