Aplicación de los sistemas de control en los motores de combustión interna

Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática

IE – 431 Sistemas de Control MONOGRAFIA

APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL EN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

GRUPO: INTEGRANTES: PERIODO:

01 Elías Retana Durán Carlos Montes Solano Allan Rivera Alfaro I Semestre de 2005

IE-431 Aplicación de los sistemas de control en los motores de combustión interna

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TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN........................................................................................................1 1.0 Introducción...............................................................................................2 2.0 El motor de combustión interna y sus sistemas de control..........................3 2.1 Definición..............................................................................................................................3 2.2 Cinemática del motor.............................................................................................................3 2.2.1 El conjunto estático.........................................................................................................3 2.2.3 El conjunto móvil móvil ...........................................................................................................5 2.2.4 El sistema valvular..........................................................................................................6 2.3 La termodinámica en el motor...............................................................................................7 2.4 Modelos Modelos de los motores de combustión combustión interna interna ............................................................... ................................................................. ....8 2.4.1 Diseño Diseño .............................................................................................................................8 2.4.2 Modelado del sistema.....................................................................................................8 2.4.3 Modelos Modelos más importantes importantes ...............................................................................................9 2.5 Sensores ...............................................................................................................................13 2.5.1 Termistores ...................................................................................................................14 2.5.2 Potenciómetros .............................................................................................................14 2.5.3 Interruptores..................................................................................................................15 2.5.4 Generadores..................................................................................................................17 2.5.5 Sensores magnéticos.....................................................................................................18 2.5.6 Sensores Sensores piezo piezo resistivos resistivos ..............................................................................................19 2.5.7 Sensores de capacitancia variable.................................................................................20 2.5.8 Sensores anemómetros..................................................................................................20 2.5.9 Sensores ópticos o fotoeléctricos..................................................................................21 2.6 Actuadores...........................................................................................................................21 2.6.1 Sistema de encendido ...................................................................................................22 2.6.2 Sistema Sistema de combustible combustible ................................................................................................23 2.6.3 Circuito Circuito de marcha marcha mínima mínima .......................................................................... ..........................................................................................23 ................23

3.0 Aplicaciones..............................................................................................25 3.1 El control electrónico electrónico del motor .........................................................................................25 3.1.1 El sistema de control lógico..........................................................................................26 3.1.2 El sistema sistema de inyección de combustible .......................................................................31 3.1.3 El sistema de encendido................................................................................................35 3.1.4 El sistema de control de marcha mínima......................................................................39 3.1.5 El sistema de admisión de aire......................................................................................41 3.1.6 El sistema de refrigeración...........................................................................................43

4.0 Conclu Conclusio siones.... nes................ ......................... ......................... ........................ .......................... ........................................ .......................... 45 5.0 Bibl Biblio iogra grafí fíaa ........................ ............ ........................ ......................... ......................... ............................... .................................. ............... 46 Grupo 01

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TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN........................................................................................................1 1.0 Introducción...............................................................................................2 2.0 El motor de combustión interna y sus sistemas de control..........................3 2.1 Definición..............................................................................................................................3 2.2 Cinemática del motor.............................................................................................................3 2.2.1 El conjunto estático.........................................................................................................3 2.2.3 El conjunto móvil móvil ...........................................................................................................5 2.2.4 El sistema valvular..........................................................................................................6 2.3 La termodinámica en el motor...............................................................................................7 2.4 Modelos Modelos de los motores de combustión combustión interna interna ............................................................... ................................................................. ....8 2.4.1 Diseño Diseño .............................................................................................................................8 2.4.2 Modelado del sistema.....................................................................................................8 2.4.3 Modelos Modelos más importantes importantes ...............................................................................................9 2.5 Sensores ...............................................................................................................................13 2.5.1 Termistores ...................................................................................................................14 2.5.2 Potenciómetros .............................................................................................................14 2.5.3 Interruptores..................................................................................................................15 2.5.4 Generadores..................................................................................................................17 2.5.5 Sensores magnéticos.....................................................................................................18 2.5.6 Sensores Sensores piezo piezo resistivos resistivos ..............................................................................................19 2.5.7 Sensores de capacitancia variable.................................................................................20 2.5.8 Sensores anemómetros..................................................................................................20 2.5.9 Sensores ópticos o fotoeléctricos..................................................................................21 2.6 Actuadores...........................................................................................................................21 2.6.1 Sistema de encendido ...................................................................................................22 2.6.2 Sistema Sistema de combustible combustible ................................................................................................23 2.6.3 Circuito Circuito de marcha marcha mínima mínima .......................................................................... ..........................................................................................23 ................23

3.0 Aplicaciones..............................................................................................25 3.1 El control electrónico electrónico del motor .........................................................................................25 3.1.1 El sistema de control lógico..........................................................................................26 3.1.2 El sistema sistema de inyección de combustible .......................................................................31 3.1.3 El sistema de encendido................................................................................................35 3.1.4 El sistema de control de marcha mínima......................................................................39 3.1.5 El sistema de admisión de aire......................................................................................41 3.1.6 El sistema de refrigeración...........................................................................................43

4.0 Conclu Conclusio siones.... nes................ ......................... ......................... ........................ .......................... ........................................ .......................... 45 5.0 Bibl Biblio iogra grafí fíaa ........................ ............ ........................ ......................... ......................... ............................... .................................. ............... 46 Grupo 01

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RESUMEN Cuando se habla del funcionamiento del motor de combustión interna inte rna se hace referen referencia cia al proceso por el cual se trasforma la energía química de los combustibles, de energía química energía mecánica. Este proceso aunque parece sencillo consta de varios sistemas que trabajan en conjunto para lograr un funcionamiento óptimo de la máquina. Es de suma importancia identificar los diferentes sistemas de control presentes en un motor de combustión interna para poder hacer un análisis más a fondo del mismo. Los actuales controladores hacen uso de modernos módulos electrónicos que constantemente monitorean diferentes parámetros del motor, por medio de sensores que le informan el comportamiento del mismo, para realizar cálculos. El computador cambia las señales continuas recibidas de los sensores a señales discretas que puede manipular. Luego de esto el controlador está programado para que a determinados resultados obtenidos, se den instrucciones a los actuadores para que lleven al motor a un estado deseado. El controlador del motor se subdivide en varios controladores encargados de tareas específicas dentro del funcionamiento del motor, los cuales trabajan en conjunto. No obstante, para simplificar su entendimiento se analizan de forma independiente. Tal es el caso del sistema de control de la inyección de combustible. Es importante mencionar que el papel del control automático es de suma importancia al analizar este tipo de sistemas, pues su conocimiento analítico lleva a la mejor solución de problemas y a la simplificación de los diseños. El conocimiento amplio del funcionamiento funcionamiento y modelado de máquinas como el motor de combustión interna lleva a un mejor aprovechamiento de los materiales y el medio ambiente, ya que se busca el ahorro de los combustibles y el menor desgaste desgaste físico posible.

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1.0 Introducción El presente trabajo busca ampliar algunos conceptos, referentes referentes al control control de de lo s motores de combustión interna. Debido a que los motores de combustión poseen varios sistemas de control para su correcto funcionamiento, la temática referente a este proyecto es bastante amplia. Como ya es sabido, los motores de combustión poseen un sistema de control, enfocado a la emisión de gases. Debido a que este tema en particular ya ha sido comentado en otra monografía (ver referencia bibliográfica [3]), el proyecto a continuación hará énfasis en otras áreas de control de los mismos motores. A diferencia de lo que se podría pensar, el funcionamiento de los motores de combustión no sólo se basa en la generación de movimiento a partir de reacciones químicas. Por el contrario, la implementación de tales motores conlleva la ejecución de procesos de control, vitales para su funcionamiento. Incluso, algunos de sus sistemas de control, permiten a la máquina tener una mayor eficiencia. Al inicio del trabajo se presentan algunos conceptos básicos, referentes a los componentes que conforman a los motores de combustión. Con esto se pretende dar al lector un panorama más claro, respecto a tales motores, para después hacer un enfoque más detallado de los sistemas de control. Como primer punto de las aplicaciones de los sistemas de control, se estudiará el sistema de control lógico, el cual coordina e intercomunica todos los demás sistemas de control de los motores. Después se ahondará en otros sistemas tales como el de inyección de combustible, de encendido y el control de marcha mínima entre otros.

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2.0 El motor de combustión interna y sus siste mas de control 2.1 Definición Se define un motor de combustión interna, como un conjunto mecánico que trans forma la energía calórica del combustible utilizado, en energía cinética o energía de movimiento. La trans formación de esta energía se efectúa dentro del motor, en los cilindros, en un proceso denominado combustión. El fin primordial de transformar o extraer energía, es el de producir el movimiento rotacional de las ruedas del vehículo, con la suficiente potencia par no sólo para desplazarlo, sino para hacerlo a la velocidad deseada, y con la carga que se necesite transportar. De esta definición se desprende que en el motor de combustión interna existan dos factores de primordial importancia: el primero tiene que ver con la transformación de la energía, que se basa en principios termodinámicos; y el segundo factor tiene que ver con el movimiento, que genera la energía calórica, que se basa en principios mecánicos o cinemáticos.

2.2 Cinemática del motor La cinemática es la ciencia de la física que describe el movimiento de los objetos, sin hacer referencia a las fuerzas que actúan en él; lo que significa que la cinemática es la ciencia que estudia la forma como se mueven los cuerpos. A continuación se presenta un estudio básico del movimiento que existe en un motor de combustión interna. Un motor de combustión interna en su estado más simple, está constituido por tres sistemas fundamentales, que son: • El conjunto estático • El conjunto móvil • El sistema valvular

2.2.1 El conjunto estático La función pr imordial del conjunto estático es servir de soporte o apoyo de todos los demás dispositivos que conforman el motor. Los elementos que constituyen el conjunto estático son: • El bloque motor • El cuerpo de culata • El carter o conjunto inferior • Los apoyos de bancada • Los cilindros Grupo 01

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Figura N° 1 - El conjunto estático(tomado de la referencia [5])

La conformación de los cilindros es de vital importancia, ya que de ella se desprenden las características sobre el cilindraje, la lubricación de las paredes, la potencia y la eficiencia del motor.

Dimensiones del cilindro y “cilindrada” El tamaño de los cilindros se define por su diámetro interior (también llamado calibre), y la carrera del pistón o distancia entre el punto muerto superior (P.M.S.) y el punto muerto inferior (P.M.I.).

Figura N° 2 - PMS, PMI y la carrera (tomado de la referencia [5]) Grupo 01

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Se llama “cilindrada ” individual, al volumen que desaloja el pistón cuando se pesplaza desde el P.M.S. al P.M.I. La cilindrada total, es el resultado entre el volumen individual y el número de cilindros.

2.2.3 El conjunto móvil Los dispositivos que conforman el conjunto móvil son: El pistón y los anillos • La biela • El cigüeñal •

Figura N° 3 - El movimiento en el conjunto móvil (tomado de la referencia [5])

Las funciones del conjunto móvil son: Mantener la hermeticidad en el cilindro. • Permitir que la presión que existe dentro de la cámara después del proceso de combustión, se transforme en movimiento. • Transformar el movimiento lineal del pistón, en movimiento circular en el cigüeñal. • Transmitir la energía extraída en el proceso de combustión a la caja de velocidades en forma de potencia. •

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2.2.4 El sistema valvular Los mecanismos que conforman el sistema valvular son: El conjunto de válvulas • El eje de levas • Los engranajes de mando y la correa o cadena de transmisión • Los seguidores, impulsadores y demás dispositivos de mando directo de apertura y cierre de válvulas •

Figura N° 4 - El sistema valvular (tomado de la referencia [2])

No existe una sola función del sistema valvular, en el caso de las válvulas, su función es la de servir de compuerta para permitir la entrada de mezcla y salida de gases de escape. Además, al estar cerradas contribuyen a la hermeticidad del cilindro. Los demás dispositivos del sistema permiten la apertura y el cierre de las válvulas.

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2.3 La termodinámica en el motor No existe una definición precisa de la termodinámica, al estudiar varias definiciones se encuentran términos similares, como son: energía, temperatura, calor, cambios de estado, etc. Por lo tanto se llega a la conclusión de que la ciencia de termodinámica estudia el comportamiento de la materia a cambios de temperatura, o de estado físico, lo que implica los cambios o transferencia de la energía que suceden dentro de un sistema que contiene alguna cantidad de materia.

El ciclo de cuatro tiempos La mayoría de los motores de combustión interna trabajan con base en un ciclo de cuatro tiempos, cuyo principio es el ciclo termodinámico de Otto 1. Por lo tanto el ciclo de cuatro tiempos de un motor de combustión interna, basa su eficiencia en la variación de la temperatura tanto en el proceso de compresión isentrópico 2, como en el calentamiento a volumen constante. El ciclo consiste en dos carreras ascendentes y dos descendentes del pistón.

Figura N° 5 - El tiempo de compresión (tomado de la referencia [2])

Cada carrera denominada tiempo, recibe el nombre de la acción que se realiza en el momento: • Admisión • Compresión • Expansión • Escape 1

Este ciclo describe la entrada y salida de gases a los cilindros, asociadas al movimiento de los pistones. Es decir describe la compresión y expulsión de gases, que generan la combustión. 2 En el proceso isentrópico no existe transferencia de calor a través de la frontera del sistem a.

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2.4 Modelos de los motores de combustión interna 2.4.1 Diseño Para poder realizar un sistema de control aplicado a la mezcla de aire y gasolina, se requiere primeramente un modelo del motor, cuya respuesta sea lo más cercana al motor real, para reducir los gastos y el tiempo de experimentación, además de no correr el riesgo de provocar daños en el motor real por los errores de diseño. También el proceso de optimización del sistema de control se facilita si se realiza en un modelo y no en la vida real, debido al ruido existente en el motor real. Con el sistema de control se logra ajustar la sincronización del motor, el proceso de inyección, el de encendido, el de marcha mínima y de admisión de aire, entre otros, lo cual permite un funcionamiento óptimo del motor. Esto se logra a partir de la información suministrada por los sensores que determinan el estado de los parámetros de control en un momento dado. En los primeros motores, se utilizaban sistemas mecánicos para los procesos de sincronización y distribución del motor. En la actualidad los fabricantes prefieren los sistemas automatizados para realizar los procesos anteriores. Se prevé que en un futuro cercano, no exista una conexión mecánica entre el pedal de la válvula reguladora y el motor, sino que la orden pase por el sistema de control, el cual a partir de sus actuadores ejecute las acciones en el motor, este tipo de conexiones mecánicas se llaman “conducir por alambre”.

2.4.2 Modelado del sistema Dado que el sistema de un motor de combustión interna es muy complejo, no se ha encontrado un modelo matemático que contemple todos los fenómenos físicos y químicos que ocurren durante el ciclo de funcionamiento del motor. Sin embargo, se han realizado varios estudios teóricos, que buscan modelar a través de ecuaciones el fenómeno de formación de la mezcla. Para llegar a dichos modelos es necesario partir de ciertas suposiciones, las cuales responden a hipótesis que se plantean según el objetivo con el que ha elaborado el modelo además de la variable tomada como base.

Modelos según su objetivo: Modelos orientados al diseño: son una fiel representación de un fenómeno muy concreto del motor al que hacen referencia, con el objetivo de diseñar o modificar algún componente contemplado en el modelo (diseño de colectores de admisión, inyectores, cámaras de combustión, etc.). Los parámetros son de tipo geométrico o físico. Del resultado de la simulación se elige un número limitado de variantes, con lo que la cantidad de experimentos queda bastante reducida. −

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Modelos orientados al control: estos modelos son más generales, ya que lo que buscan es controlar una variable específica y no modelar el proceso completo. En estos modelos se fija la variable base como la variable a controlar y se analiza como interactúan los otros parámetros del proceso con esta despreciando algunas. Un ejemplo de esto es el modelo de control de la mezcla. −

Modelos según la variable base Dominio del tiempo : se trata de modelos, continuos o discretos, pero con una base temporal. Los fenómenos para los que son más adecuados son aquellos que cuentan con retardos o constantes de tiempo independientes del ciclo termodinámico del motor, como los que acontecen en sensores y actuadores. • Dominio del ángulo : la base está sincronizada con el giro del cigüeñal, lo que significa que se trata de modelos discretos, con un tiempo de muestreo inversamente proporcional al régimen de giro. Suele tomarse una muestra de cada segme nto, o lo que es lo mismo, cada chispa de la bujía; esto equivale en un motor de cuatro tiempos y cuatro cilindros a media vuelta. Se adapta mejor a los fenómenos ligados al ciclo termodinámico del motor. •

2.4.3 Modelos más importantes Con el objetivo de ilustrar los modelos más importantes, se presenta a continuación algunos modelos y una breve reseña de cada uno. El modelo de Dobner (tomado de la referencia [4]) es matemático discreto y en el dominio del ángulo, donde los parámetros de entrada son: el ángulo de mariposa, la relación airecombustible, el avance de encendido y el par resistivo, y del modelo se obtiene: la presión en el colector de admisión, el par neto y la velocidad de rotación. Los procesos modelados son: el carburador, el colector de admisión, la combustión y la dinámica del motor. Toma en cuenta la proporción de gases residuales (EGR). Las fórmulas se basan en masas instantáneas, las cuales se obtienen por integración del caudal, y no muestra los valores de los parámetros. Considera asimismo distribución irregular para cada cilindro dentro de un ciclo. Finalmente, valida el modelo obtenido con un motor de 5,7 l, primero en régimen estabilizado, y después con un transitorio de aceleración.

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Figura N° 6 - Modelo del motor de Dobner valvular (tomado de la referencia [4])

En le modelo de Aquino (tomado de la referencia [4]) se analiza en forma detallada todos los fenómenos que ocurren con el combustible, desde que se introduce, hasta que este llega al cilindro, con la ayuda de resultados experimentales obtenidos con un motor de 5 l e inyección •

central. Como simplificación, considera que una fracción ( X) del combustible inyectado m fi pasa a forma de vapor, mientras que el resto se deposita en la superficie de la mariposa, el colector y la válvula. Determina que, para un motor con inyección central, el valor de X se puede aproximar en función del ángulo de la mariposa (a) como X =-0,106 + a /46, limitado a 0,28. Realiza además la hipótesis de que la masa de combustible que abandona la capa líquida por •

vaporización m fp es proporcional a la masa existente en la propia capa. La masa total de •

combustible m f que entra al cilindro será la suma de la que se haya vaporizado tras la inyección, más la aportada por la película líquida. El resultado es un sistema de primer orden, con una constante de tiempo τ f , y definido por las dos ecuaciones siguientes:

El modelo de Yuen (tomado de la referencia [4]), basado en el de Dobner, introduce conceptos termodinámicos en el proceso de evaporación del combustible, y tiene en cuenta la dinámica de los sensores. Propone un modelo para la generación de gases contaminantes sin catalizador. Así mismo desarrolla las ecuaciones, que en el modelo de Dobner no lo estaban. Chin en su trabajo (tomado de la referencia [4]), desarrolla un modelo discreto aplicado a un motor V6 de 3,1 l y un V8 de 5,7 l, primero en la base del tiempo, y luego en la base del ángulo. Cálcula de forma experimental todos los parámetros en tres puntos de funcionamiento concretos, sin llegar a generalizar para todo campo de operación del motor. Considera lo siguientes procesos: Combustible a par • • Aire a par • Dinámica rotacional Retardo de transporte de los gases de escape • Grupo 01

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La conclusión del trabajo de Chin es que todas las dinámicas, excepto la del combustible, son menos parámetros en el dominio del ángulo que del tiempo. Otro trabajo es el de Hendricks (tomado de la referencia [4]), el cual publica a lo largo de varios años un conjunto de artículos sobre un modelo bastante completo, promediado, y en el dominio temporal, que se muestra en el esquema de la figura 7. Los procesos considerados son: El combustible − El aire − La combustión − − La dinámica de las partes móviles. Los parámetros de entrada son: − El ángulo de mariposa. − El caudal de combustible inyectado − El ángulo de avance de encendido Los parámetros de estado son: la masa de combustible depositado en forma de película líquida, el régimen de giro y la presión de admisión. Desarrolla fórmulas empíricas para la expresión del rendimiento térmico y volumétrico, función de la presión de admisión, escape y régimen del motor en el primer caso, y del avance de encendido, régimen y presión de admisión en el segundo; posteriormente justifica esas fórmulas con un análisis físico y matemático. Realiza unos experimentos con un motor Ford de 1,1 l, a partir de los cuales valida su modelo. Concluye que la fracción de combustible líquido sólo es función del ángulo de mariposa en motores con inyección central, pero que la dependencia es despreciable en sistemas multipunto.

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Figura N° 7 - Modelo del motor de Hendricks con sus tres subsistemas, de arriba hacia abajo: combustible, dinámica y aire (tomado de la referencia [4])

Se pueden citar aún más modelos, los cuales toman los principios de los modelos anteriores y los modifican para perfeccionarlos según la necesidad de análisis que se requiere para el modelo. Otros modelos fueron desarrollados por Benninger, Chang, Amstutz, Jones, Le Moyne (tomado de la referencia [4]).

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2.5 Sensores Un sensor es un dispositivo que cuenta con un elemento que reacciona eléctricamente a un fenómeno físico, es así como existen elementos que reaccio nan eléctricamente a la temperatura, la presión, al contacto, a los campos magnéticos, etc. Esta reacción eléctrica modifica o genera voltajes que son tomados por el computador como valores de la variación de la condición física a la cual reacciona el elemento. Por lo tanto los sensores son elementos que tienen como función principal “enviar señales eléctricas variables al computador del vehículo, proporcionales al fenómeno físico que estén sensando”. Por su clasificación de acuerdo al principio de su func ionamiento se pueden clasificar en: • • • • •

• • • •

Termistores Potenciómetros Interruptores Generadores Magnéticos o Reluctancia variable Efecto hall o Piezo resistivos Capacitancia variable Anemómetros Ópticos o fotoeléctricos

Todos los sensores tienen terminales eléctricas para poder alimentarlos, para poder cerrar circuitos a tierra y para enviar sus señales variables al computador, es así como se encuentran sensores de un solo terminal y otros hasta de cuatro terminales. Aquellos sensores que requieren alimentación de corriente para funcionar pueden estar alimentados directamente desde el computador con un voltaje denominado de REFERENCIA (VREF) y es aproximadamente 5.0 voltios, para completar el circuito tendrá una tierra normalmente a través del computador (GND) o a través del mismo cuerpo del sensor. Existen algunos sensores que para su funcionamiento requieren de una alimentación de voltaje de batería en cuyo caso estarán alimentados con voltaje de PODER (VPWR), en algunos vehículos se se utiliza como voltaje de alimentación de sensores 8.0 voltios. Todos los sensores tienen una terminal de señal variable que es enviada al computador y normalmente en los diagramas eléctricos y planos toma el nombre del sensor (ETC, MAP, TPS, VAF, etc.), esta señal es la que le informa al computador el estado de la condición física que se está sensando.

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Figura N° 8 - Sensor ECT (tomado de la referencia [2])

2.5.1 Termistores Un termistor es un material semiconductor conformado por una mezcla de óxidos de níquel y manganeso con cobre finamente dividido, que varía su resistencia cuando es sometido a variaciones de temperatura, por lo cual se utiliza para sensar la temperatura del refrigerante del motor, la temperatura del aire que entra al motor, la temperatura del lubricante del motor, etc. Los más comunes son:

Sensor de temperatura del refrigerante del motor Está localizado en el punto más caliente de la culata, normalmente cerca del termostato o en un conducto de refrigerante motor en la culata. Su función es enviar una señal eléctrica variable al computador proporcional a la temperatura del refrigerante del motor. Está alimentado directamente por el computador con voltaje de referencia y tierra dada también por el computador.

Sensor de la tempe ratura del aire de admisión Puede estar localizado desde el purificador hasta algún punto en el múltiple de admisión o adentro del sensor de masa y flujo de aire. Tiene la función de enviar una señal proporcional a la temperatura del aire de admisión. Está alimentado también por el computador con un voltaje de referencia y la tierra también la brinda el computador.

2.5.2 Potenciómetros Un potenciómetro es una resistencia variable con tres terminales, un extremo está alimentado desde el computador con voltaje de REFERENCIA (≈ 5.0v), el otro extremo de la resistencia está conectado a tierra a través del computador y el tercer terminal se conecta a un contacto deslizante que se desplaza a lo largo de la resistencia. Grupo 01

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Figura N° 9 - Sensor TPS (tomado de la referencia [5])

Sensor de posición de la mariposa de aceleración Se ubica al lado contrario del pedal de aceleración. Se encarga de enviar una señal eléctrica al computador, proporcional a la posición de la mariposa de aceleración. Este sensor es solidario al eje de las mariposas de aceleración de tal manera que el contacto deslizante es controlado por el eje, al deslizarse sobre la resistencia la cantidad de corriente que lo atraviesa varía. Caudalímetro Se localiza normalmente cerca del purificador. Envía una señal eléctrica variable al computador, proporcional a la cantidad de aire que entra al motor. El contacto deslizante de este sensor está en contacto directo con una compuerta colocada en el conducto de entrada de aire al motor, de tal manera que el aire que entra la mueve. A mayor cantidad de aire del motor será el giro de la compuerta y por lo tanto el contacto deslizante se desplazara sobre la resistencia aumentando el valor de la misma. 2.5.3 Interruptores Un interruptor es un elemento que permite o no el paso de la corriente eléctrica por lo que solo tiene dos terminales eléctricas. Existen gran cantidad de interruptores en los vehículos con control electrónico, por lo que solamente se mencionarán los más importantes.

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Sensor de posición de marcha mínima Se localiza cerca de los herrajes de aceleración o sobre el eje de la mariposa de aceleración. Envía una señal eléctrica variable al computador, proporcional a la posición de la marca mínima de la mariposa de aceleración. Este sensor tiene dos posiciones activado / desactivado. Cuando la mariposa se encuentra cerrada el interruptor de normalmente se encuentra cerrado (activado) y permite el paso de corriente hacia el computador que interpreta esta señal como marcha mínima; en el momento que la mariposa inicia su recorrido de aceleración el interruptor se abre (desactiva) y la corriente no fluye hacia el computador lo que se interpreta como aceleración.

Figura N° 10 – Sensor de marcha mínima (tomado de la referencia [3])

Sensor de mariposa totalmente abierta Se encuentra sobre el eje de la mariposa de aceleración al lado contrario de los herrajes de aceleración. Envía una señal eléctrica variable al computador, proporcional a la posición de máxima aceleración. Tiene dos posiciones activado / desactivado mientras la mariposa no esté en posición de máxima aceleración se encuentra desactivado y el computador no recibirá señal alguna esto será interpretado como aceleración normal o marcha mínima, en el momento que se llegue a la

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posición de máxima aceleración el interruptor se activará el paso de corriente hacia el computador. Entre otros sensores interruptores encontramos el sensor de posición del pedal del freno, sensor de posición de la palanca de cambios, sensor de presión de la dirección hidráulica, el sensor de presión aire acondicionado, sensor de encendido del motor ventilador, sensor de luces altas, sensor de desempañado, etc., cuyo funcionamiento es similar a los sensores estudiados.

2.5.4 Generadores Son aquellos sensores que por su principio de funcionamiento no requieren de alimentación para su normal funcionamiento porque generan corriente eléctrica proporcional a la acción física que sensando.

Sensor de oxígeno o “sonda Lambda” Se localiza sobre el múltiple de escape. En los vehículos con dos tubos de escape existe un sensor por cada uno; este sensor está ubicado antes del convertidor catalítico. Existen sensores de oxígeno localizados después del convertidor catalítico para verificar el funcionamiento del convertidor. Este sensor envía una señal eléctrica variable al computador, proporcional a la cantidad de oxígeno presente en los gases de escape. Esta señal define si la mezcla quemada tuvo una tendencia hacia la riqueza o hacia la pobreza y así el computador tomará decisiones de enriquecimiento o empobrecimiento de la mezcla.

Figura N° 11 - Sensor de oxígeno o sonda Lambda (tomado de la referencia [4]) Grupo 01

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Sensor de detonación, de golpeteo y/o picado Este sensor se localiza en algún punto sobre el bloque del motor o la culata. Se encarga de enviar una señal eléctrica variable al computador, proporcional a la vibración presentada por el motor en virtud de la detonación. Funciona bajo el principio de los cristales piezoeléctricos que al someterlos a vibraciones de determinadas frecuencias generan corriente eléctrica.

Figura N° 12 – Sensor de detonación (tomado de la referencia [4])

2.5.5 Sensores magnéticos Este tipo de sensores realizan su trabajo utilizando como primer elemento de activación las fuerzas generadas por los campos magnéticos los cuales pueden ser proporcionados por la naturaleza o por los efectos de la inducción electromagnética que generan las bobinas. Básicamente existen dos tipos (se expilacan inmediatamente después): Reluctancia variable (conocidos también como captadores magnéticos o como bobinas captadoras). o Efecto Hall o

Reluctancia Variable También conocidos como generador de impulsos, generador de imán o bobina captadora. El principio de funcionamiento de estos sensores es el de la inducción electromagnética. Están compuestos de un imán rodeado por un hilo de cobre, el sensor está montado muy cerca de una rueda giratoria construida de un acero especial que acepta muy bien el magnetismo pero no lo retiene, esta rueda se denomina reluctor. El reluctor posee unas ranuras en lugares específicos Grupo 01

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que hacen variar el campo magnético a medida que se acercan o se alejan del sensor, a medida que se presenta un gran espacio de aire y luego un espacio pequeño las líneas de flujo magnético varían e inducen en el hilo de cobre una corriente alterna de forma sinusoidal. Entre estos encontramos el sensor de posición del cigüeñal, sensor de posición del árbol de levas, sensor de velocidad del vehículo, entre otros.

Figura N° 1 3 - Sensor VSS (tomado de la referencia [4])

Sensores de efecto Hall Estos sensores son una combinación de imán fijo y captador transistorizado. Estos componentes están separados por una rueda giratoria que posee unas ventanas que en un momento dado permiten el paso de las fuerzas del campo magnético entre el imán y el captador, y en otro momento no permiten el paso de estas fuerzas.

Figura N° 14 – Sensor de e fecto may (tomado de la referencia [4])

2.5.6 Sensores piezo resistivos Utilizan como principio de funcionamiento el cambio de la longitud de unas resistencias colocadas sobre un semiconductor (que tiene forma de disco de bario, silicio, titanio o turmalina) por efecto de una presión mecánica. En esta ocasión la vibración generada por los cambios de presión del aire que ingresa al motor, esta variación flecta el disco y a su vez este modifica la Grupo 01

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longitud de las resistencias; en otro tipo de sensor en lugar de flectarse el disco lo hace vibrar y la vibración modifica la longitud de las resistencias.

Sensor de presión absoluta en el múltiple de admisión Está localizado en alguna parte del habitáculo del motor, directamente sobre múltiple de admisión o dentro del computador del vehículo. Consiste en un diafragma de silicio extremadamente delgado tensado entre cuatro resistencias. Cuando la presión del aire en el múltiple de admisión se aplica sobre el diafragma las resistencias se estiran y en consecuencia el valor varía. 2.5.7 Sensores de capacitancia variable Estos sensores son condensadores y por lo tanto tienen como función acumular tensión eléctrica, la característica especial es que la distancia entre las placas semiconductoras es variable. Como de esta distancia depende la cantidad de energía almacenada, al medir la tensión acumulada se conocerá la distancia entre las placas. Sensor de presión absoluta del múltiple de admisión También se localiza en el receptáculo del motor. Consiste en un condensador que acumula mayor o menor energía entre sus placas. La distancia entre las placas está gobernada por el vacío del motor.

Figura N° 15 – Sensor MAP de capacito variable (tomado de la referencia [4])

2.5.8 Sensores anemómetros Tiene como función principal la de medir la velocidad del aire, con este valor el computador calcula la cantidad de aire que está entrando al motor así como sus características (temperatura, densidad, humedad, etc).

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Estos sensores utilizan un hilo de platino o película de maylar, que se mantiene a una temperatura específica, que cambia con una corriente de aire y se aumenta la corriente para mantenerlo a la temperatura especificada.

2.5.9 Sensores ópticos o fotoeléctricos También se denominan de distribuidor óptico en estos sistemas se utilizan diodos emisores de luz y diodos fotoeléctricos, estos sistemas son más exactos que los otros sistemas fundamentalmente porque poseen un mayor número de señales por revolución. Los diodos fotoeléctricos permiten el paso de corriente cuando se expone a cambios de luz y los diodos LED o emisores de luz cuando son sometidos a tensión. Cuando el eje del distribuidor gira el disco también lo hace, y alternativamente permite o no el paso de la luz entre el LED y la fotocélula, creando así una tensión alterna en las celdas fotoeléctricas, la cual es adoptada por un circuito análogo / digital que llevan incorporados estos sensores.

Figura N° 16 – Sensor óptico (tomado de la referencia [4])

2.6 Actuadores Después de que los sensores envían la información al computador en forma de ondas eléctricas, este las procesa, realiza cálculos y toma decisiones que son enviadas a los actuadores o impulsores. Estas señales son digitales y son las encargadas de cerrar o no el circuito a tierra de los actuadores para que puedan realizar trabajo de control del motor. Los actuadores pueden ser electroválvulas, módulos de encendido y en general todos aquellos aparatos eléctricos que participan activa y físicamente en el control del motor. Los actuadores como sistemas de control del motor consisten en: • Sistema de encendido • Sistema de combustible • Circuito de marcha mínima Estos son los de mayor importancia en el control del motor. Existen otros actuadores que también participan en el control de emisiones, estos son: • Sistema de control evaporativo • Sistema de recirculación parcial de gases • Sistema de inyección de aire Grupo 01

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La forma en que como el computador realiza el control de los actuadores consiste básicamente en: − Control de frecuencia variable y ciclo de trabajo fijo − Control de ciclo de trabajo variable y frecuencia fija

2.6.1 Sistema de encendido En la actualidad existe gran cantidad de sistemas de encendido lo que imposibilita hacer un análisis detallado de cada uno de los existentes. En este caso se estudiará el sistema genérico de encendido electrónico de encendido. El sistema genérico de encendido está compuesto por: un sistema primario y un sistema secundario (como todo sistema de encendido). Circuito primario La función principal de este circuito es el controlar el tiempo de saturación de la bobina de encendido, está compuesto por: • Batería • Interruptor • Bobina

de encendido

de encendido

• Condensador • Módulo

de encendido

• Computador • Sensores • Tierras

CKP, CAM 3

del vehículo

3

Son detectores magnéticos o de efecto Hall, que proveen información, en el caso del CKP, sobre la posición del cigüeñal y sobre las R.P.M., para que pueda calcular la repetición de inyección, avance de l a distribución y sincronización del encendido sin distribuidor.

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Figura N° 1 7 - Circuito primario(tomado de la referencia [4])

Circuito secundario La función principal de este circuito es la de distribuir en cada una de las bujías el alto voltaje generado o inducido en la bobina de encendido (kilovoltaje). Está compuesto por los siguientes elementos: • Bobinas de encendido • Cables de alta • Bujías • Tierra del vehículo 2.6.2 Sistema de combustible Tiene como función principal suministrar la gasolina requerida por el motor para trabajar de una manera limpia y eficiente. Existen varios tipos • Inyección de gasolina en el cuerpo de mariposas (Monopunto) • Inyección de combustible por cada cilindro (Multipunto) • Inyección de combustible continua o electromecánica (en desuso) 2.6.3 Circuito de marcha mínima Controla el paso de aire por un conducto alterno a las mariposas de aceleración, el control es realizado mediante una electroválvula que es controlada por el computador del vehículo. El computador ejecuta esta labor cuando le informan que el motor está en fase de marcha mínima.

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Figura N° 18 – Circuito de aire de marcha rápida (tomado de la referencia [4])

El computador también utiliza este sistema para controlar las emisiones en desaceleración y cuando el motor es exigido a máxima potencia, puesto que es una entrada adicional que permite empobrecer la mezcla en desaceleración y balancear la mezcla en marcha alta.

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3.0 Aplicaciones 3.1 El control electrónico del motor Se

considera al motor como un mecanismo complejo, compuesto de varios sistemas, que por un lado hacen posible que el proceso de combustión exista, y por otro, de sistemas que aprovechan la potencia generada por el proceso, para transformarla en movimiento. En lo que respecta al motor, el control electrónico ha sido diseñado para comandar cada uno de los sistemas constitutivos, ya sean los sistemas que generan la combustión, como los que la aprovechan, con dos objetivos principales: Obtener la máxima potencia posible, controlando todo el proceso de combustión, bajo parámetros de bajo consumo de combustible. − Mantener las emisiones de gases de escape, dentro de los parámetros de control de las entidades gubernamentales de la región o país. −

Los sistemas que conforman un control electrónico de motor son: § § § § § § §

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El sistema de control lógico El sistema de alimentación e inyección de combustible El sistema de encendido El sistema de control de marcha mínima El sistema de refrigeración El sistema de admisión de aire Los sistemas de control de emisiones

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3.1.1 El sistema de control lógico El diagrama de este sistema es el siguiente:

Figura N° 19 – Diagrama del sistema de control lógico (tomado de la referencia [1])

Este es el sistema central del control electrónico del motor. Su función principal es la de controlar a todos los sistemas del motor, con base a el estado o modo de funcionamiento y a las Grupo 01

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condiciones atmosféricas, efectuando todas las mediciones, tanto en el mismo motor como las condiciones ambientales en las que se encuentre circulando el vehículo. Los componentes principales del sistema son los sensores, los actuadores y el microcomputador. El microcomputador es el componente electrónico, encargado de efectuar los cálculos y correcciones, en base a la información recibida de los sensores. El resultado de los cálculos se manifiesta en el funcionamiento y accionar de los actuadores. El diagrama esquemático de la constitución interna del microcomputador es el siguiente:

Figura N° 20 - Diagrama esquemático de la constitución interna del microcomputador (tomado de la referencia [1])

Para determinar las condiciones atmosféricas y de funcionamiento se utilizan los sensores. Los sensores utilizados por éste sistema son los siguientes: Sensores que miden condiciones atmosféricas - La presión atmos férica • Sensor de presión absoluta en el múltiple de admisión • Sensor de flujo y masa de aire • La temperatura del aire • Sensor de temperatura de carga de aire Sensores que miden las condiciones de funcionamiento: - La cantidad de aire • Sensor de presión absoluta en el múltiple de admisión. Grupo 01

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• Sensor de flujo y masa de aire. - La temperatura del motor • Sensor de temperatura del refrigerante motor - La velocidad del motor • Sensor de encendido de efecto Hall • Sensor magnético de reluctancia variable del cigüeñal • Sensor de encendido de circuito óptico en el cigüeñal - La velocidad del vehículo • Sensor de re luctancia variable de caja de velocidades • Sensor de reluctancia variable en el diferencial - En algunos casos las posiciones de las válvulas que controlan emisiones • Sensor de posición de válvula EGR • Sensor potenciómetro de vacío en el tanque de combustible - En otros casos la cantidad de gases de escape recirculados • Sensor de contra presión Delta en el múltiple de escape • El desgaste del motor • Sensor de oxígeno - La posición del pistón # 1 para establecer orden de encendido e inyección • Sensor de posición eje de levas de circuito óptico - Sensores de carga de motor • Sensor de demanda de l aire acondicionado A/C • Sensor cíclico de baja presión del A/C • Sensor cíclico de alta presión de l A/C • Sensor de alta presión hidráulica de la dirección • Sensor de señal de frenado • Sensor de aplicación de sobre marcha - Sensores de protección motor • Sensor de baja presión de aceite motor • Sensor piezoeléctrico de detonación La información es recibida por el computador, procesada y comparada con las tablas de calibración en su memoria para establecer las respuestas necesarias, manteniendo el motor en las condiciones más cercanas a las ideales. Con respecto a los actuadores, estos dispositivos reciben las órdenes del computador. Los actuadores se encuentran ubicados en cada uno de los sistemas que constituyen el motor. Los actuadores que conforman el hardware de salida del control lógico son: • Los inyectores • El solenoide de marcha • El solenoide de control EGR Grupo 01

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El solenoide de control de purga del canister (frasco, en español) • El solenoide principal de control de flujo del canister • El solenoide de control de vacío de la válvula de ingreso de la inyección de aire • El solenoide de control de vacío de la válvula de desviación del sistema de inyección de aire. • El solenoide de control de paso variable de aire en el múltiple de admisión. •

Estrategias de funcionamiento Estrategias de funcionamiento normal •

Estrategias de adaptación

Es la estrategia de funcionamiento normal del sistema en donde de la información recibida por los sensores el microcomputador, busca la respuesta correcta en su memoria y suministra la orden u órdenes a los actuadores respectivos. Recibe el nomb re de estrategia “adaptiva ”, debido a que el sistema se adapta a toda condición geográfica, atmosférica, de funcionamiento, manejo, y desgaste a la cual es sometido el motor. El procedimiento para encontrar las respuestas es el siguiente: − Los sensores suministran información al microcomputador. − La información es recibida por el microcomputador y almacenado en su memoria RAM. − El procesador principal extrae de la memoria RAM la información de un sensor a la vez. − La información es procesada según los procedimientos grabados en su memoria ROM. − Cada dato es comparado con la tabla de calibración dentro de la memoria. En algunos microcomputadores la tabla de calibración es independiente y desmontable y recibe nombres como: CALCPAK o PROM. En otros está integrada al microcomputador. − En la tabla de calibración se encuentran los datos de las características del vehículo, así como todas las posibles respuestas en el funcionamiento: avances, cantidad de combustible, control de emisiones, etc. − Las respuestas son nuevamente guardadas en la memoria RAM, antes de pasar a los dispositivos de salida. − Los dispositivos de salida envían señales eléctricas a cada uno de los actuadores. Un ejemplo del proceso anterior se muestra en la siguiente figura. Las estrategias más comunes a un control lógico son: • Estrategia de arranque: en donde el microcomputador determina, con base en la señal de encendido, la cantidad de combustible y la generación del pulso de alto voltaje. • Estrategia de inicio: En la cual en los primeros instantes del encendido el microcomputador determina la temperatura del motor, para establecer la cantidad de combustible necesitado (a menor temperatura mayor cantidad de combustible). En esta estrategia es normal notar el motor acelerado en marcha mínima. Grupo 01

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Figura N° 21 – Sentido del flujo de información para establecer estrategias (tomado de la referencia [1])

Estrategia de circuito abierto: es denominada también estrategia de calentamiento, en la cual debido a la baja temperatura del motor, la no generación de corriente del sensor de oxígeno y al no cumplirse en tiempo predeterminado, el microcomputador mantiene una mezcla rica y un mayor avance. • Estrategia de circuito cerrado: en esta estrategia el funcionamiento del motor se normaliza, dependiendo de las condiciones atmosféricas y de funcionamiento a la que esta sometido. Esta estrategia es aplicable únicamente cuando la velocidad es constante (marca mínima). En la mayoría de los casos los controles de emisiones son aplicados con esta estrategia. • Estrategia de aceleración: en la aceleración el microcomputador determina la cantidad extra de combustible y e mayor avance necesitado. • Estrategia de desaceleración: en la estrategia de desaceleración el microcomputador determina dos comportamientos diferentes: primero la disminución de la cantidad de combustible, menores grados de avance y en algunos casos el funcionamiento del solenoide de marcha mínima por debajo de una velocidad de motor predeterminada. Segundo, el corte de combustible cuando la velocidad del motor es mayor que una establecida por el fabricante. Existen adicionalmente otras estrategias adaptivas, como son la de control de marcha mínima, la de protección por baja lubricación, la de topes de velocidades, tanto de motor como de vehículo. Una de las estrategias más importantes del sistema es la estrategia de aprendizaje, en la cual el microcomputador es capaz de aprender sobre las condiciones de funcionamiento, el estado del motor y el manejo o conducción del vehículo. En la estrategia de aprendizaje sobre las condiciones de funcionamiento, el sistema memoriza las últimas condiciones de funcionamiento y las compara con las actuales, para suministrar como respuestas las mismas soluciones al motor. En la estrategia de estado del motor o estrategia de largo aprendizaje, el microcomputador siempre memoriza las lecturas sobre cantidades de carga de aire o gases de escape a las mismas condiciones (atmosféricas, funcionamiento), para determinar las variaciones debidas a las pérdidas de succión por desgaste. •

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La estrategia de adaptación al manejo funciona de forma similar a la de funcionamiento, donde el microcomputador se adapta a los requerimientos del conductor.

Estrategias de modo de falla: procedimiento de determinación de falla En el caso de que un sensor suministre una información errónea o que un actuador no responda correctamente al computador, se generara una señal de advertencia de la siguiente forma: − Se enciende una luz de advertencia en el tablero de instrumentos − Se genera un código de falla que será guardado en la memoria − Se utiliza un programa diferente al normal según la importancia del daño − Con daños leves se utiliza un programa de sustitución − Con daños importantes se utiliza un programa fijo de apoyo El programa de sustitución, tal como su nombre lo indica, sustituye en el caso de los sensores la in formación errónea para tratar de mantener al motor funcionando en condiciones aceptables. El programa de apoyo reemplaza completamente todo el funcionamiento normal del computador, suministrando señales fijas a los actuadores (si es posible), para que de esta forma el motor pueda encender y funcionar en las mínimas condiciones posibles.

3.1.2 El sistema de inyección de combustible La función de este sistema es suministrar combus tible a la presión requerida para su completa pulverización, y en la cantidad adecuada para establecer con exactitud la proporción de mezcla necesitada, según las condiciones atmosféricas y modos de funcionamiento del motor. La pulverización se logra con el control mecánico de la presión, sin control computarizado. La determinación de la cantidad de combustible o dosificación es establecida con base en la información de los sensores para obtener como respuesta el tiempo en que el inyector permanece abierto. Este sistema se muestra en la figura 23. CLASES DE SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN E INYECCIÓN Existen dos clases de sistemas: − Sistema central o monopunto Sistema multipunto − Sistema central o monopunto: en este sistema los inyectores están ubicados en un cuerpo central llamado cuerpo de aceleración. En este cuerpo se ubican los componentes de control del sistema como son los inyectores, regulador, etc. En este sistema el cuerpo de aceleración se encuentra ubicado al comienzo del múltiple de admisión. En este sistema el cuerpo puede tener uno o dos inyectores. El regulador de presión se encuentra integrado al cuerpo. Grupo 01

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Figura N° 22 – El sistema de alimentación e inyección de combustible (tomado de la referencia [5]).

Los componentes del sistema: − El tanque de combustible: el depósito principal del sistema. − La bomba de combustible: eléctrica y con movimiento de giro, cuya función es la de generar la presión en todo el sistema. Su velocidad es baja entre 200 y 500 revoluciones por minuto. − El filtro de alta presión de combustible: evita el paso de partículas pesadas que podrían taponar el inyector y evitar la pulverización de combustible. − Los conductos: por donde circula el líquido, cuya característica principal es la de ser flexibles y resistentes a la corrosión. − El cuerpo de aceleración: donde se encuentran los inyectores, el regulador de presión, las mariposas del acelerador y las tomas de vacío. Se encuentra ubicado en el múltiple de admisión. − El regulador de presión: reduce la presió n generada por la bomba, y la mantiene constante en la boquilla del inyector, permitiendo el paso de retorno hacia el tanque de combustible. − Los inyectores: son electro válvulas, que hacen posible la pulverización del combustible. Sistema multipunto: en este sistema los inyectores van ubicados en cercanías de cada válvula de admisión, lo que implica un mayo número de inyectores. Los inyectores son

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alimentados por combustible desde el riel de inyectores en donde también se ubica el regulador de presión. Existen cuatro sistemas multipunto: −

Sistema multipunto permanente

−

Sistema multipunto de bancada

−

Sistema multipunto secuencial

Sistema central interno Los componentes del sistema multipunto son: −

El tanque de combustible: el depósito principal del sistema. − La bomba de combustible: eléctrica y con movimiento de giro, cuya función es la de generar la presión en todo el sistema. Su velocidad es baja entre 200 y 500 revoluciones por minuto. − El filtro de alta presión de combustible: evita el paso de partículas pesadas que podrían taponar el inyector y evitar la pulverización de combustible. − Los conductos: por donde circula el líquido, cuya característica principal es la de ser flexibles y resistentes a la corrosión. − El riel de los inyectores: tubo que asegura los inyectores y que canaliza el combustible para alimentar cada una de las electroválvulas. − El regulador de presión: reduce la presión generada por la bomba, y la mantiene constante en la boquilla del inyector, permitiendo el paso de retorno hacia el tanque de combustible. − Los inyectores son electro válvulas, que hacen posible la pulverización del combustible. −

Funcionamiento de un sistema de inyección La bomba de combustible al ser activado el relé respectivo es alimentada de corriente eléctrica, y al girar permite el flujo de combustible a una alta velocidad desde el tanque a los conductos. • La presión que genera la bomba es muy superior a la necesitada en el inyector pare pulverizar el combustible, debido a que el líquido tiene que vencer la resistencia existente en el recorrido: filtros, rozamiento con el ducto, curvas, etc. • Existen generalmente uno o dos filtros en la propia bomba; el primero, para separar la humedad del combustible, y el segundo, para filtrar por primera vez las partículas pesadas y las gomas. • El combustible es obligado a pasar por el filtro principal del sistema en donde teóricamente deben filtrarse las partículas pesadas provenientes del tanque . •

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La velocidad del combustible generada por la bomba hace posible que circule por los conductos, que en algunos casos son fabricados en material Nylon® o Hypalon® (marcas registradas), el cual disminuye el rozamiento y evita la corrosión • El combustible llega al riel de inyectores o cuerpo de aceleración en donde es repartido a los diferentes inyectores • En el riel o cuerpo se encuentra generalmente el regulador de presión, que tiene dos funciones principales: una es disminuir la presión generada en la bomba a la presión necesaria para pulverizar el combus tible en la boquilla de los inyectores. La otra es mantener la presión constante en cualquier modo de funcionamiento del motor. • El combustible a presión llega al inyector. • El computador controla la apertura y cierre del inyector, abriendo o cerrando el circuito eléctrico del mismo. Es decir controlando la tierra del circuito o por el control de la corriente de base en un transistor. •

Figura N° 23 – El control computarizado (tomado de la referencia [1]).

Cuando el microcomputador abre la tierra del circuito, el resorte presiona la aguja contra la boquilla impidiendo el paso del combustible. La alimentación eléctrica al inyector puede ser desde la batería o desde el computador • Cuando el microcomputador cierra a tierra del circuito, circula el flujo de corriente por las bobinas de campo, convirtiéndolas en electroimanes, los cuales a su vez atraen a la aguja metálica permitiendo así el paso del combustible. • El combustible es pulverizado cuando es obligado a salir por los muy pequeños agujeros de la boquilla. • El control de la cantidad de combustible está determinado primero, por el tiempo en que el microcomputador decide mantener a tierra el circuito del inyector y por ende el tiempo en que •

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el inyector permanece abierto. Y segundo, por el número de ciclos de trabajo. • En algunos casos, cuando la temperatura del motor es baja, se incrementa la presión en el sistema al cerrarse una válvula de termo contacto, que controla el vacío del regulador de presión. En otros se incremente el tiempo de apertura en el inyector. • El programa de apoyo reemplaza completamente todo el funcionamiento normal del computador, suministrando señales fijas a los actuadores (si es posible), para que de esta forma el motor pueda encender y funcionar en as mínimas condiciones posibles.

Figura N° 24 – Control computarizado en el inyector (tomado de la referencia [1]).

3.1.3 El sistema de encendido La función del sistema de encendido es la de generar un pulso de alto voltaje que se trans forme en chispa eléctrica entre los electrodos de la bujía, además de controlar el tiempo en que el pulso debe ser generado. Una función adicional es la de modificar el avance cuando se produce el fenómeno de la detonación.

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Clases de sistemas de encendido Existen dos sistemas de encendido en la actualidad: − Sistemas de encendido con distribuidor (DI, DE) − Sistemas sin distribuidor, DIS o EDIS SISTEMA DE ENCENDIDO CON DISTRIBUIDOR Utiliza el distribuidor, como el dispositivo que reparte el pulso a cada bujía según el orden de encendido, el computador controla el avance según las condiciones de funcionamiento del motor. Los dispositivos fundamentales de este sistema son: − La batería: Su función es la de acumular en forma química energía eléctrica, que será utilizada en el momento de arranque o cuando el alternador no suministre suficiente corriente. − El interruptor de encendido: Controla el paso de corriente, abriendo o cerrando el circuito. − El módulo de encendido: Es el dispositivo que controla la bobina de encendido. − La bobina de encendido: Es un transformador, que por medio de la inducción electromagnética, genera el pulso de alto voltaje − El distribuidor: cuya función es la de primero servir como sensor para determinar tanto a velocidad de motor, corno la posición del pistón # 1, y segundo, es el mecanismo que distribuye el pulso de alto voltaje a cada bujía. − Las bujías: Dispositivo que transforma el pulso de alto voltaje en chispa eléctrica. − Los cables de alta: Son los conductos eléctricos por donde circula el pulso de alto voltaje − El microcomputador: controla el módulo de encendido, y hace los cálculos necesarios para los avances según las condiciones de funcionamiento del motor. Con respecto al funcionamiento, primero el sensor de encendido (magnético, de efecto Hall, de circuito óptico) genera una seña l alterna o digital al módulo de encendido y al computador, la señal será usada como referencia de revoluciones por minuto y como referencia de la posición del pistón #1.

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Figura N° 2 5 – La señal generada por el sensor de encendido (tomado de la referencia [2 ]).

SISTEMA DE ENCENDIDO SIN DISTRIBUIDOR Este sistema utiliza un paquete de bobinas múltiples, la cuales actúan sobre un determinado grupo de bujías y es el computador el que se encarga de establecer el orden de encendido, además de los avances. Existen dos tipos de sistemas sin distribuidor: • Sistemas sin distribuidor con bobinas externas • Sistemas sin distribuidor con bobinas internas

Figura N° 26 – Componentes de un sistema de encendido sin distribuidor (tomado de la referencia [2]).

En este último tanto los paquetes de bobinas, los cables de alta, y las bujías se encuentran ubicados dentro de una carcaza en la parte interna del motor. Los dispositivos fundamentales de este sistema son: − La batería: su función es la de acumular en forma química energía eléctrica, que será utilizada en el momento de arranque o cuando e1 alternador no suministre suficiente corriente Grupo 01

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El interruptor de encendido: Controla el paso de corriente, abriendo o cerrando el circuito. − El sensor de velocidad de motor: Ubicado cerca del cigüeñal, suministra información sobre revoluciones por minuto. En algunos casos, suministra información también sobre la posición del pistón # 1, en otros existe un sensor adicional para este propósito. − El módulo de encendido: Es el dispositivo que controla la bobina de encendido. − El paquete de bobinas: Cada bobina está constituida por dos torres de alta, y cada torre permite la salida del pulso de alto voltaje a una bujía en forma individual. − Las bujías: Dispositivo que transformo €1 pulso de alto voltaje en chispa eléctrica. − Los cables de alta: Son los conductos eléctricos por donde circula el pulso de alto voltaje. − El microcomputador: controla el módulo de encendido, y hace los cálculos necesarios para los avances según las condiciones de funcionamiento del motor y establece el orden de encendido, controlando cada bobina en forma individual. Su funcionamiento es el siguiente: el sensor de RPM y de posición de cigüeñal genera una señal alterna al módulo de encendido y al computador, señal que será utilizada corno referencia de RMP y como referencia de la posición del pistón # 1. El computador al recibir la señal del sensor hace los cálculos necesarios (utilizando además la información de otros sensores), para determinar los grados de avance y el ángulo o porcentaje de DWELL. La señal es enviada al módulo de encendido En los últimos vehículos DIS, se ha eliminado el módulo de encendido por lo que el control sobre el paquete de bobinas es directo. El módulo de encendido con la información que recibe del computador, controla el negativo de cada paquete de bobina, pera generar e1 pulso de alto voltaje. De esta manera se controla elavance y el orden de encendido. El pulso generado en la bobina de encendido sale por las dos torres a dos bujías diferentes. Una se encuentra en el cilindro del tiempo de compresión, y la otra se encuentra en el cilindro en tiempo de escape. La chispa que se produce en la bujía en tiempo de escape no se utiliza y se considera perdida. Es por esta razón que en algunos casos estos sistemas se denominan de chispa perdida. Cada bobina tiene su propio terminal negativo lo que significa que si el sistema está en un motor de 4 cilindros se utilizan dos bobinas con un solo terminal de alimentación y dos terminales negativos −

SISTEMA IDI Funciona similar al sistema DIS, con la única diferencia de que por un mayor voltaje de pulso a las bujías, todos los componentes del circuito electrónico secundario se encuentran dentro de un capacete en la parte superior del motor, y totalmente oculto a la vista. La duración de los componentes es mucho mayor que los otros sistemas de encendido. Grupo 01

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Este sistema existe a la vez un subsistema antidetonante, manejado por el control de detonación, que adelanta o avanza el tiempo de encendid o, cuando aparece el fenómeno de la detonación, de tal manera que se adelanta el fenómeno evitando el cascabeleo en el cilindro. Sus componentes del subsistema son: − El sensor de detonación: Dispositivo piezoeléctrico que genera un voltaje cuando el fenómeno de la detonación aparece. − El módulo de detonación: que hace las modificaciones necesarias en el avance, dependiendo del voltaje que recibe del sensor. Funciona así, el sensor de detonación al detectar la vibración que se produce después de la detonación, genera un voltaje alterno de más de 300mv al microcomputador. Al recibir la señal, el microcomputador modifica el avance con el fin de disminuir la presión de la cámara y de esta forma evitar que se produzca un nuevo fenómeno de detonación

3.1.4 El sistema de control de marcha mínima Tal como su nombre lo indica, el sistema de control de marcha mínima mantiene el funcionamiento del motor en ralentí según las especificaciones dadas por el fabricante. Este control en ralentí, es en cualquier condición de funcionamiento: • Marcha mínima normal • Marcha mínima acelerada: El motor con carga producida por alta presión hidráulica, activación del aire acondicionado, aplicación de marcha en cajas automáticas, etc. Existe una función adicional, aplicable a casi todos los vehículos con sistemas de inyección monopunto externo, que es el control de emisiones en desaceleración. Cuando se deja de presionar el pedal del acelerador, la mariposa respectiva, se cierra instantáneamente, evitando a entrada de aire, más no así la entrada de combustible. El sistema de control de marcha mínima permite una entrada adicional de aire para mantener a mezcla lo más cercana a la condición estequiométrica.

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Figura N° 27 – Funcionamiento en ciclos del sistema de control de marcha mínima (tomado de la referencia [1]).

Clases de sistemas de control de marcha mínima Existen tres sistemas para el control de ralentí; • Sistema con válvula de control de paso de aire en derivación • Sistema de control de ralentí por posición de mariposa o sistema con gobernador • Sistema de control de marcha mínima térmico SISTEMA CON VÁLVULA DE CONTROL DE PASO DE AIRE EN DERIVACIÓN Componentes: − Cuerpo de las mariposas del acelerador: carcaza donde se ubican las mariposas del acelerador y la válvula de control de marcha mínima. − Válvula de derivación de aire: es un solenoide que permite o no el paso de aire por un conducto adicional a la mariposa del acelerador − Módulo de control de motor: Dispositivo electrónico que controla el funcionamiento de la válvula de ralentí. Funcionamiento: El solenoide o válvula de ralentí está alimentado permanentemente por la batería. El computador controla el circuito de la válvula en la tierra, abriendo o cerrando el circuito. La posición normal del solenoide es extendido, impidiendo el pasote aire por el conducto de derivación. Mientras el computador no cierre tierra el circuito el solenoide cierra el paso de aire. Cuando el computador cierra el circuito a tierra, el solenoide se retrae permitiendo el paso de aire. Basado en la información de los sensores el computador calcula la cantidad de aire necesaria para mantener la mínima en cualquier condición de funcionamiento. Después de hechos los cálculos el computador cierra y abre el circuito de la válvula en forma cíclica, un Grupo 01

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número determinado de veces. Ese número de ciclos permite la entrada del volumen de aire necesitado. SISTEMA DE CONTROL RALENTÍ POR POSICIÓN DE MARIPOSA Componentes: − El cuerpo de mariposas del acelerador: donde se ubica el solenoide. − El solenoide de control de posición de la mariposa del acelerador. − Eje de mariposas del acelerador − Computador: dispositivo electrónico que controla el funcionamiento del gobernador de ralentí. SISTEMA DE CONTROL DE MARCHA MÍNIMA TÉRMICA En realidad no es un sistema integral de marcha mínima, sino que es una válvula adicional para el control de mínima a bajas temperaturas. Permite la entrada de aire adicional a los solenoides IAC o ISC con el fin de aumentar la velocidad de marcha mínima y disminuir el tiempo de calentamiento. La constitución de la válvula térmica es muy similar a la de un termostato, con un núcleo de cera que se expande por el calor. Este núcleo de cera se encuentra en contacto con el líquido refrigerante.

3.1.5 El sistema de admisión de aire Su función es la de permitir la entrada de aire para la medición correcta de su densidad y evitando al máximo las pérdidas por fricción, mejorando la eficiencia de llenado de los cilindros. Clases de sistema de inyección: • Sistema de admisión de aire con múltiple de paso variable. • Sistema de admisión de aire con múltiple de paso dinámico. SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE CON MÚLTIPLE DE PASO VARIABLE Los componentes de este sistema son: − El ducto de admisión: canaliza la entrada de aire al múltiple de admisión. − El cuerpo de mariposas del acelerador. − El múltiple de admisión: es el conjunto de ductos que canalizan la entrada de aire y/o la mezcla a cada cilindro. Se denomina de paso variable debido a que cuenta con ductos de dos clases de diámetros. Primero, un ducto de amplio diámetro a la entrada cuya función es la de permitir la entrada de una gran cantidad de aire. Segundo, unos ductos para cada cilindro, de menor paso, con el fin de incrementar la velocidad de entrada del aire. − Los sensores para la medición del aire: en ciertas partes del sistema se colocan sensores que sensan los siguientes parámetros: temperatura del aire, prsión atmosférica, la cantidad de aire o masa de aire. Funcionamiento: los ductos de admisión están diseñados para facilitar la entrada de aire, Grupo 01

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con un flujo de tendencia laminar. El cuerpo de las mariposas del acelerador, es el cuerpo donde se ubican las mariposas para controlar el paso de aire. El múltiple de admisión, diseñado de tal forma que el ducto primario permite la entrada de una gran cantidad de aire y cada ducto secundario es de igual longitud con el fin de que la eficiencia de llenado de cada cilindro sea la misma. Sistema de admisión de aire con múltiple de paso dinámico

Figura N° 28 – El múltiple de admisión de aire dinámico (tomado de la referencia [5]).

Los componentes del sistema son: − El ducto de admisión: canaliza la entrada de aire al múltiple de admisión − El cuerpo de las mariposas del acelerador: dispositivo en donde se ubican las mariposas de aceleración. − El múltiple de admisión: Es el conjunto de ductos que canalizan la entrada del aire y/o la mezcla a cada cilindro. Se denomina de paso variable debido a que cuenta con ductos de dos clases de diámetros. − Válvula y solenoide de control de paso de aire: La válvula guía el flujo de aire hacia un determinado número de cilindros, mejorando la eficiencia de llenado en marcha mínima. − Los sensores para a medición del aire: En ciertas partes del sistema se ubican los sensores que sensan los siguientes parámetros: temperatura de aire, presión atmosférica, la cantidad de aire o masa de aire. Funcionamiento: Los ductos de admisión están diseñados para facilitar la entrada de aire, con un flujo de tendencia laminar. El cuerpo de las mariposas del acelerador, es el cuerpo donde se ubican las mariposas para controlar el paso de aire. El múltiple de admisión, diseñado de tal forma que cada ducto secundario es de igual longitud con el fin de que la eficiencia de llenado de cada cilindro sea la misma. Existe una válvula de paso de aire, la cual aísla cada lado del múltiple de admisión en marcha mínima, o un grupo de inyectores, con el fin de permitir un flujo más directo a cada cilindro. La válvula es abierta por un solenoide controlado por el microcomputador, permitiendo un flujo total en el múltiple, mejorando la eficiencia de llenado en alta. Grupo 01

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3.1.6 El sistema de refrigeración

Figura N° 29 – Componentes de un sistema de re frigeración con control computarizado (tomado de la referencia [5]).

La función del sistema de refrigeración, es la de mantener la temperatura del motor dentro de los rangos necesarios para que la combustión sea completa. Los componentes del sistema son: − El sensor de temperatura: Este dispositivo le suministra información al computador sobre la temperatura del líquido refrigerante. − El electro ventilador: elemento electromecánico, controlado por el computador. Cuando la corriente eléctrica circula por su circuito, gira permitiendo que el aire circule por el radiador, refrigerando el líquido de refrigeración. − El microcomputador: Es el encargado de controlar el circuito del electro ventilador, con base en la información del sensor de temperatura. − Los relevadores de potencia: estos interruptores son controlados a tierra por el microcomputador, permitiendo el paso de corriente hacia el (los) electro ventilador (es). Existen en la mayoría de los vehículos dos relevadores de potencia, uno para baja velocidad y otro para alta velocidad. Funcionamiento: el computador recibe una señal del sensor de temperatura y compara la Grupo 01

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señal recibida con sus datos de calibración para determinar el encendido del electro ventilador. Cuando el computador determina que es necesario encender el electro ventilador, cierra a tierra el circuito de control del relé respectivo (en el relevador), permitiendo el paso de corriente al motor del ventilador. La velocidad del computador está determinada por el uso de los relevadores respectivos. Con una temperatura normal se hace uso de la baja velocidad. Cuando la temperatura permanece en el límite o es superada, se energiza el segundo relevador para elevar la velocidad del electro ventilador. La aplicación del primer relevador permite un lujo de corriente de una intensidad preestablecida. Al ser energizado el segundo relevador la intensidad de la corriente se incrementa, aumentando de esa forma la velocidad del electro ventilador. En algunos casos se hace uso de dos electro ventiladores.

Figura N° 30 – El circuito de control de los electro ventiladores (tomado de la referencia [5]).

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4.0 Conclusiones −

El análisis estructural de los motores de combustión determinó, que tales motores se componen de partes estáticas y de otras móviles.

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El funcionamiento de los motores de combustión se basa, generalmente, en un ciclo termodinámico de cuatro tiempos correspondientes a admisión, compresión, expansión y escape.

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El modelo del motor utilizado para determinar el sistema de control, depende del objetivo que se quiere alcanzar, ya sean modelos orientados al diseño o al control y también de la variable base utilizada. Su fin primordial es el de ahorrar tiempo y dinero en el proceso de diseño del sistema de control del motor.

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La precisión de los sensores utilizados para monitorear un sistema controlado, lleva a un mayor conocimiento del estado actual del sistema e interviene en la respuesta deseada de los mismos.

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El sistema de control de un motor de combustión interna puede separarse para su estudio en varios subsistemas, que realizan tareas de control para hacer funcionar diferentes procesos.

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Los sistemas de control electrónicos mejoran el rendimiento del motor de combustión interna pues permiten manipular datos de forma sencilla y rápida, además del aumento en la cantidad de parámetros que se pueden manejar.

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La automatización de los procesos del motor, a través del control electrónico, permite producir motores de combustión interna que aprovechan mejor el combustible que los antiguos motores solamente mecánicos, lo que tiene como consecuencia un mejor uso de la energía y la protección del ambiente.

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Aplicación de los sistemas de control en los motores de combustión interna

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