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Monitoreo de temperatura de los gases de escape del motor de combustión interna utilizando microcontrolador (PIC) y asistida por PC
Monitored of temperature of exhaust gases of the engine of internal combustion using microcontroller
(PIC) and attended by PCJosé Reyes, Ronmel Valcárcel
Resumen
Se construyó un modulo de pruebas para el monitoreo de
temperatura de los gases de escape del motor de com-
bustión interna. El objetivo de la construcción de este
módulo es poder monitorear la temperatura de los gases
de escape del motor de combustión interna, para así po-
der procesar estos datos y utilizarlos en el diagnóstico del
funcionamiento del motor. El comportamiento de la tem-
peratura de los gases que salen de cada cilindro, podrá
precisar la ubicación de alguna anomalía en el motor. Las
anomalías serán relacionadas con la temperatura de los
gases de escape y así se determinará la posible falla en los
componentes del motor.
Este módulo permitirá aportar ventajas cualitativas a los
técnicos de motores y ventajas cuantitativas en las tareas
de mantenimiento y reparación que se realizan periódi-
camente a los motores de combustión interna, benefi-
ciando principalmente en el ahorro de costos y tiempo
de mantenimiento y reparación.
Abstract
It was built a test module for monitoring temperature of
the exhaust gases of the internal combustion engine. The
purpose of the construction of this module to monitor
individual temperature of exhaust gases of internal com-
bustion engine to process data and use in the diagnosis
of functioning of the engine. The behavior of each cylin-
der may specify the location in the engine of any anomaly
in terms of the temperature of exhaust gases and thereby
determine the possible fault in the engine components.
This module will provide several qualitative advantages to
technicians and quantitative advantages in task mainte-
nance and repairs that are performed regularly to internal
combustion engines, benefiting in cost savings and time
of maintenance and repair.
Palabras claves
Monitoreo, temperatura, gases de escape, motor de com-
bustión interna, mantenimiento.
Key words
Monitored, temperature, exhaust gas, internal combus-
tion engine, maintenance.
INTRODUCCIÓN
El empleo de una herramienta adecuada para el monitoreo
de temperatura de gases de escape del motor de combus-
tión interna nos permitirá localizar el cilindro que tiene al-
guna anomalía y con la adecuada experiencia diagnosticar
una posible falla de las partes del motor de combustión
interna. Este módulo ha sido elaborado para monitorear
durante todo el régimen de funcionamiento el motor. El
módulo de monitoreo envía mensajes y advierte cuando
un parámetro está fuera del promedio de temperatura de
gases de escape, promedio tomado en diversas condicio-
nes de operación del motor. Aplicando este método a las
tareas de mantenimiento lograremos minimizar los costos
y tiempos de reparación y calibración.
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La realización de este módulo surge por la necesidad de
tener una herramienta práctica para el diagnóstico del
funcionamiento del motor en todo momento; es decir, du-
rante su operación y durante pruebas de mantenimiento.
Para tal propósito se desarrolló un circuito electrónico de
adquisición de señales, procesamiento de señales, trans-
misión y visualización de datos en interfaces gráficas.
El desarrollo requiere sensores de temperatura que mi-
dan continuamente la temperatura individual de gases
de escape en cada cilindro del motor de combustión in-
terna comparando con motores con control electrónico,
que tienen opciones de diagnóstico y autodiagnóstico,
que solamente lo usan para ubicar fallas de inyectores
durante pruebas de mantenimiento, pero no durante su
operación.
El sustento de este proyecto radica en que es una herra-
mienta útil para el diagnóstico de motores, el cual permi-
tirá ubicar puntualmente anomalías, obteniendo un aho-
rro en tiempo para la evaluación del motor. Aplicándolo
a grandes industrias se minimizaran costos de manteni-
miento.
Esta herramienta, aplicada en todo tipo de motores de
combustión interna como son: gasolineros, diesel, gas y
también a motores con diferentes números de cilindros
4, 6, 8, 16, etcétera.
Las fallas más comunes que se presentan en los motores
de combustión interna son: recalentamiento, pérdida de
potencia, consumo excesivo de combustible y presencia
de humos anormales. Todas estas fallas están relaciona-
das con los sistemas de alimentación de combustible, ali-
mentación de aire y de refrigeración.
Tanto los motores diesel, gasolineros y gas, tienen similar
estructura mecánica, similar sistema de refrigeración, si-
milar sistema de alimentación de aire, diferente sistema
combustible para su funcionamiento, pero todos tienen
como resultado final los gases de escape de los cuales
analizaremos sus temperaturas.
Para implementar este módulo de monitoreo se diseñó
un circuito electrónico capaz de procesar las señales de
los sensores de temperatura. Para realizar las pruebas se
empleó el motor diesel marca Volvo Modelo TD70H [1].
PROCEDIMIENTO
En la Figura 1 se muestra una descripción del módulo de
adquisición, el cual consta de cuatro etapas: la etapa de
sensado, etapa de amplificación, etapa de comparación y
etapa de indicación.
Figura 1. Esquema del método del módulo de adquisición (fuente
propia).
La metodología para la toma de datos se divide en 4
etapas:
1. Etapa de sensado. En esta etapa se realiza la me-
dición de las magnitudes eléctricas, para nuestro
caso una termocupla. Se llama sensor al instrumento
que produce una señal, usualmente eléctrica, el cual
refleja el valor de una propiedad, mediante alguna
correlación definida o ganancia. Estos sensores están
en número igual a la cantidad de cilindros que con-
forman el motor y se ubican a la salida del conducto
de los gases de escape del motor.
Para la selección de la termocupla se usaron termo-
cuplas tipo K [2], disponibles en el mercado local.
Estas termocuplas fueron sometidas a pruebas para
determinar los valores de fuerza electromotriz y esta-
blecer su rango de medición.
Se realizó la medición del voltaje en la termocupla
y se registraron los voltajes cuando se elevó la tem-
peratura [3]. Este es el procedimiento normal que se
realiza para la calibración de los termopares.
Figura 2. Resultados de las pruebas del sensor
sometido a temperatura.
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En la Figura 2 observamos los valores obtenidos du-
rante las pruebas de los sensores y vemos que la va-
riación del voltaje del sensor es proporcional a la va-
riación de la temperatura, por lo tanto es una función
lineal. La prueba se inició a temperatura ambiente,
teniendo una medición de 0.0 milivoltios, después se
aumentó la temperatura hasta los 350ºC y se obtuvo
una medición de 11.1 milivoltios.
2. Etapa de Amplificación. En esta etapa se realiza la
amplificación de la señal de la termocupla, la cual
convierte esta medición a una señal eléctrica ideal
para que puedan alimentar a un instrumento de
procesamiento, de lectura, registro o controlador de
las magnitudes medidas.
Figura 3. Amplificador de instrumentación [4]
En la Figura 3 observamos la configuración típica de un
amplificador de instrumentación, el cual empleamos
para mejorar el procesamiento y calidad de señal.
Los sensores y transductores pueden funcionar en
ubicaciones alejadas del observador, así como en en-
tornos inadecuados o impracticables para los seres
humanos. En esta etapa usamos dispositivos elec-
trónicos discretos, el amplificador es un dispositivo
lineal de propósito general, el cual tiene capacidad
de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuen-
cia definida por el fabricante; tiene además límites
de señal que van desde el orden de los nano voltios
(nV), hasta voltios (V) definidos por el fabricante [5].
3. Etapa de Comparación. Esta etapa toma las señales
de los amplificadores, las cuales son digitalizadas en
el microcontrolador y mediante su programa reali-
zamos las funciones adecuadas para que efectúe la
operación de monitoreo, transmisión de datos hacia
la pantalla de visualización y también para la trans-
misión de datos hacia la computadora.
Figura 4. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador
(fuente propia).
En la Figura 4 observamos el diagrama de flujo que
sigue el programa del microcontrolador, el cual ha
sido elaborado para el proceso de monitoreo, que
fue programado y grabado en el microcontrolador.
El uso del microcontrolador PIC, lo empleamos por
ser un dispositivo programable, capaz de realizar di-
ferentes funciones que requieran el procesamiento
de datos digitales, control y comunicación digital de
diferentes dispositivos.
4. Etapa de Indicación. En esta etapa se muestra la ad-
quisición de datos, mediante una pantalla y se visua-
lizan los datos transmitidos por el microcontrolador.
Mediante la transmisión de datos hacia la computado-
ra, se tienen los datos almacenados en un archivo, tam-
bién se visualizan los datos en un programa gráfico.
En la computadora el manejo de datos se puede hacer
de diferentes maneras, así por ejemplo: mostrar las va-
riables medidas en forma de texto, para luego poder ser
procesadas en programas estadísticos o programas de
cálculo. También grafico en tiempo real donde se muestra
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el comportamiento de los datos transmitidos, mediante
cada variable en función del tiempo. Se usó un software
de National Instruments.
Figura 5. Visualización esquemática del módulo de monitoreo
(fuente propia).
En la Figura 5 observamos el esquema del sistema de mo-
nitoreo, es decir, el proceso empleado para su funciona-
miento, para lo cual se consideraron diferentes aspectos
como:
• Tipodediagnósticoqueobligaaejecutarciertosma-
quinados en el múltiple de escape.
• Lastemperaturasteóricasdelosmotoresparalase-
lección del sensor.
• La ganancia adecuada para la etapa de amplificación.
• Eltiempodemuestreo.
• Lasventajasydesventajasquetienelaaplicacióndel
microcontrolador.
• Losmediosdevisualización.
Respecto a los materiales utilizados, este módulo consta
de circuitos, los cuales cuentan con componentes que se
encuentran en el mercado local y son los siguientes:
Fuente de alimentación: La fuente de alimentación fue
diseñada con reguladores convencionales fijos de 5, 9 y
-9 voltios.
El circuito de funcionamiento del microcontrolador cons-
ta de los siguientes componentes:
• Unosciladorde20MHz.
• UnpulsadorparaelReset.
• UnPIC16F877A.
• LedsdeIndicación.
• Switchsparaencendidoeiniciodelprograma.
Empleamos el Puerto A y Puerto E, dependiendo del nú-
mero de cilindros a usar, usamos los canales de entrada
analógica AN0 al AN7, el puerto B lo configuramos para
señales de entrada y de salida, en el Puerto C usamos los
Pines Tx y Rx para la transmisión y recepción de datos de
la PC y el Puerto D lo empleamos para enviar mensajes a
la pantalla de visualización.
El circuito de conexión con la pantalla de visualización:
permite la alimentación, contraste y la transmisión de da-
tos hacia la pantalla o display.
El circuito de transmisión de datos a la PC permite comu-
nicar al microcontrolador con la PC. En esta etapa usamos
el Integrado Max232, el cual transforma los valores TTL
del PIC a niveles CMOS requeridos por la PC.
Figura 6. Diagrama del interfaz (fuente propia).
En la Figura 6 observamos el interfaz del módulo de mo-
nitoreo, cuyas etapas son importantes para el funciona-
miento del sistema de monitoreo de temperatura de ga-
ses de escape.
RESULTADOS
La implementación del sistema de monitoreo se verificó
con el funcionamiento de nuestro equipo, la variación de
los parámetros sensados se relacionan con el funciona-
miento del motor. Comparando lo datos medidos, nos da
una idea de lo que puede estar sucediendo en cada una
de los cilindros que conforman el motor, pues se com-
probó que la variación de los datos procesados se da en
función de la temperatura.
Se observaron los valores medidos de cada cilindro y me-
diante el programa de monitoreo se visualizan individual-
mente los valores medidos de cada cilindro. Durante el
funcionamiento del motor cuando un valor medido está
fuera del promedio de medición, el programa automáti-
camente nos envía un mensaje indicándonos el número
del cilindro y sonidos de advertencia, la cual se obtuvo
cuando se hizo la prueba de simulación de corte de inyec-
ción en el cilindro 4.
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Figura 7. Datos almacenados como texto.
En la Figura 7 observamos los datos procesados en una
hoja de cálculo, los cuales fueron almacenados anterior-
mente en un archivo de texto y se pueden procesar con
diferentes programas estadísticos y gráficos. Después del
procesamiento adecuado observamos la variación de la
temperatura conforme al arranque del motor luego del
tiempo de calentamiento requerido para la operatividad
del motor, se hicieron aceleraciones para aumentar las
RPM del motor y se observó la variación de la temperatura
en función de los RPM.
Figura 8. Visualización gráfica.
En la Figura 8 observamos los datos en un entorno gráfico,
se visualizaron los datos transmitidos por el módulo de
monitoreo, se obtuvo una gráfica en tiempo real, se hicie-
ron aceleraciones para aumentar las RPM del motor y se
observó la variación de la temperatura en función de las
RPM del motor; en los valores altos del gráfico mayor a
130ºC se realizaron las pruebas de calado, el cual nos per-
mitió simular carga en el motor.
Sobre los resultados obtenidos observamos que:
• En una aplicación real del monitoreo lo ideal es te-
ner valores similares. En la Figura 8 la diferencia de
temperatura entre los cilindros en el mismo instante,
se debe al estado de los diferentes componentes del
motor; al momento de instalar el sistema de moni-
toreo no se conocía el estado real del motor, ya que
era un motor con tiempo de funcionamiento y, por
lo tanto, presenta desgaste en sus componentes. Las
condiciones ideales para establecer el monitoreo es
cuando el motor es nuevo, tiene pocas horas de fun-
cionamiento o está recién reparado.
• Observando la Figura 8 podemos observar el com-
portamiento que tienen los cilindros en situaciones
de aceleración y operación del motor, podemos
mencionar las siguientes teorías:
- El cilindro 4, que es la línea de color celeste, en un
inicio está por debajo de las demás curvas 68ºC.
Cuando se le acelera primer pico y cuando se le
simula carga segundo pico mayor a 155ºC, este
tiende a superar a las demás curvas, mediante el
análisis podríamos decir que el comportamiento
se debe a una descalibración interna del inyector.
- En el tiempo de 05:35:40 PM cuando simulamos
la carga en el motor podemos observar que rápi-
damente se incrementa la temperatura y cuando
dejamos de hacer la simulación de carga observa-
mos que las curvas decrecen a diferentes tempera-
turas 05:36:40 PM, mediante el análisis podríamos
decir que esta teoría se debe a la descalibración
de los inyectores, es decir algunos inyectores no
están atomizando correctamente el combustible
y por tal efecto se observan variaciones en la tem-
peratura, asimismo influye la regulación de la luz
de válvulas en la temperatura de evacuación de
los gases de escape de la cámara de combustión.
- El cilindro 6, de color morado, en un inicio está
entre las curvas de los otros cilindros. Cuando se
acelera (primer pico) y cuando se simula carga
(segundo pico mayor), su tendencia es a decre-
cer mas rápido que las demás curvas. Mediante
el análisis podríamos decir que la teoría de este
comportamiento se debe a una mayor luz en la
regulación de la válvula de escape, por lo tanto
se refrigera más rápidamente, por lo tanto en el
motor se tendría pérdida de potencia.
- En la Figura 10 observamos la falla que fue simu-
lada en uno de los cilindros. Se realizó el corte de
inyección en el cilindro 4, al inicio de la simulación
de la falla 05:28:20PM se puede observar la caída
de temperatura para este cilindro, se aceleró el
motor para ver el comportamiento de la curva del
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cilindro con corte de inyección y se observa que la
temperatura sigue por debajo de las demás tem-
peraturas de los cilindros.
Figura 10. Corte de inyección de cilindro 6 (fuente propia).
- En la Figura 10 observamos falla que fue simulada
en otro cilindro. Se realizó el corte de inyección
en el cilindro 6, al inicio de la prueba, se puede
observar la caída de temperatura para este cilin-
dro en el tiempo de 05:40:00, se acelera el motor
y continúa por debajo de las demás curvas, hasta
el tiempo de 05:41:20 donde se reestablece la in-
yección y se observa la recuperación de la tempe-
ratura de funcionamiento.
- Después de revisar y comparar el comportamien-
to de las curvas podemos relacionarlas a los
componentes que conforman el motor. Realizan-
do más pruebas y verificando el estado físico de
los componentes y sus regulaciones o tolerancias,
podremos determinar que son principalmente
problemas del inyector, compresión de cilindros
(anillos) y calibracion de válvulas.
CONCLUSIONES
• El módulo de monitoreo de temperatura de gases
de escape es una herramienta para el diagnóstico
del funcionamiento del motor (en tiempo real y bajo
operación). La combustión en los diferentes tipos de
motores y su estructura mecánica tienen como resul-
tado final los gases de escape. Analizando la tempe-
ratura se podría determinar lo que está ocurriendo
en el funcionamiento del motor, por lo tanto es una
herramienta que permite evaluar el motor.
• Esta herramienta de diagnóstico permite evaluar rá-
pidamente el estado de funcionamiento del motor.
Por medio de la temperatura de los gases de escape
se localiza al cilindro con falla, por lo tanto se minimi-
zan considerablemente los tiempos de evaluación
del motor.
• Estemódulopuedeseraplicadoalosmotorescon-
vencionales que no tienen ningún control electróni-
co, por lo tanto optimizará las labores del personal
de mantenimiento mecánico.
• Elprogramademonitoreoalertaalusuariosobreel
mal funcionamiento del motor y dependiendo del
componente, se podrán minimizar las fallas poten-
cialmente perjudiciales. Por ejemplo, cuando de ma-
nera intempestiva se quiebra la cabeza de válvula y
daña la cámara de combustión.
• Usando el concepto de que los componentes no
tienen el mismo tipo de desgaste es mejor analizar
solamente la zona que presenta la anomalía. Se efec-
tuarán pruebas de cada uno de los componentes de
la zona afectada y dependiendo del caso se harán las
calibraciones necesarias o cambio del componente,
beneficiando el ahorro de costos y tiempos de repa-
ración o calibración.
• Relacionando la temperatura de gases de escape
con el componente podemos decir:
- Baja temperatura se relaciona con el sistema de inyec-
ción, sistema de alimentación de aire y compresión.
- Alta temperatura se debe a la regulación de luz
de válvulas, sistema de inyección o el sistema de
refrigeración.
• Manteniendolascurvassimilaresentresíyrealizan-
do las acciones correctivas, durante la operación de
la maquina, lograremos mantener las potencias no-
minales de funcionamiento del motor y aplicando
estadísticas se podría programar tareas de manteni-
miento predictivo.
REFERENCIAS
[1] Manual de servicio del motor Volvo TD70H-1990
[2] Tablas de calibración de termopar tipo K.
Figura 9. Corte de inyección de cilindro 4 (fuente propia).
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A CERCA DE LOS AUTORES
José Reyes Miranda es profesional en
electrónica y automatización industrial y
en mantenimiento de maquinaria pesa-
da. Posee experiencia en mantenimiento
y configuración de sistemas de control
electrónico de equipo pesado en em-
presas como: Ferreyros, M&R y Southern
Perú. Ha patentado circuitos electrónicos
de aplicación a equipo pesado a nivel
nacional.
Ronmel Valcárcel Bornas es experto en
electricidad y electrónica de vehículos
por la GTZ e IFB en Alemania. Posee ex-
periencia en el mantenimiento y repa-
ración de vehículos en empresas como:
Volvo, Mercedes Benz y Daewoo. Ha par-
ticipado como ponente en seminarios
técnicos, a nivel nacional, sobre electró-
nica en motores de combustión interna.
[3] Bacacorzo, Roberto (2003)
Curso Instrumentación Industrial Tecsup.
[4] http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_de_instrumen-
tación
[5] Datasheet LM741 y TL081.
[6] CesarMedinaTong(2006).TesisdeGradoUniversidadNa-
cional de Ingeniería. Digitalización de un variador de velo-
cidad DC Analógico con control PID. Lima-Perú
[7] Robalino, Ramón (2004)
Curso de Microcontroladores Tecsup.
[8] Microchip
http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.
aspx?dDocName=en010242
[9] Maxim
http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/1798
[10] Mplab
h t t p : / / w w w . m i c r o c h i p . c o m / s t e l l e n t /
idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocNa
me=en019469&part=SW007002
[11] Lab View
http://www.ni.com/labview
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