Revista Ciencias Holguín

Ciencias Holguín / Revista trimestral / Volumen 22, No.3,  julio-septiembre,   2016

Condiciones de monitoreo para sistema de control de motores de combustión interna / Condition monitoring for system of engine control of internal combustion

Elio Rafael Hidalgo-Batista(1);Fernando Daniel Robles-Proenza(2)

Contactos de los Autores

Correo:elio@facing.uho.edu.cu(1); fdroblesp@facing.uho.edu.cu(2)

Instituciones: Universidad de Holguín

País: Cuba


RESUMEN
En el presente trabajo se presentan las insuficiencias existentes en el sistema de control de los motores de combustión interna pertenecientes a los grupos electrógenos, estas insuficiencias se determinaron luego de un análisis realizado al surgimiento de las fallas y a este sistema. Para la mejora del mismo se da a conocer un procedimiento que permite el seguimiento y procesamiento de las condiciones de monitoreo de estos equipos, el uso de este procedimiento ha permitido: definir los patrones de fallo de las tres variables (de ocho que se estudian) que con mayor probabilidad se relacionan con el surgimiento de los fallos, mejorar el método comparativo y dos insuficiencias del sistema de control.
PALABRAS CLAVE: CONDICIONES DE MONITOREO; SISTEMA DE CONTROL Y FALLAS.

ABSTRACT
In this paper are presented existing shortcomings in the control system of internal combustion engines belonging to the back-up generators known as grupos electrógenos, such inadequacies were determined after an analysis performed to failures and to this system. For its improvement, a procedure was used which allows tracking and processing of monitoring conditions of the equipment, the use of this procedure has also led to defining patterns of failure of the three variables (of eight currently under study) most likely related to the appearance of failures, the improvement of the comparative method and two inadequacies of the control system.
KEY WORDS: MONITORING CONDITIONS; CONTROL SYSTEM AND FAILURES

INTRODUCCIÓN
El estudio y comprensión de los fenómenos inherentes al desarrollo de los procesos que ocurren en los Motores de Combustión Interna Diésel (MCI) ha sido, durante años, motivo de gran actividad científica en todos los campos de la ingeniería relacionados con este tipo de máquina térmica [Hidalgo, 2007].

Los objetivos de esta intensa actividad, generalmente han tenido un carácter particular y variable, por las necesidades del principal consumidor de estas máquinas, la sociedad. Dos ejemplos concretos: el incremento en la década de los años 60 del pasado siglo de la utilización de los motores Diésel en los vehículos destinados al transporte y la tendencia actual a disminuir los niveles de emisión de productos contaminantes impuesta por el reclamo de la misma sociedad, con el objetivo de evitar el deterioro del medio ambiente [Hidalgo, 2007].

El estudio y compresión de estos dos objetivos ha llevado a los investigadores a obtener un mayor nivel de prestaciones de los MCI y disminuir la emisión de productos contaminantes de la combustión de los MCI para preservar el medio ambiente.

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. Por otra parte, durante el funcionamiento de estos equipos pueden ocurrir diferentes fallas, si una de ellas por insignificante que sea pasa inadvertida y no se le da solución desde el principio, puede convertirse en un grave problema. Más grave aun cuando ocurre en un momento crítico, poniendo en peligro al equipo. Para poder conocer el estado técnico y el surgimiento de las fallas de los MCI es preciso controlar, registrar y analizar de forma periódica el comportamiento de los valores de los parámetros principales de funcionamiento de los mismos.

La necesidad de este control está determinada por el hecho de que la mayor parte de los desperfectos que se detectan en los MCI, se evidencian cuando es significativa.
Vale la pena señalar que métodos de control como la observación y la experiencia individual tienen un carácter subjetivo y no son los más adecuados para controlar el estado técnico del motor.
Berge et al (2014), plantean que las técnicas de supervisión de condición se utilizan para supervisar parámetros o condiciones en una maquinaria o un proceso, tal que un cambio significativo es indicativo de una falla. La idea principal es derivar una indicación o acción que evite las consecuencias de la falla, antes de que la falla ocurra. ¶
Según Elbestawi y Dumitrescu (2006), los sistemas de supervisión y de diagnosis de la condición son capaces de identificar defectos de un sistema que trabaja en una máquina y su localización es esencial, así substancialmente se reducen los costos de la fabricación.

Lagandeo y Pankaj (2015), dan a conocer que la supervisión de condición de la maquinaria puede reducir perceptiblemente el costo de mantenimiento y el riesgo de fallas inesperadas permitiendo la detección temprana de averías potencialmente catastróficas.
Hernández et al (2011), plantean que una de las formas de reducir los costos del mantenimiento lo constituye la implementación del monitoreo por condición de la maquinaria (Condition Monitoring System, CMS), el cual es un componente esencial para poder efectuar un programa de mantenimiento efectivo, en combinación con sistemas de detección de fallos (Fault Detection System, FDS).

Por las razones antes expuestas el fabricante previó e instaló en los MCI estudiados (MTU Br 4000 16V G81) un sistema de control que permite registrar, conocer y almacenar de forma automatizada durante el trabajo del equipo los valores de las variables de los procesos de salida. Sin embargo, este sistema de control posee insuficiencias tales como: solamente regula, controla y actúa luego del surgimiento del fallo esta situación trae como consecuencia el actuar de los operarios y mecánicos de mantenimiento luego de aparecer el fallo, este contexto permite definir el seguimiento de las condiciones de monitoreo para determinar los patrones de fallo antes de la ocurrencia del fallo mejorando el sistema de control de estos equipos. 

MATERIALES Y MÉTODOS
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.

RESULTADOS DEL TRABAJO
El sistema control está compuesto por una serie de sensores que se distribuyen por todo motor de combustión interna del grupo electrógeno registrando y visualizando los valores de diferentes variables, en el motor de combustión interna se monitorizan las temperaturas y presiones del aire, combustible, aceite y la temperatura de los líquidos refrigerantes además de las revoluciones del árbol de leva y del cigüeñal.

Del generador se registran y visualizan el voltaje, temperatura devanados, corriente y la frecuencia. El sistema permite conocer los fallos que surgen durante el trabajo estable de los grupos electrógenos.
El sistema de control posee las características siguientes (MTU, 2005).

  1. Regula y controla electrónicamente al motor.
  2. Vigila al motor si hay estados operativos inadmisibles.
  3. Indica los códigos de los fallos.
  4. Visualiza a través del monitor en texto claro los estados operativos del motor y los fallos.
  5. Regula la velocidad de rotación o de llenado del motor en dependencia del estado operativo del mismo.
  6. Protege al motor, hasta incluso lo desconecta.
  7. Controla la secuencia de arranque del motor de forma automática.
  8. Puede ser utilizado en las series de motores 2000 y 4000.

Los autores luego de haber realizado un análisis al surgimiento, control, seguimiento y solución de las fallas y a las características del sistema de control concluyen que el sistema de control posee las insuficiencias siguientes:

  1. Solamente supervisa el sistema.
  2. Solamente mantiene la seguridad del sistema.
  3. Solamente reporta alarma si la señal del sensor sobrepasa algún límite.
  4. No reporta el surgimiento del posible fallo.
  5. Ejecuta acciones cuando ya el desperfecto ha ocurrido, estas acciones la ejecutan al analizar los valores a través del método comparativo el cual posee insuficiencias.
  6. Los datos de los registros no se analizan para conocer la relación entre el fallo y los valores de las variables. 

Además según Hernández et al (2011), la función del sistema de control es solamente supervisar el sistema para que su funcionamiento, en un momento dado, sea lo más óptimo posible, mantener la seguridad del sistema y reportar alguna alarma en casos en que alguna señal de sensor sobrepase algún rango preestablecido; en otras palabras, solamente llegan a ejecutar determinadas acciones cuando el desperfecto ya ha ocurrido y no son de gran ayuda en cuanto a diagnosticar los posibles fallos incidentes. Los autores de este trabajo coinciden con lo planteado por Hernández et al (2011).

Procedimiento para el seguimiento de las condiciones de monitoreo para la mejora del sistema de control de MCI.

El procedimiento posee dos pasos el segundo se descompone en incisos, el mismo se fundamenta en el uso de las funciones de pertenecía de la lógica difusa.

1. Observar y registrar en tablas de los valores de las variables seleccionadas.

Las tablas se confeccionan por el evaluador y deben de llevar condiciones tales como: consecutivo, fecha, tipo de fallo y las variables definidas. En este caso son ocho y todas del motor de combustión interna.

Tabla 1.
Registro de los valores de las variables.


Consecutivo

Fecha

Fallo

V1

V2

V3

V4

V5

V6

V7

V8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Procesar los datos a través de la utilización de las funciones de pertenencia de la lógica difusa para determinar de las variables registradas de acceso público, cuáles de ellas son las que mejor se identifican con el modo de fallo de los motores de combustión interna.

El método que se describe en el paso para identificar cuál de las variables se relaciona mejor con el fallo, se basa en la técnica de la Lógica Difusa, técnica que, a través de la Teoría de Conjuntos Difusos y sus funciones características asociadas, permite trabajar a la vez con variables lingüísticas (bueno, malo, entre otras) y datos numéricos obtenidos de observaciones realizadas de las prestaciones requeridas, o procesos de salidas de los sistemas.

a) Establecer las funciones de pertenencia de la lógica difusa para cada variable registrada en la tabla 1.

b) Calcular los grados de pertenencia (GP) del valor de la variable en el conjunto difuso, a través de cada una de las funciones de pertenencia establecida en el inciso a) del punto 2; estos GP se registrarán en la tabla 2.

Tabla 2. Registro de los valores de las variables (GP).


Consecutivo

Fecha

Fallo

V1

V2

V3

V4

V5

V6

V7

V8

1

 

 

GP11

GP12

GP13

GP14

GP15

GP16

GP17

GP18

n

 

 

GPn1

GPn2

GPn3

GPn4

GPn5

GPn6

GPn7

GPn8


2.1 Buscar los patrones de fallos funcionales. Determinar las variables que se relacionan con los fallos y sus valores preventivos (Hidalgo et al, 2015).

a) Buscar el GP para el instante inmediato anterior a la ocurrencia del fallo.

b) Registrar en una nueva tabla los grados de pertenencia de los valores de cada variable y calcular a través de la fórmula 1 (elaborada por los autores) su probabilidad de coincidencia (relación) con la ocurrencia del fallo.

1                                                                                              (1)                                                                          
Donde:
PC – probabilidad de coincidencia.
2 - complemento del valor de la variable.
3                                                                                                            (2)                                                        
Donde:
GP- grado de pertenencia del valor de la variable en la función de pertenencia.
N- número de fallos.

a) Calcular para cada variable la media y la desviación estándar del complemento del valor de la variable.

b) Calcular, a través de la fórmula 3 (Gutiérrez y De La Vara, 2004) los límites inferiores y superiores (valores preventivos) para los valores de las variables determinadas como de mayor probabilidad de coincidencia con la ocurrencia de los fallos.

4                                                                                         (3)
Donde:
Límite – límite inferior y superior para los valores de la variable.
5- mediada de los valores de la variable.
S - desviación estándar de los valores de la variable.
n -  tamaño de la muestra.
Kα – constante para el 90, 95 y 99 % de probabilidad de confianza en la tabla A7 de (Gutiérrez y De la Vara, 2004).

c) Buscar con los valores de los límites inferiores y superiores, calculados por la fórmula 3, de cada variable el patrón de fallo (valores preventivos) según la inversa de la función de pertenencia.

d) Fijar, para cada variable determinada como de mayor coincidencia con los fallos y sus patrones de fallos, el tipo de fallo y el elemento del equipo.

Procesamiento de los datos
Al recolectar, introducir y procesar los valores de las variables tales como V1 presión del aceite, V2 temperatura del aceite, V3 temperatura del líquido refrigerante, V4 presión del aire, V5 temperatura del aire, V6 temperatura del líquido refrigerante del aire del turbo, V7 presión del combustible y V8 temperatura del combustible y los fallos ocurridos en el periodo de estudio, enero 2013 a enero 2014 en motores de combustión interna modelo MTU Br 4000 16V G81 pertenecientes a grupos electrógenos de la provincia Holguín, se logró conocer que solamente tres variables, de las ocho definidas como de diagnóstico, fueron las que sus valores al modificarse coincidieron con el surgimiento de los fallos. Las variables de mayor probabilidad de coincidencia con el surgimiento de los fallos son las siguientes: la temperatura del combustible con el 60,37 %, la presión del combustible al 58,57 % de probabilidad de coincidencia y la presión del aire con el 76,92 %. El patrón de fallo calculado para la primera se encuentra entre 50,0 y 52,86°C, la segunda se sitúa entre 0,40 – 0,59 MPa y la tercera entre 0,24 y 0,25 MPa.

Tabla 3
. Resultados finales del análisis.


Variables

Patrón de fallo

Tipo de fallo

Elementos del MCI relacionados con los fallos ocurridos

LI

LS

Temperatura del combustible (ºC)

47,4

52,6

Inyector defectuoso, humo negro, baja presión del combustible, salidero de combustible, salidero de refrigerante, radiador averiado y alta temperatura del aceite

Inyector, filtro de aire, turbo compresor, bomba de alta presión del combustible, radiador, intercambiador de calor averiado

Presión del combustible (MPa)

0,42

0,58

Baja presión del aire y problema con el filtro de combustible

Filtro de aire y de combustible, turbo compresor, falta de hermeticidad del sistema

Presión del aire (MPa)

0,24

0,25

Filtro de aire sucio y humo negro

Filtro de aire y turbo compresor

 

 

 

 

 

 

 

 

La figura 1 representa los valores de V7 en un gráfico de control a través del método comparativo mejorado el cual en estos momentos permite conocer que dentro del intervalo de trabajo definido por el fabricante para esta variable existe una zona de posibles fallos para estos equipos.

6

Figura 1. Método comparativo mejorado para la variable presión del combustible.     Fuente propia.

Mejoras al sistema de control de los MCI MTU Br 4 000 16V G81

En la tabla 4 se sitúan las insuficiencias y las dos mejoras (las insuficiencias 5 y 6) realizadas al sistema de control del MCI.

Tabla 4.
Mejoras al sistema de control.

Insuficiencias

Mejoras

1. Solamente supervisa el sistema.

1. Continúa supervisando el sistema

2. Mantiene la seguridad del sistema.

2. Continúa manteniendo la seguridad

3. Reporta alarma si la señal del sensor sobrepasa algún límite.

3. Continúa reportando alarma si la señal del sensor sobrepasa el límite.

4. No reporta el surgimiento del posible fallo.

4. Se puede conocer el surgimiento del fallo.

5. Ejecuta acciones cuando ya el desperfecto ha ocurrido.

5. No solamente ejecuta esta acción cuando además se puede conocer la posible ocurrencia de una falla y prevenirla.

6. Los datos de los registros no se analizan para conocer la relación entre el fallo y los valores de las variables. 

6. Se puede conocer esta relación surgimiento del fallo con el valor de la variable.

 CONCLUSIONES
La definición de las insuficiencias del sistema de control de los motores de combustión interna y el uso del procedimiento ha permitido:

  1. Definir los patrones de fallo de las tres variables que con mayor probabilidad se relacionan con el surgimiento de los fallos.
  2. Mejorar el método comparativo del sistema de control permitiendo tomar decisiones antes del surgimiento de los fallos.
  3. El seguimiento y procesamiento de las condiciones de monitoreo a través del procedimiento presentado en este trabajo permite mejorar dos insuficiencias del sistema de control.

BIBLIOGRAFÍA
Hidalgo Batista, E. R. (2007). Análisis del comportamiento de las prestaciones en los motores de combustión interna estacionarios MTU modelo 16V 4000 G81. Tesis de Maestría no publicada. Universidad Oscar Lucero Moya, Holguín.

Berge, S.P., Lund, B.F., Ugarelli, R. (2014). Condition monitoring for early failure detection. Frognerparken pumping station as case study. [Versión electrónica]. Revista Procedía Engineering 70, 162-171. Disponible en:  www.sciencedirect.com [consultado 13/10/14].

Elbestawi, M.A., Dumitrescu, M. (2006). Tool condition monitoring in Machining neural networks. IFIP International Federation for Information Processing, Volume 220, Information Technology for Balanced Manufacturing Systems, ed Shen, W., (Boston: Springer), 5-16.

Lagandeo K. S, Pankaj K. S. (2015). Condition Monitoring of Induction Motor. International Journal of Engineering and Technical Research (IJETR) 3(4). Disponible en: www.sciencedirect.com [consultado 25/8/15].

Hernández Montero, F. E., Ruiz Barrios, M. L., Rodríguez Suárez, J. R., Rolo Naranjo, A., Gerges, S., de Miguel, L. J. (2011). Monitoreo por condición a aplicar en parques de turbinas eólicas. Revista de Ciencia y Tecnología. 13(15), 17–24. Disponible en: http://www.scielo.org.ar/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1851-75872011000100003  [consultado 15/12/15].

MTU. Sistema de gestión del motor. (2005).

Hidalgo, Batista Elio R., Batista, Rodríguez Carlos., Robles, Proenza Fernando D. (2015). Relación entre los fallos y las variables de diagnóstico en motores de combustión interna Diesel. [versión electrónica]. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias  24(2). Disponible en:  www.rcta.unah.edu.cu

Gutiérrez Pulido, Humberto., De la Vara Salazar, Román. (2004). Control estadístico de calidad y seis sigma. Impreso en México.

Síntesis curricular de los Autores

MSc. Elio Rafael Hidalgo-Batista, elio@facing.uho.edu.cu Ing. Profesor Auxiliar
DrC. Fernando Daniel Robles-Proenza. fdroblesp@facing.uho.edu.cu

 

Institución de los autores
Universidad de Holguín

 

 

Fecha de Recepción: 07/01/2016
Fecha de Aprobación: 10/02/2016
Fecha de Publicación: 29/07/2016

Enlaces refback

  • No hay ningún enlace refback.