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INTRODUCCIÓN
El sistema riel común CRDI ajusta con precisión la cantidad de combustible para el motor de combustión interna, generando presiones de inyección desde 400 bar hasta 1800 bar de acuerdo a la condición de aceleración y carga 1, reduce del consumo de combustible y la emisión de gases al medio ambiente 2. Por el efecto contaminante que producen los combustibles fósiles; se investiga sobre el uso de alternativos y ecológicos 3.
4 Los combustibles alternos producidos a partir de materias de base renovables, permiten no solo dejar que se dependa del petróleo para obtener combustibles, sino también una alternativa amigable con el medio ambiente.
La emulsión de combustible permite la mezcla de agua u otra sustancia inmiscible generalmente en aceite de manera que sea lo más homogénea posible; mediante el uso de tenso activos, se evita la separación de fases. La aplicación de las emulsiones de combustible reduce la temperatura de combustión, las emisiones contaminantes y aumentan el rendimiento térmico debido a micro explosiones generadas por las partículas de agua 5. Los valores de BHL (Balance Hidrofílico Lipofílico) de los surfactantes permiten clasificarlos de acuerdo a su mayor o menor solubilidad, sea en aceite o en agua 6.
En funcionamiento los componentes del sistema CRDI al entrar en constante contacto, generan desgastes en las superficies de sus elementos. Según 7 el proceso de desgaste, produce una pérdida de material bajo la acción de una fuerza, este desgaste conlleva a una disminución de tolerancia de las medidas de fabricación.
Investigaciones previas (8, 9) detallan que los diferentes tipos de desgaste dependen de las condiciones de trabajo a las que el elemento está sometido. El desgaste mediante proyecciones microscópicas de la unión hace que las fuerzas de deslizamiento fracturen la unión, desgarrando al material de una superficie (9.
El desgaste por corrosión 10 se produce por las reacciones químicas a las que está sometida la leva anular al trabajar con el diésel - surfactante agua. La superficie de la leva anular tiene un acabo superficial de gran calidad debido a las condiciones en las que trabaja, con una composición química y ordenamiento atómico especial 11. La rugosidad analizada establece la condición de su superficie, durabilidad y el efecto que se genera al trabajar con distintos tipos de combustibles 8.
La problemática de realizar el análisis de rugosidad de piezas mecánicas, es la detección visual de las deformaciones producidas en las superficies. La investigación es de tipo empírico, ya que se somete a los componentes del sistema CRDI a pruebas de funcionamiento con la mezcla ecológica durante 200 horas a 3000 rpm. Se realiza el procesamiento digital de imágenes, en 12 propone el método de supresión de franjas basado en la transformación de Fourier y la utilización de filtros para la detección imágenes topográficas. En 13 presenta el algoritmo para identificar espectros de la imagen digital, en 14,15 está la guía para evaluar, analizar y comparar la eficiencia de las diferentes Transformadas Discretas Fraccionarias de Fourier en el tratamiento de imágenes, en este contexto a través de la interfaz gráfica en Matlab analiza y compara las imágenes de la leva anular de la bomba de alta presión en términos de la rugosidad o desgaste superficial, como base de la investigación. Se considera las fotografías tomadas a las 0, 50, 100, 150 y 200 horas de funcionamiento del motor de combustión, analizando el dominio de frecuencia utilizando técnicas del análisis de Fourier 16, identificando dominios de frecuencia críticos en los cuales se aplica el método de imagen multi espectral (17.
Se aplica la técnica de representación matricial a imágenes digitales, por lo tanto, el desarrollo de la aplicación consiste en binarizar los patrones de alta y baja frecuencia 18 aplicando el siguiente procedimiento:
• Adquisición de la imagen.
• Aplicar la transformada de Fourier a la imagen para interpretar la señal discreta bidimensional como una suma finita de ondas sinodales.
• Implementar filtros para identificar patrones de variación en la imagen.
• Aplicar la transformada inversa de Fourier para la reconstrucción de la imagen digital procesada.
• Aplicar técnicas estadísticas al procesamiento de imágenes con el objetivo de encontrar diferencias entre la verificación visual y el análisis digital, en este punto se implementó la técnica del análisis de las piezas mecánicas en función de su peso con el objetivo de correlacionar los resultados encontrados.
Para la validación de resultados se emplean técnicas estadísticas para cada caso mencionado.
MATERIALES Y MÉTODOS
Mezcla combustible
La mezcla combustible ecológica elaborada (19), contiene diésel Premium, agua destilada y tenso activos que estabilizan las dos sustancias a una concentración del 20%. La Tabla 1 presenta los valores de BHL de los tenso activos, la mezcla de los emulsionantes en las cantidades indicadas permiten obtener una mezcla con un BHL4 (Balance Hidrofílico Lipofílico) que permite la combinación entre agua y aceite.
Se combina las cantidades de las sustancias para elaborar un kilogramo de mezcla 20, combinando tenso activos por separado. La Tabla 2 detalla las cantidades necesarias de cada componente.
Para preparar la mezcla combustible, se requiere el equipo de agitación Figura 1, para la correcta homogeneización a 600 rpm 20.
En la Figura 2 se presenta el agitador magnético BOECO que agita la mezcla para evitar la separación posterior.
Banco de pruebas CRDI
En la Figura 3 está el banco de pruebas de inyección diésel CRDI, en el cual se instala la bomba de alta presión HP3 21, así como el módulo activador de inyectores.
La Tabla 3 presenta los parámetros ajustados para las pruebas en el banco.
Módulo activador
Para la activación del inyector CRDI, se utiliza el módulo de la Figura 4, dispone de la etapa de control y de potencia para ajustar el tiempo de activación y retención; eleva el voltaje a 90 voltios y proporciona hasta 20 amperios de corriente 1, conmutando los valores necesarios para la investigación.
En la Figura 5 está la bomba de alta presión DENSO HP3, se instala en el banco de pruebas CRDI, es accionada por un motor eléctrico trifásico de 200 Voltios, con una frecuencia ajustable de 0 a 60 Hz 21.
Medición de la superficie de la leva anular
En la Figura 6 se presenta el procedimiento para la medición de la rugosidad de la leva anular, que asegure la calidad de datos obtenidos con el rugosímetro.
En la Figura 7 la balanza analítica ADAM, con una apreciación de 0,0001 gramos, verifica la pérdida de masa que sufre la leva al trabajar con la mezcla combustible durante cada intervalo pruebas.
En la Figura 8 el rugosímetro digital CMSRT210, establece la medida de rugosidad del desgaste en la superficie de la leva anular, según 24 el valor a inspeccionar se encuentra de 0,1 a 2 μm, por lo que se configura el rugosímetro mediante la Tabla 4 un cut off de 0,8 mm y una longitud de medición de 4 mm, de acuerdo a la norma DIN 4768.
Los parámetros analizados son el Ra y Rq, el procedimiento consiste en realizar la inspección de la superficie de la leva anular con el sensor del rugosímetro, el cual una vez calibrado, genera la lectura de los valores reales de Ra de la superficie.
• Parámetro de rugosidad Ra
(1)
Donde:
• L longitud de muestreo
• x representa la línea media entre los picos y valles de la superficie muestreada, con el eje y en la dirección de la amplificación longitudinal de dicha curva de muestreo la misma que es expresada por y = f(x).
En 25, la ecuación (1) es implementada en la programación en Matlab de forma discretizada para analizar las ordenadas del perfil de la fotografía.
• Parámetro de rugosidad Rq
(2)
Donde Rq es el cuadrado la distancia comprendida entre la línea de muestreo y la línea central que representa la deflexión del promedio de la raíz cuadrada obtenida al dividir por la longitud del avance transversal el área.
En la Figura 9 mediante la cámara de alta resolución es posible inspeccionar el cambio de la huella de contacto de la leva anular en las dos caras al finalizar cada período de prueba.
Análisis digital de imágenes
El análisis de la superficie de la leva anular de la bomba HP3 está en función de determinar factores de fricción, niveles de desgaste, resistencia, fatiga y lubricación de la pieza metálica con el propósito de establecer la eficiencia del combustible y el desempeño en el funcionamiento del motor diésel 26.
Para el análisis de las imágenes digitales 27, la interfaz gráfica en Matlab incorpora los algoritmos de registros de píxeles y subpíxeles de una secuencia de imágenes de baja resolución de la superficie mecánica para proceder a la binarización 28, luego las imágenes son filtradas aplicando un algoritmo de recuperación de fase para mejorar la identificación de resoluciones en función de los perfiles de relieve de la imagen 29, aplicando el teorema de convolución y la transformada inversa de Fourier se reconstruye la imagen resultante que muestra posibles zonas de mayor desgaste de la pieza mecánica 30. Los principios matemáticos considerados en 31 son:
Transformada continua unidimensional de Fourier está dado por:
(3)
Donde:
F(u) es la función en el dominio de la frecuencia.
La transformada inversa unidimensional de Fourier está dada por:
(4)
La amplitud o espectro de la onda está dado por:
(5)
Donde:
• R 2 (u) es la parte real de la transformada de Fourier,
• I 2 (u) es la parte imaginaria de la transformada de Fourier.
Se considera el espectro de energía de la señal /
(x)
dada por 
La fase de la onda está dado por
(6)
El análisis del perfil de ondulación de la imagen está dado al implementar las ecuaciones desde la (3) hasta la (6) siendo estas ondas de aproximación al perfil unidimensional.
Para el tratamiento de la imagen es necesario extender la transformada de Fourier a su forma bidimensional, la misma que está dado por:
(7)
Donde:
u yv, representan las variables de frecuencia.
La transformada inversa bidimensional está dado por:
(8)
Con la finalidad de analizar la discretización de la imagen digital se recurre a la transformada discreta de Fourier dada por:
(9)
Donde:
• M es el número de columnas (píxeles en la dirección x), y
• N es el número de filas (píxeles en la dirección y).
La transformación inversa viene dada por la expresión:
(10)
Con el algoritmo de la transformada discreta inversa de Fourier se consigue el componente de fase relevante en cuanto a la estructura espacial de la imagen 32; además, contiene información sobre la posición relativa de las características o perfiles, siendo las zonas visibles con intensidad más elevada en la imagen 29 y para compensar la visualización del espectro se aplica la función.
(11)
Donde:
c es la constante de escalado.
Con la implementación de la función logarítmica se intenta realizar una compresión del rango dinámico, para facilitar la visualización e interpretación del espectro de Fourier.
En la ecuaciones desde la (7) hasta la (11) se implementan filtros con la intención de que el perfil de rugosidad este superpuesto al perfil de ondulación, en la Figura 10, se presenta la interfaz gráfica de la foto tomada a las 50 horas de funcionamiento, a la que se le denomina imagen original y el perfil mediante el análisis de Fourier se denomina imagen filtrada, de la cual se extrae los datos para su posterior análisis estadísticos y toma de decisiones.
En la Figura 11, está el análisis del espectro de potencia para las frecuencias verticales y horizontales de la representación matricial de la imagen utilizando la escala logarítmica dada en la ecuación (11).
La Figura 12, corresponde al histograma de la imagen filtrada que representa la cantidad de pixeles con la misma intensidad en el eje vertical en función de la intensidad de 0 hasta 250 pixeles en el eje horizontal, los picos se interpreta como la abundancia de pixeles de una cierta intensidad dada por los anillos de Kapton 33.
RESULTADOS
Considerando 34 se detalla la estimación de los kilómetros recorridos por el vehículo en referencia a las horas de funcionamiento, generando las siguientes consideraciones:
• Régimen motor: 2500 rpm
• Relación caja: 4ta (1:1)
• Relación diferencial: 6,14
• Rin neumático: 17,5 in.
En la Figura 13 se representa el desgaste de la leva anular de la bomba, en donde se verifica la reducción de 0,121 g entre el valor máximo y mínimo que representa el 0,075% del peso inicial. El desgaste presentado es regular sin variaciones significativas. El punto de mayor desgaste se produjo entre 0 y 50 horas.
Análisis de peso
La Tabla 5 presenta los valores obtenidos del peso de la leva anular en la balanza analítica de precisión al finalizar cada período de pruebas, con la estimación de recorrido en kilómetros.
Inspección visual
El análisis visual de la leva anular, con la cámara profesional de alta resolución, permite revisar el estado del elemento, verificando el cambio de la huella de contacto en ambas caras, en 50, 100, 150 y 200 horas de trabajo con la mezcla diésel -surfactante - agua, a una distancia y luz propuesta exacta en cada caso.
La Tabla 6, presenta el desgaste de la leva anular cara frontal de la bomba de alta presión, en cada período de prueba, la huella de contacto varía lo que indica una falta de lubricidad en la misma.
La Tabla 7 muestra el desgaste de la leva anular en la cara posterior de la bomba de alta presión en cada intervalo de funcionamiento, en donde se corrobora que la huella de contacto varía en cada período de funcionamiento lo que indica una falta de lubricidad en la misma, al igual que en la cara frontal.
Análisis de rugosidad
35 Para el análisis de rugosidad se considera el modelo matemático de análisis de regresión para proyectar el desgaste a futuro.
El análisis determinó las variaciones de rugosidad de la leva anular en ciclos de 50, 100, 150 y 200 horas de funcionamiento con la mezcla diésel-surfactantes - agua al 20%.
Cara frontal
La Tabla 8 presenta los valores obtenidos con el rugosímetro al realizar el análisis a la leva anular en su cara frontal al finalizar cada protocolo de prueba.
En la Figura 14 se observa que la rugosidad aumenta conforme se suman las horas de funcionamiento, se obtiene una variación de 0,161 μm entre el valor mínimo y máximo, aumentando su rugosidad en 22,33% con un máximo de 0,882 μm. Con el punto más crítico entre 50 y 100 horas.
Cara posterior
En la Tabla 9 están los valores obtenidos con el rugosímetro al realizar el análisis a la leva anular en su cara posterior al finalizar cada protocolo de pruebas.
En la Figura 15 se representa el cambio de rugosidad que sufrió la superficie de contacto de la leva anular cara posterior, se observa que la medida de rugosidad aumentó conforme el paso de las horas de funcionamiento, se obtuvo una variación de 0,226 μm entre el valor mínimo y máximo, con un creciente de su rugosidad en 40,35% con un máximo de 0,786z μm. Con el punto más crítico entre 50 y 100 horas.
De la Tabla 8 los valores de rugosidad medidos de la leva anular en su cara frontal al finalizar las 200 horas, indican que el grado de rugosidad de su superficie es N6 24, lo que indica que la huella de mecanización no es apreciable a simple vista.
En la cara posterior a diferencia de las medidas obtenidas de rugosidad en la cara frontal se observa que a las 0 y 50 horas de trabajo las medidas de Ra de 0,5 μm que equivale a un grado de rugosidad de N5 lo cual indica que las marcas de mecanizado no se aprecian ni con el tacto ni con la vista pero si con lupa.
De acuerdo a la norma DIN 4768 24, el obtener un grado de rugosidad N5 en el parámetro Ra implica que no sea perceptible para la visión humana, pero la deformación superficial en la leva anular, provoca la pérdida de la tolerancia que existe entre la leva anular y los émbolos buzos, lo que se traduce en un menor desplazamiento del mismo y a su vez una disminución de la presión generada, provocando problemas en el rendimiento del motor, por lo que se justifica aplicar el análisis de Fourier para en análisis mediante el procesamiento de imágenes de las fotos digitales de la leva anular de la bomba HP3 DENSO tomadas a las 50 horas.
En la Figura 16, se presenta el resultado del comportamiento del perfil de la imagen de la cara frontal analizada a las 50 horas, el nivel de rugosidad de acuerdo a los algoritmos implementados en el análisis de Fourier es de 1,1 μm aproximadamente, generando una diferencia con el valor de 0,779 μm dado por el rugosímetro, este valor marca una diferencia de 0,321 e indica que la lectura del rugosímetro es correcta y que no existió la presencia de factores externos que afecten la medición del nivel de rugosidad.
La prueba de hipótesis realizada en el software SPSS, verifica la incidencia del desgaste superficial de la leva en función del tipo de combustible que se utiliza, en la Tabla 10 se observa que existe una diferencia entre las medias de los perfiles de rugosidad a las 50 horas entre la utilización del diésel y la mezcla ecológica combustible.
Para validar si la diferencia de medias es significativa, se aplica la prueba de hipótesis para muestras independientes y sus resultados se presentan en la Tabla 11 donde la prueba de Levence da un p-valor (Sig.) de 0,000 lo que indica que las varianzas no son iguales entre los dos grupos de análisis, luego el Sig. (bilateral) tiene un valor de 0,000 lo que se interpreta como la presencia significativa entre la media de rugosidad al utilizar el diésel y el diésel-surfactante, la misma se presenta en la Figura 17.
En la Figura 17 están los niveles de rugosidad producidas al utilizar el combustible ecológico diésel surfactante y el diésel como combustible entregan valores diferentes, al determinar un intervalo de confianza al 95% para el parámetro Ra.
19 Como complemento y factor innovador de aporte investigativo, a la aplicación de la transformada de Fourier se incorpora la técnica de medición e investigación sobre los resultados de desempeño del motor a diésel en el dinamómetro al utilizar este combustible alternativo (biocombustible).
36 Con el uso de combustibles emulsionados alternativos se eleva el rendimiento térmico y que en proporciones del 20% mejoran el desempeño mecánico (torque y potencia), reducen las emisiones y el poder calorífico en proporción al agua añadida.
37 El combustible emulsionado que utiliza agua -surfactante en la microemulsión de combustible, en un motor diésel de inyección directa, las emisiones de NOx decrecen con el incremento de agua en la formulación y reducen la opacidad de los gases de combustión.
La adición de agua en forma emulsión en el combustible tiene efectos positivos en la eficiencia de la combustión. Generan la elevación en el torque Figura 18 con el motor a velocidad constante de 1500 rpm en comparación a los resultados del diésel sin aditivo, porque se producen micro explosiones por la diferencia de volatilidad del agua. El agua se evapora en la cámara de combustión elevando las presiones del vapor contribuyendo a generar mayor torque efectivo del motor.
La potencia Figura 19, presenta mejores características a velocidad constante.
El consumo específico de combustible aumenta para todas las emulsiones debido a la viscosidad que afecta en el patrón de pulverización de combustibley por la mayor densidad de la emulsión diésel.
El consumo específico de combustible Figura 20, es mayor en comparación al diésel a pesar de que las emulsiones por el incremento de potencia generada por el motor de combustión interna.
La emulsión de combustible disminuye el NOx, Figura 21 generadas por el motor en todos los rangos de potencia realizados en la prueba, siendo la emulsión con el 20% de agua la que presenta mejores resultados.
CONCLUSIONES
En el análisis de rugosidad de la leva anular en su cara frontal, tiene una variación de 0,161 μm, aumentando su rugosidad en 22,33%.
En la cara posterior finaliza las pruebas, con un valor de 0,226 μm, aumentando su rugosidad en 40.35%.
La masa de la leva anular se reduce en 0,121 g al finalizar el período de pruebas, valor que representa el 0,075% del peso inicial, lo que indica una falta de lubricidad en la misma.
La mezcla combustible a una concentración del 20% genera beneficios en la reducción de gases contaminantes como óxidos nitrosos y monóxido de carbono, sin embargo la presencia de agua y químicos generan desgaste prematuros en los componentes de la bomba de alta presión HP3 por la falta de lubricidad.
La interfaz gráfica en Matlab genera inconvenientes en el análisis de las propiedades geométricas de la imagen en términos de sus frecuencias, en especial al intentar definir una línea de referencia que sea validada como el parámetro Ra, se utilizó filtros para excluir la ondulación y definir la rugosidad.
Según la norma DIN 4768, basados en la rugosidad de la leva anular se obtuvo un valor de 0,786 μm en la cara posterior con grado N5 y un valor de 0.882 μm en la cara frontal que pertenece al grado N6.
El análisis de rugosidad y de desgaste determina que el tiempo de vida útil de los componentes mecánicos que se encuentran en contacto con el combustible disminuye no así las propiedades de desempeño mecánico.
Las emulsiones de combustible al 20%, disminuyen las emisiones de NOx al 50% en comparación con el diésel lo que permite un equilibrio en la combustión.
El torque máximo alcanzado es para la emulsión con el 20% de agua - tensoactivos, en un similar del 20% que proporciona el diésel.
La potencia máxima que se alcanza en esta prueba es para la emulsión al 20% de agua supera en un 18,5% al generado por el combustible diésel.
El consumo específico de combustible es mayor al usar emulsiones de agua y diésel siendo el más alto para la emulsión con el 15% de emulsión correspondiente a 261 g/kw-h superando por 55 g/ kW-h al del diésel neto.
El procesamiento de imágenes y análisis desarrollado en este análisis es aplicable a componentes mecánicos que se someten a fricción y a cambios de rugosidad.
