El Análisis de funcionamiento por medio de diagramas indicados es un método muy valioso para conocer el estado de funcionamiento de un motor diésel. Por esta metodología de análisis se puede conocer cómo se está realizando el ciclo de funcionamiento de un motor de combustión interna, ya sea de dos tiempos como de cuatro tiempos. Para cada cilindro se puede saber la potencia generada y su rendimiento termodinámico, así como la presencia de cualquier anomalía en su funcionamiento.
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El dispositivo utilizado para la extracción de diagramas indicados, denominado "Indicador de Presiones", se ha utilizado tradicionalmente desde hace mucho tiempo por los maquinistas en los buques, principalmente eran usados en los motores lentos de dos tiempos. En motores de media velocidad y rápidos, las altas velocidades de operación generaban inercias en sus piezas que daban como resultado diagramas deformados, por lo que no permitían su aplicación práctica para obtención de datos y diagnosis en este tipo de motores.
En años más recientes, se diseñaron indicadores de presiones mecánicos más pequeños y construidos con aleaciones ligeras, para reducir en lo posible las inercias y poder ser utilizados en motores de más altas velocidades de rotación.
En la actualidad se utiliza el "Indicador de Presiones Electrónico", el cual está compuesto por una unidad de adquisición de datos portátil que está unida, por medio de un cable, con un sensor de presión piezoeléctrico de cuarzo, el cual tiene las ventajas de elevada precisión en las mediciones y no verse influido significativamente por las fuerzas de inercia, por lo que podría utilizarse tanto en motores lentos como de media y alta velocidad. Las lecturas tomadas son almacenadas en la memoria interna de la unidad de adquisición de datos, para posteriormente ser descargadas en un PC donde son analizadas por medio de un programa informático específico.
El Indicador de Presiones Electrónico es una herramienta muy valiosa para la monitorización de la condición de funcionamiento de los motores diésel. Permite calcular la presión media indicada (pmi) y la potencia desarrollada en cada cilindro, además poder realizar los ciclos cerrados y los abiertos, los cuales pueden ser comparados de unos cilindros con otros y respecto a un historial de mediciones interiores, lo cual ayuda en el diagnóstico de averías o detección de pequeñas anomalías en el funcionamiento interno del motor.
Los principales atributos que se requieren en un Indicador de Presiones Electrónico son:
a) Precisión.
b) Fiabilidad y duración.
c) Facilidad de uso.
d) Software eficiente.
Estos atributos son independientes de la implementación del sistema, es decir, si se utiliza una técnica portátil, fija o permanente en línea.
La obtención de una elevada precisión en la toma de datos es de gran importancia y depende de las dos entradas de datos principales al sistema de adquisición de datos;
• Una de las entradas es el ángulo instantáneo del motor (grados de giro el cigüeñal) y puede obtenerse con exactitud utilizando un sensor específico en el volante del motor (angle encoder). Algunos fabricantes se esfuerzan mucho para proporcionar una señal con una precisión angular muy grande. Una idea de la importancia del ángulo, es que un error angular de un grado da lugar a un error del 7 % en la potencia calculada. Los sistemas que miden continuamente la posición del volante proporcionan mejores resultados y pueden compensar las variaciones de velocidad durante cada revolución del motor. En la práctica, un buen compromiso es tener un indicador cada revolución y múltiples referencias alrededor del volante para proporcionar una corrección a intervalos regulares.
• La otra entrada es la presión en el interior del cilindro, donde también pueden producirse errores en la toma de datos que pueden influir en la precisión. Los sensores de la presión deben ser suficientemente estables para no verse afectados por las variaciones de la temperatura, y deben ser capaces de trabajar a temperaturas muy altas durante largos periodos de tiempo. La tecnología piezoeléctrica ha proporcionado esa solución y, aunque no al menor coste del mercado, sin duda el comportamiento es el mejor. No requieren compensar la temperatura, y no se fatigan ni se desgastan.
Estos equipos deberán ser utilizados por la tripulación de máquinas durante largos periodos de tiempo, por lo que es esencial que sean fiables y duraderos;
La fiabilidad asegura que el equipo esté a bordo el mayor tiempo posible. Los sistemas que pasan mucho tiempo enviándose a reparación caerán rápidamente en desuso. Además, en las rutas de tráfico de muchos buques no siempre es posible enviar equipos a reparar en el primer puerto que paran y la recepción está limitada también a ciertos puertos. Por tanto, es muy importante tener un sistema que sea inherentemente fiable. La fiabilidad también asegura que los resultados sean precisos.
La duración de cualquier equipo que se utiliza en los buques es vital. Las tripulaciones dan un uso intensivo a estos equipos de diagnóstico para solucionar problemas en los motores, por lo que estos elementos deben de durar muchos años sin estropearse, y garantizar la existencia de recambios a lo largo del tiempo para poder sustituir los elementos dañados, especialmente los sensores de presión.
Es muy importante también la facilidad de uso de estos equipos. La toma de lecturas debería ser lo más fácil posible y que se puedan ver los datos al tomarlos en cada cilindro. Esto es muy útil cuando se realizan ajustes ya que se puede hacer una prueba rápida y un reajuste que daría lugar a una mejora de la configuración.
Para diagnosticar el estado de un motor, el software necesita tener gráficos de buena calidad, un zoom sencillo para ver detalles, la posibilidad de superponer resultados, cursores para comparar los resultados a determinados ángulos, una presentación del resumen de los resultados y un bloc de notas. Esto debería formar parte de un paquete intuitivo que tuviera a Windows como sistema operativo ya que hoy día es el que se utiliza principalmente en el sector marítimo.
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Los Indicadores de Presiones Electrónicos pueden ser equipos individuales portátiles o pueden ser instalados fijos en sistemas en red. Los sistemas en red necesitan un sensor por cada culata que está permanentemente conectado, por medio de la red de comunicaciones los motores están permanentemente monitorizados.
La Instalación de los sensores de presión permanentes, la válvula de purgas queda después con una conexión Thompson que permite conectar un equipo portátil.
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Normalmente los sistemas en red se utilizan sólo en motores principales de dos tiempos, y para monitorizar los motores auxiliares es bastante común que los buques lleven también un sistema portátil. Este debería poder utilizarse como apoyo al sistema en red en el caso de que éste tenga algún problema.
La elección entre sistemas en red y portátiles es a menudo una cuestión de la política de cada compañía, que habrá de tener en cuenta los factores que se recogen a continuación:
Sistemas en red:
- Elevado coste inicial.
- Elevado coste de funcionamiento si los sensores de presión necesitan cambiarse.
- Uso sencillo.
- Monitorización las 24 horas del día, todos los días de la semana.
- Disponibilidad directa de las lecturas.
- Alertas y alarmas.
- Normalmente monitoriza sólo un motor.
- Puede ser complicado de reinstalar (normalmente instalado durante la construcción).
- Normalmente permanece en el buque si éste se vende.
Sistemas portátiles:
- Menor coste inicial.
- Bajos costes de funcionamiento.
- Necesita que un operador tome las lecturas (normalmente 15 minutos para un motor).
- Los resultados están disponibles en el momento.
- La monitorización es intermitente.
- La instalación es más sencilla.
- Puede controlar varios motores con facilidad.
- Puede llevarse de un buque a otro.
- Si está reforzado no sufrirá daños al caerse.
El problema de los Sistemas en red, con los sensores permanentemente conectados y realizando lecturas las 24 horas del día, es el elevado número de horas que acumulan al año. Por ejemplo, un motor lento puede estar sometido a unos 50 millones de ciclos de temperatura y presión al año. Los intervalos de re calibración y vida útil de los sensores es un dato importante en la evaluación de los costes de este sistema. También si el motor usa fuel oil pesado, este puede crear depósitos en los propios sensores, por lo que es necesario un sistema de limpieza que no desgaste o dañe el sensor.
AUTORES:
Carlos Rodríguez Vidal (Maquinista Naval y Doctor en Energía y Propulsión Marina) y María Isabel Lamas Galdo (Doctora Ingeniera Industrial)
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