ES2261071B1 - Sistema de monitorizacion de comprension en motores alternativos de explosion. - Google Patents

Abstract

Sistema de monitorización de comprensión en motores alternativos de explosión formado por los siguientes elementos: un elemento captador conectado externamente a la culata del cilindro del motor, un sensor de vibraciones o de ultrasonido, un sensor exterior opcional de temperatura, un analizador electrónico, un transmisor de señal, circuitos electrónicos de muestreo y análisis de vibraciones o ultrasonido, y opcionalmente de temperatura, uno o varios elementos de información óptica, acústica y numérica codificada en correspondencia con la eficacia de la carrera de comprensión del motor, un receptor remoto de señal, y opcionalmente una computadora para tratamiento de la información recibida del estado del motor (figura 1). Resuelve el problema de vigilancia continua del rendimiento del ciclo del motor mediante un sistema totalmente externo. Reduce consumo de combustible y polución atmosférica. Reduce mantenimiento detectando fallos incipientes en la válvula de escape, que pueden ser reparados antes de producirse una avería importante.

Description

Sistema de monitorización de compresión en motores alternativos de explosión.

La presente especificación se refiere a una patente de invención correspondiente a un nuevo prototipo de sistema de monitorización de compresión en motores de combustión interna, que puede ser aplicado a todo tipo de motores alternativos de explosión en cuyo ciclo termodinámico exista un proceso físico de compresión.

El estado actual del arte relacionado con el análisis del ciclo termodinámico en motores alternativos de combustión interna y concretamente con el análisis del proceso de compresión en el interior del cilindro se realiza mediante un dispositivo de medida de presión conectado en el interior del cilindro del motor, que registra la evolución de la presión a lo largo del proceso de compresión del ciclo termodinámico del motor. Esto requiere instalar permanentemente un sensor de presión en el interior del cilindro, por lo que este procedimiento se utiliza en bancos de ensayo cuyo objeto es la determinación de los parámetros y características de funcionamiento del motor ensayado, pero no es de aplicación a motores en estado de utilización real.

De otra parte, es un hecho bien conocido que el rendimiento termodinámico y, por tanto, la máxima potencia obtenida de un motor alternativo de explosión depende, entre otros parámetros, de la máxima presión alcanzada en el proceso de compresión de su ciclo termodinámico. Por consiguiente, las pérdidas de compresión originadas por defectos o desgaste natural de los elementos de sellado del cilindro (segmentos, válvulas de admisión, válvulas de escape, conexiones de inyectores de combustible, conexiones de sistemas de encendido, superficies de juntas de culata, etc) afectan muy desfavorablemente al rendimiento del motor y son causa frecuente de pérdidas de energía, combustión incompleta del combustible y emisión atmosférica de gases contaminantes como el monóxido de carbono.

El nuevo prototipo de sistema de monitorización de compresión en motores alternativos de explosión objeto de esta invención resuelve satisfactoriamente todos los problemas e inconvenientes presentes en los sistemas descritos en el actual estado del arte ya que se trata de un sistema totalmente externo, que puede ser instalado en cualquier motor alternativo en cualquier instante de su vida útil, sin modificar los elementos del motor; su instalación no requiere realizar ninguna conexión interna con los cilindros del motor ya que las pérdidas de compresión no se detectan por medida directa de presión en el interior de los cilindros sino por medición indirecta basada en la monitorización de vibraciones, ultrasonidos y temperatura en el bloque motor o en los elementos conectados al mismo (colectores de escape, etc.), que son procesados y comparados de forma continua por un analizador electrónico, basado en microprocesador, con objeto de determinar cualquier irregularidad originada por la aparición de fugas de gas a través de cualquier elemento de sellado del cilindro durante el proceso de compresión del ciclo termodinámico del motor alternativo.

Una de las características novedosas del nuevo prototipo objeto de esta invención es el hecho de ser un sistema de medida indirecto y totalmente externo al motor, que puede ser instalado y desinstalado durante la marcha del motor, sin requerir modificación alguna del mismo; esto aporta enorme flexibilidad al sistema que puede ser utilizado bien sea de forma continua como un equipo más integrante del propio motor con indicador en el cuadro de instrumentos de abordo o bien como herramienta o sistema de análisis de un banco de pruebas de motores alternativos.

El nuevo prototipo objeto de esta invención tiene innumerables aplicaciones en la vida real debido al masivo uso de motores de explosión tanto en la industria (generación de energía eléctrica en centrales térmicas, etc.) como en los medios de transporte de personas y mercancías (automóviles, barcos, aviones, trenes, etc.). Adicionalmente, por la misma razón, contribuye enormemente al ahorro energético y reducción de polución atmosférica al detectar fallos de compresión en motores alternativos que se traducen en pérdidas de rendimiento y combustión incompleta en motores alternativos con emisiones de gases tóxicos o nocivos como el monóxido de carbono, causante del llamado efecto invernadero en la atmósfera terrestre.

Desde el punto de vista económico, el nuevo prototipo objeto de esta invención tiene un elevado interés ya que permite detectar incipientes fisuras y grietas en elementos críticos del motor tales como los platillos de las válvulas de admisión y de escape, segmentos del cilindro, etc., justo en el momento en el que las citadas fisuras o grietas empiezan a producirse. Esta información permite tomar medidas correctoras oportunas con suficiente antelación para evitar conocidos accidentes en grandes motores marinos, que se producen al progresar las mencionadas grietas llegando a la rotura del platillo de las citadas válvulas, que irrumpen en el interior cilindro, generando cuantiosos daños económicos que obligan a una parada no programada ni deseada del motor, La detección temprana del tipo de averías descrita reduce el coste de mantenimiento del motor al permitir realizar pequeñas reparaciones de los elementos dañados que de otro modo requerirían su sustitución.

Desde el punto de vista de la seguridad, prototipo objeto de esta invención también tiene un notable interés, pues la monitorización continua de la eficiencia de compresión del motor conduce al conocimiento temprano de la aparición de grietas citadas en el párrafo anterior y puede evitar la parada de un barco (mercante, petrolero, trasatlántico, etc) en situaciones y lugares imprevisibles (en medio de una tormenta, en un canal o río navegable, etc.), donde las condiciones de maniobra y navegación se hallan restringidas y una parada del motor puede conducir a accidentes catastróficos para bienes, personas o medio ambiente.

El nuevo prototipo objeto de esta invención, suministra uno o varios de los siguientes tipos de información: óptica, acústica o alfanumérica codificada. La información óptica consiste en un indicador, que puede presentar varios estados (encendido, apagado, parpadeo u ordinal) y colores, dependiendo de la naturaleza o magnitud de la pérdida de compresión detectada en el motor. La información acústica identifica los mismos estados que la información óptica por medio de tonos audibles. La información alfanumérica codificada contiene la misma información ya descrita anteriormente y en adición un código de identificación del cilindro donde el sistema detecte fugas de gases indebidas o falta de eficiencia en la carrera de compresión del ciclo termodinámico del motor; los datos correspondientes son enviados a distintos elementos receptores tales como paneles de control, PC, o elementos receptores remotos utilizando cualquier medio de transmisión de datos, incluyendo transmisión mediante cable, radiofrecuencia, módem, Internet, GPS, u otro sistema de transmisión de datos habitual. Una vez recibidos los datos un potente software realiza la gestión computerizada de la información y genera las órdenes, acciones, e informes que permiten al usuario no sólo conocer los fallos o deficiencias detectados sino o tomar las decisiones necesarias para corregirlos y/o repararlos.

La Figura 1 representa el nuevo prototipo objeto de esta invención, aplicado sobre la parte superior de un cilindro de un motor alternativo de explosión marino, estando constituido por los siguientes elementos:

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Un elemento captador (C), compuesto por una carcasa metálica (cuerpo y tapa) que aloja en su interior un circuito electrónico basado en microprocesador. La base de la carcasa dispone de un elemento de conexión mecánica para su fijación a cualquier tornillo (T) o parte rígida de la culata del cilindro del motor próxima a la p válvula de escape (V) de dicho cilindro. La fijación del captador se realiza mediante una pletina perforada, abrazadera o similar. La tapa de la carcasa del captador (C) dispone de varios orificios con pasamuros herméticos resistentes al calor a través de los cuales se conecta un sensor de temperatura opcional, y los cables de alimentación y de señal eléctrica del sistema. Estos orificios no son necesarios cuando la información del sistema se transmite vía radio frecuencia y el captador se alimenta mediante baterías.

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Un sensor de vibraciones o de ultrasonido alojado en el interior de la carcasa conectado mecánicamente al elemento (E) y eléctricamente al circuito electrónico del captador.

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Un sensor exterior opcional de temperatura, que puede ser conectado al colector de escape para medir la temperatura de los gases de escape del motor.

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Un transmisor de señal de cualquiera de los tipos descritos en las líneas 5 a 7 de la página 4 de esta memoria. El transmisor normalmente está alojado en la carcasa del captador aunque puede ser dispuesto externamente y conectado mediante cable al captador.

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Un receptor remoto de señal (RX), apropiado al tipo de receptor descrito en el párrafo anterior, que recogerá la señal emitida por el transmisor y la entregará a un analizador electrónico.

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Un analizador electrónico basado en microprocesador, que procesará la señal procedente de los sensores del cilindro del motor y la trasmitirá al panel de instrumentos en cualquiera de las formas descritas en las líneas 25 a 30 (página 3) y líneas 1 a 3 (página 4) de esta memoria.

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Una computadora (PC) opcional podrá ser utilizada como sistema de tratamiento de datos cuando la información deba ser registrada en una base de datos, o acumulada en registros históricos de incidencias o transmitida a una intranet o por Internet mediante protocolos adecuados (TCP/IP, etc.).

Una característica sustancial del nuevo prototipo objeto de esta invención, que la diferencia de los tradicionales métodos de medición de vibraciones y de ultrasonidos, es el hecho de que los métodos tradicionales citados no ofrecen una señal discriminatoria del estado de compresión del motor de explosión ya que al ser éste una máquina alternativa con elementos en continua rotación produce fuertes niveles de vibraciones y ruido. Las técnicas de captación, tratamiento y análisis de señal aplicadas en el nuevo prototipo objeto de esta invención realizan regularmente un muestreo en tiempo real del ciclo completo del motor. Los resultados de este muestreo son comparados mediante técnicas de correlación con los datos obtenidos del mismo motor en situación de perfecto funcionamiento, dando como resultado la localización fiable de pequeñas pérdidas de compresión tan pronto como éstas aparecen.

Claims (2)

1. Sistema de monitorización de compresión en motores alternativos de explosión, caracterizado porque consta de los siguientes elementos: un elemento captador que puede ser conectado externamente de forma mecánica a cualquier tornillo o parte rígida de la culata del cilindro de un motor alternativo de explosión incluso; un sensor de vibraciones o de ultrasonido; un sensor exterior opcional de temperatura; un analizador electrónico; un transmisor de señal; circuitos electrónicos de muestreo y análisis de vibraciones o de ultrasonido, y opcionalmente de temperatura; uno o varios elementos de información óptica, acústica y numérica codificada en correspondencia con la eficacia de la carrera de compresión del motor; un receptor remoto de señal; y opcionalmente una computadora para tratamiento computerizado de la información recibida del estado del motor. El sistema descrito presenta la particularidad de que puede ser instalado en el motor durante la marcha normal del mismo, es decir sin interrumpir su normal funcionamiento.

2. Un analizador electrónico de monitorización de compresión en motores alternativos de explosión, de acuerdo con la reivindicación 1 antes descrita, que puede estar alojado en el interior del captador exterior, o conectarse al mismo, y está constituido por los siguientes elementos: un chasis o carcasa que puede albergar en su interior un sensor de vibraciones o ultrasonido; circuitos electrónicos de muestreo y análisis de vibraciones o de ultrasonido; un sensor opcional de temperatura y un emisor de uno o varios elementos de información óptica, acústica y numérica codificada en correspondencia con la eficacia de la carrera de compresión del motor. El citado analizador electrónico realiza el muestreo de vibraciones o ultrasonido, y opcionalmente temperatura externa, del cilindro del motor a una frecuencia mínima doble de la frecuencia de giro del motor, analizando las muestras obtenidas en cada ciclo termodinámico del motor y comparándolas constantemente para localizar desviaciones e irregularidades en la magnitud y en la distribución temporal de dichas muestras, que según se comprueba experimentalmente están directamente relacionadas con la pérdida de eficacia de compresión del ciclo termodinámico del motor.