UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA SEDE CUENCA€¦ · y su comportamiento, para de esta manera...

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

SEDE CUENCA

CARRERA DE INGENIERIA MECANICA AUTOMOTRIZ

“CARACTERIZACION DE FALLOS EN LA IGNICION DE UN

MOTOR DE COMBUSTION INTERNA ALTERNATIVO DIESEL,

MEDIANTE EL USO DE LA TERMOGRAFIA INFRARROJA.”

Tesis previa a la obtencion del

tıtulo de Ingeniero Mecanico

Automotriz.

Autores:

Becerra Bermeo Diego Andres

Molina Leon Johnny Baltazar

Director:

Ing. Cristian Garcia M.Sc

Cuenca, Mayo 2014

i

.

.

.

Este trabajo esta dedicado a mis padres, quienes fueron el soporte principal que me

motivo a cumplir este objetivo.

Andres.

A todas las personas que estuvieron acompanandome en el trayecto de este objetivo y

me brindaron el apoyo para poder culminarlo.

Johnny.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo no se pudo haber alcanzado sin el apoyo continuo de mi familia y personas

que estuvieron a mi lado acompanandome en este camino, a todos ellos gracias.

Johnny.

ii

AGRADECIMIENTOS

A mis padres, que siempre estuvieron a mi lado, brindandome su afecto y comprension.

Al Ing. Cristian Garcia M.Sc, por la confianza, los consejos, y sugerencias brindadas

durante la realizacion de este trabajo.

A quienes en su momento fueron mis profesores, que con los conocimientos y apoyo

brindados permitieron despejar dudas y cumplir las metas planteadas.

Andres.

iii

DECLARATORIA

El presente trabajo de grado, esta basado en metodologıa de la investigacion y realizado

bajo nuestra autorıa, en el que se han consultado las referencias bibliograficas incluidas

en dicho trabajo.

A traves de la presente declaracion cedemos los derechos de propiedad intelectual

correspondiente a este trabajo, a la Universidad Politecnica Salesiana, segun lo establecido

por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la Normativa Institucional

Vigentes.

Becerra Bermeo Diego Andres

Molina Leon Johnny Baltazar

iv

CERTIFICADO

Que el presente proyecto de tesis ”Caracterizacion de fallos en la ignicion de un motor

de combustion interna alternativo diesel, mediante el uso de la termografıa infrarroja.”,

realizado por los estudiantes: Becerra Bermeo Diego Andres, Molina Leon Johnny Balta-

zar, fue dirigido por mi persona.

Ing. Cristian Garcia M.Sc

v

RESUMEN

Para analizar y diagnosticar el estado de un proceso primero es necesario cono-

cer y comprender el comportamiento del mismo, por lo que se ve ineludible un estudio

profundo que nos permita obtener todos los conocimientos necesarios acerca del proceso

y su comportamiento, para de esta manera poder detectar una anomalıa en su desarrollo

y mas aun, poder llegar a determinar que es lo que esta provocando esa anomalıa en el

proceso.

La termografıa infrarroja es una tecnica que consiste en realizar un seguimiento

del comportamiento termico de un proceso o maquina, mediante la cual se puede llegar a

diagnosticar fallos mediante el reconocimiento de anomalıas presentes en el comportami-

ento termico normal. El proceso de medicion termografico se basa en captar la radiacion

emitida por un objeto, esta radiacion actua sobre los sensores infrarrojos del elemento de

medicion, mismos que envıan una senal que al final de un proceso interno de la camara,

brindan al operador una medida termica del objeto estudiado.

Para diagnosticar un proceso, es necesario conocer el comportamiento normal de

este, brindando al estudio una base de comparacion de los comportamientos anormales,

tomando en cuenta este punto lo que se procura en un diagnostico, es contar con un punto

de comparacion que, para el caso de la termografıa infrarroja se encuentra representado

por los termogramas, obteniendo uno con el equipo en buen estado, para posteriormente

obtenerlos con fallos y comparar las diferencias que existen.

La obtencion de los termogramas tiene un objetivo, el cual es contar con un

resultado grafico en el que se pueda ver reflejado el comportamiento y; poder llegar a

analizar el estado real de un elemento, con lo que se obtiene una vision global de las

variaciones o efectos de la temperatura en dicho elemento.

Al obtenerse las visualizaciones graficas de los comportamientos (Normal-Fallos),

se ve necesario el poder contar con una base en la que, se registren todas las variaciones y

condiciones de funcionamiento, el objetivo es generar un historial en el que se guarden los

valores obtenidos bajo cada condicion y tener un acceso a estos registros en el momento

que sean necesarios.

vi

INDICE

Lista de Figuras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii

Lista de Tablas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi

Lista de Sımbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xviii

Lista de Siglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi

1 Estudio del ciclo termodinamico dentro de la camara de combustion del

motor diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 El motor diesel, Introduccion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 La inyeccion directa en motores diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Ciclo Termodinamico en el motor Diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.1 Ciclo Teorico Diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.2 Ciclo Real y Corregido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.2.1 Perdidas en la admision. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.2.2 Perdidas en la compresion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.2.3 Perdidas en la explosion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.2.4 Perdidas en el escape. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Analisis del proceso de combustion de un MEC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.1 Hipotesis fundamentales en la combustion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.2 Fases del proceso de Combustion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4 Condiciones de la inyeccion en los motores Diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4.1 Principios de la inyeccion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

vii

INDICE viii

1.4.2 Alimentacion del Combustible. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.5 Problemas y lımites de la combustion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.6 Sistema de Alimentacion Common Rail. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.6.1 Campos de aplicacion del sistema common rail. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.6.2 Estructura del sistema common rail. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.6.3 Funcionamiento y generacion de presion en el sistema common rail. . . 17

1.6.4 Regulacion de presion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.6.4.1 Regulacion en el lado de alta presion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.6.4.2 Regulacion de caudal del lado de aspiracion. . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.6.4.3 Inyeccion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.6.4.4 Comportamiento de la inyeccion con el sistema Common Rail. . 19

2 Estudio del proceso de medicion por termografıa infrarroja. . . . . . . . . . . 21

2.1 Antecedentes Historicos de la Termografıa Infrarroja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2 Principios Fısicos en Termografıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.1 El Calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.2 Transferencia de Calor por Radiacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.3 Radiacion Infrarroja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.4 Espectro Electromagnetico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.5 Flujos de Radiacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2.5.1 El cuerpo negro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2.5.2 Cuerpo Gris. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2.5.3 Relacion con la irradiacion y la radiosidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.6 Leyes Fundamentales de la radiacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.6.1 Ley de Planck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.6.2 Ley de desplazamiento de Wien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2.6.3 Ley de Stefan-Boltzmann. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

INDICE ix

2.2.6.4 Ley de Radiacion de Kirchhoff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.2.7 Formas caracterısticas en las que se presenta la onda de radiacion. . . . 31

2.2.7.1 Irradiacion Espectral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2.7.2 Emisividad. (ε) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.2.7.3 Absortividad (α) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2.7.4 Reflectividad (ρ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2.7.5 Transmisividad (τ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.3 Definicion de Termografıa Infrarroja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.3.1 Elementos del Sistema Termografico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.3.2 Ventajas y desventajas de la termografıa Infrarroja. . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.3.3 Aplicaciones de la termografıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.4 Instrumentacion para la termografıa infrarroja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.4.1 Pirometro de Infrarrojos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.4.2 Camara termografica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.4.2.1 Detectores Infrarrojos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.4.2.2 Componentes y Mecanismos de la camara termografica. . . . . . . . 39

2.4.2.3 Configuracion y calibracion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Rango y distancia de Medicion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Field of View. (FOV). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Resolucion espacial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Sensibilidad Termica o NETD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Error en la determinacion de Temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . 42

Procesado de la senal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Normas y Cualificacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.5 Clasificacion de las Tecnicas de termografıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

INDICE x

2.5.1 Termografıa Activa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.5.2 Termografıa Activa Pulsada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.5.3 Termografıa de Pulso Largo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.5.4 Termografıa “Lock in”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.5.5 Termografıa de Fase Pulsada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.5.6 Termografıa Pasiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.6 Sondeo por termografıa infrarroja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.6.1 Termografıa Cualitativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.6.2 Termografıa Cuantitativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3 Generacion de los diversos fallos en la ignicion y obtencion de Termo-

gramas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.1 Introduccion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2 Caracterısticas del motor CRDI 2.0 Marca Hyundai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.3 El sistema observado con termografıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.4 Diagnostico de fallos en la Combustion de un MEC, Apoyado en el analisis

de termogramas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.4.1 Estudios relacionados al diagnostico de fallos en la combustion de un

MEC, basados en la tecnica de termografıa infrarroja. . . . . . . . . . . . . . 50

3.4.2 Firma Termica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.4.3 Configuracion Experimental para la Obtencion de Termogramas. . . . . 53

3.4.4 Proceso de Medicion con la camara termografica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.4.4.1 Analisis termografico del motor en estado estacionario. . . . . . . . . 56

3.4.4.2 Analisis termografico del motor en estado transitorio. . . . . . . . . . 57

3.4.5 Determinacion de la emisividad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.4.5.1 Validacion correspondiente a la obtencion de firmas termicas

mediante el uso de la camara termografica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

INDICE xi

3.4.6 Area especıfica de Monitoreo por la tecnica de termografıa Infrarroja

en el motor diesel CRDI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.4.6.1 Analisis Grafico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.4.6.2 Analisis Estadıstico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Prueba T student de Fisher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.4.7 Determinacion de regımenes de giro en el motor para el diagnostico

de fallos por termografıa infrarroja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.4.8 Determinacion del Numero de muestras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.4.9 Fallos inducidos en la combustion del motor diesel Common rail. . . . . 69

4 Analisis de graficas y relacion de las variaciones termicas con los fallos

en la ignicion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.1 Condiciones de funcionamiento en el motor, para la obtencion de termogramas 73

4.2 Descripcion de los fallos generados y analisis de las firmas termicas corres-

pondientes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.2.1 Goteo de combustible en el inyector del cilindro 1. (fallo mecanico) . . 74

4.2.1.1 Analisis de la firma termica obtenida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.2.2 Cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilindro 1. . . . . . . 77


4.2.3 Cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilindro 3. . . . . . . 80


4.2.4 Disminucion de la presion de inyeccion en un 5%. . . . . . . . . . . . . . . . . . 82


4.2.5 Apertura de la valvula EGR al 96% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85


5 Creacion de una base de datos de los fallos generados y sus correspon-

dientes espectrogramas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

5.1 Parametros definidos para la creacion de la base de datos. . . . . . . . . . . . . . . . 88

INDICE xii

5.1.1 Terminologıa usada para la experimentacion en el motor. . . . . . . . . . . . 88

5.1.2 Valores de temperatura necesarios para la creacion de la base de datos. 89

5.1.2.1 Firma termica en estado optimo de funcionamiento. (SF) . . . . . . 90

5.1.2.2 Goteo de combustible en el inyector del cilindro 1 (F1). . . . . . . . 90

5.1.2.3 Cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilindro 1.

(F2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5.1.2.4 Cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilindro 3.

(F3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5.1.2.5 Disminucion de la presion de inyeccion en un 5 %. (F4) . . . . . . . 92

5.1.2.6 Apertura controlada de la valvula EGR. (F5) . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.2 Manejo del programa para ingreso de datos y generacion de firmas termicas 93

5.2.1 Ventana Principal de la Base de Datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.2.2 Ingreso de valores de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.2.3 Denominacion y descripcion del fallo graficado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5.2.3.1 Informacion adicional respecto al programa. . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Conclusiones y trabajos futuros.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Trabajos futuros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Referencias Bibliograficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

ANEXOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.1 ANEXO 1 Caracterısticas de los tipos de detectores infrarrojos. . 110

5.2 ANEXO 2. Temperaturas correspondientes al cilindro numero 1. 111

5.3 ANEXO 3. Temperaturas correspondientes al cilindro Numero 4. 112

LISTA DE FIGURAS

Figura - 1.1 El motor diesel common rail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Figura - 1.2 Motor diesel de inyeccion directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Figura - 1.3 Ciclo diesel real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Figura - 1.4 Diagrama de la tasa de inyeccion y de la tasa de liberacion de calor

para un motor diesel de inyeccion directa donde se identifican las fases

del proceso de combustion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Figura - 1.5 Sistema de Inyeccion por acumulador Common Rail en un motor Diesel

de cinco cilindros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Figura - 1.6 Componentes del sistema de Inyeccion common Rail . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Figura - 1.7 Ejemplos de regulacion de alta presion de sistemas Common Rail . . . 16

Figura - 1.8 Desarrollo de inyeccion en la inyeccion convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Figura - 1.9 Desarrollo de inyeccion en la inyeccion Common Rail. . . . . . . . . . . . . . . . 20

Figura - 2.1 Frederick William Herschel, descubridor de los rayos infrarrojos. . . . . . 21

Figura - 2.2 Transferencia de calor por radiacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Figura - 2.3 El espectro electromagnetico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Figura - 2.4 Aproximacion a un cuerpo negro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Figura - 2.5 Conjunto de isotermas de densidad de energıa segun la ley de Planck en

funcion de la longitud de onda de la radiacion emitida. . . . . . . . . . . . . . . . 28

Figura - 2.6 Distribucion de la energıa en el cuerpo negro a diferentes temperaturas. 29

Figura - 2.7 Procesos de absorcion, reflexion y transmision asociados con un medio

semitransparente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Figura - 2.8 Emisividad de un material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Figura - 2.9 Transmitancia de un material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Figura - 2.10 Esquema de un pirometro de infrarrojos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Figura - 2.11 Los tipos de detectores infrarrojos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

xiii

Figura - 2.12 Esquema detallado del proceso de captacion de imagenes termograficas. 40

Figura - 2.13 El angulo de vision de la camara termografica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Figura - 2.14 Relacion entre el tamano de los objetos y la distancia a la camara. . . 42

Figura - 2.15 Procesado de senal en una camara termografica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Figura - 3.1 Posibles tipos de modelos teoricos del sistema termografiado. . . . . . . . . 49

Figura - 3.2 Sistemas existentes en un motor diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Figura - 3.3 Area de monitoreo termografico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Figura - 3.4 Balance de la energıa recibida por la camara infrarroja en el caso mas

general. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Figura - 3.5 Metodologıa de experimentacion utilizada para el monitoreo en motores

diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Figura - 3.6 Punto especıfico de analisis termografico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Figura - 3.7 Firmas termicas obtenidas con el pirometro y camara termografica. . 60

Figura - 3.8 Firma termica correspondiente al motor en estado de fallo . . . . . . . . . . . 61

Figura - 3.9 Velocidad promedio de cada cilindro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Figura - 3.10 Cantidad de combustible por cada inyector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Figura - 3.11 Firmas termicas de los cilindros 1 y 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Figura - 3.12 Cuantificacion de la repetitividad del ensayo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Figura - 3.13 Valores porcentuales de presion en el riel de inyeccion. . . . . . . . . . . . . . . 66

Figura - 3.14 Diferencia termica entre regımenes de giro, con variacion porcentual de

temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Figura - 4.1 Irregularidad instaurada en el asiento de la aguja del inyector. . . . . . . . 75

Figura - 4.2 Firma termica correspondiente al dano en la tobera del inyector. . . . . 76

Figura - 4.3 Volumen de inyeccion captado con el escaner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Figura - 4.4 Firma termica correspondiente a la cancelacion del inyector del cilindro

1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Figura - 4.5 Volumen de inyeccion captado con el escaner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Figura - 4.6 Firma termica correspondiente a la cancelacion del inyector del cilindro

3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

xiv

Figura - 4.7 Comparacion entre la firma termica correspondiente a la variacion en la

presion de inyeccion en un 5% y el motor en estado estable. . . . . . . . . . . 84

Figura - 4.8 Esquema para el control de valvula EGR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Figura - 4.9 Firma termica correspondiente a la apertura de la valvula EGR al 96% 87

Figura - 5.1 Ventana de inicio del software programado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Figura - 5.2 Ventana principal del software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Figura - 5.3 Ingreso de valores de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Figura - 5.4 Graficacion de las medias de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Figura - 5.5 Firmas termicas graficadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Figura - 5.6 Ilustracion de las ventanas para ingreso de denominacion y descripcion

de una firma termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Figura - 5.7 Informacion referente a las firmas ya ingresada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98





xv

LISTA DE TABLAS

Tabla 2.1 Bandas de longitud de Onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Tabla 3.1 Caracterısticas del motor experimental. Fuente: Los autores. . . . . . . . . . . 48

Tabla 3.2 Parametros de funcionamiento para la obtencion de firmas termicas. . . . 55

Tabla 3.3 Condiciones externas favorables a la medicion termografica . . . . . . . . . . . . 56

Tabla 3.4 Valores de temperatura de la camara infrarroja y del termometro de con-

tacto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Tabla 3.5 Parametros de medicion para cada instrumento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Tabla 3.6 Temperatura media en los regımenes establecidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Tabla 3.7 Prueba de homogeneidad de varianzas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Tabla 3.8 Anova de un Factor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Tabla 3.9 Valores de temperatura a los diferentes regımenes de giro. . . . . . . . . . . . . . 67

Tabla 3.10 Regımenes establecidos para la deteccion de fallos por termografıa . . . . . 67

Tabla 3.11 Analisis estadıstico con 20 muestras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Tabla 3.12 Analisis estadıstico con 8 muestras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Tabla 3.13 Apreciacion porcentual de los posibles fallos en el motor CRDi. . . . . . . . . 71

Tabla 4.1 Parametros de funcionamiento para la obtencion de firmas termicas. . . . 73

Tabla 4.2 Parametros de funcionamiento correspondientes al goteo de combustible en

el inyector 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Tabla 4.3 Valores promedio de temperatura con los que se genera la firma termica. 77

Tabla 4.4 Parametros de funcionamiento correspondiente a la cancelacion electrica

del inyector 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79


Tabla 4.6 Parametros de funcionamiento correspondientes a la cancelacion electrica

del inyector 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81


xvi

Tabla 4.8 Parametros de funcionamiento correspondientes a la disminucion de presion

de inyeccion en 5 %. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84


Tabla 4.10 Parametros de funcionamiento correspondientes a la apertura de la EGR

al 96 %. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86


Tabla 5.1 Simbologıa usada para la creacion de la base de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Tabla 5.2 Valores de temperatura correspondientes al caso: SF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Tabla 5.3 Valores de temperatura correspondientes al caso: F1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91



Tabla 5.6 Valores de temperaturacorrespondientes al caso: F4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92


Tabla 5.1 Caracterısticas principales de diferentes tipos de detectores. . . . . . . . . . . . 110

Tabla 5.2 Muestreo de temperatura para el cilindro numero 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Tabla 5.3 Muestreo de temperatura para el cilindro numero 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

xvii

LISTA DE SIMBOLOS

TH Temperatura del deposito caliente. ◦K

TL Temperatura del deposito frıo. ◦K

QA Adicion de calor a presion constante

QB Liberacion de calor a volumen constante

V Volumen

P Presion

S Entropıa

T Temperatura

p Presion en la camara de combustion

V Volumen total

x masa atrapada en el cilindro (aire + gases de escape recirculados)

Tm Temperatura de la mezcla que evoluciona dentro del cilindro

Rm Constante de la mezcla que evoluciona en el cilindro

τdelay Tiempo de Retraso

W Energıa radiante de un cuerpo

A Constante de Stefan Boltzmann (5, 7x108W ·m2 ·◦ K−4)

a coeficiente de absorcion

e coeficiente de emision

r coeficiente de reflexion

h constante de Planck (6.62517x10−34J · seg)

kB constante de Boltzmann (1.38054x10−23J ·◦ K−1)

c Velocidad de la luz

L◦λ Radiacion del cuerpo negro

Lλ Radiancia

xviii

Eλabsorbida Energıa absorbida

Eλemitida Energıa emitida

E◦λ Energıa del cuerpo negro

Gλ Irradiacion espectral (W/m2 · µm)

Gλref Irradiacion reflejada

Gλabs Irradiacion absorbida

Gλtr Irradiacion transmitida

M Emitancia

M◦ Emitancia del cuerpo negro

f(λ) Frecuencia de emision

Iλ Intensidad espectral

H Flujo de calor (J/seg)

Ai area de interaccion entre cuerpos

Tc Temperatura del cuerpo caliente

Tf Temperatura del cuerpo frıo

T0′ Funcion de las temperaturas del objeto termografiado

T0 Funcion de temperatura del medioambiente, supuesto isotermo

Tamb Temperatura ambiente

Tatm Temperatura atmosferica

τatm Transmision de la atmosfera

Letras griegas

ρ Reflectividad hemisferica o total

τλ Transmisividad espectral

τ Transmisividad total

ε = ελ Emisividad superficial

αλ,θ(λ, θ, φ)Absortividad direccional espectral

α Absortividad hemisferica o total

xix

ρλ,θ(λθφ) Reflectividad direccional espectral

γ Rayos gamma

λ Longitud de onda

δ Constante de Wien

αλ Coeficiente e absorcion

φλ Flujo radiante

xx

LISTA DE SIGLAS

MEC Motor de encendido por compresion

MEP Motor de encendido provocado

COP Coeficiente de funcionamiento

PMS Punto Muerto Superior

PMI Punto Muerto Inferior

SOI inicio de inyeccion. (Start of injection)

SOC Inicio de combustion (Start of combustion)

EOI Fin de inyeccion. (End of injection)

DFQL Tasa de liberacion de calor

CV Caballo vapor

EDC Regulacion Electronica Diesel

END Ensayos no destructivos

RTC Compensacion de la temperatura reflejada

FOV Angulo de vision

IFOVGeo Objeto identificable mas pequeno

IFOVmeas Objeto medible/Marca de medicion mas pequena

xxi

1

1 ESTUDIO DEL CICLO TERMODINAMICO

DENTRO DE LA CAMARA DE

COMBUSTION DEL MOTOR DIESEL.

1.1 El motor diesel, Introduccion.

El motor diesel es una maquina termica que fue creada por el ingeniero Aleman,

de origen frances Rudolf Diesel en el ano de 1892, este motor trabaja bajo el principio

de encendido por compresion, en lugar del encendido provocado, esto se logra debido a

las altas relaciones de compresion que se alcanzan dentro de la camara de combustion

comprendidas en un rango de entre 16:1 a 23:1, las cuales hacen que la temperatura del

aire sea lo suficientemente alta para que se produzca la ignicion del combustible inyectado,

este hasta ahora es el unico metodo para producir la ignicion, razon por la cual recibe el

nombre de MEC (motor de encendido por compresion).

En la fase de admision el cilindro se llena unicamente de aire, y como la relacion

de compresion es elevada, la presion de compresion eleva la temperatura del aire hasta el

punto de provocar el autoencendido del combustible inyectado.

El aire ingresa en el cilindro despues de pasar por el filtro y por el colector de

admision a traves de la valvula de admision, pero a diferencia del MEP no se encuentra

con la reduccion de paso que representa la mariposa de gases del carburador, por lo que

el llenado del cilindro es optimo a distintos regımenes del motor.[1]

En la carrera de compresion, el aire es comprimido a presiones mas elevadas

que en los motores de gasolina para que pueda alcanzar hacia el final de la compresion

temperaturas comprendidas entre los 600 y 800 ◦C.

Gracias a la temperatura alcanzada en el aire comprimido por el piston dentro de

la camara de combustion, cuando el combustible se introduce en el interior de la camara

este se inflama al ponerse en contacto con el aire calentado. Esta inflamacion inicia

la explosion, la cual se completa al inflamarse la ultima gota de combustible inyectada

2

dentro de la camara de combustion. En los motores diesel el proceso de ignicion resulta de

gran complejidad: el combustible se introduce a presion en una masa de aire comprimido

y a expensas del calor del mismo, las finısimas gotas de combustible deben calentarse

hasta alcanzar su temperatura de inflamacion. Los proceso de mezcla y explosion, que

ocurren de manera casi simultanea en los motores diesel son la causa de que el tiempo

necesario para consumir todo el combustible inyectado sea muy superior al que se necesita

en motores de ciclo Otto.

Este es el motivo de que los motores diesel sean mas lentos que los de gasolina,

alcanzando un regimen maximo de giro entre las 4000 y las 5000 rpm. [2].

Figura 1.1: El motor diesel common rail.

Fuente: [3].

1.1.1 La inyeccion directa en motores diesel.

Los motores pueden clasificarse, segun el lugar donde se efectue la inyeccion, en

dos tipos bien definidos: Inyeccion directa e inyeccion indirecta. En el primero la camara

de combustion se encuentra ubicada dentro de la cabeza del piston; mientras que en el

segundo, el combustible se inyecta en uan antecamara, cuya finalidad es la de generar

turbulencia en el gasoleo y se encuentra situada en la culata del motor. Cabe destacar

que todos los motores de ciclo mixto son de inyeccion indirecta. Los motores que poseen

inyeccion directa son ciertamente lentos, entregando su potencia maxima a un regimen

menor a las 4500 rpm.

La disposicion de los elementos dinamicos en estos motores, facilita su arranque

en frıo debido a la imposibilidad de refrigeracion del piston; esta condicion le permite a la

3

camara de combustion mantenerse eficazmente la temperatura de compresion, ademas de

tener un menor consumo de combustible en comparacion con los de inyeccion indirecta,

pero su funcionamiento se torna mas ruidoso, brusco, aumentando las emisiones de gases

a la atmosfera.

Los inyectores se encuentran centrados en la camara de combustion y sujetos

en la culata, disponen en sus toberas de varios orificios para la salida de combustible

con el fin de rociar el mismo en las paredes de la camara, aumentando rapidamente

su temperatura, facilitando su vaporizacion y posterior mezcla con el aire introducido;

acortando discretamente el retardo en la combustion, decimos discretamente, debido a

que la turbuencia generada en a cabeza del piston no es tan significativa para que los

cambios en el retardo de la combustion sean apreciables [2].

Figura 1.2: Motor diesel de inyeccion directa

Fuente: [4].

1.2 Ciclo Termodinamico en el motor Diesel.

El ciclo termodinamico de un motor diesel se basa en los principios del ciclo de

Carnot, de ahı que el primero tambien posee cuatro procesos totalmente reversibles, los

cuales se estudiaran a continuacion. El ciclo de Carnot es el mas eficiente que puede

ejecutarse entre una fuente de energıa TH y un sumidero a temperatura TL, vease: [5].

Dicho ciclo, esta compuesto por cuatro procesos reversibles.

4

1.2.1 Ciclo Teorico Diesel.

En un motor termico de cuatro tiempos las carreras del piston son: Carrera de

admision en la que se llena el cilindro, Carrera de compresion en la que se comprime

politropicamente el fluido operante, Carrera de explosion que coincide con la expansion

politropica de los gases y Carrera de escape o de vaciado de los gases quemados. Vease:

[2], [6], [7]

1.2.2 Ciclo Real y Corregido.

El ciclo real difiere bastante del teorico, debido a las condiciones de funcionami-

ento que ofrecen los cilindros de los motores. En la figura 1.3 se muestran las perdidas en

el rendimiento del motor y se detallan a continuacion.

Figura 1.3: Ciclo diesel real

Fuente: [8].

1.2.2.1 Perdidas en la admision.

En el ciclo real, cuando el piston se desplaza dentro del cilindro hacia el PMI en

la carrera de admision, se crea dentro del cilindro un vacıo debido a la resistencia que

el filtro de aire, las rugosidades del conducto de admision y la cabeza de la valvula de

admision oponen al paso del fluido operante. En consecuencia, en la carrera de admision

dentro del cilindro la presion es inferior a la atmosferica y llenar el cilindro cuesta un

cierto trabajo, mismo que se contabiliza como perdidas.

5

1.2.2.2 Perdidas en la compresion.

En la fase o carrera de compresion, como el motor no tiene aislamiento termico, el

contacto del fluido operante con las paredes del recipiente que lo encierra (las paredes del

cilindro, la cabeza del piston y el techo de la camara de combustion) genera un intercambio

de calor entre ambos y la transformacion no resulta adiabatica. Sino politropica.

En consecuencia, la presion y temperatura alcanzadas por el fluido operante son

valores menores que los valores supuestos en el ciclo teorico.

1.2.2.3 Perdidas en la explosion.

Las transformaciones que sufre el fluıdo operante no se ajustan a la teorıa en el

momento de la explosion y las perdidas maximas alcanzadas en el interior del cilindro son

inferiores a las teoricas.

Si se realizara la inyeccion de combustible en el momento en que el piston pasa

por el PMS, tal como se indica en el ciclo teorico, en vez de mantenerse la presion dentro

del cilindro, esta menguarıa rapidamente y, cuando la explosion desarrollase el maximo

de energıa, el piston estarıa cerca del PMI y apenas se aprovecharıa la fuerza de empuje

de los gases quemados, obteniendo un rendimiento pesimo.

1.2.2.4 Perdidas en el escape.

Cuando se abre la valvula de escape el fluıdo operante es expulsado sin sufrir

ninguna transformacion, simplemente se le expulsa con el siguiente gasto de energıa ne-

cesario para vencer las resistencias de los conductos de escape que afectan al rendimiento

del ciclo.

Para disminuir las perdidas del ciclo real respecto del ciclo teorico, se modifica el

momento de apertura y cierre de valvulas de admision y escape, ademas se adelanta el

momento de la inyeccion de combustible, consiguiendose el ciclo corregido cuyas perdidas

son menores que las del ciclo real respecto al ciclo teorico.[8]

1.3 Analisis del proceso de combustion de un MEC.

El punto de encendido de un combustible es la temperatura a la cual se enciende

en presencia del aire, es decir, sin ayuda de una chispa como en los MEP, esta situacion

6

se produce en el gasoleo a los 270 ◦C. Ası pues, en el interior de la camara se alcanzara

una temperatura por encima de los 270 ◦C para que la combustion se inicie. [8]. Aunque

pueda parecer que la combustion del gasoleo se produce instantaneamente a medida que

ingresa en la camara de combustion el proceso en realidad es complejo, como para requerir

una serie de pasos previos, los cuales necesitan a su vez perıodos de tiempo cortos para

realizarse. Se pueden establecer tres grandes operaciones en las que se clasifica el proceso

de la combustion y pueden verse relacionadas en la figura 1.3. [9]

1.3.1 Hipotesis fundamentales en la combustion.

-La presion se supone uniforme en la camara de combustion. Esta hipotesis es valida ya

que las velocidades del fluido y de propagacion de la llama son mucho mas bajas que la

del sonido.

-El fluido que evoluciona es una mezcla de aire, combustible y productos quemados este-

queometricamente. Considerar los elementos quemados estequeometricamente quemados

como un compuesto mas en la mezcla que evoluciona dentro del cilindro, tiene su validez

por el hecho que el combustible, que se quema fundamentalmente por difusion, lo hace

con un dosado local estequiometrico.[10]

-La mezcla que evolucione se comporta como un gas perfecto. Esta hipotesis es razona-

blemente valida dentro del rango de presiones y temperaturas [11] que hay en la camara

de combustion.[12]

Las hipotesis antes mencionadas se basan en la siguiente ecuacion.

p · v = m ·Rm·Tm (1.1)

Donde:

p: Presion en la camara de combustion

υ: volumen formado por: la camara de combustion, el cilindro y una variacion

de volumen por las deformaciones mecanicas producidas en el motor.

m: masa atrapada en el cilindro (aire + gases de escape recirculados)

Tm: Temperatura de la mezcla que evoluciona dentro del cilindro.

Rm: Constante de la mezcla que evoluciona en el cilindro.

7

1.3.2 Fases del proceso de Combustion.

Segun [5], la evolucion del proceso de combustion diesel, se representa como la

comparacion entre la evolucion temporal de la masa de combustible inyectada por unidad

de tiempo y la energıa liberada en el proceso de combustion por unidad de tiempo. En

la figura 1.4 se puede observar un ejemplo de la evolucion temporal de ambas tasas

caracterısticas para un motor diesel de inyeccion directa. La secuencia de fases se describe

a continuacion:

-Tiempo de Retraso: (τdelay): Esta fase empieza con el inicio de la inyeccion del com-

bustible (SOI) y termina cuando se produce el inicio del proceso de combustion (SOC).

Durante esta fase (definida desde el instante de tiempo en el cual la tasa de inyeccion

crece por encima de cero), el combustible se mezcla con el aire gracias a una serie de

procesos fısicos como son la atomizacion del combustible lıquido, la evaporacion del com-

bustible atomizado y el englobamiento de aire. Dadas las propiedades termodinamicas de

la atmosfera donde se inyecta, la mezcla de aire y combustible no es estable.

-Combustion premezclada: Esta fase es la que sigue al τdelay. De caracter no estacio-

nario, se caracteriza por una rapida oxidacion del combustible que se ha mezclado con el

aire entre los lımites de inflamabilidad en la fase previa. La tasa de consumo de combus-

tible crece de una manera elevada y como consecuencia se presenta una elevada tasa de

liberacion de calor. El fuerte incremento de temperatura junto con el aumento brusco de

presion en un intervalo de tiempo tan corto, favorece el ruido caracterıstico de los motores

diesel. A partir del consumo de combustible se forman tanto las especies finales CO2 y

H2O, como los productos intermedios precursores del hollın.

-Combustion por difusion: Una vez se consume toda la masa de mezcla adquirida en

el tiempo de retraso, se observa una tasa mas baja de liberacion de calor que corresponde

a la fase de combustion por difusion. La ley de liberacion de calor durante la combustion

por difusion esta controlada principalmente por el proceso de mezcla del combustible

evaporado con el aire en el interior de la camara de combustion [13]. Durante esta fase la

estructura de la llama alcanza un perıodo cuasi-estacionario que se mantiene mientras se

siga inyectando combustible.

-Combustion por difusion tardıa. Una vez se termina el aporte de combustible (EOI),

termina el perıodo cuasi-estacionario de la combustion por difusion. En esta fase, cesa

el aporte de cantidad de movimiento del chorro para el proceso de mezcla, observandose

un decrecimiento progresivo de la ley de liberacion de calor causado por el deterioro del

8

proceso de mezcla aire-combustible. El fenomeno de oxidacion queda controlado entonces

por la turbulencia residual que queda en la camara de combustion hasta que se consuma

todo el combustible.

En motores diesel con inyeccion directa el numero de orificios del inyector juega un papel

importante, ademas que debe permitir la inyeccion previa para reducir el ruido de la

combustion y asegurar un inicio de la inyeccion lo antes posible para la inyeccion principal.

Esto reduce el consumo de combustible. [14]

Donde:

SOI: inicio de inyeccion. (Start of injection)

SOC: Inicio de combustion. (Start of combustion)

EOI: Fin de inyeccion. (End of injection)

DFQL: Tasa de liberacion de calor.

Hay que distinguir, un proceso de formacion de la mezcla, otro de encendido de la misma,

y finalmente, el proceso de la combustion general.

Figura 1.4: Diagrama de la tasa de inyeccion y de la tasa de liberacion de calor para un motordiesel de inyeccion directa donde se identifican las fases del proceso de combustion.

Fuente: [15].

9

1.4 Condiciones de la inyeccion en los motores Diesel.

1.4.1 Principios de la inyeccion.

La inyeccion del combustible en el interior de la camara de combustion en los motores

diesel debe realizarse a elevadas presiones (de 250 a 400 kg/cm2) En consecuencia, es

necesaria una bomba que soporte las grandes presiones que generan la valvula de salida

y los inyectores, esta bomba debe de efectuar dos funciones: el avance de la inyeccion y

la distribucion del combustible a presion a los cilindros del motor en el correspondiente

orden de inyeccion del ciclo del motor.

1.4.2 Alimentacion del Combustible.

En los motores diesel el combustible es aspirado del deposito e impelido hasta la bomba

de inyeccion por una bomba llamada de alimentacion. Un filtro de combustible instalado

en serie entre la bomba de alimentacion y la bomba de inyeccion, garantiza que ninguna

partıcula solida pueda rayar los elementos de presion de la bomba de inyeccion o bien

llegue a obstruir los orificios de salida de las toberas de los inyectores.[2]

1.5 Problemas y lımites de la combustion.

Como en los motores diesel el combustible inyectado se inflama por autoencendido, el

combustible ha de tener una buena inflamabilidad (CN 45 a 50). A pesar de la elevada

relacion se pueden presentar problemas de encendido en el arranque en frıo, con lo que la

temperatura y la relacion de compresion son muy bajas, ademas a bajo numero de revo-

luciones la preparacion del combustible no es satisfactoria (gotas grandes de combustible)

y el movimiento del aire es escaso, obteniendo un tiempo de vaporizacion mas largo y con

una elevacion apreciable de la cantidad de combustible sobre la cantidad a plena carga.

Los componentes de mas difıcil ebullicion del combustible del motor se pierden en forma

de humo blanco o azul. La emision de hollın se ha reducido en los motores diesel gracias

al aumento en la presion de inyeccion, uso de sobrealimentacion en los gases de escape y

la refrigeracion del aire de alimentacion.

La eficiencia termica de un ciclo de diesel estandar de aire frıo es solo una funcion de la

razon de compresion y de la razon de corte, pero otros factores son pertinentes con calores

especıficos variables. Los factores que afectan significativamente al proceso de combustion

10

son explicados a continuacion.

-Tiempo de retraso. Llamado tambien tiempo aparente de combustion, el cual hace

referencia al tiempo que transcurre entre el inicio de la inyeccion y el inicio de la com-

bustion.

-Regimen del motor. Al aumentar el numero de revoluciones, se incrementa la tempe-

ratura en la camara de combustion y en consecuencia disminuye el tiempo de retraso. Sin

embargo para conseguir que la combustion siga centrada se necesita de un sistema que

avance el comienzo de la inyeccion conforme aumenta el regimen de giro del motor.

-Calidad del Combustible. Para que el proceso de combustion se inicie rapidamente

y con un incremento de presion muy suave es necesario utilizar combustibles de buena

calidad o sea con un numero de cetano alto. Los combustibles diesel que cumplen con esta

caracterıstica poseen un alto porcentaje de hidrocarburos parafınicos. durante el proceso

de vaporizacion influyen otras propiedades del combustible como la viscosidad, tension

superficial y la volatilidad, las cuales tienen influencia sobre la velocidad de formacion de

la mezcla.

-Relacion de Compresion. La relacion de compresion [16] es el factor que determina

la temperatura en los motores diesel. A mayor relacion de compresion, mayor es la

temperatura que alcanza el aire cuando es comprimido dentro del cilindro. La ecuacion

que rige su comportamiento es la siguiente:

RC =Vcil + V cc

V cc(1.2)

El aumento de la relacion de compresion mejora las condiciones de presion y temperatura

para el momento en el que se da la inyeccion de combustible, disminuyendo el retraso a la

inflamacion, aumentando la velocidad de combustion y logrando un funcionamiento mas

suave del motor. Sin embargo, las altas relaciones de compresiones requieren tanto de

mayor resistencia mecanica como mayor robustez del motor.

-Angulo de avance de inyeccion. Un angulo de avance de inyeccion muy pequeno

ocasiona funcionamientos mas suaves en el motor debido a que las altas presiones y

temperaturas aseguran un rapido encendido con retrasos muy cortos, pero la potencia

desarrollada disminuye y aumenta la cantidad de combustible que se quema durante la

carrera de expansion. El valor optimo depende de la relacion de compresion, presion y

temperaturas iniciales del aire, caracterısticas del sistema de inyeccion y rpm.

11

-Calidad de pulverizacion. Esta aumenta con la presion de inyeccion reduciendo los re-

trasos a la inflamacion, pero esto dificulta el grado de penetracion el chorro de combustible

lo que puede empeorar el proceso de combustion.

-Tiempo de inyeccion. Para mayor produccion de potencia puede requerirse una dis-

minucion en la duracion de la inyeccion pero manteniendo aproximadamente invariable el

suministro ciclo a ciclo, ya que con esto se consigue aumentar la velocidad de crecimiento

de la presion. Aumentar las rpm mejora las condiciones de pulverizacion del combustible

y las condiciones de turbulencia del aire; sin embargo, el tiempo de retraso de inyeccion

aumenta y como consecuencia es necesario aumentar el angulo de avance de la inyeccion

para mantener el desarrollo de la presion maxima en las cercanıas del PMS.

-Punto de inyeccion. El rendimiento maximo y la potencia maxima tienen lugar cuando

la presion maxima de combustion se encuentra unos grados despues del PMS, por otro

lado cuando el PMS se encuentra dentro del tiempo de retraso este se reduce. Algunos

motores utilizan un punto de inyeccion posterior al correspondiente al de maxima potencia

para evitar gradientes de presion y presiones maximas de combustion excesivas, con el fin

de alargar la vida util del motor.

-Sobrealimentacion. En los motores sobrealimentados el aire admitido tiene una presion

y temperatura mas elevada, el tiempo de retraso se reduce, sin embargo, como la can-

tidad de combustible suministrado por grado de giro del ciguenal tiene que crecer para

que exista un aumento de potencia, sucede que la masa de combustible inyectada en el

retraso crece. Ademas la turbulencia es mayor, tanto el de gradiente de presion como la

presion maxima de combustion crecen, siendo esta ultima un factor limitador del grado

de sobrealimentacion.

Para resolver este problema es necesario reducir la cantidad de combustible por grado

de ciguenal, lo que lleva a que el angulo de inyeccion crezca, con lo que existen grandes

dificultades para garantizar una combustion completa.

La solucion se puede buscar por tres caminos, a saber:

1. Debido a que el aire admitido esta mas caliente que en un motor atmosferico, se

puede aumentar el avance a la inyeccion sin que aumente el retraso y siempre que

la combustion se encuentre cerrada.

2. Suministrar una gran cantidad de combustible al final de la inyeccion, lo que retrasa

el final de la combustion reduciendo el rendimiento y favoreciendo la formacion de

humos.

12

3. Disminuir el avance a la inyeccion, comenzando esta en las proximidades del PMS

de tal forma que el retraso sea mınimo. Ası las presiones maximas disminuyen al

efectuarse la combustion en la carrera descendente del embolo, y al ser pequeno el

tiempo de retraso. Debido a estas dos razones, puede incrementarse la cantidad de

combustible suministrado durante el comienzo de la inyeccion.

Otros factores que afectan a la combustion:

-Naturaleza del combustible. (Propiedades quımicas, aditivos e ındice de cetano.)

-Caracterizacion del chorro de inyeccion.

-Diseno de la camara de combustion.

1.6 Sistema de Alimentacion Common Rail.

La busqueda de conseguir un menor consumo de combustible, funcionamiento mas

silencioso del motor y una menor cantidad de sustancias nocivas en los gases de escape

someten al motor y al sistema de inyeccion a mayores exigencias. Dichas exigencias son

satisfechas con un sistema de inyeccion capaz de trabajar con una elevada presion de

inyeccion para conseguir una pulverizacion fina del combustible por los inyectores, de

dosificar con gran exactitud el caudal de inyeccion, de conseguir un desarrollo exacto de

la inyeccion y de generar procesos de inyeccion previa y postinyeccion. El sistema de

inyeccion Common Rail es capaz de satisfacer dichos requisitos. A diferencia de otros

sistemas de inyeccion, el combustible esta disponible permanentemente para la inyeccion

en un acumulador de alta presion.

Este es uno de los sistemas mas perfeccionados. Siendo superior a los sistemas de

inyeccion en lınea y rotativa [17], [18], su ventaja principal son las amplias posibilidades de

variacion en la configuracion de la presion de inyeccion y los momentos de inyeccion. Esto

se consigue mediante la separacion de la generacion de presion (bomba de alta presion) y

la inyeccion (inyectores). Como acumulador de presion se utiliza el conducto comun.

1.6.1 Campos de aplicacion del sistema common rail.

El sistema de inyeccion por acumulador Common Rail para motores con inyeccion

directa Diesel se utiliza en los siguientes vehıculos:

13

• Turismos, desde los motores muy economicos de tres cilindros, con una cilindrada

de 0,8 l, 30 kW (41 CV ) de potencia y 100 N ·m de par motor y un consumo de

combustible de 3,5 l/100 km, hasta los motores de ocho cilindros de los vehıculos

de la gama superior, con aproximadamente 4 lts. de cilindrada, 180 kW (245 CV )

de potencia y 560 N ·m de par motor.

• Vehıculos industriales ligeros, con potencias de hasta 30 kW/cilindro.

• Vehıculos industriales pesados, inclusive locomotoras y navıos con potencias de hasta

aprox. 200 kW/cilindro.

Figura 1.5: Sistema de Inyeccion por acumulador Common Rail en un motor Diesel de cincocilindros

Fuente: [19].

1. Tuberıa de retorno de combustible

2. Tuberıa de combustible de alta presion hasta el inyector

3. Inyector

4. Conducto comun

5. Sensor de presion del conducto comun

6. Tuberıa de combustible a alta presion hacia el conducto comun

7. Retorno de combustible

14

8. Bomba de alta presion

Este sistema ofrece una elevada flexibilidad en lo relativo a la adaptacion de la

inyeccion al motor. Esto se consigue mediante:

- Elevada presion de inyeccion de hasta aprox. 1600 bar

- Presion de inyeccion adaptada al estado de servicio (200 a 1800 bar)

- Comienzo variable de la inyeccion. Posibilidad de efectuar varias inyecciones previas y

posteriores (pueden efectuarse incluso postinyecciones muy retardadas).

El sistema Common Riel contribuye a incrementar la potencia especıfica y a

reducir el combustible, la emision de ruidos y la expulsion de sustancias nocivas de los

motores diesel.

1.6.2 Estructura del sistema common rail.

El sistema Common Rail comprende los siguientes grupos principales:

-Parte de baja presion, con los componentes de alimentacion de combustible.

-Parte de alta presion, con la bomba de alta presion, el conducto comun, los inyectores y

las tuberıas de combustible de alta presion.

-Sistema de regulacion electronica Diesel (EDC), con los sensores, unidad de control y

elementos de regulacion (actores) del sistema.

Los inyectores son los componentes principales del sistema Common Rail. Van

equipados con una valvula de conmutacion rapida (valvula electromagnetica o regulador

piezoelectrico), mediante la cual se abre y se cierra el inyector. De esta manera es posible

controlar por separado el proceso de inyeccion para cada cilindro. -Inyectores.

-Conducto o riel comun.

-Bomba de alta presion.

-Regulador de presion.

-Filtro de combustible.

-Bomba y prefiltro de combustible.

-Deposito de combustible.

15

Figura 1.6: Componentes del sistema de Inyeccion common Rail

Fuente: [20].

Todos los inyectores estan conectados al conducto comun, como se indica en

[21]. De aquı se deriva el nombre Common Rail, la caracterıstica principal de este sistema

consiste en que la presion del sistema puede ajustarse dependiendo del momento de servicio

del motor. El ajuste de la presion se efectua mediante la valvula reguladora de presion o

la unidad de dosificacion (figura 1.7)

La estructura modular del sistema Common Rail facilita su adaptacion a los

diferentes motores.

-Regulacion de la presion en el lado de alta presion con valvula reguladora de presion

utilizada en turismos.

-Regulacion de la presion en el lado de aspiracion con unidad de dosificacion (para turismos

y vehıculos industriales) abridada a la bomba de alta presion.

-Regulacion de la presion en el lado de aspiracion con unidad de dosificacion y regulacion

adicional con valvula reguladora de presion (para turismos).

16

Figura 1.7: Ejemplos de regulacion de alta presion de sistemas Common Rail

Fuente: [19].

1. Bomba de alta presion

2. Alimentacion de combustible

3. Retorno de combustible

4. Valvula reguladora de presion

5. Conducto comun

6. Sensor de presion del conducto comun

7. Conexion del inyector

8. Conexion de retorno de combustible

9. Valvula limitadora de presion

10. Unidad de dosificacion

11. Valvula reguladora de presion

17

1.6.3 Funcionamiento y generacion de presion en el sistema com-mon rail.

En el sistema de inyeccion por acumulador common rail se encuentran separadas

la generacion de presion y la inyeccion. La presion de inyeccion se genera independi-

entemente del regimen del motor y del caudal de inyeccion. El sistema de regulacion

electronica Diesel (EDC) controla cada uno de los componentes.

La separacion de la generacion de presion y de la inyeccion se efectua con ayuda

de un volumen de acumulacion. El combustible sometido a presion se encuentra disponible

para la inyeccion en el volumen de acumulacion del Common Rail.

Segun lo expuesto en [21], la presion de inyeccion deseada se genera mediante una

bomba de alta presion accionada continuamente por el motor. Esta bomba mantiene la

presion en el conducto comun independientemente del numero de revoluciones del motor

del caudal de inyeccion. Debido a la alimentacion practicamente uniforme, la bomba de

alta presion puede ser significativamente menor y con un par de accionamiento maximo

mucho mas reducido que en el caso de los sistemas de inyeccion convencionales. Esto

comporta asimismo una reduccion importante de los esfuerzos a que se debe ver sometido

el accionamiento de la bomba.

La bomba de alta presion es una bomba de embolos radiales, en el caso de los

vehıculos industriales concebida tambien en parte como bomba de disposicion en serie.

1.6.4 Regulacion de presion

Segun el sistema se utilizan diferentes procesos de regulacion de la presion.

1.6.4.1 Regulacion en el lado de alta presion.

En los sistemas para turismos se regula la presion deseada en el conducto comun

mediante una valvula reguladora de presion del lado de alta presion. El combustible

innecesario para la inyeccion refluye al circuito de baja presion a traves de la valvula

reguladora de presion. Esta regulacion permite obtener una rapida adaptacion de la

presion existente en el conducto comun en el caso de modificacion del momento de servicio.

La regulacion del lado de alta presion se utilizo en los primeros sistemas Common

Rail. La valvula reguladora de presion se encuentra montada con mas frecuencia en el

conducto comun, en algunas aplicaciones directamente en la bomba de alta presion.

18

1.6.4.2 Regulacion de caudal del lado de aspiracion.

Otra posibilidad de regulacion de la presion del conducto comun consiste en la

regulacion de caudal del lado de aspiracion.

La unidad de dosificacion sujetada a la bomba de alta presion permite que la

bomba suministre al conducto comun el caudal de combustible exactamente necesario

para mantener la presion de inyeccion precisa para el sistema. Una valvula limitadora

de presion evita que se produzca un incremento inadmisible de la presion del conducto

comun en caso de averıa.

Con la regulacion de caudal del lado de aspiracion, es menor el volumen de

combustible a alta presion, y con ello tambien el consumo de potencia de la bomba.

Esto tiene efectos positivos en el consumo de combustible. Al mismo tiempo se reduce la

temperatura del combustible devuelto al deposito de combustible en comparacion con la

de la regulacion en el lado de alta presion.

subsubsectionSistema de doble regulacion. En este sistema, la regulacion se en-

cuentra en el lado de alta presion mediante la valvula reguladora de presion, combina las

ventajas de la regulacion en el lado de alta presion y la regulacion de caudal en el lado de

aspiracion.

1.6.4.3 Inyeccion.

Los inyectores suministran el combustible directamente en la camara de com-

bustion del motor. Reciben el combustible del conducto comun a traves de tuberıas de

combustible a alta presion. La unidad de control del motor del motor controla la valvula

de mando integrada en el inyector, encargada de la apertura y cierre del inyector.

La duracion de la apertura del inyector y la presion del sistema determinan el

volumen de combustible aportado. Con una presion constante, el caudal de combustible

inyectado es proporcional al tiempo de conexion de la valvula de mando y, con ello, es

independiente del numero de revoluciones del motor o de la bomba (inyeccion controlada

en funcion del tiempo).

La separacion de las funciones de generacion de presion e inyeccion aporta, en

comparacion con los sistemas de inyeccion convencionales, un mayor grado de libertad

en lo relativo al desarrollo de la combustion: la presion de inyeccion puede elegirse con

gran libertad en el diagrama de curvas caracterısticas. La presion de inyeccion maxima

19

es actualmente de 1600 a 1800 bar.

Gracias a las inyecciones previas o multiples del sistema Common Rail es posible

obtener una disminucion adicional de las emisiones de gases de escape, y una reduccion

significativa de los ruidos originados por la combustion. Mediante varias activaciones

de la valvula de mando, de funcionamiento extremadamente rapido, pueden efectuarse

inyecciones multiples de hasta cinco inyecciones por ciclo de inyeccion. La aguja del

inyector se cierra con asistencia hidraulica y asegura ası un rapido fin de inyeccion. [21]

1.6.4.4 Comportamiento de la inyeccion con el sistema Common Rail.

Un comportamiento de inyeccion ideal debe cumplir las siguientes exigencias adi-

cionales al comportamiento de inyeccion convencional:

-La presion de inyeccion y el caudal de inyeccion deben poderse establecer independien-

temente entre sı para cada punto de servicio del motor (grado de libertad adicional para

la formacion de la mezcla).

-El caudal de inyeccion debe ser al comienzo de la misma, lo mas reducido posible (durante

el retraso de encendido entre el comienzo de la inyeccion y el comienzo de la combustion).

En el sistema de common rail con inyeccion previa e inyeccion principal, se cum-

plen estas exigencias (figura 1.9). El sistema Common Rail esta estructurado modular-

mente. Del comportamiento de inyeccion son responsables en primera lınea los siguientes

componentes:

• Inyectores controlados por electrovalvula, que estan enroscados en la culata

• Acumulador de presion (Rail) y bomba de alta presion.

Para el servicio del sistema se necesitan ademas los siguientes componentes:

• Unidad de control electronica.

• Sensor de revoluciones del ciguenal y sensor de revoluciones del arbol de levas (sensor

de fases). Los inyectores que estan unidos al Rail a traves de tuberıas cortas,

se componen esencialmente de un inyector y de una electrovalvula. La unidad

de control suministra corriente a las electrovalvulas para su conexion (comienzo

de inyeccion). Al desconectarse la corriente, concluye la inyeccion. El caudal de

combustible inyectado es, con una presion determinada, proporcional al tiempo de

20

conexion de la electrovalvula y es independiente del numero de revoluciones del

motor o de la bomba (inyeccion controlada temporalmente).

Figura 1.8: Desarrollo de inyeccion en la inyeccion convencional

Fuente: [16].

Figura 1.9: Desarrollo de inyeccion en la inyeccion Common Rail.

Fuente: [16].

21

2 ESTUDIO DEL PROCESO DE MEDICION

POR TERMOGRAFIA INFRARROJA.

2.1 Antecedentes Historicos de la Termografıa In-

frarroja.

En 1738, nacio en Hannover (Alemania) el astronomo y musico Frederick Wil-

liam Herschel. Personaje que realizo el descubrimiento de los rayos infrarrojos.

Figura 2.1: Frederick William Herschel, descubridor de los rayos infrarrojos.

Fuente: [22].

Durante 1800, Herschel se dispuso a medir las cualidades del espectro de luz solar;

para ello descomponıa la luz solar con un prisma y medıa las temperaturas correspondi-

entes a las zonas de distinto color en que se descompone la luz. Posteriormente, observo

que el termometro mostraba la mayor temperatura en una banda inmediatamente conti-

gua a la banda roja del espectro visible, lo que le llevo a pensar que se trataba de una

manifestacion de luz invisible al ojo humano; y la denomino ultrarroja; es decir, mas alla

del rojo.[23]

22

Inicialmente la termografıa fue creada para cubrir necesidades militares. Un

primer ejemplo practico fue la primera camara termografica, creada en Suecia en 1958 para

poder ver en la oscuridad y detectar amenazas durante la noche y la primera destinada

a aplicaciones comerciales se desarrollo en 1965, utilizandose para inspeccionar lıneas de

alta tension. El problema con este tipo de instrumentacion era su gran tamano, teniendo

que esperar hasta 1997 para que saliese al mercado la primera camara realmente portatil.

Esto fue posible al crear un detector no refrigerado, denominandose microbolometro, este

detector hizo las camaras mas economicas y menos susceptibles de averıas. Fue a partir del

uso del microbolometro cuando se extendio el uso de las camaras termograficas a campos

mas comerciales, como pueden ser el: industrial, automovilıstico, marıtimo, aeronautico

o el de la edificacion.

2.2 Principios Fısicos en Termografıa.

2.2.1 El Calor.

En la vida cotidiana, se usa el termino “calor” con mucha frecuencia, pero de

manera inconsistente, razon por la cual es importante definir que se entiende por calor y

clarificar los fenomenos y conceptos relacionados con el.

El calor fluye espontaneamente de un objeto con temperatura mas alta hacia

otro con temperatura mas baja. La unidad del calor se denomina calorıa (cal), En el

siglo XIX, James Prescott Joule (1818-1889), y otros investigadores realizaron varios

experimentos que fueron cruciales para la aceptacion de la vision actual de que el calor,

al igual que el trabajo representa una transferencia de energıa.[22]

2.2.2 Transferencia de Calor por Radiacion.

La radiacion termica consiste en energıa electromagnetica en transporte, dicha

energıa es caracterıstica en cualquier material con temperatura superior al cero absoluto1 .

Esta energıa se transporta y, cuando llega a un material, es absorbida total o parcialmente.

Esta generalmente se transforma en energıa interna (el material se calienta). Contrario a

la conduccion y conveccion, la radiacion se transmite mucho mejor en el vacıo que en un

medio material, ademas de que es mucho mas sensible a la temperatura.[24]

1El cero absoluto es la base de la escala de temperatura Kelvin, En esta escala, -273.15 ◦C se tomacomo punto cero, es decir, 0 ◦K

23

Figura 2.2: Transferencia de calor por radiacion.

Fuente: [25].

H = G · (Tc − Tf ) (2.1)

G ∝ A (2.2)

Donde:

H= Flujo de calor (J/seg) Tc= Temperatura del cuerpo caliente. A= area de

interaccion entre cuerpos. Tf= Temperatura del cuerpo frıo. G= Conductividad termica

J/(seg ·◦ C)=1/resistencia termica.

2.2.3 Radiacion Infrarroja.

La radiacion infrarroja es la radiacion electromagnetica de longitudes de onda

mas altas (menores frecuencias) que la de la luz roja; una longitud de onda tıpica es

de alrededor de 1000 nm. Esta longitud de onda corresponde a una frecuencia de unos

x10E14Hz, que es comparable a la energıa con la cual las moleculas pueden absorber

radiaciones infrarrojas y excitarse vibracionalmente. [26]

Se caracteriza por transmitir calor al chocar con cualquier objeto, elevando su

temperatura; a dicha radiacion se le puede atribuir la sensacion de calor que se siente

cuando nos aproximamos a cualquier objeto caliente.

2.2.4 Espectro Electromagnetico.

Las distintas radiaciones electromagneticas se diferencian entre sı por su frecuen-

cia f o su longitud de onda λ, ya que ambas estan relacionadas por la ecuacion f · λ = c,

donde c = 3x108m/seg. Siendo esta la velocidad de propagacion de la radiacion.

24

Segun [27] En el caso de que el medio de propagacion sea el vacıo, resulta que:

c = f · λ (2.3)

Se llama espectro magnetico al conjunto de todas las radiaciones electromagneticas

ordenadas por orden de frecuencia o de longitud de onda.

Teniendo en cuenta la ecuacion de Planck descrita por [28]:

E = h · f (2.4)

Donde:

E= energıa.

h= 6.62x10−34J . (Constante de Planck).

f= Frecuencia.

Una determinada radiacion electromagnetica transportara mayor cantidad de

energıa cuanto mas elevada sea su frecuencia o menor sea su longitud de onda. [27]

La radiacion no se distribuye de forma continua, sino en forma de partıculas discretas

llamadas fotones de energıa o cuantos de luz.

Al sustituirla ecuacion 2.3 en la ecuacion de Plank, resulta la misma expresion

que la expuesta en [29]:

E = h · cλ

(2.5)

La radiacion electromagnetica se propaga a la velocidad de la luz, no es desviada:

por campos magneticos o electricos, no poseen masa, al ser una cantidad determinada

de energıa que se desplaza a velocidad constante y cumple la ecuacion de Plank, misma

que se detalla en [30]. El espectro electromagnetico se divide en distintas zonas, sin estar

estas nıtidamente separadas entre sı y se ilustran acontinuacion.

La zona en la que es sensible al ojo humano se llama luz visible. El ojo humano

es sensible a las radiaciones electromagneticas comprendidas entre 7x10−7m y 4x10−7m.

Las zonas con longitudes de onda ligeramente inferiores a las de la luz visible se

denominan rayos ultravioleta. Con longitudes de onda mas pequenas todavıa estan los

rayos X y los rayos gamma (γ). Por el otro lado de la zona de luz visible estan los rayos

infrarrojos, que tienen una longitud de onda ligeramente superior a la de la luz visible.

[27] El espectro infrarrojo se extiende desde el lımite del rango visible hasta la region de

25

Figura 2.3: El espectro electromagnetico

Fuente: [31].

las microondas. Sin embargo, existen dos regiones donde la transmision es mas elevada, la

zona de 760-2000 nm. (Sistemas de onda corta) y la zona de 4000 a 10000 nm. (Sistemas

de onda larga).

La radiacion infrarroja cubre tres bandas de longitud de onda diferentes, mismas

que se exponen en la tabla 2.1:

Tipo de onda Radiacion Longitud de onda

Corta IR-A 760-2000 nm.

Media IR-B 2000-4000 nm.

Larga IR-C 4000-10000 nm.

Tabla 2.1: Bandas de longitud de Onda.

Fuente: [32].

2.2.5 Flujos de Radiacion.

La capacidad de acumulacion de calor de un cuerpo dependera de factores como:

su volumen, densidad y su calor especıfico. Mientras mayores sean estos, el cuerpo acu-

mulara, ya sea mas calor o mas frıo y mantendra su temperatura por un mayor perıodo

de tiempo; transcurrido el periodo de calentamiento o enfriamiento.

26

2.2.5.1 El cuerpo negro.

Cuando se describen las caracterısticas de radiacion de superficies reales, es indis-

pensable introducir el concepto de cuerpo negro. El cuerpo negro es una superficie ideal

que tiene las siguientes propiedades.

1. Un cuerpo negro absorbe toda la radiacion incidente, sin importar la longitud de

onda y la direccion.

2. Para una, temperatura y longitud de onda establecidas, ninguna superficie puede

emitir ma energıa que un cuerpo negro.

3. Aunque la radiacion emitida por un cuerpo negro es una funcion de la longitud de

onda y la temperatura, es independiente de la direccion. Es decir, el cuerpo negro

es un emisor difuso.

Como absorbedor y emisor ideal, el cuerpo negro sirve como un modelo con el

que se pueden comparar las propiedades radiativas de cuerpos reales.

Aunque sus propiedades son similares con algunas superficies, es importante notar

que ninguna posee precisamente las propiedades de un cuerpo negro. La aproximacion

mas acertada se logra con una cavidad cuya superficie interna esta se encuentra a una

temperatura uniforme. Si entra radiacion por la cavidad a traves de un pequeno orificio.

[33]

Figura 2.4: Aproximacion a un cuerpo negro.

Fuente: Los autores.

2.2.5.2 Cuerpo Gris.

Al ser el cuerpo negro un objeto ideal, Las superficies de los elementos existentes

no lo son. Un cuerpo es gris cuando su coeficiente de reflexion, (r) no es nulo y en

27

consecuencia sus coeficientes de absorcion (a) y de emision (e) son inferiores a la unidad.

Todos los cuerpos grises, sin excepcion, tienen una distribucion espectral con la

misma forma que los cuerpos negros llevados a la misma temperatura. Como consecuencia,

la relacion de las energıas emitidas a una temperatura T por dos longitudes de onda λ1 y

λ2 es la misma para un cuerpo gris que para un cuerpo negro.

Como ya se vio anteriormente la ley de Stefan Boltzmann se aplica a los cuerpos

grises, al multiplicar el coeficiente de emisividad por la energıa emitida por el cuerpo negro

a la misma temperatura.

2.2.5.3 Relacion con la irradiacion y la radiosidad.

Una radicacion incidente, se puede originar apartir de la emision y reflexion que

ocurre en otras superficies, este fenomeno recibe el nombre de irradiacion y, esta presente

cuando existen dos o mas focos de radiacion. La radiosidad, por otro lado, es la totalidad

de energıa radiante emitida por la superficie de un elemento, razon por la cual .

2.2.6 Leyes Fundamentales de la radiacion.

Con el continuo avance de la ciencia, actualmente la rama de la radiacion tiene

sus cimientos en tres leyes fundamentales: La ley de Planck, ley de Stefan-Boltzmann

y la ley de radiacion de Kirchhoff, mismas que seran analizadas a continuacion:

2.2.6.1 Ley de Planck.

De acuerdo con la ley de Planck[12], la densidad de energıa que emite un cuerpo

es independiente de su naturaleza, ya que es funcion exclusivamente de la longitud de

onda y temperatura a la que se encuentra:

µ =8πhc

λ5(ehcλkbT − 1)

(2.6)

Donde:

h: es la constante de Planck (h= 6.62517x10−34 J · seg)

kB: Es la constante de Boltzmann (kB = 1.38054x10−23J ·◦ K−1

c: Velocidad de la luz.

28

La curva discontinua de la figura 2.5, que une los maximos de densidad de energıa

para cada isoterma, representa la ley de desplazamiento de Wien.

Figura 2.5: Conjunto de isotermas de densidad de energıa segun la ley de Planck en funcionde la longitud de onda de la radiacion emitida.

Fuente: [34].

2.2.6.2 Ley de desplazamiento de Wien.

La energıa radiante que emite un cuerpo en funcion de su temperatura es la

suma de todas las energıas radiantes monocromaticas del espectro que lo constituyen.

Cada radiacion monocromatica tiene una longitud de onda comprendida entre λ y λ +

dλ. La figura 2.6 ofrece la distribucion de la energıa en el espectro del cuerpo negro a

diferentes temperaturas. En ordenadas se presenta la energıa de las distintas radiaciones

monocromaticas, que emite el cuerpo debido a su temperatura, y en abscisas sus longitudes

de onda. En esta representacion vemos como se cumple la ley de Stefan Boltzmann,

ya que la temperatura, es directamente proporcional a la energıa radiada.

Segun [36] la energıa maxima, entre las diferentes radiaciones monocromaticas

que constituyen el espectro de la energıa radiante total emitida por un cuerpo debido a

su temperatura, corresponde a una longitud de onda λmax, cuyo valor es inversamente

proporcional a la temperatura absoluta. Dicha ley se rige en base a la ecuacion 2.12:

λmaxT = δ (2.7)

Siendo δ una constante universal equivalente a: δ = 0.289, cuando λ se mide en

29

Figura 2.6: Distribucion de la energıa en el cuerpo negro a diferentes temperaturas.

Fuente: [35].

cm.

En el grafico tambien se observa como se cumple la ley de desplazamiento de

Wien, pues se puede observar como el maximo de energıa se desplaza hacia las ondas de

menor longitud.

2.2.6.3 Ley de Stefan-Boltzmann.

Todos los materiales tienen la capacidad de absorber radiacion infrarroja aumen-

tando su temperatura; asi como todos los materiales con temperatura superior al cero

absoluto emiten energıa infrarroja[32]. La termografıa es una tecnica que aprovecha la ra-

diacion emitida por la superficie de un cuerpo como variable termometrica. Esta radiacion

es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura superficial del objeto:

W = ε · A · T 4(W

m2) (2.8)

Donde: W : es la energıa radiante de un cuerpo.

ε : es la emisividad.

A : es la constante de Stefan Boltzmann (5.7x108W · m2 ·◦ K−4). T : es la

temperatura absoluta del objeto.

30

2.2.6.4 Ley de Radiacion de Kirchhoff.

En general una fuente de radiacion esta rodeada por otras, de modo que se com-

porta como un emisor y receptor de radiacion. Su temperatura varıa en funcion de la

magnitud de las energıas emitida y absorbida. Se dice que existe equilibrio de radiacion

si estas son iguales, independientemente de su longitud de onda.

Si se introduce un cuerpo en una cavidad en la que se tiene radiacion de cuerpo

negro (L·◦C(T )) y se deja evolucionar el sistema hasta que quede restablecido el equilibrio

a la temperatura T , el resultado se asemeja a la modificacion de las paredes de la cavidad,

de modo que no varıa el campo de radiacion.[32] Pero considerando que, en general, el

cuerpo absorbe una fraccion αλ del flujo radiante φlambda incidente sobre un diferencial

de superficie (dS) en cualquier direccion y emite su propia radiancia Lλ, obtenemos la

siguiente expresion:

(1 + αλL◦λ)(T ) + Lλ = L

◦

λ(T ) (2.9)

Que conduce a la solucion:

Lλ(T ) = αλL◦

λ(T ), 0 ≤ αλ ≤ 1 (2.10)

Para una determinada longitud de onda, si el cuerpo situado en el interior de la

cavidad se encuentra en equilibrio de radiacion, la energıa absorbida por el cuerpo, por

unidad de superficie y de tiempo sera:

Eλ(absorbida) = αλRλ = Elambda(emitida) = ελE◦

λ (2.11)

Siendo αλ el coeficiente de absorcion y ελ la emisividad de la misma superficie.

Si se sustituye el cuerpo en cuestion por un cuerpo negro del mismo tamano y a la misma

temperatura resulta:

Eλ(absorbida) = Rλ = Elambda(emitida) = E◦

λ (2.12)

Considerando las relaciones anteriores, se tiene:

αλ = ελ (2.13)

31

La expresion constituye la ley de Kirchhoff, misma que enuncia lo siguiente:

Para cada longitud de onda, el coeficiente de absorcion αλ de una superficie dada es igual

a la emisividad ελ de esta misma superficie, a la misma temperatura.[32]

2.2.7 Formas caracterısticas en las que se presenta la onda deradiacion.

La radiacion registrada por la camara termografica consiste en la radiacion de

onda larga, emitida, reflejada y transmitida que surge de los objetos presentes en el

campo de vision de la camara.

2.2.7.1 Irradiacion Espectral.

La irradiacion espectral Gλ(W/m2 · µ · m) es la rapidez a la que la radiacion

de longitud de onda λ incide sobre una superficie por unidad de area de la superficie y

por intervalo de longitud de onda unitario dλ alrededor de λ. Puede incidir de todas las

direcciones posibles, y se puede originar desde varias fuentes diferentes. La irradiacion

total G(W/m2 abarca todas las contribuciones espectrales.

En la situacion mas comun, la irradiacion interactua con un medio semitranspa-

rente, tal como una capa de agua o una placa de vidrio. Como se muestra en la figura

2.7, Para una componente espectral de la irradiacion, partes de esta irradiacion se pueden

reflejar, absorber y transmitir. A partir de un balance de radiacion sobre el medio se sigue

que:

Gλ = Gλref +Gλabs +Gλtr (2.14)

32

Figura 2.7: Procesos de absorcion, reflexion y transmision asociados con un medio semitrans-parente.

Adaptado de: [11].

2.2.7.2 Emisividad. (ε)

La emisividad es una medida de la capacidad de un material para radiar y absor-

ber energıa. Materiales con alta emisividad absorben e irradian mucha energıa.[37] En los

metales la emisividad aumenta generalmente con la temperatura. Las emisividades de los

metales pulimentados son bajas y estan comprendidas en el intervalo de 0.03 a 0.08.[38]

Figura 2.8: Emisividad de un material.

Fuente: [39].

La emisividad queda determinada por la siguiente relacion:

ε =

∫∞0ελM

0(T )dλ

σT 4(2.15)

En funcion del valor de ε, los cuerpos se pueden clasificar en:

Radiadores perfectos (cuerpo negro), en los que:

33

ε(λ) = ε = 1 (2.16)

Cuerpos grises, para los que: 0 < ε(λ) < 1, siendo ε(λ) constante cuando:

ε(λ) = ε = 0 (2.17)

Sin embargo, el caso mas habitual es aquel en el que la emisividad espectral de

un cuerpo es variable de acuerdo con la frecuencia de emision, de este modo:

ε(λ) = f(λ) (2.18)

En esta situacion el cuerpo se conoce como radiador selectivo de modo que

cada superficie queda caracterizada por su signatura espectral.

2.2.7.3 Absortividad (α)

Esta propiedad es similar a la antes mencionada. Se caracteriza por determinar

que fraccion de la radiacion que llega al cuerpo es absorbida por el mismo, dependiendo

de la radiacion incidente y de su distribucion direccional.

La absortividad hemisferica o total, α, representa un promedio integrado sobre

la direccion y la longitud de onda. Se define como la fraccion de la irradiacion total

absorbida por una superficie.

α =Gabs

G(2.19)

Y, se puede expresar como:

α =

∫∞0αλ(λ)Gλ(λ)dλ∫∞0Gλ(λ)dλ

(2.20)

2.2.7.4 Reflectividad (ρ)

Segun [40] la reflectividad es una propiedad que determina la fraccion de la radi-

acion incidente reflejada por una superficie. Su definicion especıfica puede tomar varias

formas, pues la propiedad es inherentemente bidireccional.

34

La reflectividad hemisferica espectral ρλ,θ(θ) se define entonces como la fraccion

de la irradiacion espectral que es reflejada por la superficie. En consecuencia,

ρλ(λ) =Gλ,ref (λ)

Gλ(λ)(2.21)

La reflectividad hemisferica total ρ se define entonces como:

ρ =Gref

G(2.22)

En cuyo caso,

ρ =

∫∞0ρλ(λ)Gλ(λ)dλ∫∞0Gλ(λ)dλ

(2.23)

2.2.7.5 Transmisividad (τ ).

Figura 2.9: Transmitancia de un Material

Fuente: [41].

Aunque el tratamiento de la respuesta de un material semitransparente a la ra-

diacion incidente es un problema complicado, a menudo se pueden obtener resultados

razonables mediante el uso de transmisividades hemisfericas definidas como:

τλ,tr(λ) =Gλ,tr(λ)

Gλ(λ)(2.24)

Y,

τ =Gtr

G(2.25)

La transmisividad total τ esta relacionada con la componente espectral τλ medi-

35

ante:

τλ,tr(λ) =

∫∞0Gλ,tr(λ)dλ∫∞

0Gλ(λ)dλ

=

∫∞0τλ(λ)Gλ(λ)dλ∫∞0Gλ(λ)dλ

(2.26)

2.3 Definicion de Termografıa Infrarroja.

La termografıa consiste en el registro grafico de calor emitido por la superficie

de un objeto en forma de radiacion infrarroja. Las radiaciones que emiten los objetos

aumentan con la temperatura, por tanto, al detectar estas radiaciones infrarrojas las

camaras termograficas nos permiten visualizar, registrar y esquematizar las diferencias de

temperaturas de los objetos. Se trata de un procesamiento de medicion sin contacto y

no invasivo que permite analizar termicamente las superficies de los objetos a estudiar y

detectar fuentes de calor para ası mejorar la eficiencia energetica del objeto.

La fısica permite convertir las mediciones de la radiacion infrarroja en mediciones

de temperatura, esto se logra midiendo la radiacion emitida en la porcion infrarroja del

espectro electromagnetico desde la superficie del objeto, convirtiendo estas mediciones en

senales electricas.

Los ojos humanos no son sensibles a la radiacion infrarroja emitida por un objeto,

pero las camaras termograficas, son capaces de medir esta energıa mediante sensores

infrarrojos, apropiados para captar estas longitudes de onda. Esto nos permite medir

la energıa radiante emitida por objetos y, por tanto, determinar la temperatura de la

superficie a distancia, en tiempo real y sin contacto. [42]

2.3.1 Elementos del Sistema Termografico.

Un sistema termografico cumple con la funcion de obtener termogramas, los que

posteriormente seran analizados para obtener informacion sobre la existencia de alguna

anomalıa.

A continuacion se detallan cada uno de los elementos de un sistema termografico.

1. El objeto.- Corresponde al componente del equipo que se va a analizar

2. El medio de transmision.- Es el medio en el cual se transmitiran las ondas

electromagneticas infrarrojas emitidas por el objeto.

3. El sensor.- Es el elemento principal del sistema, generalmente es la camara ter-

mografica acompanada de su respectivo software (tambien puede hacerse uso de

36

termopares y pirometros infrarrojos), el mismo en el que se analizara el termograma

para determinar la severidad de la anomalıa, en caso de que exista.

2.3.2 Ventajas y desventajas de la termografıa Infrarroja.

Como toda tecnica de diagnostico, posee sus fortalezas; pero tambien sus debi-

lidades, las mas importantes y de mayor significancia para nuestro trabajo se exponen a

continuacion, pero pueden ser estudiadas a profundidad en [43].

Ventajas. Entre las ventajas de esta tecnica, podemos citar:

-La inspeccion se realiza a distancia, sin contacto fısico con el elemento en condiciones

normales de funcionamiento lo cual nos permite medir, desde una distancia de seguridad,

altas temperaturas o bien registrar dichas temperaturas sin tener que detener el dispositivo

o mecanismo de analisis.

-Se trata de una tecnica que permite la identificacion precisa del elemento defectuoso, a

diferencia de analisis pirometricos que permiten la medicion de temperatura en un punto.

-Es aplicable a diferentes equipos electricos y mecanicos.

-Los sensores presentan un tiempo de respuesta muy pequeno a la radiacion termica

incidente, con lo cual la medida es instantanea. Esto permite cuantificar la repercusion

de las variaciones de carga sobre el mismo y planificar su mantenimiento.

-El sistema de barrido optico de la camara, permite inspeccionar amplias areas superfi-

ciales, y grabar la imagen de interes. La imagen termografica registrada puede analizarse

a posteriori, para tratarla con el software asignado por el fabricante de la camara.

Desventajas.

Entre las desventajas y/o inconvenientes, hay que considerar las siguientes:

-Capacidad limitada para la identificacion de defectos internos si estos no se manifiestan

externamente en forma de temperatura.

-Los reflejos solares pueden enmascarar o confundir defectos. Debido a las interferencias

solares, puede ser necesario realizar ciertas lecturas crıticas durante la noche o en dıas

nublados.

-El estado de carga del elemento bajo analisis puede influir en la determinacion de las

anomalıas.

37

2.3.3 Aplicaciones de la termografıa.

Los campos de aplicacion de esta tecnica tienen una extensien que va mas le-

jos de la simple toma de medidas de temperatura, abarcando aplicaciones industriales,

constructivas, medicas ası como de investigacion y desarrollo.

Siendo mas especıficos, se puede citar: La localizacion de defectos en instalaciones

electricas, el control de procesos de fabricacion, vigilancia en condiciones nocturnas o de

visibilidad reducida, la deteccion de perdidas energeticas en edificaciones y hornos, o estu-

dio de dispositivos mecanicos, estos son algunos ejemplos y aplicaciones de la termografıa

infrarroja, mismos en los que se puede obtener importantes beneficios.[44]

2.4 Instrumentacion para la termografıa infrarroja.

2.4.1 Pirometro de Infrarrojos.

El pirometro de infrarrojos capta la radiacion espectral del infrarrojo, invisible

al ojo humano, y puede medir temperaturas menores a 700◦C, supliendo al pirometro

optico que solo puede trabajar, eficazmente, a temperaturas superiores a 700◦C, donde la

radiacion visible emitida es significativa. Las temperaturas medidas abarcan desde valores

inferiores a 0◦C hasta 4000◦C.

En la figura 2.10 puede verse un esquema del pirometro de infrarrojos. La lente

filtra la radiacion infrarroja emitida por el area del objeto examinado y la concentra en un

sensor de temperatura fotoresistivo que la convierte en una senal de corriente y, a traves

de un algoritmo interno del instrumento y de la emisividad del cuerpo enfocado, la pasa a

un valor de temperatura. La senal de salida puede ser analogica (4-20mA CC.) o digital.

La relacion de la distancia del objeto al sensor, y del tamano de la imagen sobre la lente,

varıa entre 2:1 hasta 300:1.

38

Figura 2.10: Esquema de un pirometro de infrarrojos.

Fuente: [45].

2.4.2 Camara termografica.

Una camara de termografıa infrarroja puede definirse como un transductor sen-

sible a la radiacion termica, capaz de captar la energıa emitida desde la superficie de

cuerpos calientes. Por tanto, la inspeccion termografica es una tecnologıa valida para el

analisis de cualquier instalacion o maquina donde la transferencia de calor y la tempera-

tura superficial de los elementos que la constituyen desempenen un papel importante.[46]

La camara testo 882 es una camara practica y resistente que permite deter-

minar y representar la distribucion de la temperatura en superficies sin contacto sus

caracterısticas de funcionamiento pueden visualizarse en [47].

2.4.2.1 Detectores Infrarrojos.

Las camaras infrarrojas contienen detectores cuyo conjunto es denominado FPA

(Focal plane Array, es decir arreglo de plano focal). El numero de detectores define el

numero de pixeles.[48] Hay dos tipos de detectores:

• Los detectores cuanticos, son foto-detectores refrigerados, acoplados a un subs-

trato que hace la salida electrica de la lectura del pixel (ROIC, Read-Out Integrated

Circuit). Que es la hibridacion de la optica con su electronica. La tasa de actuali-

zacion es de varios centenares de Hz.

• Los microbolometros son termometros no refrigerados, cuando un foton llega,

es detectado a traves de un cambio de temperatura en el detector, cambiando

la conductividad del material, monitorizandose mediante variacion de intensidad

de corriente de referencia que circula por el dispositivo. El receptor esta aislado

39

termicamente del ROIC ademas de ser electricamente conductivo. Su tasa de actu-

alizacion oscila entre 25-30 Hz.

Figura 2.11: Los tipos de detectores infrarrojos.

Fuente: [48].

El diseno del sistema optico utilizado en un sistema de visualizacion de imagenes

termograficas es igual al sistema optico para longitudes de onda visibles. La principal

diferencia es que los materiales usados en sistemas de radiaciones visibles son diferentes.

En el anexo 1, se pueden visualizar diferentes tipos de detectores que se usan

hoy en dıa. En ella se representa para cada detector su resolucion de imagen, pitch2 ,

principios de deteccion, materiales, MTF geometrico y el fabricante del detector. Esta

informacion es util para la seleccion del tipo de detectores a usar en una camara termica,

ası como los siguientes factores a considerar:

• El rango de longitudes de onda al que corresponde.

• La respuesta en frecuencia.

• La sensibilidad termica y la resolucion espacial que se puede conseguir.

• La refrigeracion requerida y su complejidad asociada, coste y posibles inconvenien-

tes.

2.4.2.2 Componentes y Mecanismos de la camara termografica.

En la figura 2.12, se explica el proceso de captacion de imagenes; mismo que

inicia con el enfoque del objeto, la captacion de su senal y su respectivo paso por filtros

2Se denomina pitch a la separacion entre los centros de dos pixeles consecutivos. En el caso de que nohaya separacion entre pixeles, el pitch coincide con el tamano del pixel.

40

y lentes hasta llegar al circuito de procesado de imagenes y posteriormente a la pantalla

de visualizacion de la camara.

Figura 2.12: Esquema detallado del proceso de captacion de imagenes termograficas.


2.4.2.3 Configuracion y calibracion.

Rango y distancia de Medicion. En las imagenes termograficas, cada pixel esta

asociado a un color; el cual tiene asignado un valor de temperatura en funcion de una

escala o rango de medicion que puede ser seleccionado en la camara. Su funcion de auto-

escalado, posibilita la adecuacion automatica de valores actuales al obtener los datos. Los

valores de temperatura mas alto y mas bajo, se ajustan como lımites dentro de la escala

que se actualiza constantemente. Al usar paletas de colores, la escala de grises se declara

como una buena opcion debido a que es una de las mas flexibles pero a la vez, por su falta

de contraste, la interpretacion de la misma disminuye considerablemente; todo lo contrario

ocurre con la paleta de hierro fundido, misma que resulta mas acertada, aumentando la

temperatura cuanto mas claro es el color en el termograma. Otra paleta, la cual enfatiza

en dilucidar contrastes es la de arcoıris.

Se deben considerar tres variables para determinar la distancia de medicion apro-

piada y el tamano maximo del objeto a medir que es visible o medible:

-El angulo de vision. (FOV)

-El objeto identificable mas pequeno. (IFOVGEO) y

-El objeto medible/marca de medicion mas pequena. (IFOVmeas).

41

Figura 2.13: El angulo de vision de la camara termografica.

Fuente: [47].

Field of View. (FOV). El angulo de vision (Campo de vision), es el angulo subten-

dido en la abertura de entrada del objetivo de la lente de la camara termografica por la

escena total ajustada en la pantalla de visualizacion. Habra un valor para el campo de

vision horizontal, junto con la relacion de aspecto de la imagen.[49] Dicho de otra forma,

es el angulo definido por el fabricante dentro del cual, el detector optico es sensible a

radiacion electromagnetica. (p.ej. objetivo angular 32◦).

FOV = 2 · tan−1(Dimension de la matriz2 · lente focal

) (2.27)

Mientras que el IFOVGEO, u objeto detectable mas pequeno se define como la

capacidad del detector para visualizar detalles adicionales, junto con el objeto medido.

De igual forma el IFOVmeas, (measured instantaneous field of view) u objeto medible mas

pequeno es, como su nombre lo dice, el objeto cuya temperatura es factible de medicion en

forma precisa por parte de la camara termografica; tambien llamada marca de medicion.

Resolucion espacial. La resolucion espacial es un elemento de gran importancia en

lo que a camaras termograficas se refiere, ya que dicha resolucion delimita la distancia a

la que se podran ver los objetos.

La resolucion espacial es el campo de vision de los microsensores que forman parte

del detector o microbolometro. Se define como la relacion entre el tamano del sensor y

la distancia entre las lentes y el sensor. Cuanto mas baja la resolucion espacial, a mas

distancia se podra utilizar la camara (o, para la misma distancia, se podran visualizar

objetos mas pequenos). En la figura 2.14 puede apreciarse la relacion entre el tamano de

42

los objetos y la distancia a la camara.

Figura 2.14: Relacion entre el tamano de los objetos y la distancia a la camara.

Fuente: [50].

Sensibilidad Termica o NETD. Cuyas siglas en ingles significan: Noise Equi-

valent Temperature Difference. Es decir ruido equivalente a la menor temperatura

detectable. La sensibilidad de la camara termografica se puede definir como la medida

de la senal mas pequena que es detectable por su detector infrarrojo. La sensibilidad es

determinada mediante principios de radiometrıa y caracterısticas del detector.

Error en la determinacion de Temperatura. Una medida termografica es mas

beneficiosa cuando no existen, o al menos se minimizan los errores que se tengan en dicha

medida, mismos que nacen desde una incorrecta calibracion de la camara hasta un uso

inadecuado por parte del operador, Estos errores o incertidumbres deberan tenerse en

consideracion antes y durante el proceso de medicion.

Factores como: la superficie del objeto medido, estado termodinamico en el que

se encuentra, direccionalidad de la radiacion, estado del detector, distancia de medicion,

ajuste de la emisividad, ajuste de la RTC, inadecuada focalizacion del objeto medido;

afectan a la medida en mayor o menor magnitud, misma que puede manifestarse como

imagenes borrosas, aparicion de manchas que no corresponden al entorno termografiado,

errores cromaticos, etc.

Procesado de la senal. La imagen termica obtenida es modificada de analogica a

digital, para posteriormente realizar la compensacion del offset. A continuacion se com-

pensa la unidad de radiacion por camara para predecir la temperatura, teniendo conocidos

datos como la emisividad, humedad del aire, temperatura del aire y la distancia, Posteri-

ormente se ajusta la temperatura de radiacion, y finalmente antes de la visualizacion, se

43

selecciona el rango de temperatura, ası como una paleta de color adecuada.

Figura 2.15: Procesado de senal en una camara termografica.

Adaptado de: [49].

Software. El software usado en termografıa infrarroja agrupa un gran numero de

funciones definidas para el analisis y diagnostico de las imagenes, el almacenamiento y

la recuperacion de las secuencias termograficas, la comparacion de imagenes y su catalo-

gacion y, en la actualidad, las funciones propias del analisis cuantitativo de las medidas

termicas3

El procesado mas basico incluye rutinas para restar las evoluciones de ciertos

pixeles a toda la imagen (muy util si el pixel en cuestion corresponde con una zona libre

de defectos, contrastes termicos.) El uso de transformadas aplicadas a toda la secuencia

de datos requiere de los algoritmos mas eficientes que, en conjuncion con el hardware de

computacion ofrezcan los resultados del analisis de la forma mas clara y rapida posible.

No se debe olvidar que se trabaja con tratamiento de imagenes, por lo que el procesado

se ve fuertemente implicado por los tamanos de imagen utilizados haciendo necesaria

la inclusion de tecnicas de reduccion de datos ya sea para la operacion con los mismos

como para su almacenamiento.[51] Para nuestro caso en particular usaremos el software

IRSOFT.

Para optimizar la efectividad del software el operador de un sistema de termo-

grafıa infrarroja debe estar familiarizado con las tecnicas de tratamiento de imagenes

3Suele incluir lecturas de la temperatura en un punto, diferentes paletas de colores, desplazamiento yrotacion de imagenes, magnificacion, analisis de area con histogramas, promediado de imagenes, filtradasy grabacion en distintos formatos.

44

basicas. Una vez que la imagen infrarroja ha sido preprocesada y transformada en tem-

peratura por el software incluido normalmente en el sistema de captura, posteriormente

se realiza un tratamiento de imagenes, bien sea para fines de deteccion de defectos in-

ternos o bien para su caracterizacion (determinacion de propiedades termicas, tamano y

profundidad). Una vez detectados los defectos, es igualmente posible estimar la forma

y el tamano de los mismos tras la aplicacion de un algoritmo de extraccion de bordes o

segmentacion.

Cualquier software evolucionara por tanto incluyendo cada vez mas funciones que

permitan simplificar, tratar y analizar las secuencias de termogramas. Igualmente incluira

funciones propias del procesado de imagen ası como funciones explıcitas de uso exclusivo

en termografıa. Cada fabricante integra su propio software en los sistemas termograficos,

al menos con las funciones mas comunes relegando las mas explıcitas a las propias de cada

usuario.

Normas y Cualificacion. Realizar un diagnostico por termografıa implica seguir

ciertos estandares y lineamientos, mismos que se encuentran dentro de una determinada

metodologıa con el fin de garantizar la confiabilidad en los resultados obtenidos. Las nor-

mas concernientes a la termografıa, son divididas en dos categorıas, la primera corresponde

a las especificaciones tecnicas de las camaras termograficas y la segunda, a especificaci-

ones para la formacion y cualificacion del personal que usa la termografıa y pueden ser

visualizadas de manera representativa en [52].

2.5 Clasificacion de las Tecnicas de termografıa.

La tecnica de termografıa infrarroja es una prueba no destructiva realizada en un

equipo mediante diferentes metodos:

2.5.1 Termografıa Activa.

La termografıa activa requiere de una estimulacion externa de la pieza a inspecci-

onar para provocar un flujo de calor en dicha pieza. Un defecto interno puede afectar ese

flujo, provocando una distribucion anomala de la temperatura. Existen diferentes tecnicas

de termografıa activa en funcion de como se realiza el calentamiento o enfriamiento externo

del objeto estudiado.

45

2.5.2 Termografıa Activa Pulsada.

Consiste en grabar el perıodo de enfriamiento de la pieza a inspeccionar despues de

haberla sometido a un pulso corto de calor para generar flujo termico. Este frente termico

se propaga a traves del material y, cuando se encuentra con una heterogeneidad produce

un contraste de temperaturas tanto mas pronunciado cuanto mas cerca se encuentre dicha

heterogeneidad de la superficie.

2.5.3 Termografıa de Pulso Largo.

Esta tecnica consiste en calentar el objeto a baja potencia y de forma conti-

nua, monitorizando el incremento de temperatura de la superficie. Nuevamente, el frente

termico se propaga a traves del material, pero en este caso es el tiempo que tarda la

temperatura de un punto dado en separarse de la evolucion de la temperatura de una

zona sana la que sirve de indicacion de la profundidad de la heterogeneidad.

2.5.4 Termografıa “Lock in”.

Se basa en generar un flujo de calor dentro del elemento a inspeccionar, general-

mente por medio de lamparas de luz modulada, y monitorizar de forma sincronizada el

campo de temperaturas oscilante obtenido mediante una computadora o un amplificador.

Los datos que se obtienen de esta forma se tratan mediante el analisis de la transformada

de Fourier4 para obtener imagenes de la amplitud y de la fase de la imagen a diferentes

frecuencias.

2.5.5 Termografıa de Fase Pulsada.

Es una mezcla entre la termografıa pulsada y la termografıa “lock-in”. El ensayo

se realiza de la misma forma que para la termografıa pulsada pero el tratamiento de datos

se realiza mediante transformada de Fourier. Se obtienen, por tanto, datos de la amplitud

y de la fase de la imagen a diferentes frecuencias a partir de una serie de termogramas.

4La transformada discreta de Fourier (cuyas siglas en ingles son: Discrete Fourier Transform, DFT)es un caso especial de la transformada de Fourier para secuencias de longitud finita en que se evaluaespectros a frecuencias concretas, obteniendose un espectro discreto. Proporciona uno de los metodosmas avanzados en el analisis de senales discretas, usandose ampliamente en campos como la teorıa de lacomunicacion y el proceso de voz e imagenes.[53]

46

2.5.6 Termografıa Pasiva.

La termografıa pasiva permite inspeccionar elementos sin que estos sean someti-

dos a ningun tipo de calentamiento o enfrentamiento externo. Es el proceso de funciona-

miento del propio elemento, el que produce una variacion en los patrones de temperatura.

En esta situacion un defecto darıa lugar a una distribucion anormal de temperaturas.

2.6 Sondeo por termografıa infrarroja.

2.6.1 Termografıa Cualitativa.

La termografıa cualitativa consiste en realizar el analisis del termograma para

localizar anomalıas y evaluar posibles fallas en algun componente de determinado equipo.

Su objetivo es buscar la naturaleza esencial del fallo, es decir si este existe o no dicho

fallo, este metodo tiene la desventaja de ser menos preciso, ya que, una averıa se podrıa

analizar unicamente por estimacion de la diferencia termica con las zonas adyacentes a

esta.

Este analisis termografico nos permitira observar aspectos tales como: componen-

tes o zonas con un nivel de temperatura superior al estandar o reglamentario, ası como

tambien perdidas de calor, al ser la toma de registros de forma inmediata, esto facilitara

la deteccion de zonas con anormal funcionamiento, para su correspondiente analisis y

posterior correccion.

2.6.2 Termografıa Cuantitativa.

Este metodo abarca un analisis mas profundo y complejo que el metodo cu-

alitativo, preferentemente es usado en mantenimiento predictivo, utiliza la medida de

temperatura para determinar la gravedad de un fallo en el elemento de un dispositivo o

mecanismo, ya que se basa en la obtencion de una serie de imagenes, mismas que serviran

para demostrar la evolucion o cambio de estado de determinado examinando y establecer,

tanto los criterios de severidad como la prioridad de su reparacion, segun convenga.

47

3 GENERACION DE LOS DIVERSOS FALLOS

EN LA IGNICION Y OBTENCION DE

TERMOGRAMAS.

3.1 Introduccion.

Todos los metodos existentes de deteccion y diagnostico de fallos se basan en la

comparacion de variables medidas del proceso con valores: lımite, constantes y preesta-

blecidos. Otros metodos mas avanzados se basan en la aplicacion de test (univariables o

multivariables) de hipotesis a propiedades estadısticas de las variables del proceso.[54]

Hoy en dıa, casi la totalidad de los sistemas que podemos encontrar en motores

de automocion se hallan gestionados en mayor o menor medida a traves de sistemas de

control electronico. Las ventajas que permiten los sistemas de gestion electronicos son

numerosas:

-Aumento de prestaciones y eficiencia del motor.

-Control avanzado del sistema motor.

-Disminucion de las emisiones contaminantes.

Las caracterısticas de fiabilidad, disponibilidad, proteccion medioambiental y se-

guridad en motores diesel, son cada vez mas relevantes. De ahı que tanto los actuales

sistemas de control como sus respectivos algoritmos, son cada vez mas sofisticados y

complejos.

Segun [55] las consecuencias de un fallo pueden ser extremadamente serias en

terminos de impacto ambiental y perdidas economicas, razon por la cual se han desarrol-

lado importantes avances en el diagnostico de fallos incrementando la fiabilidad, teniendo

en cuenta que los sıntomas presentados por los fallos que se estan desarrollando pueden

ayudar a evitar danos permanentes en equipos industriales.

El diagnostico de fallos en la ignicion de un motor diesel puede ser utilizado para

48

mejorar su: eficiencia, disponibilidad y fiabilidad a cualquier regimen de funcionamiento

del motor. Un metodo de diagnostico actual y desarrollado como el de termografıa infrar-

roja, proporciona informacion respecto a su estado de funcionamiento, con el fin evaluar

su comportamiento.

3.2 Caracterısticas del motor CRDI 2.0 Marca Hyun-

dai.

En la tabla 3.1 se presentan las caracterısticas correspondientes al motor sobre el

cual se realizara el monitoreo mediante la tecnica de termografıa.

Marca Santa Fe

Numero de cilindros 4 (en lınea)

Calibre 83 mm

Carrera 92 mm

Cilindrada 2000 (1991 cm3)

Orden de encendido 1-3-4-2

Relacion de compresion 17.7 : 1

Potencia Maxima 110.45 kW

Torque/rpm 421 N ·m/1800

Tabla 3.1: Caracterısticas del motor experimental. Fuente: Los autores.

3.3 El sistema observado con termografıa.

En la figura 3.1 se presenta la influencia de la geometrıa superficial de un objeto

susceptible de analisis, al momento de realizar un seguimiento termografico sobre dicho

objeto. Como puede verse, la mejor opcion(siempre que sea posible) es limitarse a modelos

1-D ya que conlleva hacia una obtencion mas sencilla de datos optimizando el tiempo e

interpretacion de resultados.

49

Figura 3.1: Posibles tipos de modelos teoricos del sistema termografiado.

Fuente: [48].

3.4 Diagnostico de fallos en la Combustion de un

MEC, Apoyado en el analisis de termogramas.

Para la realizacion del diagnostico en el motor diesel, se tuvo en cuenta los prin-

cipales sistemas y dispositivos que intervienen en su funcionamiento, (mismos que han

sido convenientemente esquematizados en la figura 2.2) Partiendo de dicho cuadro es-

quematico, ası como de las funciones y limitaciones de la camara termografica, y segun

[56], [57] se ha seleccionado los sistemas y componentes, que tienen mayor posibilidad de

realizacion de un monitorizado por termografıa infrarroja:

Figura 3.2: Sistemas existentes en un motor diesel.


50

En base a lo expuesto anteriormente, se ha seleccionado el sistema de escape,

delimitandolo posteriormente a una zona mas especıfica: el colector de escape, fabricado

en fundicion de hierro con estructura perlıtica, como elemento de analisis para la deteccion

de fallos en motores diesel en base a los siguientes manifiestos:

• Al ser el colector de escape, un elemento que opera con altos valores de temperatura,

siendo estos, superiores a los de elementos vecinos, razon por la cual no se vera

afectado por radiaciones reflejadas durante la medicion.

• Posee una respuesta termica bastante alta, misma que irradia las variaciones de tem-

peratura que se generan en los gases de escape, siendo dicha respuesta, susceptible

de analisis.

Figura 3.3: Area de monitoreo termografico.


3.4.1 Estudios relacionados al diagnostico de fallos en la com-bustion de un MEC, basados en la tecnica de termografıainfrarroja.

Para las mediciones que se van a realizar en el colector de escape, el dosado, ya

sea de aire admitido o de combustible inyectado, es el factor que mas afecta al proceso de

combustion, manifestandose la modificacion de dicho dosado en variaciones de tempera-

tura de los gases de escape, mismas que seran fielmente manifestadas a traves del colector

de escape y posteriormente monitorizadas a traves de la camara termografica.

La generacion de fallos en la combustion representa la aparicion de otros incon-

venientes, tales como cambios precipitados en la emision de gases de escape, aumento

subito de temperatura, perdida de potencia y aparicion de ruidos ajenos al motor. Los

51

ensayos realizados, mediante experimentacion y con fallos generados, han sido extensa-

mente analizados, tanto en laboratorio (maquetas didacticas), como en vehıculos, donde

se destacan los diferentes regımenes de giro a los que se analizo el motor experimental,

ası como tambien los metodos de recoleccion y analisis de datos.

Como ya se menciono en el capıtulo 2, la emisividad del material es un punto

crıtico para el monitoreo de averıas, ası como tambien los regımenes de giro a los que

resulta ideal la inclusion de un analisis termico, tomando como regimen inicial y en estado

estacionario, el de 1000 rpm variando la toma de datos en intervalos de 250 rpm hasta

llegar a un regimen final de 4000 rpm, mientras que al realizar un seguimiento en estado

transitorio se fija un regimen sostenido en 2250 rpm.[56]

Al realizar un diagnostico exergetico de un motor diesel, como el expuesto en [58],

los regımenes de monitorizado se reduce a cuatro, siendo estos: 1400, 1550, 1700 y 2000

rpm. Otro parametro que debe tenerse en cuenta es el tipo de combustible que se utiliza,

mismo que debe estar normalizado y cuyas caracterısticas puede visualizarse en [59].

La posibilidad de realizacion de analisis termograficos, ya sea cualitativo o cuan-

titativo, permite tener mas informacion del objeto analizado; siendo este ultimo el que

permite conocer con mayor exactitud la situacion termica de una superficie en un mo-

mento dado. En algunos casos, una medida cualitativa puede ser suficiente. Por ejemplo,

cuando solo cambia una de las variables en el proceso y estamos seguros de que todos los

factores de error afectan de igual forma a la superficie a medir.[60]

La zona de estudio en la que se realiza el monitoreo es de vital importancia,

con el fin de realizar una interpretacion adecuada de los termogramas obtenidos tanto en

laboratorio como en condiciones reales de funcionamiento; ya que en este ultimo habra que

lidiar con una serie de parametros, algunos de los cuales son difıciles de controlar, como

por ejemplo la temperatura ambiente el color de la pintura que recubre al examinando,

distancia al objeto y humedad relativa; mismos que se explican en [61].

En condiciones reales, el sistema observado no puede ser considerado como el

unico responsable del flujo de fotones que llega sobre los detectores. El balance de todos

los flujos de energıa esta representado en la figura 3.4. ( Aquı se supone que todos los

objetos constituyendo el medio ambiente son isotermos (Tamb) y que la atmosfera no es

totalmente transparente y tiene una temperatura diferente delo otros cuerpos alrededor

del objeto termografiado.) Existen fotones emitidos por el operador y la atmosfera, que

constituyen el medioambiente. La temperatura ası deducida, T 0′, es una funcion de las

temperaturas del objeto termografiado, T0 del medioambiente supuesto isotermo, Tamb. y

52

de la atmosfera, Tatm, de las emisividades del objeto, ε0 y de la transmision de la atmofera

τatm Las condiciones para que la medicion sea unicamente relacionada a la temperatura

del objeto observado ocurren cuando ε0 = 1 (emisividad de un cuerpo negro) y τatm = 1.

He aquı el por que se utiliza cuando es posible un revestimiento de emisividad unitaria.

El problema de la transmision de la atmosfera (τatm < 1) existe cuando se realiza una

medicion a largas distancias. La medicion simple ocurre tambien cuando la temperatura

del objeto observado es mucho mas alta que la del medioambiente. En este caso, y con una

emisividad no demasiado baja, el flujo reflejado por el objeto puede considerarse como

irrelevante.[48]

Figura 3.4: Balance de la energıa recibida por la camara infrarroja en el caso mas general.

Fuente: [48].

3.4.2 Firma Termica.

La firma termica se define como una respuesta especıfica al funcionamiento del

motor, su comportamiento dependera del estado de funcionamiento en que se encuentre el

mismo. Al comparar dos firmas (una con fallo y otra sin fallo), quedaran evidenciados ci-

ertos niveles de desviacion, confirmando ası la existencia de una averıa. Esta firma termica

posee gran versatilidad, ya que segun [56] la informacion obtenida podra ser manejada

a modo de: registro escalar, magnitud valuada, grafico de analisis o evolucion respecto

a una variable, pudiendo tenerse graficos de tendencia y de correlacion de imagenes a

53

manera de representacion bidimensional de la monitorizacion respecto a un punto y sus

alrededores.

Para el diagnostico de un sistema, se debe considerar el comportamiento eficaz

del sistema que se esta analizando (estado de buen funcionamiento), junto a los sıntomas

que corresponden a situaciones no deseadas (fallos) y posteriormente encontrar las causas

que justifican la presencia de dichos sıntomas.[62]

Con el registro de la temperatura en funcion de los regımenes de giro, se obtiene

la curva o firma termica, misma que presentara variaciones de curvatura en funcion de

las distintas averıas que se generen. Puesto que tales curvas presentan un aspecto carac-

terıstico con cada fallo planteado, se puede utilizar para el levantamiento de una base de

datos.[63]

3.4.3 Configuracion Experimental para la Obtencion de Termo-gramas.

En la figura 3.5, podemos visualizar la configuracion experimental en base a la

cual se realizaron los ensayos de validacion, para posteriormente ser analizados mediante

el software IRsoft. Se usaron dos metodos, independientes uno del otro para el moni-

torizado de temperatura, uno por termografıa infrarroja y otro con la utilizacion de un

pirometro infrarrojo, este ultimo con el fin de dar validez a la medida obtenida con la

camara. La fiabilidad en las mediciones mediante la instrumentacion antes mencionada

esta garantizada debido a que los equipos con los que se realiza las mediciones se encuen-

tran en optimas condiciones de funcionamiento reduciendo la probabilidad de errores por

fallos en mecanismos o circuitos internos.

La obtencion de datos es de caracter estacionario, misma que se realiza a deter-

minados regımenes de giro, los cuales han sido determinados experimentalmente; y cuyos

resultados se exponen en secciones posteriores.

Despues de obtenidos los datos, procedemos a almacenar las magnitudes valuadas

de temperatura en el software Labview, con el fin de generar firmas termicas para cada

fallo y para el comportamiento en estado estable del motor, posteriormente la firma en

estado estable, es comparada con una a la que se le ha aplicado un fallo en particular,

determinando la severidad del fallo en base a la diferencia de temperatura que existe

entre las dos graficas confrontadas, generando ası una base de datos, misma que puede

ampliarse en funcion de los fallos almacenados y comparados.

54

Figura 3.5: Metodologıa de experimentacion utilizada para el monitoreo en motores diesel.


3.4.4 Proceso de Medicion con la camara termografica.

Al ser la termografıa infrarroja una tecnica para la evaluacion no destructiva, a

mas de la camara termografica se requiere de un uso profesional del equipo, ası como de

una correcta obtencion e interpretacion de las imagenes. Adicionalmente se requiere un

conocimiento de principios de transferencias de calor y radiacion, mismos que ya fueron

analizados en el capıtulo 2.

La obtencion de termogramas inicia cuando el motor ha alcanzado condiciones

estables de trabajo (temperatura, presion, etc.), mismas que se alcanzan al dejar el motor

en funcionamiento a regimen de ralentı (820 rpm) durante cinco minutos, para posterior-

mente elevar la velocidad del motor, hasta las 1500 rpm con el fin de acortar tiempos de

espera; y que se pueden visualizar en la tabla 3.2, iniciando con la adquisicion de datos

cuando se ha alcanzado un valor de temperatura de 86◦C. De la misma forma, tambien

se trabaja con el mınimo intervalo de tiempo para adquisicion de datos por parte de la

camara (que es de 5 segundos por imagen).

Con el fin de que el analisis y la apreciacion sea siempre la misma, fue menester

55

delimitar un espacio fısico determinado en el colector de escape, sobre el cual sea factible

el monitoreo de temperatura, para lo cual se ha creıdo conveniente marcar en el mismo

colector, una zona especıfica de 5 mm, sobre la cual se realizara el analisis; tal como se

muestra en la figura 3.6.

Figura 3.6: Punto especıfico de analisis termografico.


Condiciones ideales de funcionamiento para la obtencion de firmas termicas.

Parametro de funcionamiento. Magnitud valuada.

Sensor MAF. (mass air flow sensor) 13,16 [ grseg

]

Regimen de funcionamiento. 827 [rpm]

Presion de combustible. 317,2 [bar]

RPS (rail pressure sensor.) 21,8 %

Temperatura del combustible. 61,2 [◦C].

Valor en el APS (acelerator pedal sensor.) 73,3 [mV ] (En reposo.)

Temperatura en el refrigerante. 87 [◦C].

Sensor de presion de aire. 755 [mm ·Hg]

Temperatura del aire admitido. 26 [◦C]

Posicion absoluta de la mariposa. 0 %

Tabla 3.2: Parametros de funcionamiento para la obtencion de firmas termicas.


Las condiciones externas, en base a las cuales se realiza la obtencion de termogra-

mas se detallan en la tabla 3.3 mismos que deben ser tomados en cuenta para minimizar

los errores y aumentar la presicion durante una medicion.

Segun [56], parametros como la distancia de medicion, y el angulo de observacion,

no son significativos sino hasta alcanzar determinados valores: para el primero, empiezan

56

a notarse variaciones significativas de temperatura a partir de los 10 metros de distancia

y para el segundo a partir de 60 ◦ de inclinacion respecto a la normal.

Factores externos, previos a la obtencion de termogramas.

Temperatura ambiente. 20 ◦C.

Distancia al objetivo. 0.2 m

Temperatura atmosferica. 20 ◦C.

Angulo de

observacion

Perpendicular a la

superficie observada.

Rugosidad superficial.Libre de recubrimientos

y polucion

Tabla 3.3: Condiciones externas favorables a la medicion termografica

La mejor forma de comparar una firma termica en condiciones estables con otra

a la que se la ha asignado un fallo, es teniendo en cuenta el patron de comportamiento

que diferenciara la una de la otra, adicionalmente debe atenderse la necesidad de que

los parametros de funcionamiento a los que se encuentra el motor sean identicos para

ambos casos, aumentando de esta forma la fiabilidad en la obtencion de datos y analisis

de resultados. Para la medicion termografica en el motor debemos tener en cuenta los

siguientes aspectos:

• Tener informacion acerca de las caracterısticas metrologicas de la camara utilizada

y el proceso de tratamiento de imagenes que permite mejorarlas.

• Tener conocimientos respecto a los principios de las transferencias de calor, para

una correcta interpretacion de las mediciones obtenidas.

• Conocer el material del que esta hecho el objeto o superficie a medir, ası como

tambien la distancia a la que se realizaran las mediciones.

• Debe tenerse en cuenta la precision de los parametros identificados y la pertinencia

de los diagnosticos realizados.

3.4.4.1 Analisis termografico del motor en estado estacionario.

El analisis termico del motor bajo esta condicion es el idoneo basandose en las

propiedades brindadas por el instrumento de medicion, mismo que no cuenta con la opcion

de una medicion en tiempo real, que impide medir la evolucion termica que tiene el

57

motor en funcion al tiempo, ademas de contar un rango de tiempo entre imagen e imagen

demasiado prolongada que hace aun mas dificultosa una medicion de tipo transitoria y

mas aceptable una medicion del tipo estacionaria.

La conducta del motor bajo el regimen estacionario representa un funcionamiento

bajo condiciones de carga, numero de revoluciones y temperaturas del proceso constantes,

haciendolo apropiado a un monitorizado a traves de la temperatura media que se ostenta

en el proceso, lograndose observar y comparar las variaciones termicas, la obtencion de

esta temperatura media sera de la toma de varias temperaturas una vez se haya alcanzado

un funcionamiento estable en cada regimen a analizar. En este proceso es necesario seguir

una secuencia de diagnostico, la misma que comienza por determinar el punto en el que se

realizara la medicion, determinacion de la emisividad del material a estudiar, la validacion

de los valores obtenidos por el instrumento de medicion, la generacion de firmas termicas

o representacion grafica de los datos obtenidos y finalmente un analisis de las graficas

obtenidas.

3.4.4.2 Analisis termografico del motor en estado transitorio.

La conducta del motor en regimen transitorio es la representacion de la variacion

termica del motor en el eje del tiempo, en este estado los valores estan modificandose,

valores como la velocidad, la carga o la temperatura, todos con una cierta rapidez. Esta

variacion se da debido al el cambio de un regimen a otro en el transcurso del cual se presen-

tan aceleraciones y desaceleraciones, teniendo como uno cambio principal y mas notorio

el cambio termico que se presenta en el arranque en frıo y el perıodo de calentamiento del

motor hasta alcanzar el estado de funcionamiento estable.

Al realizar una medida bajo esta condicion se hace necesaria la utilizacion de

otros instrumentos de medicion ya que el principal inconveniente es el elevado tiempo de

respuesta en la apreciacion de la temperatura real a la que se encuentra el fluido, ademas

de considerar que la medida se debe producir al alcanzar un equilibrio entre el instrumento

de medida y el fluido a medir, despues de haberse producido la transferencia de calor entre

ambos.

Para la medicion en este estado no es esencial el comportamiento general del

motor, sino la instrumentacion de un punto sensible a cambios termicos rapidos, como el

caso de la tobera de los gases de escape, un ejemplo de este tipo de tratamiento se puede

apreciar en [56].

58

3.4.5 Determinacion de la emisividad.

Partiendo del hecho de que se ha escogido como tipo de analisis el estacionario

y como se ha indicado anteriormente el valor del parametro emisividad, es fundamental

para una medicion termografica ya que si este no es el propio para el material sobre el cual

se realiza la medicion, el valor que se obtenga sera incorrecto, para resolver este problema

se ha determinado la emisividad del material en el que se realizara la medicion.

Para la determinacion de la emisividad del material, el metodo utilizado consistio

en medir la temperatura en el colector de escape con ayuda de: un termopar de contacto

y con la camara termografica, teniendo en cuenta que la emisividad debe estar calibrada

al maximo (ε = 1). La diferencia de temperatura existente entre ambos instrumentos, se

debera a que la emisividad designada no es la adecuada, razon por la cual la misma debe

ser disminuida gradualmente hasta que las temperaturas en ambos instrumentos, sean

identicas. Cabe destacar que la medicion se realiza cuando el motor alcanza condiciones

normales de funcionamiento (se toma como referencia, el momento en el que se enciende

el electroventilador.)

Existen otros metodos para la determinacion de la emisividad, el primero consiste

en basarse en una tabla de emisividad, en el cual se muestran valores de emisividad para

cada material, pero no aplica para nuestro caso de estudio, debido a que, en metales la

emisividad tiende a incrementar conforme aumenta la temperatura. Otro metodo alter-

nativo consiste en adherir un trozo de cinta resistente al calor con emisividad conocida

(ε = 0.95), misma que debe adaptarse a la temperatura del objeto examinado, para luego

medir la temperatura del objeto apuntando a la cinta. Dicho valor sirve como tempera-

tura de referencia, posteriormente la emisividad se varıa gradualmente en la camara hasta

que se visualice la misma temperatura en una zona sin cinta que en una zona con la cinta.

Si bien son metodos alternativos, no fueron utilizados debido a la inexactitud

en el proceso de obtencion de las medidas razon por la cual se uso el primer metodo,

teniendose en la tabla 3.4 los siguientes resultados.

59

Temperaturas en el termometro de contacto. ◦CTemperaturas en la camara de infrarrojos.

ε (Emisividad) Temperatura ◦C

111 0,1 326,6

111 0,3 190

112 0,5 167

112 0,7 136,8

112 0,85 122,3

112 0,9 118,6

112 0,92 116

113 0,94 115,5

113 0,96 114,6

113 0,98 113,2

113 1 111

Tabla 3.4: Valores de temperatura de la camara infrarroja y del termometro de contacto.


Segun la informacion que brinda la tabla 3.4, verificamos que, al disminuir la

emisividad disminuye tambien la temperatura, llegando a un punto en el que las tempera-

turas son identicas; con los valores de temperatura obtenidos, se genera una ecuacion para

cada instrumento por regresion lineal; teniendo temperatura en el eje de las ordenadas y

emisividad en las abscisas, ası se determina con exactitud en que punto de emisividad las

temperaturas de los dos instrumentos se igualan, siendo este valor a la emisividad de 0,98

Las ecuaciones correspondientes son:

y = 140x−38.57 − 23.78 (3.1)

y = 6.519x5.57 + 105.9 (3.2)

El resultado es un valor de emisividad ε = 0,98. Este sera el valor con el que se

realizaran futuras mediciones durante todo el proceso experimental.

3.4.5.1 Validacion correspondiente a la obtencion de firmas termicas medi-ante el uso de la camara termografica.

Para realizar la validacion del analisis termico en el colector de escape del motor

diesel, comparamos los valores de temperatura generados por la camara termografica con

los obtenidos a traves de un pirometro infrarrojo. Con el fin de verificar que la camara se

encuentra en optimas condiciones de funcionamiento, tales como emisividad correctamente

calibrada de acuerdo al material, temperatura reflejada definida (que, para nuestro caso

es la misma que la temperatura ambiente) y tempertur atmosferica, se toma una serie de

muestras a determinados regımenes de giro, constatando que, tanto la camara como el

pirometro poseen identico comportamiento termico, ademas de igual respuesta dinamica

60

a la temperatura receptada con sus repectivos sensores infrarrojos, sus parametros de

medicion se exponen en la tabla 3.5.

Parametros calibrados en el instrumento.Camara

termografica.

Pirometro

infrarrojo.

Emisividad del material. 0.98 1.00

Temperatura reflejada. 21 ◦C.

Temperatura ambiente. 21 ◦C.

Tabla 3.5: Parametros de medicion para cada instrumento.

Las figuras 3.7 y 3.8 demuestran que, al realizar mediciones con ambos instru-

mentos, se obtienen valor de temperatura bastante similares; mismos que poseen cierta

variacion conforme aumenta la temperatura debido a que la emisividad en los metales

aumenta con la temperatura, ademas de que la emisvidad en el pirometro infrarrojo uti-

lizado, es mayor a la asignada por la camara termografica.

Figura 3.7: Firmas termicas obtenidas con el pirometro y camara termografica.


61

Figura 3.8: Firma termica correspondiente al motor en estado de fallo


3.4.6 Area especıfica de Monitoreo por la tecnica de termografıaInfrarroja en el motor diesel CRDI.

Este punto del estudio se concentra en la similitud existente entre las medidas que

se obtienen en la salida de los cilindros 1 y 4, estos dos cilindros fueron escogidos debido

a que las caracterısticas constructivas del motor didactico facilitan las medidas en dichos

cilindros; de esta manera se pretende demostrar que se tiene el mismo comportamiento a la

salida de ambos cilindros y por lo tanto haciendo valido que la medicion de temperatura se

realice en un solo cilindro, en este caso sobre el cilindro 1 ya que los valores obtenidos seran

los mismos que los que se obtendrıan en el cilindro 4. La validacion de este procedimiento

ha sido realizada con ayuda del escaner Carman VCI, mediante la verificacion de los

siguientes factores:

• La medicion del volumen de inyeccion en los cilindros, que puede apreciarse en la

figura 3.7, indica que para un optimo funcionamiento del inyector, el suministro

de combustible debe estar dentro de un rango de ±2[mm3]1, segun la grafica los

inyectores usados se ubican dentro del valor nominal, un valor negativo indica que

el inyector suministra mas combustible de lo normal, mientras que un valor positivo

indica cantidad de combustible inyectada menor a la determinada por el fabricante.

1Esta informacion es proporcionada por la ECU del motor, la cual es recogida por el escaner y;posterirmente expuesta al usuario a manera de tolerancia.

62

Figura 3.9: Velocidad promedio de cada cilindro.

Fuente: Los autores

• La medicion de la velocidad de cada cilindro, la cual podemos apreciar en la figura

3.8, misma que exterioriza el hecho de que los cilindros antes mencionados poseen

identicas condicones de funcionamiento respecto a los demas, lo que los vuelve su-

jetos susceptibles de analisis termografico a traves de sus respectivas toberas de

escape.

Figura 3.10: Cantidad de combustible por cada inyector.

Fuente: Los autores

Continuando con la validacion de medicion en el cilindro 1, se tomo una serie de

muestras teniendo en consideracion que el motor se encuentre bajo las mismas condiciones

de funcionamiento (Idoneo), las cuales se presentan en la tabla 3.2, ademas de que la

cantidad de muestras obtenidas fuese la misma para cada cilindro.

Las muestras fueron tomadas a diversos regımenes de giro del motor partiendo

desde ralentı en una progresion aritmetica con un incremento de 200 rpm hasta alcanzar

un regimen maximo establecido a las 2000 rpm, la cantidad de muestras obtenidas en

cada regimen suman un total de 20, los resultados para los cilindros 1 y 4 se muestran

en los anexos 2 y 3, respectivamente. A partir de estos datos, se calcula la temperatura

media a cada regimen del motor, una vez obtenidas dichas temperaturas, se efectua la

comparacion grafica y estadıstica a los datos obtenidos en ambos cilindros. (Tabla 3.6)

63

Cilindro 1 Cilindro 4

rpm Tmed rpm T med

820 115,2698738 819 115,624871

1000 119,1298738 995 118,449099

1200 128,5897437 1198 129,329884

1400 136,559324 1395 135,089619

1600 140,4833835 1611 142,514694

1800 156,7128214 1822 156,621939

2000 166,9217891 2018 165,169836

Tabla 3.6: Temperatura media en los regımenes establecidos.


3.4.6.1 Analisis Grafico.

Los datos obtenidos se ingresan en el Software MatLab, con el fin de generar las

firmas termicas que daran a conocer la evolucion termica que se tiene en cada cilindro, en

el eje de las ordenadas se tiene la temperatura media y en el de las abscisas el valor del

regimen de giro del motor para cada cilindro, obteniendo como resultado las siguientes

firmas termicas.

Figura 3.11: Firmas termicas de los cilindros 1 y 4.

Fuente: Los autores

Como se puede apreciar en la figura 3.11, las firmas termicas tanto del cilindro

1 como del 4 tienen una evolucion termica similar, de esta manera se demuestra que las

64

medidas son identicas en ambos cilindros; pero esta demostracion es de caracter visual,

siendo necesario una demostracion de similitud estadıstica, en la que se determina que

tan aproximados son realmente estos valores.

3.4.6.2 Analisis Estadıstico.

Prueba T student de Fisher. Para este punto se realizo la prueba de analisis

de varianza para un factor, la cual compara la homogeneidad de las muestras es decir

se consolida que los datos son repetibles y, precisos por las caracterısticas de la camara

termografica ya anteriormente mencionada.

El programa empleado para el analisis estadıstico fue el software IBM SPSS Es-

tatistics, en este se ingresaron los datos presentados en las tablas anteriores y al realizar

la prueba T student de Fisher el resultado fue de una aproximacion del 95% entre los

valores obtenidos de los dos cilindros. (Tabla 3.7)

Estadıstico de Levene gl1 gl2 Sig.

1,001 1 12 0,409

Tabla 3.7: Prueba de homogeneidad de varianzas.


Una vez realizado el analisis, el software nos brinda datos de importancia con

los que posteriormente se obtiene la significancia, estos valores se presentan en la tabla

3.8, con los que se obtiene la significancia, demostrando que la similitud de estas medidas

es mayor al 95 % y haciendo de esta manera que sea valida la realizacion de mediciones

unicamente sobre la salida de escapes del cilindro 1.

Suma de cuadrados gl Media cuadratica F Sig

Inter-Grupos 243,326 1 243,326 0,733 0,409

Intra-grupos 3982,547 12 331,879

Total 4225,873 13

Tabla 3.8: Anova de un Factor.


65

3.4.7 Determinacion de regımenes de giro en el motor para eldiagnostico de fallos por termografıa infrarroja.

Como ya se analizo en apartados anteriores, estudios relacionados al analisis

termico en el motor han determinado, ciertos modos de operacion para el diagnostico de

fallos, que fueran representativos de la conduccion en la ciudad, dichos modos de operacion

comprenden regımenes de giro del motor medios y bajos, los cuales seran definidos mas

adelante y serviran para la caracterzacion de fallos en el motor diesel.

Al no existir carga adicional en el motor, el seguimiento del mismo no se puede

realizar en altos regımenes de giro, debido a posibles riesgos de sobrerevolucionamiento,

ademas de generarse un excesivo momento de inercia en el motor. Otro parametro a

tener en cuenta, es el tratamiento estadıstico que se les da a los patrones de temperatura,

en base al cual el muestreo serıa excesivamente tardıo. Con el fin de evitar el tedio de

extensos analisis, se busca un rango de revoluciones, en el que la detectabilidad de averıas

sea factible para la tecnica empleada. Por tanto, tomando en cuenta las condiciones en

las que opera el motor, los regımenes: ralentı (850 rpm) y altas revoluciones (2000 a 6000

rpm); quedan descartados debido a que, en ralentı, la presion de inyeccion es relativamente

baja, mientras que en altas revoluciones el analisis no es viable debido a que el motor opera

sin carga. Resultando ideal, el intervalo comprendido entre: 1000 a 2700 rpm. El analisis

en este intervalo fue de caracter experimental, con el fin de apreciar a que regımenes

de giro, se presenta una desviacion notoria de temperatura en comparacion con la firma

termica de referencia.

La determinacion de los regımenes de giro previo al diagnostico, se realizo medi-

ante la variacion controlada de presion en el riel de inyeccion, con ayuda del RPS (rail

pressure sensor), con el fin de obtener una medida precisa en los diferentes regımenes

se visualizo la variacion de presion en valores porcentuales a traves del escaner Carman

VCI, como puede verse en la figura 3.10, en condiciones normales de funcionamiento el

valor porcentual de presion es del 21%, mismo que fue alterado con el fin de apreciar en

que velocidades del motor existe un mayor gradiente de temperatura, ademas de evitar

mediciones innecesarias durante el diagnostico.

Al disminuir progresivamente la presion hasta un valor de 16%, (figura 3.13) se

obtiene una elevacion significativa de temperatura entre los regımenes de 1100 a 1700

rpm con el fin de validar dicho experimento, se realizaron cuatro replicas, para verificar

la repetitividad en los datos, obteniendose en cada una un error inferior al 5 %, cuyos

resultados se esponen en la figura 3.12.

66

Figura 3.12: Cuantificacion de la repetitividad del ensayo.


Figura 3.13: Valores porcentuales de presion en el riel de inyeccion.


Al realizar la comparacion de la firma en estado estable, con la correspondiente

al fallo antes mencionado (Tabla 3.9), se puede visualizar saltos termicos a traves de los

distintos regımenes de giro, (figura 3.14) eligiendose como inicio el regimen de 1100 rpm,

en el que la variacion de temperatura es mayor, y como regimen final 1700 rpm, estos

lımites estan determinados en funcion de estudios bibliograficos relacionados a la tecnica,

los que se le suma la experimentacion realizada, en dichos lımites se incluye una progresion

aritmetica cada 200 rpm, quedando como regımenes establecidos los indicados en la tabla

3.10. Si bien a 1500 rpm la diferencia de temperaturas no es notoria, dicha afirmacion se

cumple unicamente para este fallo en particular, razon por la cual tambien se ha aceptado

para la caracteriacion de fallos.

67

Figura 3.14: Diferencia termica entre regımenes de giro, con variacion porcentual de tempe-ratura.


Regimen de giro: 820 1100 1200 1300 1500 1600 1700 2000

Temperatura

◦C.

Sin fallo. 109 112 116 119 124 130 133 146,876

Con fallo. 105,76 106,43 118,56 124,97 125,72 124,88 126,68 143,98

Salto termico. 3.24 5,57 -2,56 -5,97 -1,72 5,12 6,32 2,896

Tabla 3.9: Valores de temperatura a los diferentes regımenes de giro.

Regımenes establecidos para la deteccion de fallos por termografıa

rpm 1100 1300 1500 1700

Tabla 3.10: Regımenes establecidos para la deteccion de fallos por termografıa

3.4.8 Determinacion del Numero de muestras.

Como ya se indico anteriormente, un elevado numero de muestras aplazarıa de-

masiado un diagnostico, debido al tratamiento individual que se le da a cada termograma.

Razon por la cual, se debe optimizar dicho numero, haciendo que la obtencion de datos

sea mas rapida, pero sin dejar de ser significativa. Para determinar la cantidad de mues-

tras, fue necesario empezar con una considerable cantidad de muestras (20)2, mismas que

se ingresaron en el software estadıstico SPSS en el que se obtuvieron los valores indicados

2Se escogio este numero de muestras, con fundamento en estudios termograficos anteriores, mismosque se exponen en la seccion 3.4.1

68

en el anexo 4, para este analisis se tomaron en consideracion los regımenes empleados en

analisis anteriores, tomando de estos, tres regımenes aleatorios: 820, 1400 y 2000 rpm

realizando una comparacion y demostrando que las medidas tienen una similitud muy

elevada.

Luego se extraen unicamente 8 valores aleatorizados de cada regimen y, se realiza

el mismo estudio en el software demostrando que con una menor cantidad de muestras

el resultado del estudio proporciona identicos resultados, incumpliendose la similitud de

medias con un poblacion muestral inferior y determinando la poblacion muestral de 8,

como la ideal para el presente analisis.

Estadısticos

@ 820 rpm @ 1400 rpm @ 2000 rpm

NValidos 20 20 20

Perdidos 0 0 0

Media 115,270 136,560 166,925

Mediana 115,300 136,650 166,600

Moda 115,3 136,7 166,6

Desviacion Tıpica 0,1750 0,4406 1,0637

Varianza 0,031 0,194 1,131

Asimetrıa -0,208 -0,613 -0,715

Error tıpico de asimetrıa 0,512 0,512 0,512

Rango 0,5 1,4 3,2

Mınimo 115,0 137,1 168,8

Maximo 115,5 137,1 168,8

Suma 2305,4 2731,2 3338,5

Percentiles

25 115,5 137,1 168,8

50 115,300 136,250 166,225

75 115,400 136,975 167,925

Tabla 3.11: Analisis estadıstico con 20 muestras.


69

Estadısticos

@ 820 rpm @ 1400 rpm @ 2000 rpm

NValidos 8 8 8

Perdidos 12 12 12

Media 115,275 136,688 166,338

Mediana 115,300 136,700 166,350

Moda 115,3 136,7 166,350

Desviacion Tıpica 0,1669 0,3091 0,4502

Varianza 0,028 0,096 0,203

Asimetrıa -0,461 -0,232 -0,724

Error tıpico de asimetrıa 0,752 0,752 0,752

Rango 0,5 0,9 1,4

Mınimo 115,0 136,2 165,8

Maximo 115,5 137,1 167,2

Suma 922,2 1093,5 1330,7

Percentiles

25 115,125 136,425 165,900

50 115,300 136,700 166,350

75 115,400 136,975 167,925

Tabla 3.12: Analisis estadıstico con 8 muestras.


Con teorıa sustentada en las tablas 3.11 y 3.12, se puede deducir que el numero

de 8 muestras es el ideal para la presente caracterizacion de fallos por termografıa, el

resultado obtenido sera el mismo. Logrando con esto un monitoreo mas rapido, y por lo

tanto mas economico debido a que se disminuye el tiempo de diagnostico, apresurando la

puesta en marcha de un motor o vehıculo determinado.

3.4.9 Fallos inducidos en la combustion del motor diesel Com-mon rail.

Todo motor, ya sea de encendido por compresion o encendido por chispa, necesita

un proceso de combustion perfectamente controlado con el fin de entregar la potencia

requerida y de mantener las emisiones de gases contaminantes bajo los lımites impuestos

por las normas de control, el cua se rige bajo las condiciones establecidas por [59].

La combustion es parte vital del funcionamiento del motor y cualquier irregula-

70

ridad en los diversos factores que intervienen en el proceso, implican un funcionamiento

fuera de diseno, resultando en una diversidad de sıntomas, tales como:

• Ruidos anormales del motor.

• Consumo excesivo de combustible.

• Aumento de emisiones

• Vibraciones excesivas.

• Falta de potencia.

El factor principal para una correcta combustion, es la entrega de combustible,

que debe darse en forma adecuada y en la cantidad requerida, lo cual resulta en que

cualquier fallo en el sistema de inyeccion de combustible, conduzca a un fallo de com-

bustion. Los fallos extremos, conducen al fenomeno conocido como: fallo de encendido

(misfire.[64][65]), ya sea total o parcial, genera inestabilidad en el motor, especialmente

en ralentı.

El sistema Common rail esta equipado con inyectores de multiples agujeros de

pequeno diametro. Por tanto el inyector es de gran importancia durante el proceso de

combustion, diferencias de diametro por falla de fabrica o desgaste, ası como alteraciones

en la respuesta dinamica del levantamiento de la aguja, pueden ocasionar que el chorro

entregado a cada cilindro sea irregular y varıe de cilindro a cilindro, los fallos pueden darse

parcial o totalmente, por apagado de llama o condiciones de temperatura, atomizacion o

vaporizacion crıticas.[66]

Al existir un fallo en un motor diesel, concretamente en la combustion del mismo,

se presentaran ciertos indicativos, mismos que se veran reflejados en la temperatura de los

gases de escape, en mayor o menor magnitud. De aquı nace la dificultad de identificacion

de un fallo por diferencia de temperatura, ademas de que los fallos provocados en el

motor no son facilmente detectables a ciertos regımenes de giro, la intervencion sobre

actuadores primordiales para la combustion, como las valvulas: VGT, EGR e inyectores

de combustible resultara en un curso anormal del proceso de combustion. De igual manera

otros fallos tambien podrıan llegar a ser bastante significativos, tales como: segmentos

de piston defectuosos, sellado incorrecto de las valvulas, disminucion de refrigerante y

lubricante.

Particularmente al incidir sobre parametros de los inyectores es cuando mas sig-

nificativo sera un fallo en terminos termicos, segun [67] al variar la presion en el riel de

71

inyeccion, la cual es de vital importancia para una correcta pulverizacion del combustible

dentro de la camara de combustion, se adultera la normal combustion en el cilindro, pero

debe tenerse en cuenta que una vez ejecutado este fallo, la estabilizacion del motor en este

estado atıpico de funcionamiento es indispensable con el fin de que su comportamiento se

vea reflejado en un cambio de temperatura y luego monitorizado mediante la camara de

detectores infrarrojos.

En la tabla 3.13 se denotan fallos que ocurren ya sea con mayor o menor frecuencia

en un MEC, mismos que han sido valorados porcetualmente en base a [68] dando mayor

importancia a los fallos que tienen mayor repercusion en la combustion del motor.

Origen de fallos en el motor CRDi. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Apreciacion del fallo.

Falta de carga en la baterıa. • • • • 40%

Incorrecto calado de la distribucion • • • • • 50%

Malfuncionamiento en el sensor de presion de combustible. • • • • • 50%

Inyectores con desgaste excesivo (mecanico o electrico). • • • • • 50%

Desgaste en los sensores: IAT, MAF. • • • • • 50%

Dano en la valvula EGR. • • • • • • 60%

Sensor de temperatura del refrigerante. • • • • • 50%

Malfuncionamiento dentro de la ECU. • • • • 40%

Temperatura anormal de combustible. • • • 30%

Sensor de posicion del acelerador. • • 20%

Impurezas en el sistema de baja presion • • • 30%

Inadecuada presion en el turbocompresor. • 10%

Agrietamientos en el conducto de aspiracion de aire. • • • 30%

Falta de compresion en el motor. • • 20%

Tabla 3.13: Apreciacion porcentual de los posibles fallos en el motor CRDi.

Donde:

1. Paradas intermitentes en el motor.

2. Falta de potencia

3. Humo negro en el escape.

4. Emanacion de humo azul o blanco.

5. Excesiva vibracion en ralentı

6. Aceleracion tardıa.

7. Aceleraciones espontaneas durante el funcionamiento.

72

8. Asincronıa en la combustion.

9. Golpeteo excesivo con arranque en frıo.

10. Tirones espontaneos en ralentı y bajas rpm.

Para la seleccion de los fallos a ser caracterizados, En base a la tabla 3.11, y teni-

endo en cuenta que deben ser significativos en la combustion, se escogieron los siguientes

falllos:

-Dano en la tobera del inyector.

-Desconexion electrica del inyector correspondiente al cilindro 1

-Desconexion electrica del inyector correspondiente al cilindro 3

-Disminucion de presion en el rail de inyeccion en un 5 %

-Apertura de la valvula EGR al 96 %

73

4 ANALISIS DE GRAFICAS Y RELACION DE

LAS VARIACIONES TERMICAS CON LOS

FALLOS EN LA IGNICION.

4.1 Condiciones de funcionamiento en el motor, para

la obtencion de termogramas

Las firmas termicas deben obtenerse siempre en las mismas condiciones, con el

fin de evitar errores durante la medicion, se muestra a continuacion en la figura 4.1 las

condiciones en las que se inicia la obtencion de datos en el motor CRDI, mismas qie fueron

adquiridas con ayuda del escaner Carman VCI.




]










Tabla 4.1: Parametros de funcionamiento para la obtencion de firmas termicas.


74

4.2 Descripcion de los fallos generados y analisis de

las firmas termicas correspondientes.

Debido a que el objetivo de generar fallos es crear una base de datos, se han

escogido fallos significados exclusivamente en la combustion del motor diesel, mismos que

a su vez, tengan repercusion directa en la temperatura de salida en los gases de escape,

al generar un fallo. Mediante la instrumentacion conocida se toman termogramas, tanto

del motor en estado optimo de funcionamiento, como con un fallo determinado, para de

de esta manera caracterizar cada uno de los fallos mencionados; y que se enumeran a

continuacion.

1. Goteo de combustible en el inyector del cilindro 1. (fallo mecanico)

2. Cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilindro 1.

3. Cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilindro 3.

4. Disminucion de la presion de inyeccion en un 5 %

5. Apertura controlada de la valvula EGR al 96 %.

Las firmas termicas de los fallos expuestos, seran comparados posteriormente

con la firma termica en estado estable (figura 3.5), con el fin de verificar las diferencias

termicas entre uno y otro a los distintos regımenes ya establecidos.

4.2.1 Goteo de combustible en el inyector del cilindro 1. (fallomecanico)

Debido a que los inyectores son elementos que trabajan a presiones muy elevadas,

son componentes susceptibles a tener impregnacion de carbon producido por la combustion

durante el funcionamiento del motor diesel; son elementos fabricados con ajustes muy

precisos y sometidos a temperaturas de aproximadamente entre 500 y 600 ◦C.

Los inyectores tienden a desgastarse perdiendo sus cualidades de sellado, al te-

ner sus elementos sucios o gastados generan una fuga de combustible hacia el cilindro,

resultando en una reduccion de la presion de combustible a traves del carril de combus-

tible. En los inyectores la generacion de suciedad y deposito de carbon es muy frecuente;

los problemas comunes son el bloqueo de la aguja y la suciedad en el asiento de la to-

bera, obstruccion de orificios y perdida de presion, restringiendo la apertura y el flujo

75

de combustible. Un exceso de combustible inundara un cilindro, afectando seriamente el

funcionamiento del motor diesel, causando un inestable funcionamiento del motor.

Figura 4.1: Irregularidad instaurada en el asiento de la aguja del inyector.


Dados estos parametros se procedio a generar un desbaste de material en la aguja

del inyector. Para la medicion de la temperatura se debera arrancar el motor y dejar que

alcance la temperatura normal de funcionamiento, para posteriormente monitorizar la

temperatura en el colector de escape del cilindro defectuoso (Cilindro 1), se tomaran

varias muestras a cada regimen establecido y el resultado final sera una evolucion termica

del cilindro en base a los regımenes de giro del motor y se comparara con la firma termica

del motor en un buen estado de funcionamiento teniendo como resultado la figura 4.2 en

la que se puede apreciar la variacion termica que se genera al provocar este fallo en el

inyector.

4.2.1.1 Analisis de la firma termica obtenida.

En la figura 4.2, se puede apreciar la variacion termica que se genera al provocar

este fallo en el inyector, al inicio de la firma termica (1100 rpm)se nota una diferencia

termica entre la firma normal y la del fallo, teniendo una mayor temperatura en la firma

del fallo generado, esta diferencia va decreciendo a medida que se acerca a las 1300 rpm en

donde la diferencia de temperatura entre las firmas es casi imperceptible, en este regimen

de giro el motor tiende a ser un poco mas estable por lo que no se presenta una variacion

grande de temperatura entre las firmas, pero a partir de este punto la tasa de crecimiento

de temperatura incrementa, aumentando la diferencia termica que se puede apreciar a las

1500 rpm, superado este regimen la diferencia de temperatura entre las firmas tiende a

incrementar mas, por lo que a las 1700 rpm esta diferencia termica es mas significativa

76

todavıa.




]










Tabla 4.2: Parametros de funcionamiento correspondientes al goteo de combustible en el inyec-tor 1.

Figura 4.2: Firma termica correspondiente al dano en la tobera del inyector.


77

Medias de temperatura obtenidas para la generacion de la firma termica.

rpm 1100 1300 1500 1700

Valores de

temperatura en ◦C.

Sin fallo. 112,812 122,237 124,497 131,947

Con fallo. 114,137 122,349 127,787 145,110

Tabla 4.3: Valores promedio de temperatura con los que se genera la firma termica.

4.2.2 Cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilin-dro 1.

Varios fallos son los que se pueden originar en un inyector diesel, presencia de

impurezas o desgastes y mas importante todavıa, el corte completo de la inyeccion del

elemento, este corte puede ser provocado por un problema mecanico o uno electrico que

impidan por completo que ingrese combustible en el interior del cilindro, para este analisis

se ha generado un fallo electrico que consiste en cortar la alimentacion electrica del inyector

dejandolo fuera de funcionamiento y eliminando en su totalidad el ingreso de combustible

al cilindro.

La primera prueba consistio en cortar la alimentacion del inyector 1 y medir los

efectos termicos que se obtienen sobre la salida de los gases de escape de dicho cilindro,

adicionalmente con el apoyo del equipo de diagnostico (Escaner Carman VCI.) se pudo

apreciar el comportamiento de los demas cilindros ante este fallo y el resultado fue una

inmediata compensacion de la Unidad de Control, generando un incremento en la tasa de

inyeccion en el cilindro 3 con el objetivo de compensar la caıda que se genera en el cilindro

1, el rango de trabajo del inyector se encuentra representado por las barras inferiores y

en estado normal estas deben encontrarse en un rango de ±2, mientras mas se acerque al

extremo izquierdo significa que es mayor la tasa de inyeccion y viceversa teniendo de esta

forma la respuesta que se puede apreciar en la figura 4.3.


En lo concerniente a temperatura, se obtuvo una firma termica del comportami-

ento del cilindro comparando esta, con la firma del motor en buen estado como se puede

apreciar en la figura 4.4, las variaciones termicas son notorias en todos los regımenes es-

tablecidos, teniendo para este fallo, una notable caıda de temperatura respecto a la firma

termica estable. A las 1100 rpm se nota un pequeno descenso de temperatura con una

pendiente creciente, esta caıda de temperatura se debe a que este cilindro no esta gene-

78

rando trabajo y lo que se obtiene a la salida del escape son gases calentados que entran

en el cilindro y se comprimen, al alcanzar las 1300 rpm la temperatura se aproxima a la

del comportamiento normal esto se debe a que los gases provenientes del cilindro vecino

se mezclan con la de este cilindro y elevan la temperatura en el punto medido, posterior-

mente empieza una pendiente decreciente que se muestra muy significativa al alcanzar las

1500 rpm en donde la diferencia de temperaturas es muy significativa, esto se da debido

a que los gases de escape han alcanzado una velocidad elevada por lo que en la estructura

del escape se genera un vacıo que colabora a la salida rapida de los gases de los cilindros

e impide que a una cierta cantidad del cilindro 2 tienda a calentar la salida del cilindro

1, superadas las 1500 rpm la pendiente se torna creciente nuevamente con la diferencia

de que las firmas tienden a separarse mas a medida que incrementan las revoluciones

del motor; ya que al elevarse la velocidad de giro del motor en el cilindro incrementa la

cantidad de gases y masa de aire que ingresan y por ende salen del mismo obteniendo un

incremento de temperatura pero con una tasa de crecimiento pequena tal como se puede

apreciar en la figura 4.4.

Figura 4.3: Volumen de inyeccion captado con el escaner.


79




]










Tabla 4.4: Parametros de funcionamiento correspondiente a la cancelacion electrica del inyector1.

Figura 4.4: Firma termica correspondiente a la cancelacion del inyector del cilindro 1



rpm 1100 1300 1500 1700

Valores de


Sin fallo. 112,812 122,237 124,497 131,947

Con fallo. 110,196 121,944 119,323 122,848


80

4.2.3 Cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilin-dro 3.

Para el presente fallo, mismo que es similar al anterior, se siguio el mismo pro-

cedimiento que consiste en cortar la alimentacion del inyector 3 y observando los efectos

obtenidos en el escaner (Carman VCI) se pudo apreciar que la Unidad de Control intenta

compensar la caıda con un incremento en la inyeccion en el cilindro 4 como se puede

apreciar en la figura 4.5, de la misma manera que con el corte de inyeccion del cilindro 1

se procedio a realizar una medicion t’ermica a la salida de los gases de escape.


El resultado del fallo antes mencionado, se ilustra en la figura 4.6, en la cual se

puede observar que se genera una diferencia termica respecto a la normal, contrario al

fallo anterior, en este fallo se obtiene como respuesta un incremento de la temperatura

lo cual debido a que este inyector incrementa en cierta cantidad su tasa de inyeccion

para intentar compensar la caıda que se genero en el cilindro 3, la diferencia termica mas

notoria se da a las 1100 rpm y tiene una tasa de crecimiento menor a la firma en estado

normal por lo que alcanzadas las 1300 rpm esta diferencia termica se reduce. Debe tenerse

en cuenta que a mayor regimen de giro sera necesaria una menor compensacion por parte

del cilindro ya que se obtiene una mayor estabilizacion que a bajas rpm obteniendo que

mayores rpm se ira acercando la curva cada vez mas, alcanzadas las 1500 rpm la diferencia

es incluso menor, al aproximarse a las 1600 rpm se da una interseccion entre las firmas,

para finalmente a las 1700 rpm tener una temperatura menor a la de un comportamiento

normal.

81

Figura 4.5: Volumen de inyeccion captado con el escaner.





]










Tabla 4.6: Parametros de funcionamiento correspondientes a la cancelacion electrica del inyec-tor 3.

82

Figura 4.6: Firma termica correspondiente a la cancelacion del inyector del cilindro 3



rpm 1100 1300 1500 1700

Valores de


Sin fallo. 112,812 122,237 124,497 131,947

Con fallo. 117,249 125,897 126,695 130,901


4.2.4 Disminucion de la presion de inyeccion en un 5%.

El RPS es el sensor encargado de medir la presion en el riel de inyeccion, esta

medida debe ser precisa y en un tiempo exacto. Consta de un sensor integrado en el

empaque de presion, un circuito de evaluacion electrico y el cuerpo del sensor con el

conector electrico.

El combustible fluye a traves de un orificio en el riel hacia el RPS, la membrana del

sensor sella hermeticamente el orificio. El combustible llega a presion hacia la membrana,

sobre la cual se encuentra el elemento sensor que convierte la presion en senal electrica,

misma que se transmite a traves de un circuito a la ECU, a manera de senal amplificada.

Al ser la presion de inyeccion, un parametro de vital importancia para un optimo

proceso de combustion; se toma este como punto de partida para generar intencional-

mente un fallo en el motor. El cual comprende una variacion del RPS al 5%, misma que

supera el rango de precision establecida de un 2%, mediante el uso del escaner Carman

VCI se verifico la variacion adecuada de presion, misma que en condiciones estables de

funcionamiento representa una presion del 21 %, el sensor RPS, se encuentra en la consola

83

del motor y su variacion controlada, permitira visualizar en el escaner un valor porcentual

de presion lımite hasta el 16%, la medicion no fue posible a presiones inferiores debido a

que el motor se apaga.

Teniendo como efectos principales, una caıda de las rpm del motor y una re-

duccion de presion del combustible en el riel. Otro efecto de esta variacion es el cambio

termico que se obtiene a la salida de los gases de escape del cilindro, la misma que se

puede apreciar en la figura 4.7 en donde se ilustran las diferencias de temperatura que se

presentan entre la firma termica obtenida con el motor en un estado de funcionamiento

optimo y la firma que se obtuvo al generar la caıda de presion en el riel. Teniendo como

puntos mas significativos de variacion termica las 1100, 1300 y 1700 rpm.


Bajo esta condicion de funcionamiento se puede apreciar que el motor al regimen

inicial de medicion (1100 rpm) presenta una caıda termica respecto a la temperatura de

la firma termica normal, no obstante la pendiente de la firma termica en estado de fallo

es mayor a la pendiente de la firma termica normal, por lo que al alcanzarse las 1300 rpm

la temperatura de la firma en fallo habra superado a la temperatura de la firma en estado

normal, la interseccion de las curvas se da aproximadamente a las 1250 rpm. A partir de

las 1300 rpm la pendiente de la firma termica en fallo disminuye significativamente, lo que

en la figura 4.9 se puede apreciar como la temperatura se estabiliza a 125 ◦C. que va desde

las 1300, hasta alcanzadas las 1500 rpm, mientras que la firma en estado normal a partir

de las 1300 rpm tiene una pendiente menor en la medida para que, al alcanzarse las 1500

rpm intersectar con la firma en estado de fallo, superadas las 1500 rpm las pendientes de

las firmas tienden a ser diferentes, siendo ms significativa la de la firma en estado normal,

por lo que al alcanzarse las 1700 rpm la temperatura de la firma en estado normal es

mayor a la de estado en falla.

84




]










Tabla 4.8: Parametros de funcionamiento correspondientes a la disminucion de presion deinyeccion en 5 %.

Figura 4.7: Comparacion entre la firma termica correspondiente a la variacion en la presionde inyeccion en un 5% y el motor en estado estable.



rpm 1100 1300 1500 1700

Valores de


Sin fallo. 112,812 122,237 124,497 131,947

Con fallo. 106,435 124,974 124,848 126,684


85

4.2.5 Apertura de la valvula EGR al 96%

La valvula EGR se encarga de reducir las emisiones de NOx en los motores de

combustion interna alternativos, tanto diesel como gasolina, est valvula funciona intro-

duciendo en el cilindro parte de los gases combustionados. Debido a que dichos gases ya

combustionados poseen elevados porcentajes de CO2 y H2O, no participan en la com-

bustion, pero contribuye a la reduccion de temperatura dentro del cilindro, esto se logra

debido al hecho de que el calor especıfico del gas recirculado es superior al del aire, ademas

de que disminuye la concentracion de oxıgeno en el mismo, haciendo que la combustion

se de progresivamente, evitando valores atıpicos en la combustion, tanto de temperatura

como de presion.

La EGR influye dentro del proceso de renovacion de carga en factores como,

reduccion en la masa admitida por el colector de admision, incremento en la temperatura

de admision, reduccion en la concentracion de oxıgeno e incremento del calor especıfico

de la mezcla.

Para la reproduccion de este fallo, fue necesario controlar electronicamente la

valvula EGR, dicha accion fue posible gracias a la incorporacion de la plataforma electronica

Arduino, mediante la cual se comando dicha valvula, puesto que la senal de salida del

arduino es de 5 [V ] y la que necesita la valvula es de 12 [V ], lo que se hizo fue programar

en matlab una senal proporcional, misma que va directo hacia el modulo de encendido,

para luego en una ventana ingresar el valor porcentual al que se desea abrir la EGR, vease

figura 4.8.


El resultado de las mediciones termicas se ve reflejado en la Figura 4.9, en la que

se puede apreciar que al regimen inicial de analisis, (1100 rpm) la firma termica del fallo

tiene una temperatura un tanto mayor que la temperatura de la firma en estado normal,

sin embargo la pendiente del crecimiento termico de la firma normal es mucho mayor a

la de la firma con fallo por lo que incluso antes de alcanzadas las 1200 rpm estas tienden

a intersectarse, para finalmente a las 1300 rpm, tener como resultado que la temperatura

en estado de fallo es mucho menor a la temperatura en estado normal; con una diferencia

termica significativa. A partir de las 1300 rpm ambas firmas, tanto la de estado normal

como la de fallo tienen una pendiente creciente, siendo la de la firma normal un tanto

menor, por lo que, alcanzadas las 1500 rpm la diferencia termica entre las firmas es menor

86

que a las 1300. Desde este regimen de giro (1500) en adelante las pendientes de ambas

firmas tienden a ser muy similares por lo que alcanzadas las 1700 rpm la diferencia termica

entre las firmas sera similar a la de las 1500.

Figura 4.8: Esquema para el control de valvula EGR.





]










Tabla 4.10: Parametros de funcionamiento correspondientes a la apertura de la EGR al 96 %.

87

Figura 4.9: Firma termica correspondiente a la apertura de la valvula EGR al 96%



rpm 1100 1300 1500 1700

Valores de


Sin fallo. 112,812 122,237 124,497 131,947

Con fallo. 115,086 116,661 120,332 127,221


88

5 CREACION DE UNA BASE DE DATOS DE

LOS FALLOS GENERADOS Y SUS

CORRESPONDIENTES ESPECTROGRAMAS.

5.1 Parametros definidos para la creacion de la base

de datos.

Con el fin de crear adecuadamente la base de datos, es menester tomar en cu-

enta las condiciones en que se realizan las mediciones termograficas, aumentando de esta

manera, la fiabilidad en la obtencion de datos y reduciendo margenes de error en el tra-

tamiento de los datos de temperatura. Los parametros bajo los cuales se ha realizado la

experimentacion, obtencion, analisis y procesamiento de datos se exponen en las tablas

3.2 y 3.3; siendo la primera referente, unicamente a parametros de funcionamiento del

motor, mientras que la segunda infiere informacion referente a condiciones externas del

entorno en el que se obtuvieron las muestras.

5.1.1 Terminologıa usada para la experimentacion en el motor.

Una vez obtenidos los fallos caracterısticos con la instrumentacion requerida, se

procede a transferir los datos del software IRSoft al programa Labview; para la creacion

de la base de datos, mismos que

89

Simbologıa para el levantamiento de la base de datos.

SF Corresponde a una firma termica sin fallo

F1,2,3 . . . n Corresponde a una firma termica con fallo

V 1 Regimen de giro a 1100 rpm.




Tabla 5.1: Simbologıa usada para la creacion de la base de datos

F1: Goteo de combustible en el inyector del cilindro 1. (fallo mecanico)

F2: Cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilindro 1.

F3: Cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilindro 3.

F4: Disminucion de la presion de inyeccion en un 5 %.

F5: Apertura controlada de la valvula EGR al 96 %.

5.1.2 Valores de temperatura necesarios para la creacion de labase de datos.

Una vez realizadas todas las pruebas experimentales y mediciones necesarias,

procedemos a construir la base de datos, para la cual se ha elegido el software LabView, en

el cual, se ingresan los datos de temperatura correspondientes a las ocho muestras, mismas

que fueron obtenidas para cada regimen de giro, mismos que ya fueron determinados y

posteriormente expuestos en el capıtulo 3. De los valores de temperatura obtenidos, se

obtiene un valor promedio, el cual es graficado en el software antes mencionado, para ser

comparado con la firma termica en estado optimo de funcionamiento.

Cabe destacar que los termogramas obtenidos y analisis realizados han sido efectu-

ados bajo ciertas condiciones, mismas que responden tanto al comportamiento del motor,

como a agentes externos; los cuales al ser modificados alteran en mayor o menor grado,

la respuesta termica monitorizada en el colector de escape, con el fin de evitar dichas

variaciones, los termogramas con que se realiza el levantamiento de la base de datos han

sido obtenidos siempre bajo condiciones de funcionamiento del motor ya preestablecidas,

ası como identicas condiciones ambientales.

Se ha creido conveniente presentar a continuacion los valores de temperatura,

90

debido a que, son la base para el analisis termico del elemento (colector de escape.)

demas de que son los cimientos que definen la solidez y fiabilidad de la base de datos.

5.1.2.1 Firma termica en estado optimo de funcionamiento. (SF)

En la tabla 5.2 se puede visualizar los datos de temperatura correspondientes a

la firma termica en estado optimo de funcionamiento, los cuales han sido obtenidos en

base a los parametros de funcinamiento expuestos en la tabla 3.2.

rpm V1 V2 V3 V4

Numero

de

muestras. ◦C.

1 113,2 122,3 123,5 130,5

2 112,9 121,9 123,2 131,3

3 112, 122,3 124,7 131,8

4 112,9 122,7 124,1 132,3

5 113,1 122,4 124,3 131,6

6 112,8 122,1 125,1 132,2

7 112,4 122,4 125,8 133,1

8 112,7 121,8 125,3 132,8

Media de valores. ◦C. 112,812 122,237 124,497 131,947

Tabla 5.2: Valores de temperatura correspondientes al caso: SF.

5.1.2.2 Goteo de combustible en el inyector del cilindro 1 (F1).

En la tabla 5.3 se pueden visualizar los datos correspondientes al primer fallo

generado, el cual consta de un inyector que inyecta un caudal de combustible mayor al

normal.

91

rpm V1 V2 V3 V4

Numero

de

muestras. ◦C.

1 114,1 122,3 127,8 143,5

2 114,2 122,8 127,5 144,3

3 113,8 122,5 128,1 144,8

4 113,9 122,3 128,2 145,2

5 114,6 121,8 127,8 145,3

6 114,5 122,4 127,6 145,6

7 114,1 122,3 127,5 146,1

8 113,9 122,4 127,8 146,1


Tabla 5.3: Valores de temperatura correspondientes al caso: F1.

5.1.2.3 Cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilindro 1. (F2)

A continuacion, en la tabla 5.4 se encuentran los valores de temperatura obtenidos

durante la cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilindro 1.

rpm V1 V2 V3 V4

Numero

de

muestras. ◦C.

1 112,9 127,4 123,7 127,9

2 112,1 124,8 122,6 126,9

3 111,4 124,1 121,2 126,1

4 111,4 123 120,8 123,9

5 109,1 121,5 118,6 121,4

6 109,3 119,4 117,4 119,8

7 108,1 117,7 116,3 118,3

8 107,4 118 1147,3 118,9



5.1.2.4 Cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilindro 3. (F3)

Como ya se explico en secciones anteriores, siguiendo el mismo procedimiento de

generacion del fallo anterior (Cancelacion electrica del inyector correspondiente al cilindro

1), se intervino de identica forma en el inyector del cilindro 3, del cual se han obtenido

los siguientes resultados, mismos que se exponen en la tabla 5.5.

92

rpm V1 V2 V3 V4

Numero

de

muestras. ◦C.

1 117,3 126,7 124,7 128,1

2 116,4 127 125,5 129,2

3 116,7 126,3 126,1 129,7

4 117,4 125,3 127,1 130,1

5 117,9 125,1 127 130,1

6 117,6 125,1 127,7 132,4

7 117 126,3 127,1 132,5

8 117,7 125,4 128,4 133,2



5.1.2.5 Disminucion de la presion de inyeccion en un 5 %. (F4)

Como ya se menciono anteriormente, la presion de inyeccion es un parametro

fundamental para una normal combustion en la camara de combuston de un motor diesel

CRDI, razon por la cual un fallo que dependa de dicho parametro era de vital importancia,

con el fin de visualizar el comportamiento termico del motor en esas condiciones, ademas

de obtener informacion relevante que permita un adecuado levantamiento de informacion

para la creacion de la base de datos.

rpm V1 V2 V3 V4

Numero

de

muestras. ◦C.

1 105,5 123,8 124,1 125,3

2 106,1 124,7 123,8 126,4

3 105,2 125,2 125,2 125,9

4 106,6 125,1 124,5 126,7

5 107,1 125,2 125,5 127

6 106,6 125,2 125,2 127,3

7 107,3 125,5 125,5 126,6

8 107,1 125,1 125 128,3


Tabla 5.6: Valores de temperaturacorrespondientes al caso: F4.

93

5.1.2.6 Apertura controlada de la valvula EGR. (F5)

Segun las firmas termicas obtenidas , se procedio a generar el fallo en la vavula

EGR, mediante el cual se verifico una notoria diferencia en la temperatura, la cual puede

constatarse mediante la tabla 5.7

rpm V1 V2 V3 V4

Numero

de

muestras. ◦C.

1 114,7 115,8 118,8 126,3

2 114,8 115,7 118,9 126,7

3 115,3 115,8 119,2 126,7

4 115,2 116,3 120,3 127,2

5 115,3 116,5 120,6 127,3

6 115,1 117,6 121,1 127,6

7 115,1 117,6 121,7 127,9

8 115,2 117,8 122,3 128,1



5.2 Manejo del programa para ingreso de datos y ge-

neracion de firmas termicas

El programa se realizo en el software LabView, con el objetivo de sintetizar el

proceso de generacion de las firmas termicas reduciendo de manera significativa el tiempo

empleado para tabular datos y posteriormente generar la firma termica con los mismos,

ademas de contar con una base de datos en la que se pueda contar con un registro de

los resultados obtenidos en la medida, estos resultados seran tanto valores numericos

como graficos, estos ultimos corresponden a las firmas generadas para cada fallo que sea

registrado.

A continuacion se procede a ilustrar la utilizacion del programa:

5.2.1 Ventana Principal de la Base de Datos

Cada vez que se ejecute el software Main.vi aparecera una ventana identica a

la que se expone en la figura 5.1, en la cual esta siempre graficada la firma termica en

optimas condiciones de funcionamiento, al costado izquierdo de dicha ventana, mientras

94

que al derecho se encuentran los comandos correspondientes al ingreso y graficacion de

datos.

Figura 5.1: Ventana de inicio del software programado


Cuando se acciona el icono designado con el numeral 1 de la figura 5.2, se ejecuta

el programa, con lo que se tiene acceso a todas las ventanas y comandos del programa,

mismas que se muestran a continuacion.

95

Figura 5.2: Ventana principal del software.


5.2.2 Ingreso de valores de temperatura.

Una vez conocido, a groso modo, el entorno de la programacion disenada proce-

demos a ingresar la informacion relevante, con la cual, las firmas termicas son generadas

para posteriormente ser analizadas.

Se deben pulsar los iconos designados con el numeral 2 de la figura 5.3 para ingre-

sar los valores de cada regimen de giro habilitados como V1, correspondiente a 1100 rpm,

V2 a 1300 rpm, V3 asignado al regimen de 1500 rpm y finalmente V4 a 1700 revoluciones.

Se ingresan los ocho valores de temperatura para cada regimen de giro, una vez realizado

el ingreso de cada valor se debe pulsar la tecla enter para ingresar el siguiente, una vez

cargados los valores de temperatura la ventana se cierra automaticamente, al tiempo que

en la ventana de graficacion (numeral 3) se esboza la media de los valores ingresados.

Este proceso se debera seguir para el ingreso de los valores de cada regimen de giro y cuya

secuencia se expone en las figuras 5.3, 5.4 y 5.5.

96

Figura 5.3: Ingreso de valores de temperatura


Figura 5.4: Graficacion de las medias de temperatura


97

Figura 5.5: Firmas termicas graficadas.


5.2.3 Denominacion y descripcion del fallo graficado.

Una vez ingresados todos los valores de temperatura, en la ventana designada con

el numeral 4 de la figura 5.6, se ingresa la denominacion del fallo F 1, 2, 3 . . . n (segun se

requiera) y en la ventana designada con el numeral 5 se ingresa la descripcion del fallo.

Agregados dichos datos se pulsa el ıcono corespondiente al numeral 6 para cargar los

valores a la base de datos, quedando de manera similar a la mostrada en la figura 5.7.

98

Figura 5.6: Ilustracion de las ventanas para ingreso de denominacion y descripcion de unafirma termica


Figura 5.7: Informacion referente a las firmas ya ingresada.


Una vez cargados todos los valores de temperatura en sus respectivos regımenes

de giro, se pulsa la pestana DB, la cual se indica en la figura 5.8 y designada con el

numeral 7 para acceder a la ventana en la que se podran apreciar todas las firmas, valores

99

ingresados ası como los saltos termicos entre las graficas mismos que se obtienen a cada

regimen de giro en el que se realizo el analisis.



Cuando se pulsa el boton corespondiente al numeral 8 de la figura 5.9 se despliega

la lista de denominaciones ingresadas F 1, 2, 3 . . . n una vez seleccionada la denominacion

deseada accedemos al ıtem 9 para visualizar las graficas y datos del fallo ingresado en la

base de datos.

100



En caso de que una firma no sea la adecuada o de que su informacion sea ir-

relevante, existe la opcion de eliminar dichos datos que se hayan ingresado, lo cual se

obtiene al hacer click en el ıcono asignado al numeral 10 de la figura 5.10 presionando

posteriormente aceptar, esta opcion es usada en caso de que los valores ingresados sean

erroneos.

101



5.2.3.1 Informacion adicional respecto al programa.

En la ventana de graficacion unicamente estaran visibles dos firmas termicas,

mismas que corresponden a la del motor en estado de funcionamiento normal representada

con el color azul; y la del fallo ingresado, diferenciada de la anterior por el color rojo, esta

accion se realiza para todos los fallos que se ingresen, el objetivo de mantener siempre

presente la firma termica del motor en estado normal es el poder apreciar de mejor manera

las variaciones termicas que se tienen entre una firma del motor con fallo y la de buen

funcionamiento.

La ventana de graficacion presenta: en el eje de las abscisas el valor de RPM

y en el eje de las ordenadas el valor de temperatura medido, la escala de la ventana se

encuentra en un rango definido, esto con el fin de visualizar las firmas termicas siempre

desde una perspectiva, evitando variaciones innecesarias en su geometrıa y facilitando el

analisis de los datos obtenidos.

Todos los valores que se ingresen en el programa se almacenan en una base de

datos de Access presentada en la figura 5.12. la cual puede ampliarse segun se ingrese

102

informacion adicional, ası como tambien se puede tener acceso a dicha informacion cada

vez que se crea conveniente.



103

CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS.

Conclusiones

El presente trabajo, se ha enfocado al mantenimiento predictivo en motores de

combustion interna alternativos diesel, concretamente al estudio de fenomenos termicos

basados en la generacion y caracterizacion de fallos,

- Para aplicar correctamente la tecnica de termografıa fue necesario ahondar en

temas referentes a, la radiacion termica y la manera en que los cuerpos la emiten al

exterior, ası como tambien la instrumentacion utilizada durante el proceso de obtencion

de datos, teniendo en cuenta que, debido a los constantes avances tecnologicos; siempre

abran nuevos, mejores y mas precisos instrumentos de medicion.

- Se realizo la validacion de la tecnica de termografıa infrarroja, mediante la uti-

lizacion de instrumentos adicionales, mediante los cuales se constato un comportamiento

similar y con la misma tendencia en lo que a sus valores de temperatura se refiere.

- Con la utilizacion de la tecnica de termografıa infrarroja, fue posible la carac-

terizacion de fallos en la combustion del motor diesel CRDI, mediante la cual se pudo

comprobar una diferencia notoria de temperatura entre dos estados de funcionamiento.

- Mediante la experiencia adquirida durante la experimentacion y apoyados en

bibliografıa relacionada, se pudo constatar que el factor mas importante al momento de

realizar mediciones termograficas es la emisividad; y mas aun en metales ya que en estos la

emisividad aumenta exponencialmente respecto a la temperatura por lo que debe tenerse

especial cuidado con elementos cuyas superficies son especulares o de baja emisividad.

- La camara termografica y el pirometro de infrarrojos, fueron elegidos en conjunto

para la experimentacion, debido a las singulares caracterısticas que tienen en comun, como

son una respuesta termica inmediata, la cual permite que las mediciones se realizen en

tiempo real.

- Con el fin de que los valores de temperatura obtenidos tengan validez, se han

establecido condiciones de funcionamiento en las cuales deben efectuarse las mediciones,

como son: superficie libre de polucion o recubrimientos, la temperatura ambiente, tem-

104

peratura en el refrigerante del motor, regımenes de giro, distancia de medicion.

- El area especifica de medida, se establecio en funcion de la geometrıa del colector

de escape, siendo dicha area la que mayor actividad termica representa, por el hecho de

que en esta; los gases de escape colisionan permanentemente, pero debe determinarse un

area en particular para cada caso de analisis que llegase a realizarse.

- Los cambios de temperatura, una vez provocado un fallo, se notan inmediata-

mente, demostrando ası la eficacia de la tecnica sin necesidad de parar el motor.

- La firma termica es el patron de comparacion entre comportamientos del motor,

con fallo y sin fallo, para la cual es de vital importancia que se obtenga en igualdad de

condiciones para ambos casos, con el fin de agilitar la identificacion de alguna averıa,

de igual manera, la severidad en los fallos es determinada de acuerdo a la diferencia de

temperatura que existe a traves de los distintos regımenes.

- El comportamiento termico de los fallos aplicados al motor, ha sido estudiado

adecuadamente y; a distintos regımenes de giro con el fin de tener una vision amplia del

motor con las averıas generadas.

- El trabajo desarrollado, puede ser realizado a motores diesel en general, pero su

aplicacion esta sujeta a las caracterısticas constructivas que presenten uno u otro motor.

- La base de datos creada en LabView, permite archivar toda la informacion

referente al comportamiento termico de un motor, pudiendose visualizar dicha informacion

tanto graficamente, cmo en terminos de registros escalares, facilitando ası la lectura e

interpretacion de las firmas termicas obtenidas.

.

.

.

.

.

.

105

Trabajos futuros.

Al ser esta, una tecnica relativamente nueva y poco aplicada en motores de com-

bustion existen algunas areas de aplicacion, las cuales, relacionadas a este trabajo abar-

carıan los siguientes temas.

- Para realizar un estudio termografico transitorio que evalue la temperatura del

motor, es necesaria la implementacion de un sistema que controle con presicion la camara,

con el fin de que los datos sean obtenidos en intervalos de tiempo precisos.

- Experimentar con nuevos fallos, en las mismas condiciones en las que se ha

realizado el presente trabajo, con el fin de analizar el comportamiento termico del motor,

en funcion del lugar en el que se provoque el fallo, ampliando la base de datos que ha sido

creada.

- Ampliar el analisis termografico a los demas elementos que intervienen en el fun-

cionamiento del motor, como el turbocompresor, el intercooler, conductos de refrigeracion,

carter de aceite.

- Cuantificar la magnitud de un fallo, en base a la ampliacion de la base de datos,

pudiendose diagnosticar un fallo, a partir de la severidad del mismo.

- Queda abierta la posibilidad de realizar un monitoreo termografico a vehıculos

en servicio, con el fin de verificar los fallos en un motor con carga, pudiendo efectuar los

analisis a mayores regımenes de giro.

- Otro aspecto a desarrollar es el hecho de aumentar la fiabilidad en los datos

obtenidos, misma que puede realizarse con la adicion de una termocupla, teniendo en

cuenta el desfase que posee la senal de la misma, debe tambien disenarse un algoritmo tal

que, facilite la sincronizacion de dicha termocupla con la camara termografica.

106

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[68] F. E. W. Schuch and J. Company Bueno, Manual de la tecnica del automovil. Re-verte.

110

ANEXOS

5.1 ANEXO 1 Caracterısticas de los tipos de detec-

tores infrarrojos.

Resolucion

de

imagen.

Pitch.

(µm)

Componente

principal.

Material

del

detector.

MTF

Geometrio

(mm−1)

Fabricante

1x128 100 Piro electrico LiTaO 0,6 a 3 DIAS Dresden

328x245 48.5 Piro electrico BaSrTi 0,6 a 5Texas

Instruments (Ti)

100x100 100 Piro electrico PbSkTa 0,8 a 3 GEC Marconi

384x288 40 Piro electrico PbSkTa 0,8 a 5 GEC Marconi

336x240 50 Bolometro Vox 0,9 a 5 Honeywell

327x245 46 Bolometro Vox 0,9 a 5 Loral

128x128 100 Bolometro p/n-Poly-Si 0,9 a 3 NEC

30x240 50 Micro-Cantilaver TiWaufSiC Bi-metal 0,8 a 5 Sarcon Micro-system

Tabla 5.1: Caracterısticas principales de diferentes tipos de detectores.

111

5.2 ANEXO 2. Temperaturas correspondientes al ci-

lindro numero 1.

Cilindro 1.

rpm 820 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Muestras ◦C.

1 115,2 119 128 136,2 139,4 157,4 165,8

2 115 119,1 128,3 136,5 139,6 157,1 165,8

3 115,3 118,9 128,5 136,9 139,1 157,1 166,2

4 115,5 119,1 128,5 136,7 140,1 157,5 166,4

5 115,4 119 128,5 137 139,9 157,8 166,4

6 115,4 119,2 128,5 136,7 140,1 157,5 166,6

7 115,3 118,9 128,7 137,1 140,3 157,8 167,2

8 115,1 119,2 128,7 136,4 140,7 157,5 166,3

9 115,1 119,1 128,9 136,7 140,1 17,3 166,5

10 115,3 119,2 128,7 136,6 140,6 156,9 166,7

11 115 119,1 128,5 136,6 140,5 157,6 166,6

12 115,4 119 128,8 137 140,7 156,5 165,7

13 115,3 119,1 129 137,1 140,8 156 165,6

14 115 119 128,9 136,7 140,5 156,1 166,6

15 115,1 119 128,6 137,1 140,1 155,4 167,4

16 115,5 119,3 128,3 136,5 140,8 156,2 168,1

17 115,5 119 128,6 135,7 140,5 155,7 168,6

18 115,2 119 128,6 135,7 140,5 155,7 168,6

19 115,3 119,4 129 135,8 142 155,5 168,8

20 115,5 119,5 128,2 136 142 155,6 168,8

T ◦promC. 115,62 118,44 129,32 135,08 142,51 156,2 165,16

Tabla 5.2: Muestreo de temperatura para el cilindro numero 1.


112

5.3 ANEXO 3. Temperaturas correspondientes al ci-

lindro Numero 4.

Cilindro 4.

rpm 820 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Muestras ◦C.

1 115,8 117,7 129,1 135,1 142,2 154,8 164,8

2 115,9 118 129,3 135,5 142,5 155,5 164,8

3 115,3 118,1 129,5 135,5 142,6 155,7 165,2

4 15,8 118 129,5 135,3 142,2 155,8 165,2

5 115,6 118,1 129,5 135,1 142,6 156,4 165,3

6 115,7 118,2 129,5 134,7 142,6 155,9 164,9

7 115,8 118,1 129,3 135,2 142,6 156,2 165,2

8 115,8 118,3 129,5 135,5 143 156,7 164,9

9 115,8 118,3 129,3 135 142,9 156,4 165,5

10 115,6 117,8 129,4 135,1 142,6 156,7 165,3

11 115,8 118,8 129,5 135,2 142,2 157,4 165,6

12 115,4 118,1 129,1 135,3 142,5 156,8 165,3

13 115,5 119 129 135,3 142,6 156 164,9

14 115,7 118,7 129,2 134,8 142,6 156,4 165,2

15 115,6 119,2 129,5 135,2 142,4 156,1 165,4

16 115,6 119,1 129,3 134,5 142,1 156,8 164,9

17 115,5 119,1 129,4 134,9 142,2 158,4 165,2

18 115,5 118,7 129,5 134,6 142,4 157,8 165,1

19 115,3 118,8 129 134,5 142,2 157,9 165,5

20 115,5 118,9 129,2 135,5 143,3 158,8 165,2

Tprom◦C. 115,62 118,44 129,32 135,08 142,51 156,62 165,16

Tabla 5.3: Muestreo de temperatura para el cilindro numero 4.


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