ESPE
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 8 Vol. 1 / 2019 (12) ISSN 1390 - 7395 (10/12)
Artículo Cientíco / Scientic Paper
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, VIII Edición 2019, No. 10 (12)
BASSANTE, DÍAZ /
VARIACIÓN DE LA RUGOSIDAD Y MICROESTRUCTURAS DE LA AGUA T TOBERA DEL INYECTOR CRDI AL UTILIZAR DIÉSEL
SURFACTANTE COMO COMBUSTIBLE ALTERNATIVO.
VARIACIÓN DE LA RUGOSIDAD Y MICROESTRUCTURA DE LA AGUJA Y
TOBERA DEL INYECTOR CRDI AL UTILIZAR DIÉSEL SURFACTANTE COMO
COMBUSTIBLE ALTERNATIVO.
CHANGING THE RUGOSITY AND MICROSTRUCTURE OF THE NEEDLE AND
TOWEL OF THE CRDI INJECTOR WHEN USING DIESEL SURFACTANT AS A
FUEL ALTERNATIVE.
Julieta Bassante Barberán
1
, Santiago Díaz Vivanco
2
1
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE – Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica
e – mail :jmbassante@espe.edu.ec
1
, asdiaz@espe.edu.ec
2
Resumen
La investigación presenta el análisis del desgaste
de la microestructura de la aguja y tobera del inyector
DENSO 6521 utilizando una mezcla combustible diésel
- surfactante de agua al 20%. La mezcla combustible es
la emulsión de dos sustancias tensoactivas no iónicas.
Se trabajó durante 200 horas, con inspecciones cada 50
horas. La mezcla combustible mejora los parámetros
de funcionamiento del motor. A través de la balanza
analítica se detecta una reducción de 0.0514 g en
la masa de la tobera y 0.0059 g en la aguja, con el
rugosímetro digital se determina la rugosidad en la
supercie con un aumento de 0.197 μm. Se realiza
una inspección de la supercie de la aguja y de los
agujeros de la tobera, mediante un microscopio donde
se visualiza la presencia de desgaste, estableciendo
que el uso de la mezcla combustible diésel surfactantes
agua en el inyector genera desgastes prematuros en sus
supercies.
Palabras Clave: Rugosidad, emulsión de combustible
CRDI, surfactante.
Abstract
The research presents the analysis of the wear of the
microstructure of the needle and nozzle of the DEN-
SO 6521 injector using a diesel fuel-water-20% sur-
factant mixture. The fuel mixture is the emulsion of
two nonionic surfactants. Worked for 200 hours, with
inspections every 50 hours. The fuel mixture improves
the operating parameters of the engine. Through the
analytical balance a reduction of 0.0514 g in the mass
of the nozzle and 0.0059 g in the needle is detected,
with the digital rugosimeter the roughness in the sur-
face is determined with an increase of 0.197 μm. An
inspection of the surface of the needle and of the holes
of the nozzle is made by means of a microscope where
the presence of wear is visualized; establishing that
the use of the mixture diesel fuel surfactants water in
the injector generates premature wear on its surfaces
Keywords: Roughness, fuel emulsion, CRDI, surfac-
tants, wear.
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1. INTRODUCCN
El sistema Common Rail proporciona una elevada
exibilidad a la adaptación de la inyección al motor,
per mitiendo una alta presión de inyección desde 1600 bar
hasta 1800 bar, es el sistema más actual en los vehículos
de inyección diésel [1]. Estas elevadas presiones de
funcionamiento permiten un mejor desempeño del
motor de combustión. Los elementos responsables
de la inyección a una alta presión, son la bomba de
alta presión, el conducto común y los inyectores.
Los inyectores son los elementos responsables del
suministro de combustible a los cilindros, trabajan
a elevadas presiones y a conmutaciones de elevada
frecuencia, accionados por una unidad de alta potencia
que excita a la bobina, requieren para su correcto
funcionamiento un combustible de alta calidad. Este
sistema además permite la reducción del consumo de
combustible y de la emanación de gases contaminantes
al medio ambiente [2]. Debido a los grandes efectos
contaminantes que produce el diésel a pesar de sus
innovaciones, se busca medidas alternativas para
reducir su impacto en el medio ambiente, una de ellas
es la búsqueda de combustibles alternativos [3].
La mezcla combustible utilizada en la investigación
es una emulsión de combustible permite la mezcla de
agua en aceite de manera que la mezcla sea lo más
homogéneamente posible, para lo cual se utilizan
tensoactivos, con el n de evitar una separación de
fases. [5] Al trabajar con la mezcla combustible es
posible reducir la temperatura de funcionamiento
del motor, rebajar las emisiones contaminantes y
aumentar el rendimiento térmico, elevando el torque
y potencia debido a microexplosiones generadas por
las partículas de agua en el cilindro. [6] Los valores
de BHL de los surfactantes permite clasicarlos de
acuerdo a su mayor o menor solubilidad, sea en aceite
o en agua. Desde luego, es importante mencionar
que los emulsicantes con alto grado de BHL son
más solubles en agua y son recomendables para una
emulsión aceite/agua y viceversa.
El funcionamiento de los componentes del sistema
CRDI al estar trabajando a elevadas presiones y en
constante contacto, genera desgastes en las supercies
de sus elementos. [7] En general, los sistemas de
ingeniería implican el movimiento relativo entre
componentes fabricados a partir de metales y no metales.
Existen agentes externos tales como contaminación
por sustancias químicas que comprometen el tiempo
de vida útil de los componentes, así mismo la
selección del tipo de materiales de fabricación y tipos
de acabados superciales permiten obtener un mayor
factor de seguridad del elemento.
Los diferentes tipos de desgaste dependen de
las condiciones de trabajo a las que el elemento
está sometido, el estudio del desgaste se volvió
indispensable cuando se convirtió en un problema
para la durabilidad y abilidad de funcionamiento
de máquinas y sistemas [8] [9]. El desgaste adhesivo
está presente dentro del inyector debido al constante
contacto deslizante que posee la aguja juntamente
con la tobera. Los puntos de contacto entre los
componentes, mediante proyecciones microscópicas o
la aspereza de la unión en la interfase donde ocurre el
deslizamiento debido a los altos esfuerzos localizados,
llevan a que las fuerzas de deslizamiento fracturen la
unión, desgarrando al material de una supercie [9].
El desgaste por corrosión [10] se produce por las
reacciones químicas a los que están sometidos la aguja
y la tobera al trabajar con la mezcla combustible,
debido a los tensoactivos utilizados para la preparación
de la mezcla y al uso mismo del agua en la mezcla,
contribuye signicativamente en la velocidad del
desgaste. En algunas ocasiones, las reacciones
químicas ocurren primero y son seguidas por una
remoción de los productos de la corrosión mediante una
acción mecánica (abrasión), de otra manera, la acción
mecánica podría preceder a la acción química dando
como resultado la creación de pequeñas partículas
de desperdicio. [11] Las supercie de la aguja cuenta
con un acabado supercial de carbón de gran calidad
debido a las condiciones en las que va a trabajar, con
una composición química y ordenamiento atómico
especial. [8] La rugosidad analizada en la supercie
de la aguja permite establecer la condición de su
supercie, su durabilidad y el efecto que se genera al
trabajar con distintos tipos de biocombustibles.
2. Materiales y Métodos
Mezcla combustible
La mezcla combustible ecológica elaborada en
[12], es la mezcla de 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 BHL (Balance Hidrofílico
Lipofílico) de 4 que permite la combinación entre
agua y aceite.
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Fig. 2 Agitador magnético MSH 420 BOECO
Banco de pruebas CRDI
En la Fig. 3 está el banco de pruebas de inyección
diésel CRDI, en el cual se instala la bomba de alta
presión HP3 [14], así como el módulo activador de
inyectores.
Fig. 3 Banco de pruebas CRDI
La Tabla 3 presenta los parámetros ajustados para
las pruebas en el banco.
Tabla 3 Parámetros de funcionamiento del banco de pruebas CRDI
Parámetro
Valor
Unidad
Velocidad de giro de bomba HP3
900
RPM
Presión en el riel 5000
psi
Periodo de inyección
48
ms
Tiempo de inyección
1.6
ms
Voltaje de activación del inyector 80
V
Amperaje de activación del
inyector
15
A
Módulo activador
Para la activación de inyectores CRDI, se utiliza el
módulo de la Fig. 4, dispone de la etapa de control y
potencia para ajustar la velocidad, tiempo de activación
y retención; a través de un conversor de 1500 W, que
eleva el voltaje a 90 voltios y proporciona hasta 20A de
Tabla 1 Balance Hidrofílico Lipofílico (BHL) de tenso activos
Tenso activo
BHL
Cantidad (g)
Ácido oleico 1
66.7
Kolliphor
14
20
Nonil fenol de 6 moles
10.9
33.3
Se combina las cantidades de las sustancias para
elaborar un kilogramo de mezcla [13], mezclando los
tensoactivos por separado, luego se añadió el agua
destilada y nalmente el diésel. La Tabla 2 detalla las
cantidades necesarias de cada componente.
Tabla 2 Cantidades necesarias de cada sustancia
Sustancia
Cantidad
(g)
Porcentaje
(%)
Ácido oleico
66.7
6.67
Kolliphor
33.3
3.33
Nonil fenol de 6
moles
20
2
Agua destilada 200
20
Diésel
680
68
Para preparar la mezcla combustible, se requiere el
equipo de agitación para la correcta homogeneización
[13]. En la Fig. 1 se muestra el agitador mecánico
BOECO el cual permite la mezcla de las sustancias,
proceso realizado a 600 rpm.
Fig. 1 Agitador mecánico OSD -20 BOECO
En la Fig. 2 se presenta el agitador magnético
BOECO que agita la mezcla para evitar la separación
posterior.
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corriente [1], conmutando los valores necesarios para
la investigación.
Fig. 4 Módulo de activación de inyectores
En la Fig. 5 se presenta el inyector DENSO 6521 CRDI
electromagnético, objeto del análisis que se instala en
el banco de pruebas CRDI, es accionado por el modulo
activador de inyectores con un periodo ajustable de
12ms a 48ms y un ciclo de trabajo de 0% a 100% [15].
Fig. 5 Inyector DENSO 6521
Medición de la supercie de la aguja y tobera
Para el análisis del degaste producido por el uso de
la mezcla combustible ecológica diésel - surfactante, el
tiempo para el desarrollo de la prueba es de 200 horas,
sin embargo, se analiza los resultados en intervalos de
50 horas para inspeccionar el estado de las caras de la
leva anular y el desgaste presentado en sus supercies
mediante equipo especializado [16].
En la Fig. 6 la balanza analítica ADAM, es un equipo
de alta precisión con 0,0001 g, verica la pérdida de
masa que sufrió la aguja y la tobera al trabajar con la
mezcla combustible durante cada intervalo pruebas.
Fig. 6 Pesaje de la leva anular
En la Fig. 7 el rugosimetro digital CMSRT210,
genera la medida de rugosidad del desgaste en la
supercie de la aguja, posee un menú de calibración
y de conguración de los parámetros a analizar, según
[17] el valor de rugosidad a inspeccionar se encuentra
de 0.1 a 2 μm, por lo que se congura el rugosímetro
mediante la Tabla 4 un cut off de 0.8 mm y una
longitud de medicion de 4 mm, de acuerdo a la norma
DIN 4768.
Fig. 7 Rugosímetro CMSRT210
Tabla 4. Correspondencia para la rugosidad media Ra
Ra
µm
Mn
Lo
Mm
Lm
mm
Hasta 0,1
> 0,1 – 2
> 2 – 10
> 10
0,25
0,8
2,5
8
0,25
0,8
2,5
8
1,25
4
12,5
40
En la Fig. 8 se presenta el microscopio digital
invertido XJL-17AT, el cual permite observar la
microestructura de la aguja y tobera, mediante una
interfase con la computadora para obtener una mejor
calidad de imagen.
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Fig. 8 Microscopio XJL-17AT
3. Resultados
Considerando [15] 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.
Análisis de peso
La Tabla 5 presenta los valores obtenidos del peso
de la aguja en la balanza analítica de precisión al
nalizar cada período de pruebas, con la estimación
de recorrido en kilómetros.
Tabla 5. Desgaste de la aguja
Eleme
nto
0
0
50
340
0
100
700
0
150
102
00
200
136
00
Hora
s
Km
Aguja
3.30
32
3.29
81
3.29
79
3.29
76
3.29
73
a
mos
En la Fig. 9, se representa el desgaste de la aguja del
inyector, en donde se obtuvo una reducción de 0.0059
g entre el valor máximo y mínimo que representa
el 0.178 % del peso inicial. Se puede observar que
el desgaste presentado es regular sin variaciones
signicativas. El punto de mayor desgaste se produjo
entre 0 y 50 horas.
Fig. 9 Desgaste de la aguja
La Tabla 6 presenta los valores obtenidos del peso de
la tobera al nalizar cada período de pruebas, con la
estimación de recorrido en kilómetros.
Tabla 6 Desgaste de la Tobera
Elem
ento
0
0
50
3400
100
7000
150
1020
0
200
1360
0
Hor
as
Km
Tober
a
22.8
263
22.7
981
22.7
818
22.7
752
22.7
749
a
mos
En la Fig. 10, se observa el desgaste de la tobera
del inyector, en donde se generó una reducción de
0.0514 g de masa entre el valor máximo y mínimo que
representa el 0.225 % del peso inicial. El punto donde
se presentó la mayor reducción fue al trabajar entre 0
y 150 horas.
Fig. 10 Desgaste de la tobera
Inspección visual
En la Tabla 7 se puede observar el análisis
microscópico de la estructura de la aguja del inyector,
en donde se puede visualizar que a partir de las 50 horas
de funcionamiento la estructura comenzó a presentar
un cambio de coloración por la contaminación con la
mezcla combustible, cabe recalcar que este componente
posee un recubrimiento de carbono para aumentar
su dureza supercial, sin embargo a partir de las 150
horas se comenzó a evidenciar la presencia de desgaste
abrasivo y cavitación en su supercie.
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Tabla 7 Microestructura de la aguja de la tobera
0 horas
50 horas
100 horas
150 horas 200 horas
En la Tabla 8 se puede visualizar el análisis
microscópico de la estructura del perl del agujero de
pulverización del inyector, en donde se puede visualizar
que no existe una deformación o destrucción del perl,
se puede visualizar la existencia de desgaste abrasivo
en el área alrededor del agujero a partir de las 100 horas
de funcionamiento.
Tabla 9. Valores de rugosidad en la aguja del inyector
0 horas 50 horas
100 horas
150 horas
200 horas
Análisis de rugosidad
Según el trabajo realizado por [18], para el análisis
de rugosidad se considera el modelo matemático de
análisis de regresión para proyectar el desgaste a futuro.
La Tabla 9 presenta los valores de rugosidad
obtenidos en la aguja del inyector.
Tabla 8 Microestructura del agujero de pulverización de la tobera
Aguja
Horas
0
50
100
150
200
0.208
0.213
0.308
0.361
0.405
La Fig. 11 presenta el cambio de rugosidad que sufrió
la supercie de contacto de la aguja del inyector, en
la cual se puede observar que la rugosidad aumento
conforme aumentaron las horas de funcionamiento,
se generó una variación de 0.197 μm entre el valor
mínimo y máximo, aumentando su rugosidad en 94.71
% con un máximo de 0.405 μm.
Fig. 11 Desgaste de la tobera
4. Conclusiones
En el análisis de la microestructura mediante un
microscopio, permitió visualizar la contaminación que
presentaron los elementos de principal desgaste en el
inyector, la presencia de desgaste abrasivo y cavitación
fue evidente en la aguja y pulverizador, el oricio del
pulverizador de la tobera no presento deformación,
pero si cavitación en sus alrededores.
La masa de la aguja obtuvo una reducción de 0.0059
g valor que representa el 0.178 % del peso inicial. En la
tobera se generó una reducción de 0.0514 g en su masa
que representa el 0.225 % del peso inicial.
La rugosidad en la aguja aumento conforme
aumentaron las horas de funcionamiento, se generó una
variación de 0.197 μm entre el valor mínimo y máximo,
aumentando su rugosidad en 94.71 % con un máximo
de 0.405 μm, según la norma DIN 4768 la rugosidad de
la aguja pertenece al grado N5 donde las marcas de
mecanizado no se aprecian ni con el tacto ni con la
vista pero si con aumento.
La mezcla combustible a una concentración del
20% genera benecios 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 del
inyector CRDI DENSO 6521 por la falta de lubricidad.
5. Referencias
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6. Biografías
1
Julieta Bassante. -, Ingeniera
Automotriz, Gestor técnico de la
Unidad de Educación Continua
de la Universidad de Fuerzas
Armadas ESPE.
2
Santiago Díaz. - Ingeniero
Automotriz, Docente Tiempo
Completo de nivelación SII
2019, del Departamento de
Ciencias exactas, Mejor
egresado de la carrera de
Ingeniería Automotriz
promoción 2019 de la
Universidad de Fuerzas
Armadas ESPE.
Autor para correspondencia:
jmbassante@espe.edu.ec
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 20 octubre 2019
Fecha aceptación 20 diciembre 2019
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SURFACTANTE COMO COMBUSTIBLE ALTERNATIVO.