Control de combustible para motor diesel con biodiesel

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA
INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
CONTROL DEL SISTEMA DE COMBUSTIBLE DE
UN MOTOR DIESEL
T E S I S
PARA OBTENER EL GRADO DE:
INGENIERO EN CONTROL Y
AUTOMATIZACIÓN
QUE PRESENTAN
DOMINGUEZ AGUILAR OSCAR MARTIN
LAZARO ESPINOSA KARLA GEORGINA
TAPIA CRUZ HECTOR EDUARDO
ASESOR
M. EN C. LEANDRO BRITO BARRERA
ING. HUMBERTO SOTO RAMIREZ
MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE, 2008

Instituto Politécnico Nacional Dedicatoria
ESIME Zacatenco II
Dedicatoria
Dominguez Aguilar Oscar Martin
Porque sólo la superación de mis ideales, me han permitido comprender cada día más la
difícil posición de ser padres, mis conceptos, mis valores morales y mi superación se las
debo a ustedes.
Esto será la mejor de las herencias; lo reconozco y lo agradeceré eternamente. En adelante
pondré en práctica mis conocimientos y el lugar que en mi mente ocuparon los libros, ahora
será de ustedes, esto, por todo el tiempo que les robé pensando en mí.
Gracias a Jorge Dominguez Dominguez e Irene Aguilar Hernandez.
Además un agradecimiento especial a todos los cercanos a mi, principalmente a aquellos
que me apoyaron en este largo camino, gracias a Mary Tere Villanueva, Oliver Pérez,
Elizabeth Mendez, y a todos mis profesores en especial a él M. en C. Leandro Brito y a
el Ing. Humberto Soto.
Lazaro Espinoza Karla Georgina
Sabiendo que no existirá una forma de agradecer una vida de sacrificio y esfuerzo, quiero
que sientan que el objetivo logrado también es de ustedes y que la fuerza que me ayudo a
conseguirlo fue su apoyo. Con cariño y admiración.
A Dios
Por todas las bendiciones que me ha dado, por permitirme llegar hasta este momento tan
importante de mi vida y lograr otra meta más en mi vida.
A mi Mamá
Por brindarme tu cariño, apoyo, comprensión y brindarme las herramientas para ser mejor
persona día con día.
A toda mi familia
Por siempre alentarme a ser una persona mejor y brindarme buenos consejos …
A Fer
Por brindarme tu apoyo y cariño en cada decisión y etapa de mi vida…

Instituto Politécnico Nacional Dedicatoria
ESIME Zacatenco III
Tapia Cruz Hector Eduardo
Todo mi agradecimiento
En primer lugar deseo mostrar mi más sincero agradecimiento
A todas aquellas personas sin las cuales, este trabajo no habría visto realizado
A mis Padres Irma y Fernando, por animarme a seguir adelante con la tesis en todo
momento.
Por su apoyo, Su cariño y Amor que además los quiero mucho
A mi hermana, Mary Fer por su cariño en todo momento.
A mi novia Jazmín por estar a mi lado en momentos difíciles.
A mis amigos: Carlos Devars, Oscar Domínguez por su apoyo incondicional.
A mi Profesores por las enseñanzas dentro y fuera del Aula.
A mis primos, abuela, tíos y tías que siempre han estado conmigo en las diversas etapas de
mi vida
Muchas gracias a todos.

Instituto Politécnico Nacional Indicé
ESIME Zacatenco IV
Indicé
Dedicatoria............................................................................................................................. II
Indicé ....................................................................................................................................IV
Nomenclatura........................................................................................................................VI
Índice de Figuras ............................................................................................................... VIII
Índice de Tablas..................................................................................................................... X
Planteamiento del Problema.............................................................................................. - 1 -
Objetivo General................................................................................................................ - 2 -
Justificación....................................................................................................................... - 3 -
Alcance del trabajo............................................................................................................ - 4 -
Introducción....................................................................................................................... - 5 -
Capítulo I.......................................................................................................................... - 7 -
Motor Diesel - Biodiesel ................................................................................................... - 7 -
1.1 Definición de motor............................................................................................ - 7 -
1.2 Motor Diesel............................................................................................................ - 8 -
1.3 Ciclo de trabajo...................................................................................................... - 10 -
1.4 Sistemas del motor Diesel ..................................................................................... - 15 -
1.3.1 Descripción General del Sistema de combustible. ......................................... - 17 -
1.3.2 Funcionamiento del sistema de combustible.................................................. - 26 -
1.5 Combustibles ......................................................................................................... - 28 -
1.5.1 Diesel.............................................................................................................. - 28 -
1.5.2 Biodiesel......................................................................................................... - 30 -
1.5.3 Comparación del Diesel con Biodiesel........................................................... - 33 -
Capítulo II........................................................................................................................ - 38 -
Establecimiento del sistema............................................................................................. - 38 -
2.1 Sistema termodinámico ......................................................................................... - 38 -
2.1.1 Ciclo Diesel .................................................................................................... - 39 -
Potencia del motor................................................................................................... - 43 -
2.1.2 Descripción del motor como un ciclo............................................................. - 44 -
2.1.3 Descripción del sistema real........................................................................... - 46 -
2.1.4 Propuesta del sistema de control .................................................................... - 48 -

Instituto Politécnico Nacional Indicé
ESIME Zacatenco V
Capítulo III ...................................................................................................................... - 51 -
Simulación....................................................................................................................... - 51 -
3.1 Descripción del control de combustible ................................................................ - 51 -
3.2 Sistema de control ................................................................................................. - 54 -
3.3 Programación del PLC (SLC 500)......................................................................... - 58 -
3.4 Interfaz Hombre – Máquina (HMI) INTOUCH.................................................... - 69 -
3.4.1 Comunicación PLC-PC .................................................................................. - 81 -
Capítulo IV ...................................................................................................................... - 70 -
Selección de equipo......................................................................................................... - 70 -
4.1 Parámetros de operación........................................................................................ - 70 -
4.2 Válvulas................................................................................................................. - 71 -
4.3 Sensor de temperatura....................................................................................... - 78 -
4.4 Sensor de velocidad............................................................................................... - 82 -
4.5 Sensor de par ......................................................................................................... - 83 -
4.6 Controlador............................................................................................................ - 85 -
4.5. 1 Procesadores SLC 500.................................................................................. - 86 -
Capitulo V ....................................................................................................................... - 90 -
Análisis de Costos ........................................................................................................... - 90 -
5.1 Costo del Equipo ................................................................................................... - 90 -
5.1.1 Costos de investigación e ingeniería. ............................................................. - 92 -
Conclusiones.................................................................................................................... - 95 -
Glosario ........................................................................................................................... - 97 -
Bibliografía.................................................................................................................... - 106 -
Anexos..................................................................................................................................XI

Instituto Politécnico Nacional Nomenclatura
ESIME Zacatenco VI
Nomenclatura
Cp Calor Especifico a presión cte.
Cv Calor Especifico a volumen cte.
DTI Diagrama de Tuberías e Instrumentos.
H Entalpia.
HMI Interfaz Hombre Máquina
I/O Entrada/Salida.
K Exponente Adiabático.
M Par en N.m
N Frecuencia de rotación (RPM)
NPT Roscado.
P Presión.
PMI Punto Muerto Inferior.
PMS Punto Muerto Superior.
pmt Presión Media Teórica.
Po Potencia en Kw
Q1 Calor Aportado.
Q2 Calor Extraído.
RPM Revoluciones por Minuto.
S Entropía.
T Temperatura.
V Volumen.
W Trabajo Neto.
αe Grado de explosión.

Instituto Politécnico Nacional Nomenclatura
ESIME Zacatenco VII
Nomenclatura Instrumentación
FV Válvula de flujo
NA Normalmente abierta
NC Normalmente cerrada
NT Trasmisor de par
OC Controlador de potencia
S.P. Set Point
ST Transmisor de velocidad
TC Controlador de temperatura
TT Transmisor de temperatura
TV Válvula de control de
temperatura
UY Función convertidor
V1 Biodiesel mezcla
V2 Diesel
V3 Diesel mezcla
V4 Mezcla
βe Grado de combustión.
βs Grado de Contracción.
η Rendimiento.
ρ Relación Volumétrica de Compresión.

Instituto Politécnico Nacional Relación de Figuras
ESIME Zacatenco VIII
Índice de Figuras
Figura 1.1 Clasificación De Motores Térmicos ............................................................... - 7 -
Figura 1.2 Vista General Del Motor................................................................................. - 8 -
Figura 1.3 Vista De La Cámara De Combustión............................................................... - 9 -
Figura 1.4 Cámara de Combustión en un Motor Diesel................................................. - 10 -
Figura 1.5 Tiempo de Admisión..................................................................................... - 10 -
Figura 1.6 Tiempo de Compresión................................................................................. - 11 -
Figura 1.7 Tiempo de Expansión.................................................................................... - 12 -
Figura 1.8 Tiempo de Escape .......................................................................................... - 12 -
Figura 1.9 Inyección directa.......................................................................................... - 13 -
Figura 1.10 Inyección indirecta...................................................................................... - 14 -
Figura 1.11 Sistema Completo de Inyección................................................................. - 18 -
Figura 1.12 Tanque De Combustible del motor KM170................................................ - 19 -
Figura 1.13 Bomba de Alimentación Mecánica............................................................. - 20 -
Figura 1.14 Bomba de Alimentación Eléctrica .............................................................. - 21 -
Figura 1.15 Filtro de Combustible.................................................................................. - 22 -
Figura 1.16 Filtro Seco................................................................................................... - 22 -
Figura 1.17 Bomba De Inyección Lineal........................................................................ - 23 -
Figura 1.18 Bomba De Inyección Rotativa .................................................................... - 24 -
Figura 1.19 Inyector ....................................................................................................... - 25 -
Figura 1.20 Sistema de combustible............................................................................... - 27 -
Figura 2.1 Graficas del Ciclo Diesel ideal...................................................................... - 40 -
Figura 2.2 Diagrama a Descriptico del Motor Diesel..................................................... - 44 -
Figura 2.3 Sistema Real.................................................................................................. - 46 -
Figura 2.4 Despiece del Sistema de Combustible .......................................................... - 47 -
Figura 2.5 Vista Frontal del Sistema .............................................................................. - 47 -
Figura 2.7 Diagrama a Bloques de la Propuesta............................................................. - 48 -
Figura 2.6 Vista Lateral Extensa del Sistema................................................................. - 48 -
Figura 3.1 Diagrama de flujo del sistema de control...................................................... - 53 -
Figura 3.2 Esquema de control, cascada.......................................................................... - 54 -
Figura 3.3 Control en cascada para el sistema de combustible. ...................................... - 56 -
Figura 3.2 Diagrama De Control Del Sistema................................................................ - 57 -
Figura 3.5 Subrutinas...................................................................................................... - 59 -
Figura 3.6 Rangos declarados en F8............................................................................... - 60 -
Figura 3.7 Subrutina de Arranque- Escalamiento del termopar..................................... - 60 -
Figura 3.8 Arranque- Escalamiento del sensor de par.................................................... - 61 -
Figura 3.9 Arranque- Escalamiento del sensor de velocidad ......................................... - 61 -
Figura 3.10 Arranque- Escalamiento de la válvula modulante Diesel ........................... - 61 -
Figura 3.11 Arranque- Escalamiento de la válvula modulante Biodiesel ...................... - 62 -
Figura 3.12 Arranque- Condiciones de inicio del programa y salto de subrutina. ..... - 62 -
Figura 3.13 Temperatura- Comparación de temperatura................................................ - 63 -
Figura 3.14 Temperatura- Salto a subrutina de potencia................................................ - 63 -

Instituto Politécnico Nacional Relación de Figuras
ESIME Zacatenco IX
Figura 3.15 Potencia- Calculo de potencia..................................................................... - 64 -
Figura 3.16 Potencia- Comparación de potencia............................................................ - 64 -
Figura 3.17 Potencia- Instrucción LES, comparación de un valor bajo de potencia...... - 65 -
Figura 3.18 Potencia- Apertura y cierre de válvulas Diesel V2 y Biodiesel V1............ - 65 -
Figura 3.19 Ventana para crear una nueva aplicación..................................................... - 70 -
Figura 3.20 Ventana InTouch para nombre y descripción de una aplicación ................ - 71 -
Figura 3.21 Application Manager.................................................................................... - 72 -
Figura 3.22 Ubicación de icono, Window Maker .......................................................... - 72 -
Figura 3.23 Ventana de propiedades ............................................................................... - 73 -
Figura 3.24 Pantalla de trabajo........................................................................................ - 73 -
Figura 3.25 Barra de herramientas en InTouch............................................................... - 74 -
Figura 3.27 Diagrama del control de combustible (INTOUCH).................................... - 76 -
Figura 3.28 Asignación de Tagname al botón de arranque............................................. - 76 -
Figura 3.29 Configuración Fill Color.............................................................................. - 77 -
Figura 3.30 Vinculación de tagname- Boton_1............................................................... - 78 -
Figura 3.31 Control de combustible a baja temperatura................................................. - 78 -
Figura 3.32 Control de combustible-Arranque con Diesel.............................................. - 79 -
Figura 3.33 Mezcla de combustible (80% Diesel, 20% Biodiesel)................................ - 79 -
Figura 3.34 Mezcla de combustible (60% Diesel, 40% Biodiesel)................................ - 80 -
Figura 3.35 Pantalla principal RSLinx ............................................................................ - 82 -
Figura 3.36 Pantalla de conexión de interfaz de red........................................................ - 82 -
Figura 3.37 Conexión PLC- PC....................................................................................... - 83 -
Figura 4.1 Solenoide energizado .................................................................................... - 72 -
Figura 4.2 Válvula solenoide típica de acción directa, normalmente cerrada, dos vías. - 73 -
Figura 4.3 Válvula solenoide marca Omega ................................................................. - 74 -
Figura 4.4 Electroválvula Danfoss ................................................................................. - 76 -
Figura 4.6 Tacómetro industrial PAX I......................................................................... - 83 -
Figura 4.7 Sensor de par modelo 8651........................................................................... - 84 -
Figura 4.8 Diagrama de arquitectura.............................................................................. - 89 -

Instituto Politécnico Nacional Relación de Tablas
ESIME Zacatenco X
Índice de Tablas
Tabla 1.1 Comparación diesel con biodiesel……………………………………………….32
Tabla 1.2 Comparación físico – químico entre diesel y biodiesel…………………………33
Tabla 2.1 Especificaciones del motor diesel KM170………………………………………30
Tabla 3.1 Direccionamientos utilizados en la programación del PLC SLC500…………...59
Tabla 4.1 Características de válvula solenoide SV282…………………………….............75
Tabla 4.2 Características de la electroválvula……………………………………………...77
Tabla 4.3 Caracteristicas del termopar CO1-T…………………………………………….81
Tabla 4.4 Características del sensor PAX I………………………………………………..83
Tabla 4.5 Características del sensor de par 8651…………………………………………..84
Tabla 4.6 Entradas y salidas del PLC…………………………………………………........87
Tabla 4.7 Lista de Hardware……………………………………………………….............87
Tabla 4.8 Cálculo de la fuente de alimentación……………………………………............88
Tabla 5.1 Costo total……………………………………………………………….............90
Tabla 5.2 Relación de equipo dentro de la institución……………………………………………...91
Tabla 5.3 Tabla comparativa de ahorro……………………………………………….…....92
Tabla 5.4 Precios grupo de investigación……………………………………………………… 93

Instituto Politécnico Nacional Planteamiento del Problema
ESIME Zacatenco - 1 -
Planteamiento del Problema
En la actualidad se buscan energías alternativas para utilizarse en motores de combustión
interna, una de estas alternativas es el biodiesel, el cual se utiliza mezclado con diesel. Se
siguen realizando estudios para obtener el porcentaje idóneo de la mezcla diesel y biodiesel.
Para cada tipo de motor y a las condiciones atmosféricas del Distrito Federal.
Para realizar pruebas de funcionamiento de un motor diesel, trabajando con mezclas de
diesel – biodiesel, se requiere de un banco de pruebas experimental, el cual requiere de un
control para mezclar las cantidades correctas de diesel y de biodiesel, monitoreando sus
principales parámetros de operación.
Debido a que el biodiesel libera una menor cantidad de energía en la combustión, el
consumo del combustible se ve incrementado y la potencia del motor se ve reducida. Las
propiedades del biodiesel hacen que la bomba de combustible sufra una pérdida de presión
considerable.
Su viscosidad excesiva y su gran densidad tienen una influencia negativa sobre el
funcionamiento de la bomba de inyección, bomba de alimentación, tuberías e inyectores;
por tal motivo sobre la presión de la inyección. Otros factores importantes son la
transportación y pulverización del combustible. Esto perjudica al arranque (en frío
principalmente), puesto que el encendido se ve degradado.
De lo anterior se deduce que se debe tener un control de mezclado, acorde a las
características del biodiesel.
El diseño del control convencional de un motor diesel, no satisface las necesidades de
funcionamiento con la mezcla diesel-biodiesel en el sistema de combustible, de ahí el
requerimiento de generar una propuesta de control para el banco de pruebas experimental.

Instituto Politécnico Nacional Objetivo General
Objetivo General
Proponer la modificación, instrumentación y control del sistema de combustible de un
motor Diesel KM170, componente de un banco de pruebas, para comprobar su desempeño
con diferentes proporciones de mezcla diesel-biodiesel, manteniendo la potencia constante
en un rango determinado de operación.
Objetivos Particulares
• Modificar el diseño de control del sistema de combustible, para desarrollar un
funcionamiento óptimo dentro de los rangos establecidos, de acuerdo al motor de
combustión interna a diesel KM170.
• Desarrollar una arquitectura de control de la mezcla diesel-biodiesel, basada en la
temperatura y potencia del motor.
• Indicar la posición y la instrumentación necesaria en el motor de combustión interna
a diesel KM170, para un buen funcionamiento en el control del sistema de
combustible.

Instituto Politécnico Nacional Justificación
Justificación
La contaminación ambiental ha alcanzado niveles muy altos, debido al excesivo uso de
combustibles derivados del petróleo, aunado a esto existe un problema aun mayor, el de no
ser renovable. Lo que orilla a la búsqueda e implementación de nuevas formas de energía
alterna, para la disminución de la dependencia de los combustibles derivados del petróleo y
a la disminución de agentes contaminantes.
Una alternativa para reducir las emisiones contaminantes y el uso del los combustibles
derivados del petróleo, es la utilización del biodiesel, el cual es un combustible basado en
aceites vegetales o grasas animales.
Es importante destacar que los combustibles derivados del petróleo emiten una cantidad
mayor de Dióxido de Carbono y Azufre a la atmósfera, en comparación a los combustibles
desarrollados a base de aceites vegetales o grasas animales.
Con base en lo anterior y en la poca existencia de información, se buscará ampliar el tema,
del comportamiento del combustible alterno biodiesel en un motor Diesel. Proponiendo un
control para la proporción de la mezcla de Diesel-Biodiesel, tomando en cuenta la no
existencia de la instrumentación adecuada para realizar este trabajo.

Instituto Politécnico Nacional Limitación del Tema
Alcance del trabajo
Esta tesis se limita a:
• El desarrollo teórico de una modificación al diseño del sistema de combustible del
motor KM170.
• El desarrollo de una arquitectura de control para el sistema de combustible, basado
en modelos de control, en el control de la potencia del motor KM170, la
temperatura del motor KM170 y en la inyección del combustible diesel, biodiesel o
una mezcla de ambos de acuerdo a la necesidad del motor KM170.
• Basados en la arquitectura desarrollada, se propondrán las modificaciones
necesarias al sistema de combustible del motor KM170, para obtener una mezcla
entre los dos combustibles y mantener los rangos de potencia del motor KM170, lo
que implica la implantación de la instrumentación necesaria.
• La instrumentación necesaria para la arquitectura de control desarrollada, se
seleccionará con base a Normas de las propiedades de los combustibles diesel y
biodiesel.

Instituto Politécnico Nacional Introducción
Introducción
La presente investigación se refiere a un motor de combustión interna a diesel modelo
KM170, utilizando como combustible el diesel, biodiesel y una mezcla de ambos
combustibles; definiendo el funcionamiento del motor diesel, como una máquina que
utiliza el calor del aire altamente comprimido para encender una carga de combustible
inyectada en el cilindro. El biodiesel es un combustible biodegradable, renovable y se
puede producir con aceites vegetales o grasas animales.
El aprovechamiento de productos naturales o residuos vegetales para generar energía es
común, en especial cuando el planeta se contamina debido a los gases de combustión que
emiten los vehículos cuando se emplea una mezcla compleja de hidrocarburos, procedentes
del petróleo.
La problemática principal del motor diesel utilizando el biodiesel es la reducción de
potencia en el motor.
La investigación de esta problemática se realizó por el interés social de desarrollar un
motor capaz de funcionar eficazmente con la combinación de diesel-biodiesel haciendo
frente a los problemas de contaminación.
Para hacer frente a los problemas mencionados, como reducir agentes contaminantes, y no
perder la potencia del motor, se desarrolla el siguiente análisis basado en:
• Un motor de combustión interna a diesel KM170.
• La composición físico química de los combustibles diesel y biodiesel en base a las
Normas que los rigen.
• Y en la necesidad de hacer una mezcla de combustibles capaz de mantener la
potencia del motor acorde cada valor de temperatura.

Instituto Politécnico Nacional Introducción
Basándose en las condiciones anteriores se desarrolla lo siguiente:
Capítulo 1 Marco teórico, este capítulo se constituye de una visión general del motor diesel
y los combustibles diesel – biodiesel, partiendo del concepto general del motor, el
funcionamiento de un motor de combustión interna, los sistemas y elementos que
conforman un motor. La definición de diesel y biodiesel, con sus propiedades físicas y
químicas.
Capítulo 2 Establecimiento del sistema, se enuncia el ciclo termodinámico para el
Diesel, diagramas representativos del ciclo Diesel con respecto al motor KM170. Así como
una descripción textual del control en el sistema de combustible para el motor KM170;
tomando en cuenta los parámetros de operación del motor.
Capítulo 3 Simulación, en este capítulo se describe el control del combustible mediante un
diagrama de flujo. Se muestra el DTI del control ya descrito y una visualización general de
la interfaz hombre-máquina.
Capítulo 4 Selección de equipo, a lo largo de este capítulo se muestran los diversos
componentes del control de combustible en donde se indican sus características, rangos de
operación, etc.
Capítulo 5 Costos, se desenvuelven los costos de los elementos del control de combustible;
así como el costo beneficio del proyecto, tomando en cuenta los impactos ambientales.

Instituto Politécnico Nacional Capitulo I Motor Diesel-Biodiesel
Capítulo I
Motor Diesel - Biodiesel
1.1Definición de motor.
Un motor es una máquina capaz de transformar la energía almacenada de los combustibles,
baterías u otras fuentes, en energía mecánica capaz de realizar un trabajo. En los
automóviles este efecto es una fuerza que produce el movimiento.
Existen diversos tipos, siendo común clasificarlos en:
Motores térmicos
• Motores de combustión interna
• Motores de combustión externa
Motores eléctricos
Clasificación del motor térmico:
Figura 1.1 Clasificación De Motores Térmicos

1.2 Motor Diesel.
El motor Diesel es una máquina de combustión que aspira aire y lo comprime hasta un
alto nivel, sin la necesidad de chispa para el encendido del combustible.
Los elementos del motor que forman su constitución (ver Figuras 1.2 y 1.3), pueden
dividirse en los siguientes órganos más elementales:
Elementos fijos, que son los que componen la estructura externa del motor, cuya misión es
la de alojar, sujetar y tapar a otros elementos del conjunto, como: el bloque del motor
(monoblock), la culata (cabeza de cilindros) y su junta, el Carter y su junta, la tapa de
balancines.
Figura 1.2 Vista General Del Motor
1.Cadena de la distribución; 2.Eje de levas; 3.Tapon de las bandas de balancines; 4.Conducto de
los vapores del compartimiento de los balancines; 5.Tapa de los balancines; 6.Inyector; 7.Paredes
de los cilindros; 8.Émbolo; 9.Camara de refrigeración; 10.Corona dentada del volante; 11.Volante
de inercia; 12.Contra peso del cigüeñal; 13.cuello delo cigüeñal; 14.Eje del volante; 15.Biela;
16.Muñequilla del cigüeñal; 17.Prefiltro del aceite; 18.Bomba de aceite;19.Aceite del cárter;
20.punto de sujeción del motor al bastidor.

Figura 1.3 Vista De La Cámara De Combustión
21. Polea del cigüeñal; 22.Marcas de puesta a punto; 23.Ventilador; 24.Eje de accionamiento de la
bomba de aceite; 25.Piñol sobre el eje que acciona a las válvulas de inyección, alimentación y
refrigeración; 26.Valvula; 27.Muelle de válvulas; 28.Semibalancín; 29.Antecamara de
combustión; 30.Bujia de precalentamiento; 31.Tubo que une la bomba de inyección del motor;
32.Varilla del nivel de aceite del cárter; 33.Conjunto bomba de inyección regulador y avance;
34.Filtro de aceites; 35.Conducto de admisión; 36.Difusor del regulador del vacío.
Elementos móviles, que son los encargados de transformar la energía química del
combustible en energía mecánica, como: los pistones, las bielas, el cigüeñal, y el volante de
inercia.

Instituto Politécnico Nacional
ESIME Zacatenco
1.3 Ciclo de trabajo.
En el motor diesel de cuatro tiempos las válvulas
correspondiente de trabajo controlando el intercambio de gases. Las válvulas abren o cierran
los canales de admisión y de escape del cilindro
Figura 1.4
Primer Tiempo: Admisión, la válvula de admisión está abierta completamente cuando el
émbolo pasa por el Punto Muerto Superior (PMS), como se muestra en la Figura 1.4; mientras
baja hasta el Punto Muerto Inferior (PMI) crea un vacío en el interior del cilindro y
solo. Cuando llega al PMI el cilindro está lleno de aire a la presión de casi una atmósfera
(1kg/cm2
) aproximadamente y a la temperatura ambiente. La válvula de escape ha
permanecido cerrada durante todo este tiempo.
Instituto Politécnico Nacional Capitulo I Motor Diesel
En el motor diesel de cuatro tiempos las válvulas del cilindro determinan el tiempo
los canales de admisión y de escape del cilindro (ver Figura 1.4):
4 Cámara de Combustión en un Motor Diesel
, la válvula de admisión está abierta completamente cuando el
baja hasta el Punto Muerto Inferior (PMI) crea un vacío en el interior del cilindro y
permanecido cerrada durante todo este tiempo.
Figura 1.5 Tiempo de Admisión
Capitulo I Motor Diesel-Biodiesel
- 10 -
del cilindro determinan el tiempo
, la válvula de admisión está abierta completamente cuando el
baja hasta el Punto Muerto Inferior (PMI) crea un vacío en el interior del cilindro y aspira aire

ESIME Zacatenco
Segundo Tiempo: Compresión
admisión y al encender el émbolo va comprimiendo al aire que hay en el interior del cilindro
hasta reducir su volumen al de la cámara de combustió
continúa cerrada.
Al final de la compresión el volumen del aire se reduce de catorce a veintitrés veces, su
temperatura se eleva a más de 600 ºC y su presión aumenta de 30 a 50 k
Tercer Tiempo: Expansión, después de alcanzar el PMS el émbolo desciende hasta el PMI las
dos válvulas permanecen cerradas como muestra en la Figura 1.6. La máxima presión de la
cámara se alcanza poco después del PMS. Los gases se expanden y empuja
hacia el PMI, transmitiéndole una fuerza a través de la biela que actúa sobre el cigüeñal
dándole un nuevo impulso de rotación. Esta es la carrera de trabajo del motor.
Segundo Tiempo: Compresión y principio de la inyección, en el PMI se cierra la válvula de
hasta reducir su volumen al de la cámara de combustión (ver Figura 1.5). La válvula de escape
Figura 1.6 Tiempo de Compresión
temperatura se eleva a más de 600 ºC y su presión aumenta de 30 a 50 kg/cm2
.
, después de alcanzar el PMS el émbolo desciende hasta el PMI las
cámara se alcanza poco después del PMS. Los gases se expanden y empujan el émbolo (pistón)
dándole un nuevo impulso de rotación. Esta es la carrera de trabajo del motor.
- 11 -
y principio de la inyección, en el PMI se cierra la válvula de
n (ver Figura 1.5). La válvula de escape
, después de alcanzar el PMS el émbolo desciende hasta el PMI las
n el émbolo (pistón)

ESIME Zacatenco
Cuarto Tiempo: Escape, en la figura 1.7 se muestra que después del PMI el émbolo se dirige
de nuevo hacia el PMS expulsando a los gases a través de la apertura de la válvula de escape,
que se ha abierto poco antes de que termine la carrera de expansión. La válvula de admisión
permanece cerrada al llegar el émbolo del PMS empezara un nuevo ciclo.
Generalmente, en el colector de admisión, no hay válvula de mariposa que determine la
cantidad de aire que debe llegar a los cilindros que dependerá de l
los pistones (vacío que se crea en los cilindros) y en los motores sobrealimentados del
compresor volumétrico o del turbo
Figura 1.7 Tiempo de Expansión
, en la figura 1.7 se muestra que después del PMI el émbolo se dirige
permanece cerrada al llegar el émbolo del PMS empezara un nuevo ciclo.
Figura 1.8 Tiempo de Escape
de aire que debe llegar a los cilindros que dependerá de la aspiración o succión de
del turbo-compresor.
- 12 -
, en la figura 1.7 se muestra que después del PMI el émbolo se dirige
a aspiración o succión de

Mediante el pedal acelerador se determina la cantidad de combustible que se inyecta en el
tercer tiempo, actuando sobre la bomba inyectora. Una vez que el aire se encuentra
comprimido en la cámara de combustión (momento de la máxima temperatura del aire) se
inyecta el combustible, inflamándose la mezcla por auto combustión.
No obstante, el diesel precisa un pequeño tiempo para adquirir la temperatura necesaria
para su combustión, cuyo tiempo se conoce como "retraso en la iniciación de la
combustión" o "retardo a la inflamación".
Clasificación de los motores diesel.
Según sea el tipo de inyección y de cámara empleada en los motores diesel se clasifican en
dos grupos:
• Motores de inyección directa o de cámara abierta.
• Motores de inyección indirecta o de cámara dividida.
1.- Sistema de inyección directa
El combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión (situada por lo general
en el pistón) por un inyector de múltiples orificios. (Ver Figura 1.9)
Figura 1.9 Inyección directa

2.- Sistema de inyección indirecta
Como se muestra en la Figura 1.10, se tiene una precámara donde se inyecta el combustible
e inicia la combustión aunque no puede realizarse totalmente por falta de aire.
Generalmente el inyector es de un solo orificio encarado con el conducto estrecho que une
la antecámara y la cámara principal de combustión que es donde termina de realizarse el
total de la combustión y que puede hallarse o no totalmente en el cilindro.
Figura 1.10 Inyección indirecta

1.4 Sistemas del motor Diesel
En la constitución del motor Diesel encontraremos dividido su funcionamiento en
sistemas, los cuales básicamente pueden ser:
a) Sistema de distribución
b) Sistema de alimentación
c) Sistema de enfriamiento
d) Sistema de lubricación
a) Sistema de distribución
El sistema de distribución es el conjunto de órganos que aseguran, en el momento preciso,
la apertura y el cierre de las válvulas de admisión y de escape, (entrada y salida de los gases
en el cilindro) y de ello dependerá el correcto funcionamiento del motor.
b) Sistema de combustible.
El sistema de combustible tiene como finalidad hacer llegar combustible a una determinada
presión para la inyección del mismo en diversas condiciones del funcionamiento del motor.
En los motores Diesel existen tres tipos de circuitos de combustible según sea la posición
del depósito. Son los siguientes:
o Circuito con depósito de salida por gravedad
o Circuito con depósito auxiliar
o Circuito con depósito a nivel inferior
c) Sistema de enfriamiento
Con el motor funcionando, llegan a producirse temperaturas de hasta 2.200°C, lo que en
algunos casos, podría llegar a fundir las piezas metálicas, por lo que es necesario utilizar un
sistema de refrigeración capaz de evacuar parte del calor producido por la combustión.

El calor que ha de absorberse no ha de ser ni poco (se producirían dilataciones excesivas) ni
demasiado (bajaría el rendimiento del motor), aproximadamente un 30%.
Las altas temperaturas, además de dilatar, hacen que el llenado de los cilindros sea escaso y
el aceite de lubricación pierda sus propiedades lubricantes.
Las partes que requieren mayor enfriamiento son las que están sometidas a más altas
temperaturas, como son:
- La culata (especialmente la zona próxima a la válvula de escape).
- Las válvulas (con sus asientos y guías).
- Los cilindros (debido al roce del pistón).
El enfriamiento de estas piezas se hace a costa de calentar el aire del ambiente, renovándose
constantemente.
d) Sistema de lubricación
El sistema se emplea para evitar el elevado desgaste, recalentamiento y atascamiento de las
superficies frotantes; para disminuir el consumo de la potencia indicadora por perdidas
mecánicas del motor y eliminar productos del desgaste. En algunos motores el sistema de
lubricación se utiliza para enfriar el fondo del émbolo. Además el aceite mejora el
empaque por aros de embolo del espacio por encima del embolo y protege las piezas del
motor de la corrosión.
Este sistema es necesario para todas las partes móviles que existen en un motor. Por muy
esmerado y preciso que haya sido el trabajo de acabado y pulido de las superficies de dos
piezas metálicas, el aspecto de ambas aunque parezca liso, presenta enormes
irregularidades y asperezas.
Para el desarrollo de esta tesis, se enfocará el estudio en el sistema de combustible que se
desarrolla a continuación con mayor profundidad.

1.3.1 Descripción General del Sistema de combustible.
Es el encargado de suministrar el combustible necesario para el funcionamiento del motor,
(ver Figura 1.11) pudiéndose diferenciar dos apartados fundamentales:
a). Circuito de baja presión, encargado de enviar el combustible desde el depósito en que
se encuentra almacenado a la bomba de inyección. Compuesto por los siguientes
elementos:
• Depósito de combustible.
• Bomba de alimentación.
• Filtros de combustible.
• Conductos y válvulas
b). Circuito de alta presión, encargado de impulsar el combustible a una presión
determinada para ser introducido en las cámaras de combustión. Compuesto por los
siguientes elementos:
• Bomba de inyección.
• Canalizaciones: deben tener la misma longitud para tener los mismos tiempos de
inyección.
• Inyectores: Realizados en acero para poder resistir las fuertes variaciones de presión.

Figura 1.11 Sistema Completo de Inyección
El circuito de baja presión está formado de la siguiente forma:
Depósito de combustible: Se emplea en su fabricación chapa de acero galvanizado, en dos
mitades que se unen con soldadura eléctrica. En la actualidad se fabrican también de
plástico duro. Los depósitos metálicos se suelen recubrir de una capa antioxidante por el
exterior y un barnizado por el interior (ver Figura 1.12).
El depósito debe ser estanco totalmente y dispone de un tubo con una boca de llenado y un
tapón de cierre en el exterior. Posee un pequeño orificio de ventilación situado en el tubo o
en el mismo tapón de cierre. Este orificio está conectado con el exterior, y mantiene en el
interior del depósito la presión atmosférica.
Suelen llevar un tabicado interior agujereado para evitar el ruido, limitar los movimientos
del líquido y evitar la creación de vapores. Lleva también un orificio para el tubo de salida
del combustible y en la entrada a este tubo se puede colocar un filtro de malla metálica,
para un primer filtrado.

Figura 1.12 Tanque De Combustible del motor KM170
Bomba de alimentación: La misión de la bomba es la de extraer el combustible del depósito
y mandarlo al carburador o a la bomba de inyección, (dependiendo del sistema de
alimentación empleado), para su posterior mezcla con el aire.
Existen dos tipos de bombas de alimentación según su accionamiento:
- Mecánica.
- Eléctrica.
Bomba de alimentación mecánica. Se acopla al bloque motor por medio de unos tornillos
con una junta y una placa para disminuir la transmisión de calor producido por el motor,
evitando que la gasolina se convierta en gas. Esta bomba es accionada por una excéntrica
que posee el árbol de levas del motor cuando éste se encuentra en el bloque, o bien por un
dispositivo de mando, si lleva el árbol de levas en cabeza. (Figura 1.13)
Esta bomba presenta los siguientes inconvenientes:
• Se pueden producir burbujas en el combustible por la acción del calor del motor, al
estar montado en él.
• La membrana pierde elasticidad, al dilatarse, por la acción del calor del motor.
• Rotura frecuente de la membrana, por fatiga.

• Al estar separada del depósito se necesita una membrana de grandes dimensiones
para poder producir una succión efectiva.
• Para que funcione la bomba tiene que estar en funcionamiento el motor.
1. Presión turbo
2. Muelle de compresión
3. Eje de reglaje
4. Membrana
5. Tuerca de reglaje
6. Dedo palpador
7. Palanca de tope m ovil
8. Contrapesos conjunto regulador
9. Rueda dentada
10. Rueda dentada
11. Palanca de arranque
12. Palanca de tensión
13. Eje de arrastre
14. Bomba de alimentación
15. Plato porta-rodillos
16. Regulador de avance a la inyección
17. Plato de levas
18. Corredera de regulación
19. Pistón distribuidor
20. Válvula de respiración
21. Salida hacia los inyectores
Bomba de alimentación eléctrica: La parte superior es similar a la de una bomba mecánica
(membrana y válvulas de aspiración e impulsión). Esta bomba es accionada por la corriente
de la batería sobre un electroimán que mueve la membrana. (Figura 1.14)
Figura 1.13 Bomba de Alimentación Mecánica

1. Eje de arrastre
2. Bomba de alimentación
3. Regulador de avance a la inyección
4. Plato de levas
5. Válvula magnética
6. Corredera de regulación
7. Válvula de respiración
9. Pistón distribuidor
11. Entrada de combustible al pistón
12. Electroválvula de STOP
13. Servomotor
14. Retorno de diesel depósito de combustible
15. Sensor de posición
16. Perno de excéntrica
17. Entrada de combustible
18. Plato porta rodillos
19. Sensor de temperatura de combustible
Filtros
• Filtro: El sistema de alimentación lleva dos tipos de filtros:
• Filtros de combustible.
• Filtros de aire.
Filtro de combustible. Tiene como misión retener las partículas que pudiera llevar en
suspensión el combustible. Suelen estar constituidos por un pequeño tamiz de malla
metálica o de plástico. Están colocados a la salida del depósito, a la entrada de la bomba de
alimentación y a la entrada del carburador. Ver Figura 1.15
Figura 1.14 Bomba de Alimentación Eléctrica

ESIME Zacatenco
Filtro de aire. Tiene la misión de retener las partículas que el
generalmente el polvo, y evitar así que penetre en el interior de los cilindros y el desgaste,
en parte, de éstos (ver Figura 1.16).
• Filtro seco.
• Filtro húmedo.
• Filtro en baño de aceite
El circuito de alta presión está
Bomba de inyección: La bomba de inyección es el conjunto encargado de suministrar el
combustible en la cantidad precisa, en las condiciones necesarias y en el momento
adecuado, según las exigencias que se requieran del motor en cada momento.
La bomba debe inyectar el combustible
bien dosificada, para quemar 1g
Figura 1.15 Filtro de Combustible
Tiene la misión de retener las partículas que el aire lleva en suspensión,
en parte, de éstos (ver Figura 1.16). Existen tres tipos de filtros de aire:
Filtro en baño de aceite.
Figura 1.16 Filtro Seco
de alta presión está formado así:
La bomba de inyección es el conjunto encargado de suministrar el
las exigencias que se requieran del motor en cada momento.
La bomba debe inyectar el combustible a muy alta presión, pero en poca cantidad y muy
bien dosificada, para quemar 1gr. de diesel son necesarios 32 gr. de aire para una buena
- 22 -
aire lleva en suspensión,
La bomba de inyección es el conjunto encargado de suministrar el
las exigencias que se requieran del motor en cada momento.
a muy alta presión, pero en poca cantidad y muy
. de aire para una buena

combustión. Un litro de diesel necesita aproximadamente 13.000 litros de aire, (un 30%
más que la gasolina). Así pues la bomba y sus elementos han de reunir una serie de
condiciones:
• Dosificación exacta de la cantidad de combustible a inyectar en función de la
potencia del motor.
• Distribución de caudales iguales para cada cilindro.
• Inyección en el momento adecuado (orden de inyección).
Las bombas de inyección pueden ser de dos tipos:
• en línea. (Figura 1.17)
• rotativas. (Figura 1.18)
Figura 1.17 Bomba De Inyección Lineal
1. Racor de fijación de válvula; 2.Guia de muelle de válvula; 3.Muelle de válvula;
4.Válvula de impulsión; 5.Junta de válvula para el cierre de alta presión; 6.Asiento de
válvula; 7.Cilindro del elemento; 8.Émbolo; 9.Rueda dentada; 10.Talón del émbolo;
11.Palillo inferior de apoyo del muelle; 12.Arandela de ajuste; 13.Camisa de regulación;
14.Varilla de regulación con cremallera; 15.Junta para el cierre de baja presión; 16
Arandela de racor de unión.

Figura 1.18 Bomba De Inyección Rotativa
1.Eje de vaina estriado en sus extremos; 2.Buje de transmisión; 3.Arandela de resorte;
4.Retén; 5.Tapa hermética (carcasa); 6.Palaca de ajuste superior; 7.Válvula dosificadora;
8.Cámara de válvula dosificadora; 9.Orificio de dosificación; 10.Cabezal hidráulico;
11.Rotor de bombeo y distribución; 12.Bomba de trasiego (excéntrica); 13.Retén; 14.Rotor
de la bomba de trasiego; 15.Tapa de extremo que aloja la válvula de regulación;
16.Tornillo de fijación de la tapa; 17.Tapa deslizante de la bomba; 18.Orificio de
distribución 19.Orificio de admisión; 20.Conexion externa; 21.Recor de fijación del
cabezal hidráulico 22.Zapata de accionamiento; 23.Aro de levas; 24.Elemento de bombeo;
25.Placa de ajuste inferior; 26.Placa de trasmisión; 27.Rodillo de leva; 28.Eje de
trasmisión del motor; 29.Manguito de empuje; 30.Caja de contrapeso; 31.Contrapeso del
regulador; 32.Cuerpo de la bomba; 33.Orificio de salida.
Inyectores: Como se puede observar en la Figura 1.19, la misión de los inyectores es la de
realizar la pulverización de la pequeña cantidad de combustible y de dirigir el chorro de tal
modo que el combustible sea esparcido homogéneamente por toda la cámara de
combustión.

ESIME Zacatenco
Destaquemos que los inyectores son unos elementos muy solicitados, lampeados
conjuntamente cuerpo y aguja (fabricados con ajustes muy precisos y hechos expresamente
el uno para el otro), que trabajan a presiones muy elevadas de hasta 2000 aperturas por
minuto y a unas temperaturas de entre 500 y 600 °C.
Principio de funcionamiento:
a la parte superior del inyector y desciende por el canal practicado en la tobera o cuerpo del
inyector hasta llegar a una pequeña cámara situada en la base, que cierra la aguja
inyector posicionado sobre un as
superior de la aguja, que mantiene el conjunto cerrado.
El combustible, sometido a una presión muy similar a la del tarado del muelle, levanta la
aguja y es inyectado en el interior de la cámara
Cuando la presión del combustible desciende, por haberse producido el final de la
inyección en la bomba, el resorte devuelve a su posición a la aguja sobre el asiento del
inyector y cesa la inyección.
y aguja (fabricados con ajustes muy precisos y hechos expresamente
minuto y a unas temperaturas de entre 500 y 600 °C.
: El combustible suministrado por la bomba de inyección llega
inyector hasta llegar a una pequeña cámara situada en la base, que cierra la aguja
inyector posicionado sobre un asiento cónico con la ayuda de un resorte, situado en la parte
superior de la aguja, que mantiene el conjunto cerrado.
aguja y es inyectado en el interior de la cámara de combustión.
Figura 1.19 Inyector
- 25 -
y aguja (fabricados con ajustes muy precisos y hechos expresamente
nistrado por la bomba de inyección llega
inyector hasta llegar a una pequeña cámara situada en la base, que cierra la aguja del
iento cónico con la ayuda de un resorte, situado en la parte

1.3.2 Funcionamiento del sistema de combustible.
Como se muestra en la Figura 1.20, la bomba de aspiración succiona combustible del
depósito a través de una rejilla filtrante, que se encuentra en el extremo del tubo de
aspiración. Este combustible llega a través de un primer filtro que elimina las impurezas
más gruesas que lleva en suspensión el gasóleo. Después la bomba lo mandaría al filtro del
combustible y de ahí pasaría a la bomba de inyección, que lo mandaría a los inyectores.
La bomba de alimentación normalmente trabaja con presiones entorno a 1 o 2 Kg/cm2
. Y en
cantidad suficiente, siendo una válvula de descarga la que regula dichas presiones, teniendo
una canalización de retorno para el combustible sobrante que va de vuelta al depósito. Esta
bomba suele contar con una pequeña bomba manual de cebado, que usa el mismo circuito y
que sirve para purgar y llenar las canalizaciones de combustible.
Si la bomba de inyección es de elementos en línea, la bomba de alimentación normalmente
irá acoplada a ella, recibiendo el movimiento del árbol de levas de la propia bomba de
inyección.
En este caso la bomba normalmente sería del tipo de pistón con muelle antagonista y
rodillo, alojados en un cilindro. También contaría con válvulas de entrada y salida del
combustible. Si la bomba de inyección fuese rotativa ya incorporaría su propia bomba de
alimentación.
La bomba de inyección suministra el combustible necesario a presión a los distintos
cilindros, a los que pasa a través de los inyectores, que lo pulverizan. Desde ellos, el
sobrante que no entra en los cilindros se hace retornar por los conductos de rebose.
En el circuito de alta presión, los tubos entre la bomba de inyección y los inyectores se
fabrican siempre de acero, a causa de las altas presiones que alcanza el combustible durante
el funcionamiento del motor. Para asegurar el ajuste correcto de cada cilindro y una
capacidad de inyección uniforme para todos ellos, los tubos deben tener la misma longitud
entre sí, ya que el cambio de longitud altera el punto de inyección de un cilindro respecto a
los demás.

ESIME Zacatenco
Esquema de un circuito de inyección en un motor diesel
Figura
1. Depósito de combustible.
2. Tubería de acceso a la bomba de alimentación.
3. Bomba de alimentación.
4. Bomba de inyección.
5. Tubería hacia el filtro.
6. Filtro.
7. Tubo de impulsión.
8. Inyector.
9. Conducto de rebose de la bomba de inyección.
10. Regulador.
11. Conducto de rebose del inyector
Esquema de un circuito de inyección en un motor diesel.
Figura 1.20 Sistema de combustible.
Depósito de combustible.
Tubería de acceso a la bomba de alimentación.
Bomba de alimentación.
Conducto de rebose de la bomba de inyección.
Conducto de rebose del inyector
- 27 -

1.5 Combustibles
Combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se cambia o transforma
su estructura química. Supone la liberación de una energía de su forma potencial a una
forma utilizable.
Los combustibles fósiles o combustibles minerales son mezclas de compuestos orgánicos
que se extraen del subsuelo con el objetivo de producir energía por combustión.
La mayor parte de la energía empleada actualmente en el mundo proviene de los
combustibles fósiles. Los utilizamos en el transporte, para generar electricidad, para
calentar ambientes, para cocinar etc.
1.5.1 Diesel
El combustible diesel es una mezcla compleja de hidrocarburos compuesta principalmente
de parafinas y aromáticos, con un contenido de olefina que alcanza solamente a un pequeño
porcentaje por volumen. La combustibilidad de un combustible diesel en los motores diesel
se caracteriza por su número de cetano, el cual es una medida de su capacidad para ser
sometido a ignición de compresión, bajo condiciones de prueba estándar. Los combustibles
con un número mayor de cetano se queman más fácilmente en los motores de ignición de
compresión.
Propiedades de los combustibles Diesel:
Estos combustibles tienen ciertas propiedades que los hacen adecuados para emplearlos en
los motores Diesel.
Viscosidad. Como se mencionó, debe ser lo bastante baja la atomización para la fácil
pulverización en la cámara de combustión.
Punto de inflamación. Es la temperatura a la cual el combustible empieza a despedir un
vapor, que se inflama de inmediato si hay una chispa o una llama. El punto de inflamación
de los combustibles Diesel es de unos 55°C, lo cual los hace mucho más seguros para el

manejo y el almacenamiento que la gasolina, que se vaporiza a todas las temperaturas
atmosféricas normales.
Temperatura de autoignición. Es la temperatura a la cual el combustible atomizado se
inflama y arde sin la ayuda de una chispa. Una baja temperatura de autoignición significa
que el motor arrancará con facilidad y funcionará con menor "cascabeleo". Esta
temperatura es de alrededor de 250°C para los combustibles Diesel.
Cualidades adecuadas para ignición: número cetano. El número cetano de un combustible
Diesel es una medida de su calidad de ignición o de su facilidad para arder en la cámara de
combustión. Los combustibles con bajo número cetano necesitan más tiempo para
inflamarse después de inyectarlos, con lo que ocasionan una demora más larga, y cuando
tiene lugar la ignición, habrá tendencia a un mayor "cascabeleo" cuando el combustible
acumulado se inflama en forma súbita y aumenta la presión.
Por otra parte, si el número cetano es suficientemente alto (número cetano correcto), el
combustible se inflamará y comenzará a arder casi tan pronto como empieza la
atomización. Por tanto, la presión de combustión aumentará uniformemente y no habrá
cascabeleo.
Para obtener el número cetano se hacen pruebas de un motor y se comparan los resultados
con ciertos combustibles de referencia. Dado que el objetivo es tener un combustible con
potencia adecuada y cualidades para ignición, el número cetano más alto que sea posible no
siempre es el requisito final. Por tanto, en esta prueba no se incluyen sólo las cualidades de
ignición, sino que se tienen en cuenta aspectos tales como el periodo de demora y la
potencia producida en el motor.
Contenido de azufre. Todos los combustibles Diesel contienen cierta cantidad de azufre. Un
contenido de azufre demasiado alto produce desgaste excesivo de los cilindros por la
formación de ácidos en el aceite lubricante. Los combustibles no deben contener más de
0.5% de azufre.

Ausencia de contaminantes. Dado que las holguras en las piezas para inyección de
combustible son tan pequeñas, que hay que impedir que entren al combustible los
contaminantes en cualquier forma, como agua, polvo, herrumbre o incrustaciones, antes de
poner el combustible en el tanque del vehículo. Los contaminantes pueden ocasionar
costosos daños en un tiempo un tanto corto. Por tanto, es de máxima importancia el cuidado
en el manejo y almacenamiento.
1.5.2 Biodiesel
El biodiesel, denominado también biogasóleo o diester, es un combustible renovable
sustitutivo del diesel que proviene del procesamiento de aceites vegetales, tanto naturales
como reciclados (soya, girasol, palma, etc.) y de grasas animales. Se lo obtiene mediante el
proceso de transesterificación de los aceites por reacción química con el alcohol para
formar esteres grasos (biodiesel) y glicerina.
Es un producto no tóxico y biodegradable, que por poseer características físicas y físico-
químicas muy similares a las del diesel, se ha convertido en uno de los combustibles más
eficaces como reemplazo del diesel.
Materias Primas:
Aceites vegetales: Provenientes de todo tipo de plantas oleaginosas: palma africana, soya,
higuerilla, girasol, colza, entre otros.
• Palma africana: El aceite de palma se extrae de la pulpa; el rendimiento de un racimo
oscila entre el 17 y el 27% .El biodiesel obtenido del aceite de palma tiene mayor
estabilidad de oxidación que el biodiesel de aceite de soya.
• Soya: Es el cultivo oleaginoso de mayor importancia a nivel mundial, Estados Unidos,
Brasil y Argentina son los principales productores. Contiene el 18% de aceite (85% no
saturado) y 38% de proteína.

• Higuerilla: El aceite se extrae de la semilla y es considerado el mejor para producir
biodiesel, por ser el único soluble en alcohol, y el proceso de obtención de biodiesel no
requiere calor y el consecuente gasto de energía que exigen otros aceites vegetales en su
transformación a combustible.
Grasas animales: Se pueden obtener como subproductos del faenamiento de ganado
vacuno, porcino, etc.
Ventajas
• BIODIESEL es un producto no tóxico y biodegradable.
• Presenta una alta estabilidad a la oxidación y se encuentra libre de partículas.
• Dada su alta solubilidad con los combustibles fósiles puede ser mezclado con los
mismos en distintas proporciones.
• Reduce en gran medida la emisión de humos visibles con respecto al diesel cuando
el producto se quema y no contiene azufre. Esto evita la contaminación del
medioambiente y brinda un almacenamiento del BIODIESEL más seguro que el del
diesel.
• Representa una fuente de energía renovable y limpia que además contribuye a la
conservación del medio ambiente gracias al reciclado de productos de desecho.

En la siguiente tabla 1.2 se muestran las dos normas aplicables al biodiesel
• EN: Norma Europea
• A.S.T.M: American Society for Testing and Materials
Parámetro Unidad
Especificaciones
EN 14214-03 A.S.T.M D 6751 -02
Contenido de esteres % masa Mín. 96,5 -----
Densidad a 15 °C g/cm3
0,86 – 0,90 -----
Viscosidad cinemática a 40 °C mm2
/s 3,50 – 5,00 1,90 – 6,00
Punto de Inflamación °C Mín. 120 Mín. 130
Punto de obstrucción de filtro frío
(P.O.F.F)
°C verano Máx. 0 -----
°C invierno Máx. -20 -----
Azufre total % masa Máx. 0,001 Máx. 0,05
Residuo carbonoso Conradson al 100% % masa Máx. 0,05 Máx. 0,05
Número de cetano ---- Mín. 51 Mín. 47
Contenido en cenizas % masa Máx. 0,03 Máx. 0,02
Contenido en agua mg/Kg. Máx. 500 -----
Agua y sedimentos % volumen - Máx. 0,05
Corrosión al cobre (3h/50 °C) Grado de Corrosión Máx. 1 Máx. 3
Estabilidad a la oxidación horas Mín. 6 -----
Índice de acidez mg KOH/g Máx. 0,50 Máx. 0,80
Contenido en metanol % masa Máx. 0,20 -----
Contenido en monoglicéridos % masa Máx. 0,80 -----
Contenido en diglicéridos % masa Máx. 0,20 -----
Contenido en triglicéridos % masa Máx. 0,20 -----
Glicerol libre % masa Máx. 0,02 Máx. 0,02
Glicerol ocluido % masa Máx. 0,23 -----
Glicerol total % masa Máx. 0,25 Máx. 0,24
Índice de yodo ---- Máx. 120 -----
Fósforo ppm. Máx. 10 Máx. 10
Sales Metálicas (Na+K) mg/Kg. Máx. 5 -
Tabla1.1 Comparación físico – químico entre diesel y biodiesel

1.5.3 Comparación del Diesel con Biodiesel
PARÁMETRO UNIDADES
UNE EN 590°
DIESEL
LILMITE CEN/TC 19**
BIODIESEL
Densidad(15°C) g/cm3
0.820-0.845 0.860-0.900
Viscosidad Cinemática 40° cS1 2.0-4.5 3.5-5.0
Punto inflamación °C 55min. 101min.
Azufre Ppm 350 máx. 10 máx.
Residuo Carbonoso (10%) % 0.30 máx. 0.30 máx.
Contaminación Total ppm 24 máx. 24 máx.
Agua ppm 200 máx. 500 máx.
Corrosión al cobre - Clase 1 Clase 1
Cenizas Sulfatadas % 0.01 máx. 0.02 máx.
Estabilidad Oxidación mg/l 25 máx. 6h min.
Numero de Cetano - 51 min. 51 min.
Índice de Cetano - 46 min.
Tabla 1.2 Comparación diesel con biodiesel.

Comparación Diesel-biodiesel: composición de los productos de combustión
• Calculo de la cantidad, la composición de los productos de combustión.
Partiendo de las reacciones de combustión de los elementos que forman parte del
combustible, la cantidad de gases que generan, se determina según las formulas:
En kilogramo de gas por kilogramo de combustible:
Para el gas carbónico CO2:
‫ܱܥܩ‬ଶ ൌ 11‫3/ܥ‬
Para el vapor de agua recalentado H2O:
‫ܪܩ‬ଶܱ ൌ 9‫ܪ‬
Para el valor de oxígeno O2:
‫ܱܩ‬ଶ ൌ 0.231ሺߙ െ 1ሻ݈଴
Para el nitrógeno N2:
‫ܰܩ‬ଶ ൌ 0.769 ߙ ݈଴
α=Coeficiente de exceso de aire igual a 1.684
La composición elemental del diesel es: C=0.86; H=0.13; O=0.01.
La composición elemental del biodiesel es: C=0.77; H=0.12; O=0.1.
Cálculos:
Io = Cantidad necesaria de aire.
‫ܫ‬଴ ൌ
ቀ
8
3
C ൅ 8H െ 0ቁ
0.231

‫ܫ‬଴diesel ൌ
ቀ
8
3
0.86 ൅ 8ሺ0.13ሻ െ 0.01ቁ
0.231
ൌ 14.3865
‫ܫ‬଴biodiesel ൌ
ቀ
8
3
0.77 ൅ 8ሺ0.12ሻ െ 0.1ቁ
0.231
ൌ 12.5685
Calculo de las emisiones de Dióxido de carbono CO2
CO2 diesel = 11C/3 CO2 biodiesel = 11C/3
CO2 diesel = 11(0.86)/3 CO2 biodiesel = 11(0.77)/3
CO2 diesel = 3.1533 Kg. CO2 biodiesel = 2.8233 Kg.
El resultado de los cálculos anteriores nos da una visión de que es un generador menor de
CO2, ya que cuenta con un 10.46 % menos de este producto de la combustión.
Calculo de las emisiones de agua H2O.
H2O diesel = 9H H2O biodiesel = 9H
H2O diesel = 9(0.13) H2O biodiesel = 9(0.12)
H2O diesel = 1.17 Kg. H2O biodiesel = 1.08 Kg.
Despide una mayor cantidad de agua el Diesel que el Biodiesel. Mediante los cálculos
representa un 7.69% menos cantidad de agua que el Diesel.

Calculo de las emisiones de N2O.
N2O diesel = 0.769 α lo N2O diesel = 0.769 α lo
N2O diesel = 0.769 (1.684) (14.3865 ) N2O biodiesel = 0.769 (1.684) (12.5685 )
N2O diesel = 18.6305 Kg. N2O biodiesel = 16.2761 Kg.
Despide una menor cantidad de NO2 el uso de Biodiesel representando el 12.63% menos de
emisión.
Calculo de las emisiones de oxigeno O2.
O2 diesel = 0.231ሺߙ െ 1ሻ݈଴ O2 biodiesel = ܱଶ ൌ 0.231ሺߙ െ 1ሻ݈଴
O2 diesel = 0.231ሺ1.684 െ 1ሻ14.3865 O2 biodiesel = ܱଶ ൌ 0.231ሺ1.684 െ 1ሻ12.5685
O2 diesel = 2.2731 Kg. O2 biodiesel = 1.9858 Kg
El uso de biodiesel despide 12.63% de menor cantidad de oxigeno.

Instituto Politécnico Nacional Capitulo II Establecimiento del Sistema
Capítulo II
Establecimiento del sistema
2.1 Sistema termodinámico
Un sistema termodinámico es una parte de un sistema que se aísla para su estudio. Este se
puede llevar de dos formas principalmente:
• Real, en el campo experimental.
• Ideal, cuando se trata de abordar un estudio teórico.
Los sistemas termodinámicos se clasifican según el grado de aislamiento que presentan con
su entorno. Aplicando este criterio pueden darse tres clases de sistemas.
Sistema aislado: es aquel que no intercambia ni energía ni masa con su entorno. Un
ejemplo de esta clase podría ser un gas encerrado en un recipiente de paredes rígidas
lo suficientemente gruesas como para considerar que los cambios de energía
calorífica sean despreciables, ya que por hipótesis no puede intercambiar energía en
forma de trabajo.
Sistema cerrado: es el que puede intercambiar energía pero no materia con el
exterior. Multitud de sistemas se pueden englobar en esta clase.
Sistema abierto: en esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden
observarse en la vida cotidiana. Por ejemplo, un vehículo motorizado es un sistema
abierto, ya que intercambia materia con el exterior cuando es cargado, o su
conductor se introduce en su interior para conducirlo, o es cargado de combustible,
o se consideran los gases que emite por su tubo de escape, pero además intercambia
energía con su entorno.

2.1.1 Ciclo Diesel
Desde un punto de vista mecánico, el ciclo del motor diesel de cuatro tiempos consta de las
siguientes fases:
• Admisión: con el pistón posicionado en el PMS (punto muerto superior) comienza
la carrera descendente y al mismo tiempo se abre la válvula de admisión para llenar
de aire limpio aspirado o forzado por un turbocompresor el cilindro, terminando
este ciclo cuando el pistón llega al PMI (punto muerto inferior) y la válvula de
admisión se cierra nuevamente.
• Compresión: el pistón está en el PMI y empieza su carrera de ascenso,
comprimiendo el aire contenido en el cilindro y logrando de esa forma un núcleo de
aire caliente en la cámara de combustión por el efecto adiabático.
• Trabajo: cuando el pistón está a punto de llegar al PMS se inicia la inyección de
combustible a alta presión. En este momento se mezclan las partículas de gasóleo
pulverizado con el núcleo de aire caliente y se produce el encendido y la
consiguiente expansión de gases por la combustión del gasóleo, moviendo el pistón
desde el PMS hacia el PMI y generando trabajo.
• Escape: concluida la fase de trabajo y habiendo llegado el pistón al PMI, se abre la
válvula de escape al mismo tiempo que el pistón empieza su carrera hacia el PMS y
elimina hacia el conducto de escape los gases producidos por la combustión en el
cilindro.
De esta forma podemos ver que el ciclo diesel está formado por cuatro tiempos, por lo que,
cuando entra el combustible, este explota por la alta presión y se va quemando en el
trayecto.
Es el ciclo de referencia asignado a los motores de encendido por compresión para explicar
de forma simple y teórica los procesos, siendo oportuno comentar que el ciclo mixto
aproxima mejor a la realidad tanto al ciclo Otto como al Diesel.

La diferencia fundamental entre el ciclo Diesel y el ciclo Otto está en la fase de aportación
del calor. En el ciclo Otto el calor era introducido a volumen constante, y en el ciclo Diesel
es introducido a presión constante. Otra diferencia entre los dos ciclos se encuentra en la
relación de compresión; para los motores Diesel esta entorno de 14 a 24, mientras que para
los motores de encendido por chispa varía entre 6 y 10. Los dos tipos de motores requieren
la máxima relación de compresión para mejorar el rendimiento. Sin embargo,
condicionados por el combustible, los motores de encendido provocado no deben
sobrepasar una cierta relación de compresión para no sufrir efectos como el picado,
mientras que los motores Diesel requieren una relación de compresión mínima para
garantizar el encendido por compresión y a partir de una determinada relación de
compresión, el aumento de rendimiento ya no compensa el aumento de costos y peso del
motor capaz de resistir las presiones que se generarían.
Como se puede ver en la Figura 2.1, el ciclo Diesel está formado por cuatro procesos
térmicos:
a) 1-2 Compresión adiabática
b) 2-3 Aportación de calor a presión constante.
c) 3-4 Expansión adiabática
d) 4-1 Extracción de calor a volumen constante
Figura 2.1 Graficas del Ciclo Diesel ideal

En el proceso de aportación de calor, a presión constante, el pistón se desplaza, y por tanto
realiza un trabajo:
ܹଶଷ ‫׬‬ ܸܲ݀ ൌ ܲሺܸଷିܸଶሻ
ଷ
ଶ
(1)
Si se usa la ecuación de la energía, se obtiene:
ܳଵ ൌ ሺܷଷ െ ܷଶሻ ൅ ሺܲଷܸଷ െ ܲଶܸଶሻ (2)
Y como la entalpia h del fluido tiene la expresión:
݄ ൌ ܷ ൅ ܲ‫ݒ‬ (3)
Entonces la ecuación (2) queda de la siguiente manera:
ܳଵ ൌ ݄ଷ െ ݄ଶ (4)
Si se considera que el fluido de trabajo es un gas ideal y el proceso es a presión constante,
entonces:
݄ଷ െ ݄ଶ ൌ ‫݌ܥ‬ሺܶଷ െ ܶଶሻ (5)
De manera que el calor aportado vale
ܳଵ ൌ ‫ܥ‬௩ሺܶସ െ ܶଵሻ (6)
Y recordando que el grado de combustión, extensión correspondiente a la aportación de
calor a presión constante, tiene la siguiente expresión.
ߚ௘ ൌ
௏య
௏మ
(7)

Se obtiene finalmente la expresión del rendimiento térmico ideal del ciclo Diesel teórico:
ߟ ൌ 1 െ
ଵ
ఘೖషభ ቂ
ఉ೐
ೖିଵ
௞ሺఉ೐ିଵሻ
ቃ (8)
Se puede observar que, a diferencia del ciclo Otto, no solo es función de p y de k, sino que
además lo es de βe y por tanto, depende del calor aportado por unidad de masa Qr
Analizando la ultima ecuación se comprueba que si se aumenta βe el rendimiento se hace
más pequeño, mientras que si se aumenta la relación de compresión el rendimiento crece.
La única diferencia entre el rendimiento del ciclo Otto y el Diesel es el termino ቂ
ఉ೐
ೖିଵ
௞ሺఉ೐ିଵሻ
ቃ
que siempre es más grande que 1. Se llega a la conclusión de que, para igual relación de
compresión, es más grande el rendimiento térmico del ciclo Otto que el del Diesel.
Si se reduce βe y por tanto, el calor aportado a presión constante, el rendimiento térmico del
Ciclo Diesel se aproxima al del ciclo Otto, hasta tal punto que cuando β=1 los dos
rendimientos coinciden.
Si se aplican las condiciones del ciclo Diesel a la ecuación general de la presión media
teórica, se obtiene su expresión para este caso:
ߙ௘ ൌ 1 ߚ௦ ൌ 1
௣௠௧
௉ଵ
ൌ
ఘೖሺఉିଵሻ
ሺఘିଵሻሺ௞ିଵሻ
ߟ (9)

Potencia del motor
Potencia; se le llama potencia al trabajo referido a la unidad de tiempo, pero también
existen diferentes tipos de potencia en un motor, como se muestra en las definiciones
siguientes:
Potencia útil es la potencia de un motor obtenida a un número correspondiente de
revoluciones en el cigüeñal o en un dispositivo auxiliar.
Potencia nominal es la potencia máxima de un motor a plena carga.
La potencia se puede definir matemáticamente:
ܲ‫݋‬ ൌ ‫ܯ‬ ൈ ߱ (10)
Donde
ܲ‫݋‬ ൌ ܲ‫ܽ݅ܿ݊݁ݐ݋‬ en Kw
߱ ൌ ‫݀ܽ݀݅ܿ݋݈݁ݒ‬ ܽ݊݃‫ݎ݈ܽݑ‬
‫ܯ‬ ൌ ‫ݎܽ݌‬ Nm
La velocidad angular se define como:
߱ ൌ
గ ௡
ଷ଴
(11)
Donde
n = frecuencia de rotación (RPM)
Sustituyendo 11) en 10) tenemos
ܲ‫݋‬ ൌ ‫ܯ‬ሺ
గ ௡
ଷ଴
ሻ (12)

2.1.2 Descripción del motor como un ciclo
Figura 2.2 Diagrama a Descriptico del Motor Diesel
La Figura 2.2 muestra como el combustible procedente del depósito (1) es aspirado, a
través de la bomba de alimentación (2) a un prefiltro (3). Esta bomba lo impulsa por la
tubería de baja presión hacia el filtro principal (4) que retiene las partículas, el agua y el
aire contenidos en el combustible, pasando éste luego a través de la tubería a la bomba de
inyección (5). En el instante oportuno esta bomba de inyección impulsa combustible a gran
presión, a través de la tubería de alta presión, hacia el inyector (6). La gran presión que

tiene el combustible a su llegada al inyector vence la resistencia que éste opone a su
apertura y el combustible se introduce en la cámara de combustión (7), en forma de chorros
pulverizados. En el instante en que la bomba de inyección deja de impulsar combustible, la
presión del que existe en el tubo desciende bruscamente, el inyector se cierra y cesa la
entrada de combustible en la cámara de combustión.
Como la presión a que está sometido el combustible y la sección de paso del inyector son
fijos, la cantidad de combustible suministrada al motor en cada inyección sólo depende del
tiempo que permanece abierto el inyector, o sea, del tiempo durante el cual la bomba está
mandando combustible a presión hacia el inyector.
Cada cilindro posee un inyector, que recibe el combustible directamente de la bomba de
inyección mediante su correspondiente tubería de alta presión. La bomba impulsa
combustible sucesivamente hacia cada uno de los inyectores, siguiendo el orden de
encendido del motor.
Existen tuberías de retorno que parten del filtro principal y de los inyectores y descargan el
exceso de combustible hacia el depósito. En el esquema de esta figura y principalmente
cuando la bomba de inyección es rotativa, existe otro conducto de retomo desde la bomba
hacia una conexión situada en el filtro. Las conexiones de los conductos de retorno
contienen una válvula que impide la circulación del combustible en sentido contrario. Visto
ya de una forma esquemática el proceso seguido por el combustible hasta ser inyectado.

2.1.3 Descripción del sistema real
Figura 2.3 Sistema Real
Se trabajará en el sistema de combustible del motor diesel KM170 (ver Figura 2.3), el cual
tiene las siguientes especificaciones.
MOTOR KM170
Tipo 4 tiempos, 1 cilindro, refrigerador para aire, motor diesel
Sistema de combustión. Inyección Directa
Cilindrada ( c.c ) 211
Diámetro x carrera 70 x 55
Velocidad Motor r/min 3000 - 3600
Potencia Máxima Kw 2.8 / 3.1
Potencia Nominal Kw /rpm 2.5 / 3000 ; 2.8/ 3600
PTO eje PTO rpm ½
Sistema de arranque Manual auto envolvente
Capacidad dep. combustible ( I ) 2.5
Capacidad Aceite 0.75 lts.
Medidas ( An x Lg x Al ) (mm) F: 332 x 384 x 416 x S: 324 x 384 x 416
Peso 26 kg.
Ratio de compresión 20
Consumo 280 g/km*h

ESIME Zacatenco
Tabla 2.1
Piezas del sistema de combustible (Figura 2.6)
1) Tornillo
2) Tornillo de ajuste
3) Junta de culata
4) Soporte de apoyo superior del
Tanque de combustible
5) Amortiguador
6) Sujetador de la tubería de
combustible
7) Tubería del retorno de combustible
8) Tornillo de desagüe
9) Tornillo 12X1.25X14
10) Soporte de apoyo inferior del
Tanque de combustible
11) Tuerca M6X14
12) Tuerca M6
13) Interruptor montado en
el tanque de combustible
Especificaciones del motor diesel KM170
combustible (Figura 2.6)
4) Soporte de apoyo superior del
) Tubería del retorno de combustible
10) Soporte de apoyo inferior del
Figura 2.4 Despiece del Sistema de Combustible
Figura 2.5 Vista Frontal del Sistema
Capitulo II Establecimiento del Sistema
- 47 -
Figura 2.4 Despiece del Sistema de Combustible
Vista Frontal del Sistema

14) Rondana
15) Sujetador
16) tubería de inyección
17) Filtro de combustible
18) Elemento montado
19) Tanque de combustible soldado
20) Malla filtradora del tanque
de combustible
21) Tapa del tanque de combustible
22 y 22-1) Unidad de tubería de alta presión
2.1.4 Propuesta del sistema de control
Contenedor
Biodiesel
Válvula
proporcional
Contenedor
Diesel
Válvula
proporcional
Válvula
solenoide
Tanque
Mezcla Motor
Válvula
solenoide
Figura 2.7 Diagrama a Bloques de la Propuesta
Figura 2.6 Vista Lateral Extensa del Sistema

Para llevar a cabo el control del sistema de combustible se implementarán los siguientes
elementos:
1 Tanque para biodiesel
1 Tanque para Diesel
1 Tanque para Mezcla
2 Válvulas Motorizadas
2 Válvulas Solenoides
En la propuesta se considerará un tanque para Diesel (será el de mayor tamaño), otro para
Biodiesel (de menor proporción con respecto al de Diesel) y un tercero de para el
combustible no utilizado por el motor (exceso de combustible) para ser reutilizado.
El Biodiesel tiene la característica de que a menor temperatura mayor es su viscosidad, por
lo que este combustible no se utilizará en el arranque del motor; se iniciará con Diesel. Para
llevar a cabo la utilización del biodiesel se necesita reducir su viscosidad, lo cual se lograra
cuando el motor KM170 llegue a una temperatura mayor a 120° como lo marca la norma
EN 14214-03, para su punto de inflamación, antes de que el combustible llegue a la bomba
de inyección, tuberías e inyectores, así el combustible llegará en condiciones favorables
para su combustión.
Para la realización de la mezcla se utilizarán dos válvulas proporcionales (también llamadas
válvulas motorizadas), el control de estas válvulas se definirá por la temperatura y la
potencia del motor, ya que el propósito de este control es el no disminuir la potencia del
motor.
El control de la mezcla incluirá otros elementos como son: sensor de temperatura, sensor de
velocidad y sensor de par, estos últimos para determinar la potencia del motor.

Instituto Politécnico Nacional Capitulo III Simulación
Capítulo III
Simulación
3.1 Descripción del control de combustible
1.- Inicio, arranque del motor
2.- Designación de variables
Válvula 1 = Válvula del Biodiesel (V1)
Válvula 2 = Válvula del diesel-mezcla (V2)
Válvula 3 = Válvula del diesel (V3)
Válvula 4 = Válvula de mezcla (V4)
Temperatura = T
Potencia = P
3.- Estado de las válvulas
V1= cerrado
V2= cerrado
V3= abierto
V4= cerrado
4.- Medición de la temperatura, si T≥ 120 ° C el estado de las válvulas cambia de la
siguiente manera:
V1= cerrado
V2= 100% abierto
V3= 0% abierto
V4= cerrado
Si la T≤ 120 °C debe conservar el estado de las válvulas como en el paso 3.

5.- Medición de la potencia,
Si P≥ 2.5 entonces:
V2 cierra en un 10%
V3 abre en un 10%
De lo contrario
Si P< 2.5 entonces:
V2 abre un 10%
V3 cierra un 10%
6.- El ciclo termina hasta que se apaga el motor.

Diagrama de flujo
Figura 3.1 Diagrama de flujo del sistema de control

3.2 Sistema de control
Control en cascada
Es una arquitectura que se basa en el lazo de control retroalimentado, su estructura es muy
simple, es el más utilizado en la industria y que tiene gran controlabilidad. Se basa en medir
una variable secundaria (esclava), a demás de un controlador secundario que se encarga de
modificar a la variable manipulada a través del elemento final de control.
Niveles de control Esta arquitectura tiene varios niveles de control, el nivel más alto es el
que se encarga de medir la variable controlada (primaria) y el controlador de este nivel le
proporcional el punto de referencia (set- point) al controlador del siguiente nivel; el nivel de
control más bajo es el que se encarga de medir una variable que pueda perturbar a la
variable primaria y es donde otro controlador modifica a la variable manipulada.
Esquema de control.
Figura 3.2 Esquema de control, cascada

Características:
El controlador primario le proporciona el set-point al controlador secundario.
El transmisor secundario tiene que ser de mayor exactitud y de mayor velocidad de
lectura que el transmisor primario.
La variable secundaria tiene que ser más rápida que la variable primaria; es decir,
que tiene que cambiar con mayor rapidez con respecto al tiempo.
Ventajas:
El lazo de control secundario corrige las perturbaciones antes de que afecten a la
variable controlada.
Aumenta la controlabilidad del sistema.
Desventajas:
Por cada lazo de control se requiere un transmisor y un controlador, por lo que su
inversión aumenta.
Si un lazo de control retroalimentado tiene un excelente desempeño lo mas probable
es que un control en cascada no lo mejore.
Modos de control
Los algoritmos de control para la arquitectura en cascada son los mismos que para el
control retroalimentado es decir, P, PI, PD, PID.
Se recomienda para el controlador esclavo utilizar los algoritmos P y PD; y para el
controlador primario PI y PID.

Control en cascada para el control del sistema de combustible
Figura 3.3 Control en cascada para el sistema de combustible.
Para el control del sistema de combustible del motor diesel KM170 se utiliza una
arquitectura de control, control en cascada como se muestra en la Figura 2.11. La cual esta
compuesta por un controlador, dos funciones convertidoras, una en base a la temperatura.,
la otra en base al par y ala velocidad esto para calcular la potencia además de cuatro
elementos de salida, dos válvulas solenoides (V3,V4) y dos motorizadas (V1,V2). El
sistema es manipulado en primera instancia en base a la temperatura ya que al alcanzar la
temperatura de 120°C mandara la señal a las solenoides, Abriendo la solenoide (V4) y
cerrando la (V3). Al mismo instantes se energizaran las válvulas motorizadas (V1,V2), las
cuales serán controladas de acuerdo a la potencia la cual será calculada en un convertidor
de función en base a los valores de lo sensores de par y de velocidad. Así V1 y V2 serán
controladas proporcionalmente.

Tag Descripción
FV Válvula de flujo
NT Trasmisor de par
ST Transmisor de velocidad
TC Controlador de temperatura
TT Transmisor de temperatura
TV Válvula de control de
temperatura
OC Controlador de potencia
UY Función convertidor
Instrumento montado en campo
Tag Descripción
PLC
Válvula solenoide
Válvula motorizada
Señal eléctrica
S.P. Set Point
NC Normalmente cerrada
NA Normalmente abierta
V1
V2
Biodiesel mezcla
Diesel
V3
V4
Diesel mezcla
Mezcla

Figura3.4DiagramadeTuberíaseinstrumentos

3.3 Programación del PLC (SLC 500)
A continuación se muestran los direccionamientos y sus valores utilizados en la
programación del PLC SLC 500.
F8:0 Rango mínimo real del termopar (-195)
F8:1 Rango máximo real del termopar (260)
F8:2 Entrada mínima en bits del termopar (-32767)
F8:3 Entrada máxima en bits del termopar (32768)
F8:4 Rango mínimo real del sensor de par (0)
F8:5 Rango máximo real del sensor de par (100)
F8:6 Entrada mínima en bits del sensor de par(-32767)
F8:7 Entrada máxima en bits del sensor de par (32768)
F8:8 Rango mínimo real del sensor de velocidad (0)
F8:9 Rango máximo real del sensor de velocidad (8000)
F8:10 Entrada mínima en bits del sensor de velocidad (-32767)
F8:11 Entrada máxima en bits del sensor de velocidad (32768)
F8:12 Porciento mínimo de apertura de la válvula modulante diesel (0)
F8:13 Porciento máximo de apertura de la válvula modulante diesel (100)
F8:14 Rango mínimo en bits de la válvula modulante diesel (3276)
F8:15 Rango máximo en bits de la válvula modulante diesel (16384)
F8:16 Porciento mínimo de apertura de la válvula modulante biodiesel (0)
F8:17 Porciento máximo de apertura de la válvula modulante biodiesel (100)
F8:18 Rango mínimo en bits de la válvula modulante biodiesel (3276)
F8:19 Rango máximo en bits de la válvula modulante biodiesel (16384)
F8:20 Salida de escalamiento del termopar (valor sensado)
F8:21 Salida de escalamiento del sensor de par (valor sensado)
F8:22 Salida de escalamiento del sensor de velocidad (valor sensado)
F8:23 Entrada al escalamiento para la válvula Diesel (valor asignado)
F8:24 Entrada al escalamiento para la válvula Biodiesel (valor asignado)
F8:25 Valor comparativo para el sensor de velocidad (100)
F8:26 Valor comparativo para el sensor de temperatura (120)
F8:27 Valor comparativo de la potencia (2.5)
F8:28 Valor de apertura de la válvula Diesel (100)
F8:29 Valor de apertura de la válvula Biodiesel (0)
F8:30 Resultado de la multiplicación de par *velocidad
F8:31 Resultado de ∏/30
F8:32 Valor total de la potencia real

F8:33 Porcentaje de cierre o apertura de las válvulas diesel y biodiesel
B: 0 Valor binario para cambio de subrutina
B:1 Valor binario para apertura de válvulas
B:2 Valor binario para apertura o cierre de válvulas modulantes, diesel y
biodiesel
I:2.0 Entrada al escalamiento del sensor de par
I:2.1 Entrada al escalamiento del sensor de velocidad
I:4.0 Entrada al escalamiento del termopar
O:1.0/0 Energizado de la válvula B3
O:1.0/1 Energizado de la válvula B4
O:3.0 Salida del escalamiento de la válvula modulante Diesel
O:3.1 Salida del escalamiento de la válvula modulante Biodiesel
Tabla 3.1 Direccionamientos utilizados en la programación del PLC SLC500
El programa de control en el PLC SLC500 se divide en tres subrutinas: (Ver Figura 3.5)
Arranque
Temperatura
Potencia
Figura 3.5 Subrutinas

Otra ventana importante es donde se asignaron los valores de los rangos de operación (F8,
flotantes) que se muestra a continuación en la Figura 3.6, para ver la relación de las
variables ver la Tabla 3.1.
Figura 3.6 Rangos declarados en F8
Subrutina “Arranque”
Figura 3.7 Subrutina de Arranque- Escalamiento del termopar

Figura 3.8 Arranque- Escalamiento del sensor de par
Figura 3.9 Arranque- Escalamiento del sensor de velocidad
Figura 3.10 Arranque- Escalamiento de la válvula modulante Diesel

Figura 3.11 Arranque- Escalamiento de la válvula modulante Biodiesel
Figura 3.12 Arranque- Condiciones de inicio del programa y salto de subrutina.

Subrutina “Temperatura”
Figura 3.13 Temperatura- Comparación de temperatura
Figura 3.14 Temperatura- Salto a subrutina de potencia

Subrutina de “Potencia”
Figura 3.15 Potencia- Calculo de potencia
Figura 3.16 Potencia- Comparación de potencia

Figura 3.17 Potencia- Instrucción LES, comparación de un valor bajo de potencia.
Figura 3.18 Potencia- Apertura y cierre de válvulas Diesel V2 y Biodiesel V1.

Comprobación teórica
Basados en la siguiente formula se podrá calcular los valores de salida de la
instrumentación.
y ൌ ቈ
ሺ‫1ݕ‬ െ ‫0ݕ‬ሻ
ሺ‫1ݔ‬ െ ‫0ݔ‬ሻ
቉ ሾ‫ݔ‬ െ ‫0ݔ‬ሿ ൅ ‫݋ݕ‬
Donde:
y=salida.
y0= escala mínima.
y1= escala máxima.
x= entrada.
x0=entrada mínima.
x1=entrada máxima.
A continuación se muestra un ejemplo basado en el sensor de temperatura conectado a una
tarjeta de 16 bits.
y= Valor de la salida.
y0= -32767
y1= 32768.
x= 120 = valor de la entrada
x0= -195
x1=260

Sustituyendo los valores en la ecuación anterior.
y ൌ ቈ
ሺ32768 െ ሺെ32767ሻሻ
ሺ260 െ ሺെ195ሻሻ
቉ ሾ120 െ ሺെ195ሻሿ ൅ ሺെ32767ሻ
y ൌ ൤
65535
ሺ455ሻ
൨ ሾ315ሿ െ ሾ32767ሿ
y ൌ 12603.3846 Valor en bits
El cálculo anterior se realiza para todas las entradas de los sensores.
Tomando en cuenta que la temperatura es mayor o igual a 120°C se mide la potencia con la
siguiente formula
Para el calculo de la potencia se utiliza la formula (12) del capitulo II.
ܲ‫݋‬ ൌ valor del par ൬
valor de lavelocidad X π
30
൰
Ya que se calculo la potencia se realizara el escalamiento para las válvulas motorizadas
conectadas a una tarjeta de 14 bits. Calculo para la salida
y=4586.8
y0= 0
y1= 100
x = valor de la salida
x0= 3276

x1= 16384
Sustituyendo los valores en la ecuación anterior.
‫ݔ‬ ൌ ቌ
‫ݕ‬ െ ‫0ݕ‬
‫1ݕ‬ െ ‫0ݕ‬
‫1ݔ‬ െ ‫0ݔ‬
ቍ ൅ ‫0ݔ‬
‫ݔ‬ ൌ ቌ
4586.8 െ 0
100 െ 0
16384 െ 3276
ቍ ൅ 3276
‫ݔ‬ ൌ ൬
4586.80
0.7628
൰ 3276
‫ݔ‬ ൌ 6045.13

3.4 Interfaz Hombre – Máquina (HMI) INTOUCH
Para la realización del control de combustible se sugiere INTOUCH como interfaz hombre-
máquina, el cual se describe a continuación. El software para la visualización y control de
procesos HMI Intouch® de Wonderware, ganador de premios y famoso mundialmente
destaca por la facilidad de uso y gráficos fáciles de configurar que lo hacen único. Los
poderosos wizards y los nuevos SmartSymbols de Wonderware® permiten a los usuarios
crear e instalar de manera rápida aplicaciones personalizadas que se conectan y entregan
información en tiempo real.
Las aplicaciones de In Touch son suficientemente flexibles para cumplir necesidades
inmediatas y poder escalarlas para satisfacer requerimientos futuros, mientras conserva el
valor de la inversión y los esfuerzos de la ingeniería. Esas aplicaciones de InTouch
versátiles pueden usarse desde dispositivos móviles, computadoras remotas e incluso a
través de Internet. Además, la HMI In Touch extensible y abierta ofrece incomparable
conectividad con la más amplia gama de equipos y dispositivos de automatización en la
industria.
Las aplicaciones de InTouch pueden visualizarse desde múltiples dispositivos sin cambios
adicionales en la configuración. Una aplicación puede ser vista desde:
• Múltiples pantallas
• Internet
• En dispositivos móviles como PDAs y Tablet PCs.
El software InTouch reduce el costo del proyecto permitiendo la visualización de la misma
aplicación a través de múltiples dispositivos. En esencia, la HMI InTouch proporciona la
información necesaria para los usuarios en el dispositivo de su preferencia.

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