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Ciencias Holguín,                   Revista trimestral,               Año XXI, enero-marzo 2015

Propuesta de dispositivo para diagnosticar las bombas de alta presión de los grupos electrógenos MTU serie 4000 / Proposal for a device to diagnose high pressure pumps for MTU 4000 power generating sets

Elio Rafael Hidalgo-Batista.elio@facing.uho.edu.cu

Institución del autor
Universidad de Holguín ”Oscar Lucero Moya”.

PAÍS:
Cuba.

RESUMEN
Se presenta el diseño de un dispositivo para el diagnóstico de las bombas de alta presión de combustible de motores de combustión interna Diesel de los Grupos Electrógenos MTU Br 4 000 16V G81, los cuales pertenecen a la Unidad Empresarial de Base de Generación Distribuida de la Empresa Eléctrica Holguín, siendo este el primer objetivo del proyecto, el segundo es la elaboración de los pasos necesarios para el montaje y la realización del diagnóstico de las bombas en el banco. El dispositivo obtenido del diseño se montará en la bancada de un torno universal y para el mismo se utilizaran planchas de acero al carbono. El mismo permitirá diagnosticar fallas tales como: baja presión en el conducto común, salideros de combustible y goteo de combustible. El valor de la presión existente en el conducto común (Common Rail) se conocerá a través del valor del voltaje medido en el sensor.
PALABRAS CLAVES: BANCO DE PRUEBA; BOMBAS DE ALTA PRESIÓN Y DIAGNÓSTICO.

ABSTRACT
Firstly, a device design is presented for the diagnosis of  high pressure fuel pumps used in internal combustion engines of power generating sets.MTU Br 4 000 16V G81, belonging to the Electric Company in Holguin; and secondly, the development of the necessary steps for assembling and making the diagnosis of pumps on the bench. The obtained device is mounted in the bed of a universal lathe for which carbon steel plates were used. This allows diagnosing faults such as: low pressure in the common rail, fuel leakages and dripping of fuel. The value of the pressure in the common rail will be known through the measured value of the voltage across the sensor.
KEYWORDS: test bench; high pressure pumps and diagnostics.

INTRODUCCIÓN
Debido a la crisis energética surgida en el año 2004, el Sistema Electroenergético Nacional (SEN) tuvo que tomar medidas de carácter organizativas y de rápida respuesta con el propósito de aliviar esta problemática tan preocupante, surgiendo así la idea de instalar un esquema de generación eléctrica mediante  baterías de grupos electrógenos, que operarían con diesel o fuel-oil, enlazados al SEN, lo cual constituye uno de los más profundos cambios conceptuales en la esfera [Material de Estudio, 2006].

Producto a la situación anteriormente analizada se crea la empresa de Generación Distribuida encargada de implementar la ejecución y alcance del los mantenimientos; con los que se tienen que cubrir toda la cadena de producción. Estableciéndose de esta manera los objetivos fundamentales [MAGEST, 2009]:
Mantener una alta disponibilidad en la potencia instalada y mantenibilidad de toda la infraestructura.

Lograr un desfasaje de los mantenimientos para obtener una curva plana de indisponibilidad por este motivo, a nivel de país, empresa y central.
Paralelamente a la creación de la empresa se implementa el Mantenimiento Preventivo Planificado (MPP) como política de mantenimiento para todos los equipos de la cadena de producción.

De esta manera se relaciona directamente la vida útil del equipo con el diagnóstico, el cual tiene como objetivo identificar fallos en estado incipiente e intervenir para eliminar el fallo potencial, evaluar el estado del equipo en general y mantener los parámetros del motor bajo condiciones controladas según lo normado en las cartas de régimen observando que estén en los rangos de operación normales, así como comprobar los indicadores técnico económicos [MAGEST, 2009].

Es por eso que una de las tareas para mantener los niveles de funcionalidad y disponibilidad de los motores de combustión interna, es la regulación de los sistemas y elementos que los componen, a través de trabajos periódicos de mantenimiento.
Debido a la importancia de los grupos electrógenos en la vida económica y social del país, y a lo antes expuesto, es de suma importancia encontrar una solución tecnológica que permita la reparación de las bombas de alta presión empleadas en el sistema de gestión electrónico de los motores con sistemas de inyección Directa de Conducto Común, CDI (Common Rail Direct Injection) de los grupos electrógenos.

De La Peña (2011) plantea en su trabajo que la empresa MCV Servicios SA (sucursal de Holguín) no contaba con la tecnología de prueba adecuada para garantizar la calidad de la reparación de las bombas de alta presión instaladas en motores de combustión interna Diesel de automóviles, debido a esta situación fabrica un equipo capaz de simular y diagnosticar el funcionamiento de las bombas de alta presión empleadas en los sistemas CDI, siendo el mismo montado en un banco de prueba de bombas de alta presión lineales.

De la Peña (2011) al igual que los autores de este trabajo plantean el alto costo del equipamiento para el diagnóstico de las bombas de alta presión por ejemplo: una bomba de alta presión en el mercado internacional de los grupos electrógenos MTU serie 4 000 su costo es de 25 000,00 USD y sumado a esto la situación económica existente en el país al no disponerse de financiamiento para comprar bancos de prueba, ya que el costo de un banco para diagnosticar y comprobar bombas de alta presión en el mercado internacional asciende a 95 000,00 USD (más el equipo de herramientas para intervenir las bombas) [Fuente: http:// commonrailtools.com/ Bancos de prueba], se ha decidido acometer el diseño del dispositivo para el diagnóstico de las bombas de alta presión instaladas en los grupos electrógenos, el mismo será montado en una máquina herramienta.

MATERIALES Y MÈTODOS

Para desarrollar la investigación cuyos resultados se exponen en este artículo se emplearon métodos de investigación teóricos como son: análisis y síntesis e histórico – lógico para el estudio del objeto a través del tiempo y llegar a un análisis lógico.
Las técnicas empleadas en la recolección de los datos fueron: observación participante, documentos oficiales de la empresa: expedientes técnicos, registros de mantenimientos, documentos internos y documentos personales de revisiones bibliográficas precedentes.
Los materiales utilizados en el trabajo fueron los siguientes: torno universal, existente en la Unidad Empresarial de Base Generación Distribuida de la Provincia Holguín, material en desecho y el software SOLIDWORK Office Premium 2013 para el diseño del dispositivo.

RESULTADOS DEL TRABAJO
Para el diseño y fabricación del dispositivo para diagnosticar la bomba de alta presión se toma como base una máquina herramienta. El equipo propuesto es un torno universal, existente en la Unidad Empresarial de Base Generación Distribuida de la Provincia Holguín, los datos más significativos del mismo son los siguientes: máximas revoluciones en el plato 2240 s-1 y potencia 9,92 kW.

Principio de funcionamiento.
El banco de prueba se compone por: 1-Torno universal, 2-Plato auto-centrante, 3-Eje, 4-Cardán, 5-Soporte de fijación, 6-Bomba de alta presión, y por último, el sistema para la comprobación del parámetro presión, representado en la figura 1.
La idea principal (figura 1) es montar sobre la bancada del torno un soporte de fijación para la bomba de alta presión y una vez fijada esta última, alimentarla con diesel y hacerla rotar a la velocidad angular necesaria para las distintas pruebas que se vayan a desarrollar.
Un eje con cardán asumirá cualquier desviación entre el plato auto-centrante del torno y la bomba de alta presión. Para la comprobación del parámetro presión se le suministrará a la bomba de alta presión el combustible mediante una bomba de transferencia (eléctrica), se conecta al conducto acumulador de presión donde está montado el sensor de alta presión de combustible, encargado de interpretar mediante un valor de voltaje el parámetro: presión.
1
Figura 1. Vista general del banco de prueba.
Diseño del dispositivo para la fijación de la bomba de alta presión y análisis de resistencia.

Para diseñar el dispositivo de fijación de la bomba de alta presión se usó el software SOLIDWORK Office Premium 2013. Este programa permite modelar la pieza a escala real, simular las condiciones de carga a las que estará expuesta y realizar una serie de ensayos, cuyos resultados permiten determinar con precisión si la pieza fallará durante el trabajo (figura 2).
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Figura 2. Soporte para la fijación de la bomba de alta presión, diseñado en el software SOLIDWORK Office Premium 2013.

Una vez modelada la pieza y teniendo en cuenta su principio de funcionamiento se procedió realizar un análisis estático y un análisis de frecuencia para determinar el estado resistivo del modelo.

Análisis estático:
Luego de realizar el estudio el resultado que se obtiene del factor de seguridad es 3,2 el mínimo y 86,9 el máximo. Los valores obtenidos en el análisis demuestran que, la τmáx = 48,3 MPa y el valor del límite elástico del material es de 282 MPa. Por lo anteriormente explicado y los datos obtenidos a través del software se concluye que el modelo resiste.

Análisis de frecuencias:
Este análisis se realizó con el objetivo de  determinar las frecuencias resonantes del modelo para comprobar de qué manera se deformaría en caso de que la frecuencia de la fuerza excitadora se iguale a una de las frecuencias de resonancia. Se determinaron tres formas modales principales, mostradas en la tabla 1.

Tabla 1.
Frecuencias resonantes.



de modo

Frecuencia (rad/s)

Frecuencia (Hz)

Período (s)

1

2166.5

344.82

0.0029001

2

2394.1

381.03

0.0026245

3

5463.3

869.51

0.0011501

En la de la tabla anterior se aprecia en la forma modal 1, la cual es la frecuencia fundamental del sólido diseñado, que su frecuencia natural es de 344,82 Hertz por lo tanto ninguna de las frecuencias excitadoras producidas por la carga dinámica del banco de prueba se puede igualar a esta.

Pasos tecnológicos para fabricar el dispositivo.
Seleccionar el material:
El material se selecciona según las normas AISI/SAE para el acero 1023, el cual se encuentra normalizado en estado de suministro con las propiedades físico-mecánicas siguientes [Manual de soldadura, s/f]: resistencia a la rotura 425 MPa, alargamiento relativo 21-23 %, resiliencia 7-10 kgf/cm², dureza Brinell 131 HB. La composición química de este material es: contenido de carbono = 0,23 %, contenido de silicio = 0,25 %, contenido de manganeso = 0,60 %
Cortar las planchas: El cortado de las plancha se efectuó con soldadura oxiacetilénica en dos chapas de 300x170 mm y 280x170 mm. Se rectificaron posteriormente mediante esmeriladora para el acabado de estas. 
Montar la pieza en el plato de cuatro muelas en el torno.
Tornear el orificio central de encaje de la bomba: avance S = 0,2 a 0,4 mm/rev; herramienta de corte: cuchilla P6M5.
Taladrar cuatro orificios de Ø 12 mm en la plancha vertical para la sujeción de la bomba. Dos orificios de Ø 14 mm en la plancha horizontal para la fijación del dispositivo en el porta-herramientas.
Unir las planchas horizontal y vertical mediante soldadura según la norma cubana NC08-0682, luego soldar en ambos lados de la pieza en L (ele) dos angulares de alas iguales (ISO/ 20x20).

Procedimiento para diagnosticar la bomba de alta presión de combustible en el banco de prueba
Para obtener el parámetro de presión del combustible, fallo principal de la bomba, se usa el sensor de alta presión (figura 3), el cual se ubica en el conducto acumulador de presión. El sensor se alimenta con 5,0 volt de corriente continua, respondiendo a un aumento de la señal eléctrica a medida que se incrementa la presión en el conducto común, estableciéndose entonces la relación: v=f(p), donde el voltaje está en función de la presión.
Las demás fallas como salideros de combustible y goteo excesivo de combustible son determinadas mediante el método de diagnóstico visual.
3
Figura 3. Sensor de alta presión de combustible.
Se establece entonces la fórmula 1, a partir de la función triangular de la lógica difusa. Esta fórmula permite conocer la presión del combustible a través del voltaje medido en el sensor de presión del combustible.
e1
A partir de la fórmula anterior se obtiene la siguiente tabla de dependencia entre presión-voltaje, dados en intervalos de 0,5 Volts.
Tabla 3. Dependencia entre presión-voltaje.


Voltaje (V)

Presión (MPa)

0,5

0

1

20

1,5

40

2

60

2,5

80

3

100

3,5

120

4

140

4,5

160

Pasos lógicos para comprobar la bomba de alta presión en el dispositivo:
Revisar y limpiar la bomba de alta presión del combustible.
Montar el dispositivo diseñado para la fijación de la bomba de alta presión en el porta-herramienta del torno y anclarlo con dos pernos M14.
Montar la bomba de alta presión en el dispositivo de fijación y sujetarla con cuatro pernos M12. Se sugiere que la cabeza de estos queden hacia el plato auto-centrante del torno.
Fijar el eje con cardán en la bomba de alta presión y el plato auto-centrante del torno.
Conectar la tubería de alta presión de combustible desde la bomba de alta presión hasta el conducto común, donde estará ubicado el sensor de alta presión.
Montar el sistema para el suministro del combustible a la bomba de alta presión. El mismo contará con: tanque de combustible, bomba de transferencia (eléctrica) y filtro de combustible.
Conectar al tanque de combustible las mangueras de retorno desde la válvula reguladora de presión del conducto común y la bomba de alta presión.
Accionar la bomba de transferencia (esta debe suministrar una presión mínima de 0,5 MPa) y la bomba de alta presión, esta última debe girar a 1,33 veces la velocidad del motor el cual gira a 1800 s-1.
Excitar el solenoide de control de la bomba de alta presión con 24 volts de corriente continua.
Disminuir la presión al sistema por la válvula reguladora de presión situada en el conducto común.
Alimentar con voltaje de 5,0 Volt c.c (corriente continua) al sensor de alta presión.
Medir el voltaje de salida en el sensor de alta presión. Este voltaje se relaciona con la presión a través de la fórmula 1.
Valores de comprobación definidos por el fabricante para evaluar el estado técnico de la bomba de alta presión. 
0 MPa: mal estado de la bomba de alta presión.
30 MPa: presión necesaria en la fase de arranque n > 300 s-1 (si logra esta presión la bomba se encuentra en buen estado para el arranque).
140 MPa: presión que debe mantener luego de superar la fase de arranque, se considera buen estado de la bomba de alta presión.
Entre 140 y 160 MPa: presión normal de operación, perfecto estado de la bomba de alta presión.

Ventajas del dispositivo para diagnosticar las bombas de alta presión de los grupos electrógenos.
La puesta en práctica e implementación en el país de un banco de comprobación como este, trae consigo:
Un ahorro considerable en cuanto a sustitución de importaciones y ahorro de divisas al país, por el elevado costo de una bomba de alta presión de combustible para estos motores y del banco de prueba para comprobar bombas de alta presión en el mercado internacional.
Rapidez y agilidad en las reparaciones de las bombas de alta presión de los grupos electrógenos MTU serie 4 000.
Se mejoran las emisiones de gases contaminantes al medio ambiente de estos equipos.

CONCLUSIONES

El diseño y fabricación del dispositivo permitirá diagnosticar las principales fallas que surgen en las bombas de alta presión de los MCI Diesel MTU Br 4 000 16V G81.
El dispositivo permitirá que el operador del mismo determine las causas de los principales fallos diagnosticados.
En la figura 1 se establecen los principales elementos del banco de prueba para las bombas de alta presión de los grupos electrógenos MTU Br 4 000 16V G81.
Los pasos elaborados para el diagnóstico de la bomba permitirán, a través del conocimiento del voltaje medido en el sensor, determinar la presión del combustible en el common rail, siendo esta la variable de diagnóstico de la bomba de alta presión. 
El análisis desarrollado al dispositivo a través del software SOLIDWORK Office Premium 2013 permitió conocer que el mismo resiste las condiciones de trabajo de la pieza.
A través del análisis económico se concluye que es factible el diagnóstico de la bomba de alta presión de combustible, el costo del dispositivo ascendió a 28,65 $. 

BIBLIOGRAFÍA

1. Martínez de La Peña, Nicolás. Comprobación de Bombas de Alta Presión utilizadas en los Motores de Combustión Interna Diesel con Gerenciamiento Electrónico. Informe inédito. Universidad Oscar Lucero Moya, Departamento de Ingeniería Mecánica. Holguín, Cuba. 2011.
2. Kit de Herramientas para comprobar bombas de alta presión. Documento [en línea]:<http:// comm onrailtools.com/ Bancos de prueba.
3. Manual de gestión para la Generación Distribuida de la electricidad en Cuba (MAGEST). (2009). Dorta Herrera, Silvio (ed.).1ra ed. Cuba: Equipo Creativo de la Unión Eléctrica, Poligráfico Federico Engels. Disponible también en Internet: http//sic.oc.une.cu/gdecu. Material de Estudio. 2006.
4. Technical Publication. Motor Diesel. E 531 711 / 01 E. MDEC ¨Engine Control System BR 2000 / BR 4000 Stationary generator engines¨. Copyright MTU Friedrichshafen GmbH, Printed in Germany. 2005.

Síntesis curricular del Autor
MSc. Ing. Elio Rafael Hidalgo-Batista.elio@facing.uho.edu.cu

Institución del autor
Universidad de Holguín ”Oscar Lucero Moya”. Cuba


Fecha de Recepción: 06 de mayo 2014
Fecha de Aprobación: 08 de octubre 2014
Fecha de Publicación: 06 de febrero 2015

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