aplicación de los sistemas de control en los motores de combustión interna
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Universidad de Costa RicaFacultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería EléctricaDepartamento de Automática
IE – 431 Sistemas de Control
MONOGRAFIA
APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROLEN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
GRUPO: 01
INTEGRANTES:Elías Retana DuránCarlos Montes Solano
Allan Rivera AlfaroPERIODO: I Semestre de 2005
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Grupo 01 I Semestre de 2005
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TABLA DE CONTENIDORESUMEN........................................................................................................1
1.0 Introducción...............................................................................................2
2.0 El motor de combustión interna y sus sistemas de control..........................3
2.1 Definición..............................................................................................................................32.2 Cinemática del motor.............................................................................................................3
2.2.1 El conjunto estático.........................................................................................................32.2.3 El conjunto móvil ...........................................................................................................52.2.4 El sistema valvular..........................................................................................................6
2.3 La termodinámica en el motor...............................................................................................72.4 Modelos de los motores de combustión interna ....................................................................82.4.1 Diseño .............................................................................................................................82.4.2 Modelado del sistema.....................................................................................................82.4.3 Modelos más importantes ...............................................................................................9
2.5 Sensores ...............................................................................................................................132.5.1 Termistores ...................................................................................................................142.5.2 Potenciómetros .............................................................................................................142.5.3 Interruptores..................................................................................................................152.5.4 Generadores..................................................................................................................172.5.5 Sensores magnéticos.....................................................................................................18
2.5.6 Sensores piezo resistivos ..............................................................................................192.5.7 Sensores de capacitancia variable.................................................................................202.5.8 Sensores anemómetros..................................................................................................202.5.9 Sensores ópticos o fotoeléctricos..................................................................................21
2.6 Actuadores...........................................................................................................................212.6.1 Sistema de encendido ...................................................................................................222.6.2 Sistema de combustible ................................................................................................232.6.3 Circuito de marcha mínima ..........................................................................................23
3.0 Aplicaciones..............................................................................................25
3.1 El control electrónico del motor .........................................................................................253.1.1 El sistema de control lógico..........................................................................................26
3.1.2 El sistema de inyección de combustible .......................................................................313.1.3 El sistema de encendido................................................................................................353.1.4 El sistema de control de marcha mínima......................................................................393.1.5 El sistema de admisión de aire......................................................................................413.1.6 El sistema de refrigeración...........................................................................................43
4.0 Conclusiones............................................................................................. 45
5.0 Bibliografía............................................................................................... 46
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RESUMEN
Cuando se habla del funcionamiento del motor de combustión interna se hace referencia 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 ymodelado 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 físico posible.
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1.0 Introducción
El presente trabajo busca ampliar algunos conceptos, referentes al control 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 (verreferencia 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 sistemade 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 DefiniciónSe 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. Latrans formación de esta energía se efectúa dentro del motor, en los cilindros, en un procesodenominado 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, sinopara 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 factoresde primordial importancia: el primero tiene que ver con la transformación de la energía, que sebasa en principios termodinámicos; y el segundo factor tiene que ver con el movimiento, quegenera la energía calórica, que se basa en principios mecánicos o cinemáticos.
2.2 Cinemática del motorLa 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 delmovimiento que existe en un motor de combustión interna.
Un motor de combustión interna en su estado más simple, está constituido por tres sistemasfundamentales, 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 demásdispositivos 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
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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 lascaracterísticas sobre el cilindraje, la lubricación de las paredes, la potencia y la eficiencia delmotor.
Dimensiones del cilindro y “cilindrada”
El tamaño de los cilindros se define por su diámetro interior (también llamado calibre), y lacarrera 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])
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Se llama “cilindrada” individual, al volumen que desaloja el pistón cuando se pesplazadesde el P.M.S. al P.M.I. La cilindrada total, es el resultado entre el volumen individual y elnúmero 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 decombustión, 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 lade 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 sistemapermiten la apertura y el cierre de las válvulas.
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2.3 La termodinámica en el motorNo existe una definición precisa de la termodinámica, al estudiar varias definiciones seencuentran 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 elcomportamiento de la materia a cambios de temperatura, o de estado físico, lo que implica loscambios o transferencia de la energía que suceden dentro de un sistema que contiene algunacantidad de materia.
El ciclo de cuatro tiempos
La mayoría de los motores de combustión interna trabajan con base en un ciclo de cuatrotiempos, cuyo principio es el ciclo termodinámico de Otto 1. Por lo tanto el ciclo de cuatrotiempos de un motor de combustión interna, basa su eficiencia en la variación de la temperaturatanto en el proceso de compresión isentrópico2, 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 decirdescribe 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 sistema.
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2.4 Modelos de los motores de combustión interna2.4.1 Diseño
Para poder realizar un sistema de control aplicado a la mezcla de aire y gasolina, serequiere 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 deprovocar daños en el motor real por los errores de diseño. También el proceso de optimizacióndel sistema de control se facilita si se realiza en un modelo y no en la vida real, debido al ruidoexistente en el motor real.
Con el sistema de control se logra ajustar la sincronización del motor, el proceso deinyección, el de encendido, el de marcha mínima y de admisión de aire, entre otros, lo cualpermite un funcionamiento óptimo del motor. Esto se logra a partir de la informaciónsuministrada por los sensores que determinan el estado de los parámetros de control en unmomento dado.
En los primeros motores, se utilizaban sistemas mecánicos para los procesos desincronización y distribución del motor. En la actualidad los fabricantes prefieren los sistemasautomatizados para realizar los procesos anteriores. Se prevé que en un futuro cercano, no existauna conexión mecánica entre el pedal de la válvula reguladora y el motor, sino que la orden pasepor el sistema de control, el cual a partir de sus actuadores ejecute las acciones en el motor, estetipo 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 haencontrado un modelo matemático que contemple todos los fenómenos físicos y químicos queocurren durante el ciclo de funcionamiento del motor. Sin embargo, se han realizado variosestudios teóricos, que buscan modelar a través de ecuaciones el fenómeno de formación de lamezcla. Para llegar a dichos modelos es necesario partir de ciertas suposiciones, las cualesresponden a hipótesis que se plantean según el objetivo con el que ha elaborado el modeloademás de la variable tomada como base.
Modelos según su objetivo:
− Modelos orientados al diseño: son una fiel representación de un fenómeno muyconcreto del motor al que hacen referencia, con el objetivo de diseñar o modificar algúncomponente contemplado en el modelo (diseño de colectores de admisión, inyectores,cámaras de combustión, etc.). Los parámetros son de tipo geométrico o físico. Delresultado de la simulación se elige un número limitado de variantes, con lo que la cantidadde experimentos queda bastante reducida.
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−
Modelos orientados al control: estos modelos son más generales, ya que lo quebuscan es controlar una variable específica y no modelar el proceso completo. En estosmodelos se fija la variable base como la variable a controlar y se analiza como interactúanlos otros parámetros del proceso con esta despreciando algunas. Un ejemplo de esto es elmodelo de control de la mezcla.
Modelos según la variable base
• Dominio del tiempo : se trata de modelos, continuos o discretos, pero con unabase temporal. Los fenómenos para los que son más adecuados son aquellos que cuentan conretardos 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 quesignifica que se trata de modelos discretos, con un tiempo de muestreo inversamenteproporcional al régimen de giro. Suele tomarse una muestra de cada segme nto, o lo que es lomismo, cada chispa de la bujía; esto equivale en un motor de cuatro tiempos y cuatrocilindros a media vuelta. Se adapta mejor a los fenómenos ligados al ciclo termodinámico delmotor.
2.4.3 Modelos más importantes
Con el objetivo de ilustrar los modelos más importantes, se presenta a continuación algunosmodelos y una breve reseña de cada uno.
El modelo de Dobner (tomado de la referencia [4]) es matemático discreto y en el dominiodel ángulo, donde los parámetros de entrada son: el ángulo de mariposa, la relación aire-combustible, el avance de encendido y el par resistivo, y del modelo se obtiene: la presión en elcolector de admisión, el par neto y la velocidad de rotación.
Los procesos modelados son: el carburador, el colector de admisión, la combustión y ladinámica del motor. Toma en cuenta la proporción de gases residuales (EGR). Las fórmulas sebasan en masas instantáneas, las cuales se obtienen por integración del caudal, y no muestra losvalores de los parámetros. Considera asimismo distribución irregular para cada cilindro dentro deun ciclo. Finalmente, valida el modelo obtenido con un motor de 5,7 l, primero en régimenestabilizado, 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 alcilindro, 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 fim•
pasa a forma de vapor, mientras que el resto se deposita en la superficie de la mariposa, elcolector y la válvula. Determina que, para un motor con inyección central, el valor de X se puedeaproximar 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 fpm•
es proporcional a la masa existente en la propia capa. La masa total de
combustible f m•
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 unaconstante de tiempo f τ , y definido por las dos ecuaciones siguientes:
El modelo de Yuen (tomado de la referencia [4]), basado en el de Dobner, introduceconceptos termodinámicos en el proceso de evaporación del combustible, y tiene en cuenta ladinámica de los sensores. Propone un modelo para la generación de gases contaminantes sincatalizador. 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 aun motor V6 de 3,1 l y un V8 de 5,7 l, primero en la base del tiempo, y luego en la base delángulo. Cálcula de forma experimental todos los parámetros en tres puntos de funcionamientoconcretos, sin llegar a generalizar para todo campo de operación del motor. Considera losiguientes procesos:
• Combustible a par• Aire a par• Dinámica rotacional• Retardo de transporte de los gases de escape
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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 devarios años un conjunto de artículos sobre un modelo bastante completo, promediado, y en eldominio 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 películalíquida, 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 deencendido, régimen y presión de admisión en el segundo; posteriormente justifica esas fórmulascon un análisis físico y matemático.
Realiza unos experimentos con un motor Ford de 1,1 l, a partir de los cuales valida sumodelo. 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 sistemasmultipunto.
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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 anterioresy los modifican para perfeccionarlos según la necesidad de análisis que se requiere para elmodelo. Otros modelos fueron desarrollados por Benninger, Chang, Amstutz, Jones, Le Moyne(tomado de la referencia [4]).
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2.5 SensoresUn sensor es un dispositivo que cuenta con un elemento que reacciona eléctricamente a unfenómeno 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 generavoltajes que son tomados por el computador como valores de la variación de la condición física ala cual reacciona el elemento. Por lo tanto los sensores son elementos que tienen como funciónprincipal “enviar señales eléctricas variables al computador del vehículo, proporcionales alfenómeno 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 variableo Efecto hall
• Piezo resistivos• Capacitancia variable• Anemómetros• Ópticos o fotoeléctricos
Todos los sensores tienen terminales eléctricas para poder alimentarlos, para poder cerrarcircuitos a tierra y para enviar sus señales variables al computador, es así como se encuentransensores de un solo terminal y otros hasta de cuatro terminales.
Aquellos sensores que requieren alimentación de corriente para funcionar pueden estaralimentados directamente desde el computador con un voltaje denominado de REFERENCIA(VREF) y es aproximadamente 5.0 voltios, para completar el circuito tendrá una tierranormalmente a través del computador (GND) o a través del mismo cuerpo del sensor. Existenalgunos sensores que para su funcionamiento requieren de una alimentación de voltaje de bateríaen cuyo caso estarán alimentados con voltaje de PODER (VPWR), en algunos vehículos se seutiliza como voltaje de alimentación de sensores 8.0 voltios.
Todos los sensores tienen una terminal de señal variable que es enviada al computador ynormalmente 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 seestá 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 níquely manganeso con cobre finamente dividido, que varía su resistencia cuando es sometido avariaciones de temperatura, por lo cual se utiliza para sensar la temperatura del refrigerante delmotor, 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 oen un conducto de refrigerante motor en la culata.
Su función es enviar una señal eléctrica variable al computador proporcional a latemperatura del refrigerante del motor. Está alimentado directamente por el computador convoltaje 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 oadentro 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 labrinda el computador.
2.5.2 Potenciómetros
Un potenciómetro es una resistencia variable con tres terminales, un extremo estáalimentado desde el computador con voltaje de REFERENCIA (≈ 5.0v), el otro extremo de laresistencia está conectado a tierra a través del computador y el tercer terminal se conecta a uncontacto deslizante que se desplaza a lo largo de la resistencia.
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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 solidarioal eje de las mariposas de aceleración de tal manera que el contacto deslizante es controlado porel 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 alcomputador, proporcional a la cantidad de aire que entra al motor. El contacto deslizante de estesensor está en contacto directo con una compuerta colocada en el conducto de entrada de aire almotor, de tal manera que el aire que entra la mueve. A mayor cantidad de aire del motor será elgiro de la compuerta y por lo tanto el contacto deslizante se desplazara sobre la resistenciaaumentando 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 quesolo tiene dos terminales eléctricas. Existen gran cantidad de interruptores en los vehículos concontrol 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 mínimade la mariposa de aceleración.
Este sensor tiene dos posiciones activado / desactivado. Cuando la mariposa se encuentracerrada el interruptor de normalmente se encuentra cerrado (activado) y permite el paso decorriente hacia el computador que interpreta esta señal como marcha mínima; en el momento quela mariposa inicia su recorrido de aceleración el interruptor se abre (desactiva) y la corriente nofluye 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 deaceleración. Envía una señal eléctrica variable al computador, proporcional a la posición demáxima aceleración.
Tiene dos posiciones activado / desactivado mientras la mariposa no esté en posición demáxima aceleración se encuentra desactivado y el computador no recibirá señal alguna esto seráinterpretado 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 elcomputador.
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, elsensor de presión aire acondicionado, sensor de encendido del motor ventilador, sensor de lucesaltas, 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 alimentaciónpara 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 unsensor por cada uno; este sensor está ubicado antes del convertidor catalítico. Existen sensores deoxígeno localizados después del convertidor catalítico para verificar el funcionamiento delconvertidor. Este sensor envía una señal eléctrica variable al computador, proporcional a lacantidad de oxígeno presente en los gases de escape. Esta señal define si la mezcla quemada tuvouna tendencia hacia la riqueza o hacia la pobreza y así el computador tomará decisiones deenriquecimiento o empobrecimiento de la mezcla.
Figura N° 11 - Sensor de oxígeno o sonda Lambda (tomado de la referencia [4])
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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 deenviar una señal eléctrica variable al computador, proporcional a la vibración presentada por elmotor en virtud de la detonación. Funciona bajo el principio de los cristales piezoeléctricos queal someterlos a vibraciones de determinadas frecuencias generan corriente eléctrica.
Figura N° 12 – Sensor de detonación (tomado de la referencia [4])
2.5.5 Sensores magnéticosEste 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 lanaturaleza o por los efectos de la inducción electromagnética que generan las bobinas.
Básicamente existen dos tipos (se expilacan inmediatamente después):
o Reluctancia variable (conocidos también como captadores magnéticos o comobobinas captadoras).
o Efecto Hall
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 deuna rueda giratoria construida de un acero especial que acepta muy bien el magnetismo pero nolo retiene, esta rueda se denomina reluctor. El reluctor posee unas ranuras en lugares específicos
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que hacen variar el campo magnético a medida que se acercan o se alejan del sensor, a medidaque se presenta un gran espacio de aire y luego un espacio pequeño las líneas de flujo magnéticovarían 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 delevas, 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. Estoscomponentes están separados por una rueda giratoria que posee unas ventanas que en unmomento 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 resistenciascolocadas 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 depresión del aire que ingresa al motor, esta variación flecta el disco y a su vez este modifica la
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longitud de las resistencias; en otro tipo de sensor en lugar de flectarse el disco lo hace vibrar yla 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 deadmisión o dentro del computador del vehículo. Consiste en un diafragma de silicioextremadamente delgado tensado entre cuatro resistencias. Cuando la presión del aire en elmúltiple de admisión se aplica sobre el diafragma las resistencias se estiran y en consecuencia elvalor varía.
2.5.7 Sensores de capacitancia variable
Estos sensores son condensadores y por lo tanto tienen como función acumular tensióneléctrica, la característica especial es que la distancia entre las placas semiconductoras esvariable. Como de esta distancia depende la cantidad de energía almacenada, al medir la tensiónacumulada 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 acumulamayor o menor energía entre sus placas. La distancia entre las placas está gobernada por el vacíodel 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 elcomputador 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 unatemperatura específica, que cambia con una corriente de aire y se aumenta la corriente paramantenerlo a la temperatura especificada.
2.5.9 Sensores ópticos o fotoeléctricos
También se denominan de distribuidor óptico en estos sistemas se utilizan diodos emisoresde luz y diodos fotoeléctricos, estos sistemas son más exactos que los otros sistemasfundamentalmente porque poseen un mayor número de señales por revolución.
Los diodos fotoeléctricos permiten el paso de corriente cuando se expone a cambios de luzy 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 entreel LED y la fotocélula, creando así una tensión alterna en las celdas fotoeléctricas, la cual esadoptada por un circuito análogo / digital que llevan incorporados estos sensores.
Figura N° 16 – Sensor óptico (tomado de la referencia [4])
2.6 ActuadoresDespués 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 actuadoreso impulsores. Estas señales son digitales y son las encargadas de cerrar o no el circuito a tierra delos actuadores para que puedan realizar trabajo de control del motor.
Los actuadores pueden ser electroválvulas, módulos de encendido y en general todosaquellos 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 quetambién participan en el control de emisiones, estos son:
• Sistema de control evaporativo• Sistema de recirculación parcial de gases• Sistema de inyección de aire
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La forma en que como el computador realiza el control de los actuadores consistebásicamente 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 unanálisis detallado de cada uno de los existentes. En este caso se estudiará el sistema genérico deencendido electrónico de encendido.
El sistema genérico de encendido está compuesto por: un sistema primario y un sistemasecundario (como todo sistema de encendido).
Circuito primario
La función principal de este circuito es el controlar el tiempo de saturación de la bobina deencendido, está compuesto por:
• Batería
• Interruptor de encendido
• Bobina de encendido
• Condensador
• Módulo de encendido• Computador
• Sensores CKP, CAM 3
• Tierras del vehículo
3 Son detectores magnéticos o de efecto Hall, que proveen información, en el caso del CKP, sobre laposición del cigüeñal y sobre las R.P.M., para que pueda calcular la repetición de inyección, avance de ladistribución y sincronización del encendido sin distribuidor.
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Figura N° 17 - 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 altovoltaje generado o inducido en la bobina de encendido (kilovoltaje). Está compuesto por lossiguientes 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 trabajarde 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 controles realizado mediante una electroválvula que es controlada por el computador del vehículo. Elcomputador 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 ycuando el motor es exigido a máxima potencia, puesto que es una entrada adicional que permiteempobrecer la mezcla en desaceleración y balancear la mezcla en marcha alta.
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3.0 Aplicaciones3.1 El control electrónico del motor
Se considera al motor como un mecanismo complejo, compuesto de varios sistemas, quepor un lado hacen posible que el proceso de combustión exista, y por otro, de sistemas queaprovechan la potencia generada por el proceso, para transformarla en movimiento.
En lo que respecta al motor, el control electrónico ha sido diseñado para comandar cadauno de los sistemas constitutivos, ya sean los sistemas que generan la combustión, como los quela aprovechan, con dos objetivos principales:
− Obtener la máxima potencia posible, controlando todo el proceso de combustión, bajoparámetros de bajo consumo de combustible.
− Mantener las emisiones de gases de escape, dentro de los parámetros de control de lasentidades gubernamentales de la región o país.
Los sistemas que conforman un control electrónico de motor son:
§ 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 decontrolar a todos los sistemas del motor, con base a el estado o modo de funcionamiento y a las
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condiciones atmosféricas, efectuando todas las mediciones, tanto en el mismo motor como lascondiciones ambientales en las que se encuentre circulando el vehículo.
Los componentes principales del sistema son los sensores, los actuadores y elmicrocomputador. El microcomputador es el componente electrónico, encargado de efectuar loscálculos y correcciones, en base a la información recibida de los sensores. El resultado de loscálculos se manifiesta en el funcionamiento y accionar de los actuadores. El diagramaesquemático de la constitución interna del microcomputador es el siguiente:
Figura N° 20 - Diagrama esquemático de la constitución interna del microcomputador (tomado de lareferencia [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 atmosférica• 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.
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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 decalibración en su memoria para establecer las respuestas necesarias, manteniendo el motor en lascondiciones más cercanas a las ideales.
Con respecto a los actuadores, estos dispositivos reciben las órdenes del computador. Losactuadores 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
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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 recibidapor los sensores el microcomputador, busca la respuesta correcta en su memoria y suministra laorden u órdenes a los actuadores respectivos.
Recibe el nombre de estrategia “adaptiva ”, debido a que el sistema se adapta a todacondición geográfica, atmosférica, de funcionamiento, manejo, y desgaste a la cual es sometidoel 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 nombrescomo: 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 losdispositivos 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 decombustible necesitado (a menor temperatura mayor cantidad de combustible). En esta estrategiaes normal notar el motor acelerado en marcha mínima.
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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 lacual debido a la baja temperatura del motor, la no generación de corriente del sensor de oxígenoy al no cumplirse en tiempo predeterminado, el microcomputador mantiene una mezcla rica y unmayor avance.
• Estrategia de circuito cerrado: en esta estrategia el funcionamiento del motor senormaliza, dependiendo de las condiciones atmosféricas y de funcionamiento a la que estasometido. 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 decombustible, menores grados de avance y en algunos casos el funcionamiento del solenoide demarcha mínima por debajo de una velocidad de motor predeterminada. Segundo, el corte decombustible cuando la velocidad del motor es mayor que una establecida por el fabricante.
Existen adicionalmente otras estrategias adaptivas, como son la de control de marchamínima, la de protección por baja lubricación, la de topes de velocidades, tanto de motor comode 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, elestado del motor y el manejo o conducción del vehículo.
En la estrategia de aprendizaje sobre las condiciones de funcionamiento, el sistemamemoriza las últimas condiciones de funcionamiento y las compara con las actuales, parasuministrar como respuestas las mismas soluciones al motor.
En la estrategia de estado del motor o estrategia de largo aprendizaje, el microcomputadorsiempre memoriza las lecturas sobre cantidades de carga de aire o gases de escape a las mismascondiciones (atmosféricas, funcionamiento), para determinar las variaciones debidas a laspérdidas 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 noresponda correctamente al computador, se generara una señal de advertencia de la siguienteforma:
− 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 apoyoEl 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 condicionesaceptables.
El programa de apoyo reemplaza completamente todo el funcionamiento normal delcomputador, suministrando señales fijas a los actuadores (si es posible), para que de esta formael 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 demezcla 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 lainformación de los sensores para obtener como respuesta el tiempo en que el inyector permaneceabierto.
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 cuerpocentral llamado cuerpo de aceleración. En este cuerpo se ubican los componentes de control delsistema como son los inyectores, regulador, etc.
En este sistema el cuerpo de aceleración se encuentra ubicado al comienzo del múltiple deadmisión. En este sistema el cuerpo puede tener uno o dos inyectores. El regulador de presión seencuentra integrado al cuerpo.
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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 500revoluciones por minuto.
− El filtro de alta presión de combustible: evita el paso de partículas pesadas quepodrían taponar el inyector y evitar la pulverización de combustible.
− Los conductos: por donde circula el líquido, cuya característica principal es la deser flexibles y resistentes a la corrosión.
− El cuerpo de aceleración: donde se encuentran los inyectores, el regulador depresión, las mariposas del acelerador y las tomas de vacío. Se encuentra ubicado en elmúltiple de admisión.
−
El regulador de presión: reduce la presió n generada por la bomba, y la mantieneconstante en la boquilla del inyector, permitiendo el paso de retorno hacia el tanque decombustible.
− Los inyectores: son electro válvulas, que hacen posible la pulverización delcombustible.
Sistema multipunto: en este sistema los inyectores van ubicados en cercanías de cadaválvula 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 reguladorde 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 500revoluciones por minuto.
− El filtro de alta presión de combustible: evita el paso de partículas pesadas quepodrían taponar el inyector y evitar la pulverización de combustible.
− Los conductos: por donde circula el líquido, cuya característica principal es la deser flexibles y resistentes a la corrosión.
− El riel de los inyectores: tubo que asegura los inyectores y que canaliza elcombustible 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 decombustible.− 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 corrienteeléctrica, y al girar permite el flujo de combustible a una alta velocidad desde el tanque a losconductos.
• La presión que genera la bomba es muy superior a la necesitada en el inyector parepulverizar el combustible, debido a que el líquido tiene que vencer la resistencia existente en elrecorrido: filtros, rozamiento con el ducto, curvas, etc.
• Existen generalmente uno o dos filtros en la propia bomba; el primero, para separar lahumedad del combustible, y el segundo, para filtrar por primera vez las partículas pesadas y lasgomas.
• El combustible es obligado a pasar por el filtro principal del sistema en dondeteóricamente 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 losconductos, que en algunos casos son fabricados en material Nylon® o Hypalon® (marcasregistradas), el cual disminuye el rozamiento y evita la corrosión
• El combustible llega al riel de inyectores o cuerpo de aceleración en donde es repartido alos 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 circuitoeléctrico del mismo. Es decir controlando la tierra del circuito o por el control de la corriente debase 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 porlas 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 setrans forme en chispa eléctrica entre los electrodos de la bujía, además de controlar el tiempo enque el pulso debe ser generado. Una función adicional es la de modificar el avance cuando seproduce 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 DISTRIBUIDORUtiliza 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 delmotor.
Los dispositivos fundamentales de este sistema son:
− La batería: Su función es la de acumular en forma química energía eléctrica, queserá utilizada en el momento de arranque o cuando el alternador no suministre suficientecorriente.
− El interruptor de encendido: Controla el paso de corriente, abriendo o cerrando elcircuito.
− 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 inducciónelectromagnética, genera el pulso de alto voltaje
− El distribuidor: cuya función es la de primero servir como sensor para determinartanto 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 alcomputador, la señal será usada como referencia de revoluciones por minuto y como referenciade 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 DISTRIBUIDOREste 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, queserá utilizada en el momento de arranque o cuando e1 alternador no suministre suficiente
corriente
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− El interruptor de encendido: Controla el paso de corriente, abriendo o cerrando elcircuito.
− El sensor de velocidad de motor: Ubicado cerca del cigüeñal, suministrainformación sobre revoluciones por minuto. En algunos casos, suministra informacióntambién sobre la posición del pistón # 1, en otros existe un sensor adicional para estepropósito.
− 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 yestablece 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 unaseñal alterna al módulo de encendido y al computador, señal que será utilizada corno referenciade RMP y como referencia de la posición del pistón # 1. El computador al recibir la señal delsensor 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 eliminadoel módulo de encendido por lo que el control sobre el paquete de bobinas es directo. El módulode encendido con la información que recibe del computador, controla el negativo de cadapaquete de bobina, pera generar e1 pulso de alto voltaje. De esta manera se controla elavance yel 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 entiempo de escape. La chispa que se produce en la bujía en tiempo de escape no se utiliza y seconsidera perdida. Es por esta razón que en algunos casos estos sistemas se denominan de chispaperdida.
Cada bobina tiene su propio terminal negativo lo que significa que si el sistema está en unmotor de 4 cilindros se utilizan dos bobinas con un solo terminal de alimentación y dosterminales negativos
SISTEMA IDIFunciona 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 encuentrandentro de un capacete en la parte superior del motor, y totalmente oculto a la vista. La duraciónde los componentes es mucho mayor que los otros sistemas de encendido.
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Este sistema existe a la vez un subsistema antidetonante, manejado por el control dedetonación, que adelanta o avanza el tiempo de encendid o, cuando aparece el fenómeno de ladetonación, 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 estaforma 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 elfuncionamiento 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 inyecciónmonopunto externo, que es el control de emisiones en desaceleración. Cuando se deja depresionar el pedal del acelerador, la mariposa respectiva, se cierra instantáneamente, evitando aentrada de aire, más no así la entrada de combustible. El sistema de control de marcha mínimapermite una entrada adicional de aire para mantener a mezcla lo más cercana a la condiciónestequiométrica.
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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 mínimaExisten 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 airepor un conducto adicional a la mariposa del acelerador
− Módulo de control de motor: Dispositivo electrónico que controla elfuncionamiento de la válvula de ralentí.
Funcionamiento: El solenoide o válvula de ralentí está alimentado permanentemente por labatería. 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 elconducto 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 permitiendoel 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 dehechos los cálculos el computador cierra y abre el circuito de la válvula en forma cíclica, un
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número determinado de veces. Ese número de ciclos permite la entrada del volumen de airenecesitado.
SISTEMA DE CONTROL RALENTÍ POR POSICIÓN DE MARIPOSAComponentes:
− 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 TÉRMICAEn 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 lossolenoides IAC o ISC con el fin de aumentar la velocidad de marcha mínima y disminuir eltiempo de calentamiento.
La constitución de la válvula térmica es muy similar a la de un termostato, con un núcleode cera que se expande por el calor. Este núcleo de cera se encuentra en contacto con el líquidorefrigerante.
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 yevitando 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 VARIABLELos 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 conductos de dos clases de diámetros. Primero, un ducto de amplio diámetro a la entradacuya función es la de permitir la entrada de una gran cantidad de aire. Segundo, unosductos para cada cilindro, de menor paso, con el fin de incrementar la velocidad deentrada del aire.
− Los sensores para la medición del aire: en ciertas partes del sistema se colocansensores 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,
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con un flujo de tendencia laminar. El cuerpo de las mariposas del acelerador, es el cuerpo dondese ubican las mariposas para controlar el paso de aire. El múltiple de admisión, diseñado de talforma que el ducto primario permite la entrada de una gran cantidad de aire y cada ductosecundario es de igual longitud con el fin de que la eficiencia de llenado de cada cilindro sea lamisma.
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 dosclases de diámetros.
− Válvula y solenoide de control de paso de aire: La válvula guía el flujo de aire hacia undeterminado 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 sensoresque sensan los siguientes parámetros: temperatura de aire, presión atmosférica, la cantidad deaire 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 dondese ubican las mariposas para controlar el paso de aire. El múltiple de admisión, diseñado de talforma que cada ducto secundario es de igual longitud con el fin de que la eficiencia de llenado decada cilindro sea la misma. Existe una válvula de paso de aire, la cual aísla cada lado delmúltiple de admisión en marcha mínima, o un grupo de inyectores, con el fin de permitir un flujomás directo a cada cilindro. La válvula es abierta por un solenoide controlado por elmicrocomputador, permitiendo un flujo total en el múltiple, mejorando la eficiencia de llenadoen alta.
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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 lareferencia [5]).
La función del sistema de refrigeración, es la de mantener la temperatura del motor dentrode 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 bajavelocidad y otro para alta velocidad.
Funcionamiento: el computador recibe una señal del sensor de temperatura y compara la
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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 tierrael circuito de control del relé respectivo (en el relevador), permitiendo el paso de corriente almotor 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 permaneceen el límite o es superada, se energiza el segundo relevador para elevar la velocidad del electroventilador.
La aplicación del primer relevador permite un lujo de corriente de una intensidadpreestablecida. Al ser energizado el segundo relevador la intensidad de la corriente seincrementa, aumentando de esa forma la velocidad del electro ventilador. En algunos casos sehace 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.
− El funcionamiento de los motores de combustión se basa, generalmente, en un ciclotermodinámico de cuatro tiempos correspondientes a admisión, compresión, expansióny escape.
− El modelo del motor utilizado para determinar el sistema de control, depende delobjetivo que se quiere alcanzar, ya sean modelos orientados al diseño o al control ytambién de la variable base utilizada. Su fin primordial es el de ahorrar tiempo y dineroen el proceso de diseño del sistema de control del motor.
− La precisión de los sensores utilizados para monitorear un sistema controlado, lleva a unmayor conocimiento del estado actual del sistema e interviene en la respuesta deseadade los mismos.
− El sistema de control de un motor de combustión interna puede separarse para su estudioen varios subsistemas, que realizan tareas de control para hacer funcionar diferentesprocesos.
− Los sistemas de control electrónicos mejoran el rendimiento del motor de combustióninterna pues permiten manipular datos de forma sencilla y rápida, además del aumentoen la cantidad de parámetros que se pueden manejar.
− La automatización de los procesos del motor, a través del control electrónico, permiteproducir motores de combustión interna que aprovechan mejor el combustible que losantiguos motores solamente mecánicos, lo que tiene como consecuencia un mejor usode la energía y la protección del ambiente.
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5.0 Bibliografía1. Linero, A. – “Control Electrónico de Motores e Inyección de combustible”, RONDA S.A.,
1999.2. Medina, E. –“Curso de inyección electrónica de combustible”,FENALCO, 1998.3. Montealegre, F. Sansonetti, Marco y Martínez Juan J. – “Aplicación de los sistemas de
control a motores de combustión interna”, Monografía curso IE-431, 2° semestre de 2003.4. Nevot Cercós, Javier . “Diseño de un controlador avanzado basado en redes neuronales
para la gestión de la mezcla aire-gasolina en un motor alternativo”.www.tdx.cesca.es/TESIS_UPC/AVAILABLE/TDX-0724101-140311/3Modelo_motor.pdf
5. Thiessen, F. y Dales, D. –“Manual de mecánica Diesel”, Prentice Hall, 1998.
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