MOTOR DIESEL LENTO

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es un sistema y un procedimiento que permiten diagnosticar el estado de diferentes componentes y parámetros de operación de un motor diesel lento. ESTADO DE LA TÉCNICA

Actualmente son conocidas aplicaciones para la detección de algunos tipos de fallos en motores alternativos, en particular en motores diesel lentos, así como para los grupos de sobrealimentación. Los trabajos publicados se podrían clasificar en las siguientes categorías:

Identificación de fallos mecánicos en segmentos, válvulas o inyectores a través del análisis de la señal de vibración. Se presenta habitualmente mediante el análisis de la aceleración y/o de la señal de emisión acústica.

Identificación de fallos mecánicos en cojinetes mediante la temperatura. - Estimación de la presión en cámara y/o de anomalías de combustión basándose en la medida de la velocidad instantánea del motor y/o de vibraciones.

Identificación de fallos mecánicos en los grupos de sobrealimentación a través del análisis de la señal de vibración. Se presenta habitualmente mediante el análisis de la aceleración y/o de la señal de emisión acústica y coincide con la metodología utilizada. Identificación de anomalías en el alternador a partir de medidas de vibraciones y/o de parámetros eléctricos (tensiones, intensidades, potencias, armónicos, ... ). DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

En el presente documento, el término "motor diesel lento" pretende hacer referencia a motores diesel de gran tamaño utilizados sobre todo para generación eléctrica o para propulsión marina, y más concretamente a motores del tipo denominado de cruceta. La invención permite diagnosticar el estado de varios componentes mecánicos de un motor diesel lento, de un alternador conectado a él en caso de que lo hubiera, así como el estado de algunos parámetros de operación característicos de su funcionamiento. Un primer aspecto de la invención está dirigido a un sistema para diagnosticar el estado de un motor diesel lento de acuerdo con las reivindicaciones 1 -4.

Un segundo aspecto describe un procedimiento para diagnosticar el estado de un motor diesel lento según las reivindicaciones 5-12.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La Fig. 1 muestra un esquema del sistema de la presente invención.

Las Figs. 2a y 2b muestran sendos esquemas ilustrativos del método para calcular la presión en cámara de los cilindros.

Las Figs. 3a, 3b y 3c muestran gráficamente la herramienta de diagnóstico basada en el estado inicial de los elementos mecánicos. Las Figs. 4a y 4b muestran gráficamente la herramienta de diagnóstico basada en la evolución comparada del estado de elementos mecánicos funcionalmente idénticos. Las Figs. 5a y 5b muestran el procesado de la señal para la identificación del ángulo de cierre de la válvula de escape.

La Fig. 6 muestra gráficamente la herramienta para diagnosticar el estado del alternador a partir del par instantáneo.

La Fig. 7 muestra del gráficamente la herramienta para obtener el rendimiento instantáneo del alternador

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE

Se describe a continuación una realización preferente de la invención haciendo referencia a las figuras adjuntas. En concreto, la Fig. 1 muestra un motor diesel lento (1 ) conectado a un alternador (2) a través de un eje motor que tiene un volante de inercia (3). En este montaje se ha instalado una pluralidad de sensores (4) que permiten obtener los datos necesarios para llevar a cabo el diagnóstico del estado del motor (1 ). Los sensores (4) empleados en el presente ejemplo se describen brevemente en la siguiente tabla:

Tipo de

Magnitud

Sensor tipo Cantidad Ubicación señal medida

recogida

Acelerómetro Culatas

Uno por cilindro Aceleración Vibración (4a) motor

Uno por cilindro

Acelerómetro Cojinetes

+ Aceleración Vibración (4b) cigüeñal

2 Acelerómetro Paredes

3 Aceleración Vibración (4c) bloque

Acelerómetro Uno por grupo

Aceleración Turbo Vibración (4d) de sobreal.

Dos pulsos

Uno por grupo Pulsos

Encoder (4e) Turbo por vuelta de sobreal. magnéticos

turbo

Junto Un pulso

Pulso

Trigger (4f) 1 volante por vuelta magnético

inercia motor ^{(1 )}

Volante de

Pulsos

Encoder (4g) 1 inercia Pulsos ⁽²⁾ magnético

motor

Galga

Eje motor- Deformado extensiométrica 8 Par

alternador ⁽³⁾ _n (4) (4h)

La Fig. 1 muestra además un medio de adquisición de datos (5) que recibe los datos de los sensores (4) y los envía a un medio de procesamiento (6). El medio de procesamiento (6) lleva a cabo los cálculos necesarios para diagnosticar el estado del motor (1 ) y envía la información obtenida, así como posibles alarmas, a los usuarios. El envío se puede realizar de cualquier modo conocido, aunque en este ejemplo se emplea internet para la comunicación con un terminal de usuario (7) o bien con un centro de envío de mensajes (8).

Con relación al procedimiento de diagnóstico, en este ejemplo se puede llevar a cabo el diagnóstico de una serie de parámetros de operación del motor, así como el de algunos elementos mecánicos. A continuación se descnbe el procedimiento con mayor detalle: Presión en cámara de los cilindros

La transformación de la energía química del combustible en energía mecánica produce una fuerte elevación de la presión en el interior de los cilindros del motor (1 ). El conocimiento de la curva presión cámara-ángulo de giro del cigüeñal es de gran relevancia para la identificación de anomalías de combustión que pueden afectar, por una parte, al rendimiento y las emisiones contaminantes del motor (1 ), y por otra, a la integridad mecánica del mismo. Para obtener la curva 'presión de cámara-ángulo de giro del cigüeñal', es necesario en primer lugar obtener la ley funcional de pérdidas mecánicas, como se indica en la Fig. 2a. Las pérdidas mecánicas suponen una fracción relevante del par indicado desarrollado por el motor (1 ) y deben ser evaluadas con anterioridad a la puesta en servicio del sistema de diagnosis. Para ello, se mide simultáneamente la presión en cámara en todos los cilindros del motor (1 ), el par generado y la velocidad instantánea en el eje motor alternador para varios grados de carga. A continuación, se calcula la ley funcional de pérdidas mecánicas en función de estos datos. Por último, se opera con la ley funcional de pérdidas mecánicas para obtener una función de transferencia inversa que permite obtener, en función del par y de la velocidad instantánea del eje motor alternador, una estimación de la presión en cámara de cada cilindro, como se muestra en la Fig. 2b. Estado de válvulas, inyectores, aros y cojinetes

Según otra realización preferente, el procedimiento de la invención también permite diagnosticar el estado de diferentes elementos mecánicos del motor, en particular las válvulas, los inyectores, los aros y los cojinetes de cada cilindro. Para ello, se obtienen las señales de aceleración de cada cilindro obtenidas por los sensores de aceleración (4a, 4b y 4c) ubicados respectivamente en las culatas, en los cojinetes del cigüeñal y en las paredes del bloque. Se entiende que la frecuencia de muestreo se elegirá de forma que sea adecuada a las características de los fenómenos mecánicos que se producen en los cilindros. A continuación, se filtra temporalmente cada señal para extraer la ventana angular que contiene información relativa a cada uno de los elementos mecánicos mencionados. De la señal del acelerómetro de culata sólo se extrae información de ese cilindro, dividiendo en ventanas angulares la aceleración del ciclo completo y asociando cada una de las ventanas a válvula/aros/inyector. Por otro lado, a la señal de los acelerómetros de cojinetes se aplica una ventana angular de la que se extrae información sólo del estado de los cojinetes. La ubicación de estas ventanas angulares se determina experimentalmente en trabajos de campo previos, normalmente comparando mediciones correspondientes a un estado del motor (1 ) sin fallos y mediciones correspondientes a defectos en un elemento mecánico concreto conocido. Las ventanas temporales son robustas, esto es, no se ven afectadas por las horas de servicio del motor, aunque sí hay que obtenerlas en estudio previo a la implementación del sistema. Por último, a partir de la señal ventaneada y filtrada se calculan unos primeros indicadores que sirven para estimar el estado actual de dichos elementos mecánicos (las válvulas, los inyectores, los aros y los cojinetes de cada cilindro). Hay indicadores en el dominio del tiempo y de la frecuencia, pero la mayoría son en el dominio de la frecuencia. En particular, la generación de indicadores sigue el siguiente proceso que se aplica a cada elemento de cada cilindro (cojinete/válvula/aros/inyector): a) En el dominio de la frecuencia La señal de la ventana temporal del elemento se divide en cinco bandas de frecuencia que son: 0-5 kHz / 5-15 kHz / 15-30 kHz / 30-50 kHz/ 0-50 kHz A continuación, para cada banda de frecuencia se definen diferentes indicadores que son: valor medio / valor cuadrático / valor eficez / valor pico / kurtosis / valor impulsivo / factor forma. b) En el dominio del tiempo

Se asocia un factor de amortiguamiento a la señal de envolvente de cierre de válvula. Normalmente, se emplean valores umbral indicativos de la necesidad de reponer o reparar el elemento mecánico en cuestión. Estos proceden del análisis de la dispersión de los indicadores.

Estado de los grupos de sobrealimentación

Preferentemente, el procedimiento de la invención proporciona además información acerca del estado de los grupos de sobrealimentación del motor (1 ). Para ello, se parte de señales indicativas de la aceleración en la carcasa del turbocompresor y de la velocidad del rotor del turbocompresor obtenidas mediante el acelerómetro (4d) y el encoder (4e) fijados al turbocompresor.

A continuación, la señal temporal de aceleraciones es tratada y transformada al dominio de la frecuencia. Por último, la señal de aceleración en el dominio de la frecuencia es combinada con la velocidad de giro del rotor del turbocompresor para sintetizar unos segundos indicadores que permiten extraer la información más representativa para el diagnóstico del estado del grupo de sobrealimentación. Concretamente, se definen 21 segundos indicadores obtenidos en el dominio de la frecuencia, siendo cada uno de ellos la energía de la señal de aceleración en diferentes anchos de banda dividida por la velocidad de giro del turbo. Las frecuencias de cada indicador son: - Indicador 1 : 0-1 KHz

- Indicador 2: 1 -50 kHz

- Indicadores 3-12: Banda de frecuencia de ancho porcentual constante centrada en los armónicos 1 , 2, 3, 10

- Indicadores 13-15: Banda de frecuencia de ancho porcentual constante centrada en los armónicos 20, 30 y 40

- Indicador 16: Banda de frecuencia de ancho porcentual constante centrada en el armónico 45 (represente el número de álabes de la turbina)

- Indicadores 17-21 : Banda de frecuencia de ancho porcentual constante centrada en los armónicos 50, 60, 70, 80 y 90

Adicionalmente, es posible obtener otros parámetros relacionados con los turbocompresores. Para ello, se definen tres leyes funcionales, a saber:

^* potencia motor - RPM/Tadmision turbo (suministra información relacionada con el caudal del turbo)

^* potencia motor - [RPM2/ Tadmision turbo](Y-1 )/y (suministra información relacionada con la relación de compresión del turbo)

^* potencia motor - [RPM/Tadmision turbo] [RPM2/ Tadmision turbo](y-1 )/γ (suministra información relacionada con la potencia mecánica desarrollada por el turbo) Potencia mecánica instantánea

Según otra realización particular de la invención, el procedimiento también puede determinar la potencia mecánica instantánea desarrollada por el motor. En este caso, se obtiene el par motor mediante las galgas extensiométricas (4h) dispuesta sobre el eje motor alternador. Una galga mide deformación y a través de relaciones de resistencia de materiales se transforma en par en el plano de medida. Se utilizan 8 galgas con una distribución concreta para evitar errores frecuentes procedentes de la contaminación de la señal de par con flexión/axil. Para que la medida de par sea correcta, debe haber al menos 8 galgas dispuestas en grupos de dos (se pueden utilizar menos galgas y/o con otra disposición pero aumenta el error). Cada grupo de dos galgas se sitúa a 90° del siguiente, estando las ocho situadas en la superficie del eje y en el mismo plano transversal.

A continuación, se obtiene la velocidad angular instantánea del eje motor alternador por medio del encoder 4g.

Por último, se determina la potencia instantánea desarrollada por el motor multiplicando el par por la velocidad obtenidos.

Estado de elementos mecánicos

Adicionalmente, el procedimiento de la invención comprende dos herramientas complementarias de caracterización e identificación del estado de elementos mecánicos del motor (1 ) como las válvulas, los inyectores, los aros, los cojinetes y los turbocompresores a) Herramienta basada en el estado inicial de los elementos mecánicos

Según una primera realización preferente, los parámetros caracterizadores de cada elemento mecánico (válvula de escape/inyector/aros/cojinetes/turbos) se combinan con la medida de potencia instantánea indicada calculada según el método del apartado anterior para definir la evolución con las horas en servicio y la carga de cada elemento en análisis. Como son un número elevado, para el seguimiento del estado de cada elemento se aplica una transformación que pasa de N dimensiones (el número de indicadores de cada elemento mecánico) a dos, denominadas Z1 y Z2. Estas dos dimensiones integran la información más relevante de la totalidad de los N indicadores. El proceso de transformación se basa en una operación matemática denominada Karhunen-Loeve.

Para cada elemento mecánico en estudio y para cada nivel de potencia medido, se determina una banda de operación admisible. La banda de operación admisible se obtiene a partir de los datos del motor en servicio durante un período continuado, por ejemplo de un mes. A partir de este dato, se definen unos límites situados a una cierta distancia del valor actual y que sirven como síntoma de una anomalía que requiere revisión. Esto se ¡lustra en las Figs. 3a, 3b y 3c.

Esta herramienta permite conocer la evolución temporal de cada elemento del sistema de forma que permita la detección rápida de cualquier desviación de la respuesta de cada elemento con las horas de servicio. b) Herramienta basada en la evolución comparada del estado de elementos mecánicos funcionalmente idénticos.

Según otra realización particular, esta herramienta está basada en la suposición de que la respuesta en vibración debe ser similar para cada grupo de elementos equivalentes del motor (1 ), ya que todos ellos comparten las mismas características estructurales (asociadas a las frecuencias propias de vibración) y de operación (asociadas a los mecanismos/sistemas que los activan). Por ejemplo, en principio todos los cilindros deberían deteriorarse al mismo ritmo. En caso contrario, si uno de dichos elementos mecánicos se deteriora a mucha mayor velocidad que los demás, se puede determinar que ese elemento en concreto puede tener algún fallo, y por tanto es conveniente que el operador de la planta lo inspeccione.

Por tanto, partiendo de las señales obtenidas por los acelerómetros (4a, 4b, 4c, 4d) asociados a cada uno de dichos elementos mecánicos, se calcula un parámetro caracterizador del estado de dichos elementos según Karhunen- Loeve, como se ha descrito arriba. A continuación, se determina si el estado del elemento mecánico en cuestión es homogéneo con el resto de elementos mecánicos similares o si, por el contrario es potencialmente anómalo. En ese caso, se avisa al operador de la planta.

Esta herramienta, representada esquemáticamente en las Figs. 4a, 4b y 4c, permite identificar la posición relativa de cada elemento dentro del grupo de n elementos idénticos y, con independencia de las horas de servicio, anticiparse a una anomalía.

Ángulo de inicio de la invección, duración de la invección y ángulo de cierre de la válvula de escape

Otra realización preferida del procedimiento de la invención también permite determinar los ángulos de inicio y duración de la inyección de cada cilindro, así como el ángulo de cierre de la válvula de escape.

El ángulo de inicio de inyección afecta a las prestaciones del motor. Una inyección adelantada eleva la presión máxima de combustión, las emisiones de NOx, y habitualmente reduce el consumo específico del motor (1 ). Una inyección retrasada reduce las emisiones de NOx, eleva las emisiones de partículas y habitualmente reduce el rendimiento. Por otro lado, la duración de la inyección de combustible por cilindro está muy relacionada con la cantidad de combustible inyectada.

Tanto la duración de la inyección como el ángulo de inicio de la misma condicionan las prestaciones por cilindro y por tanto de todo el motor (1 ). A este respecto es de relevante importancia tener el motor (1 ) equilibrado para que la contribución a la potencia global de cada cilindro sea la misma. Para una potencia desarrollada por el motor (1 ), si la potencia desarrollada por cada cilindro no es la misma se traduce en un aumento de la carga en unos cilindros frente a otros. Los más cargados reducen su vida operativa e incrementan las emisiones contaminantes globales, por lo que esta situación no es deseable.

Por otro lado, el ángulo de cierre de la válvula de escape afecta igualmente a las prestaciones del motor (1 ). Si se adelanta aumentan los gases residuales en el cilindro y las emisiones contaminantes, si se retrasa se pierde aire de carga y por tanto las temperaturas de combustión se elevan. Si bien el ángulo de cierre está definido por una leva, el actuador final sobre la válvula requiere cierto ajuste que provoca en ocasiones el desfase angular. El sistema mide ciclo a ciclo el ángulo de cierre y lo compara con el del resto de los cilindros.

Por tanto, en primer lugar se obtienen las señales de aceleración de cada cilindro obtenidas por el sensor (4a) 4b y 4c). Se entiende que la frecuencia de muestreo se elegirá de forma que sea adecuada a las características de los fenómenos mecánicos que se producen en los cilindros.

A continuación, cada fenómeno en análisis es procesado mediante la aplicación de un detector de envolvente en una ventana de análisis correspondiente a cada parámetro. La posición de las ventanas de análisis respectivas se obtiene experimentalmente.

Una vez procesada cada señal, se identifica el ángulo de cierre de escape, el ángulo de inicio de inyección y la duración de la inyección. Las Figs. 5a y 5b ¡lustran el procesado de la señal para la identificación del ángulo de cierre de la válvula de escape, aunque se sigue el mismo protocolo para la determinación del ángulo de inicio de inyección y de duración de la misma. Estado alternador

El alternador de todo motor (1 ) para generación es un elemento crítico. Si bien existen protecciones para salvaguardar la integridad mecánica del mismo, se producen en ocasiones roturas catastróficas no previstas. Por otro lado, el rendimiento del alternador en servicio acoplado al motor alternativo no se conoce. El procedimiento de la invención describe dos herramientas para el seguimiento del estado del alternador, basadas en la estimación en continuo del par instantáneo del alternador y en la evaluación en continuo del rendimiento del mismo. a) Diagnóstico a partir del par instantáneo del alternador.

Partiendo de las medidas de par y velocidad instantáneos (4h, 4g) y de las características del montaje del motor y el alternador (inercia/rigidez/amortiguamiento), se calcula el par del alternador (M alternador).

A continuación, este par instantáneo se procesa y caracteriza para definir el SSM, que es utilizado como síntoma para el diagnóstico y seguimiento con las horas de servicio. Para calcular el SSM, a las amplitudes de los armónicos del par del alternador (1 x RPM, 2x RPM, ... 20 x RPM) se les aplica la transformación de Karhunen-Loeve, aunque en este caso es suficiente con una sola dimensión que se denomina SSM alternador. Este proceso se ¡lustra en la Fig. 6. b) Evaluación del rendimiento instantáneo del alternador.

Se parte del par motor obtenido mediante la galga extensiométrica (4h) según se explicó anteriormente, de la velocidad angular del motor obtenida mediante el encoder (4g), y de la potencia eléctrica generada por el alternador. La potencia eléctrica producida en bomas de alternador es medida directamente con vatímetros y al compararla con la potencia mecánica en el eje permite estimar el rendimiento del alternador. La Fig. 7 ¡lustra esta herramienta.