Análisis del motor por medio de diagramas indicados

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.

 

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.

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.

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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Indicador de diagramas mecánico

Los diagramas indicados son la representación gráfica de la evolución de la presión en el interior del cilindro en función del volumen de éste a lo largo de un ciclo completo de trabajo. Los diagramas indicados son muy útiles para la evaluación de las condiciones de funcionamiento de un motor de combustión interna. Se llaman diagramas indicados porque son los obtenidos a partir de un mecanismo llamado indicador de diagramas del cual existen diversos tipos, antiguamente se utilizaba el instrumento mecánico que actualmente ha sido sustituido por los instrumentos electrónicos.

En primer lugar, para poder usar un indicador de diagramas se requiere que el motor disponga de una conexión tipo Thompson en la culata del cilindro, para tomar la presión en el interior de éste durante su funcionamiento. Esta toma se encuentra aislada durante el funcionamiento normal mediante una válvula.

La información obtenida por medio de los diagramas indicados es fundamental para saber cómo se está realizando el proceso de combustión en cada cilindro, determinar cual es el ajuste de la inyección, detección de anomalías, desgastes, obtención de la potencia indicada, y en general, constituye una herramienta indispensable para diagnóstico de averías en motores de combustión interna.

Los diagramas indicados pueden clasificarse en:

1- Diagramas abiertos, para analizar el proceso de combustión.

2- Diagramas cerrados, para calcular la presión media indicada y la potencia indicada.

Otra información importante es la presión máxima de combustión, y la presión de compresión, ambas presiones deben ser controladas y deben corresponder con los valores dados por el fabricante del motor, en caso contrario son indicadores de alguna anomalía importante en el funcionamiento del mismo.

El diagrama indicado puede representarse abierto o cerrado tanto para los motores de dos tiempos como de cuatro tiempos. Si en las abscisas se representan los grados de giro del cigüeñal habrá que tener en cuenta que en un diagrama abierto de un motor de cuatro tiempos el ciclo se extenderá 720º (dos vueltas) mientras que el de un motor de dos tiempos se extenderá 360º (una vuelta).

En el diagrama indicado cerrado de un motor de cuatro tiempos hay que tener en cuenta que la curva descrita nos produce dos áreas cerradas y que el trabajo total desarrollado no es la suma de las dos áreas, sino que estas se deben restar, pues el área del lazo más pequeño produce un trabajo negativo, correspondiendo con las carreras de escape y admisión.

El indicador mecánico consiste en un cilindro de papel sobre el cual un trazador cargado por medio de un resorte es movido arriba y abajo por medio de un émbolo. El espacio cilíndrico bajo éste émbolo está conectado a la cámara de compresión del cilindro por medio de un conducto de corta longitud de modo que el émbolo se mueve de acuerdo a las variaciones de presión sobre el émbolo del motor. 

El movimiento alternativo del émbolo se efectúa en contra de un resorte cuya oposición es proporcional a su tensión la cual se especifica en mm/bar o mm/(Kg/cm²).

Para motores Diésel lentos la escala usual es de 0,5 a 1,2 mm/bar por lo que los diagramas son de tamaño reducido. El movimiento del émbolo es amplificado por medio de palancas hasta que lo recibe el trazador.

El trazador se halla en contacto con el papel que está colocado sobre un tambor cilíndrico que gracias a un cordel y un resorte antagonista se mueve alternativamente a derecha e izquierda, algo menos de una revolución, en concordancia con el movimiento del tren alternativo. De este modo el sentido de rotación del tambor cambia cada vez que el émbolo pasa por sus puntos muertos. En el caso de motores de gran tamaño se simula el movimiento del tren alternativo con una excéntrica exterior para cada cilindro sobre el eje de camones. 

Descripción de un Indicador mecánico MAIHAK:
Consiste en un pequeño émbolo A que se desliza muy ajustado en el cilindro B. El émbolo va dotado del vástago V, que presenta una hendidura sobre la que actúa un resorte R, oponiéndose al movimiento del émbolo, apoyando el otro extremo del resorte en la parte fija del aparato.

Sobre el brazo D, tenemos el tambor E, que por el eje F, va fijo con la roldana G, que le comunica un movimiento rotativo alternativo. Este movimiento se consigue conectando la roldana mediante un cordón a una pieza móvil del motor ya dispuesta para el caso, y generalmente situada sobre los ejes de levas; con el fin de que el tambor recupere siempre su posición, lleva en el interior un resorte de recuperación que actúa al variar el tiro del cordón que le da movimiento.

Un sistema de palancas a-b-d, que se mueve accionado por el émbolo A, lleva en c un estilete o punta de marcar que se desliza sobre la superficie del tambor. En unas pletinas que lleva el tambor se coloca el papel en el que se va a trazar el diagrama, donde apoyará el estilete c. Mediante la tuerca C, el indicador se afirma a la rosca del tubo de la válvula indicadora.

Afirmando el indicador se conecta el cordón de la polea G a la pieza móvil destinada, y abriendo la válvula indicadora ponemos en comunicación el indicador con el cilindro, y el aparato entrará en funcionamiento con los movimientos combinados del émbolo y tambor; entonces apretando suavemente la punta de marcar, nos trazará sobre el papel el diagrama indicado.

Trazado el diagrama, se cierra la válvula indicadora, se desconecta el cordón de accionamiento y se desmonta el aparato.

El fabricante del equipo da la relación entre el incremento de presión y la distancia vertical que cubrirá el marcador. Se conoce a esta relación como la constante del muelle. Como el indicador puede aplicarse a motores que trabajen a distintas presiones, va dotado de una serie de resortes R, en los que está grabada su presión de trabajo, debiendo elegirse el más indicado en cada caso.

 

 

Procedimiento para la toma de diagramas:
La toma de diagramas siempre se ha de realizar después de que el motor haya trabajado un tiempo a plena potencia para tener la seguridad de que la combustión es la correspondiente a funcionamiento normal.

Cuando se desea averiguar la potencia, los diagramas se deben de tomar a velocidad e índice de carga constantes en lo posible (régimen estacionario), por ejemplo con la mar lisa y tras trabajar el motor durante 10 horas las variables del motor se hallan estabilizadas.

Es conveniente que el trazado de los diagramas a plena potencia sea bueno para una diagnosis correcta. Asimismo la distribución de las cargas y la altura de los diagramas deben ser prácticamente los mismos entre los distintos cilindros. Por ello es necesario que se preste atención a la hora de tomar los diagramas, pues de su exactitud depende la evaluación.

Un indicador de diagramas es un instrumento de precisión y por lo tanto debe ser tratado con mucho cuidado si se precisa obtener resultados razonables. Para la toma de diagramas el indicador debe ser colocado lo más próximo posible al cilindro. Antes de colocar el indicador es imprescindible que los conductos y grifos sean soplados con el fin de arrastrar las impurezas como hollín, agua condensada y aceite las cuales pueden interferir en la transferencia de presión entre el cilindro y el indicador llegando incluso a averiarlo. Al montarlo deben apretarse bien los prensaestopas de las válvulas de toma del indicador.

Las partes móviles del indicador, como el émbolo y su guía, deben lubricarse adecuadamente y se dejará un tiempo sobre la culata hasta que suba su temperatura. Como prueba, el resorte del indicador se quita y se acciona el indicador manualmente. Una vez lubricado el émbolo debe caer por su propio peso, deslizándose verticalmente en su guía. Se deberá lubricar al menos cada cinco diagramas con el aceite recomendado por el fabricante. Asimismo ha de ser limpiado y aceitado después de su uso cuando vaya a guardarse. 

El papel del indicador debe montarse bien firme al tambor para que el diagrama no salga distorsionado. La punta del trazador debe estar correctamente redondeada y no debe ejercer excesiva presión sobre el papel, justo la suficiente para obtener una fina línea. Con papel encerado se obtiene una reducida fricción.

El camino del cordel debe ser lo más sencillo posible y sin tramos curvos. Cuando sea necesario se utilizarán poleas. Los tramos horizontales han de ser cortos para evitar la flexión del cordel y la tensión debe ser ajustada para que el tambor no toque los extremos. Si no se tensa correctamente el diagrama saldrá distorsionado.

Antes de nada se debe probar el sincronismo entre el tambor y el tren alternativo. Para ello se desconecta la bomba de combustible del cilindro y trazando un diagrama de compresión. Si la línea de compresión y la posterior de expansión no coinciden puede ser debido a un defecto de acoplamiento entre el indicador y el tren alternativo aunque también puede deberse a un retardo en el movimiento del émbolo del indicador en cuyo caso se deberá limpiar y lubricar. Otra causa de formación de lazo pueden ser las pérdidas a través de los aros del émbolo del motor resultando una línea de expansión por debajo de la de compresión. Desde un punto de vista teórico, debido al calor evacuado por la refrigeración, la línea de compresión irá siempre por encima.

Cuando todo se encuentra satisfactoriamente dispuesto, se embraga el indicador y se abre la válvula para que la presión del cilindro llegue al indicador. La punta del trazador es cuidadosamente apoyada sobre el papel y el diagrama indicado p-v es dibujado. Cuando se completa el trazado el indicador es desembragado de la excéntrica lo más deprisa posible a la vez que se cierra la válvula. A continuación se conecta con la atmósfera, se embraga y se pone en contacto de nuevo con el papel trazando la línea de presión atmosférica. Se desembraga y el papel se retira del tambor. Importante no dejar calentar excesivamente el indicador con demasiadas explosiones, ya que ello puede derivar en la obtención de diagramas defectuosos.

 
Inmediatamente después se aconseja anotar en el diagrama: nombre del buque, fecha y hora, régimen de giro, escala de presiones del resorte utilizado, F.O. utilizado, Nº de cilindro, presión y temperatura de aire de barrido y del aire ambiente.

Después de haber tomado diagramas de todos los cilindros, debe desmontarse el instrumento y limpiar cuidadosamente todos sus componentes, posteriormente lubricar sus partes móviles, especialmente el émbolo, con el aceite recomendado por el fabricante.

Ejemplos de "Diagramas indicados" de motores de cuatro y dos tiempos (del libro Motorista Teórico Práctico - Valle Collantes):

 

 

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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