Desarrollo de una unidad de control electrónico (ECU) dedicada al gobierno de pequeños motores de combustión interna

TREBAJO FINAL DE GRADO Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática DESARROLLO DE UNA UNIDAD DE CONTROL ELECTRÓNICO (ECU) DEDICADA AL GOBIERNO DE PEQUEÑOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA MEMORIA TÉCNICA Autor: Jaime Martínez Fernández Director: Manuel Manzanares Brotons Convocatoria: Junio 2019 Jaime Martínez Fernández i Resumen El presente trabajo tiene por objetivo desarrollar un prototipo de una Unidad de Control Electrónico (ECU) dedicada al gobierno de motores de gasolina, de 4 tiempos y de pequeña cilindrada. La ECU será capaz de controlar la apertura de un inyector de gasolina y el encendido de la mezcla, gracias a la información arrojada por un sensor de posición del cigüeñal, un sensor de posición del árbol de levas, un sensor de posición del acelerador y un sensor de temperatura del motor. Por otro lado, las variables de mayor interés tales como el régimen de giro del motor, la temperatura del motor o la posición del acelerador, podrán ser visualizadas en un display. También se ha dotado a la ECU de conectividad bajo el estándar RS232, que enviará las variables anteriormente citadas a cualquier ordenador, a través de un adaptador RS232 a USB. Además, se ha incorporado un testigo luminoso que lanza una alerta cuando la temperatura del motor es anormalmente alta. La ECU desarrollada tiene un objetivo didáctico, pues está pensada para ser instalada en maquetas de motores. Gracias a ella, se podrán instruir y formar a los alumnos de ciclos formativos y a los alumnos de Universidad, que cursen materias relacionadas con la automoción. Este proyecto se podría escalar, añadiendo más sensores, con el fin de mejorar la regulación. De esta forma, la ECU podría ser comercializada para una aplicación real. Finalmente, debido a la imposibilidad de disponer de un motor térmico para ejecutar este proyecto, se han simulado algunas de las señales más características, como la del sensor de posición del cigüeñal y la del sensor de posición del árbol de levas, empleando una FPGA. Memoria técnica ii Resum El present treball té per objectiu desenvolupar un prototip d'una Unitat de Control Electrònic (ECU) dedicada al govern de motors de gasolina, de 4 temps i de petita cilindrada. L'ECU serà capaç de controlar l'obertura d'un injector de gasolina i l'encès de la mescla, gràcies a la informació llançada per un sensor de posició del cigonyal, un sensor de posició de l'arbre de lleves, un sensor de posició de l'accelerador i un sensor de temperatura del motor. D'altra banda, les variables de major interès tals com el règim de gir del motor, la temperatura del motor o la posició de l'accelerador, podran ser visualitzades en un display. També s'ha dotat a l'ECU de connectivitat sota l'estàndard RS232, que enviarà les variables anteriorment citades a qualsevol ordinador, a través d'un adaptador RS232 a USB. A més, s'ha incorporat un testimoni lluminós que llança una alerta quan la temperatura del motor és anormalment alta. L'ECU desenvolupada té un objectiu didàctic, perquè està pensada per a ser instal·lada en maquetes de motors. Gràcies a ella, es podran instruir i formar als alumnes de cicles formatius i als alumnes d'Universitat, que cursin matèries relacionades amb l'automoció. Aquest projecte es podria escalar, afegint més sensors, amb la finalitat de millorar la regulació. D'aquesta forma, l'ECU podria ser comercialitzada per a una aplicació real. Finalment, a causa de la impossibilitat de disposar d'un motor tèrmic per a executar aquest projecte, s'han simulat algunes dels senyals més característics, com la del sensor de posició del cigonyal i la del sensor de posició de l'arbre de lleves, emprant una FPGA. Jaime Martínez Fernández iii Abstract In this thesis, an Electronic Control Unit (ECU) to control gasoline engines 4 strokes and with a small cubic capacity, is developed. This ECU will be able to control a gasoline injector opening and the airgasoline mixture ignition, using different sensors such as a crankshaft position sensor, camshaft position sensor, an accelerator position sensor or an engine temperature sensor. On the other hand, the most significant variables, such as rotation speed, accelerator position, and engine temperature, will be printed in an LCD display. Communications are also been implemented, using the RS232 standard and using a from RS232 to USB converter to connect it to any computer. A light has been also included to warn if engine temperature is extremely high. This ECU could be installed in engine models to teach vocational formation students and university students about gasoline engines and automotive. However, this ECU could be implemented in a real application if the number of sensors would be increased and the air-fuel ratio would be regulated correctly. Finally, as the author has not had got access to any gasoline engine, the camshaft position sensor and the crankshaft position sensor have been simulated using a field programmable gateway array (FPGA). Memoria técnica iv Agradecimientos Dedicado a mis padres que me lo han dado todo en esta vida, a mi abuelo Isaac que le habría hecho ilusión verme llegar a este momento, al resto de mi familia por su incondicional apoyo, a Ernesto por embaucarme en esta aventura de estudiar ingeniería y a Manuel, mi tutor, por el soporte y atención que me ha brindado durante estos meses. Jaime Martínez Fernández v Glosario ECU (Electronic Control Unit o Engine Control Unit): Unidad de Control Electrónico de un motor de combustión interna. PMS: Punto Muerto Superior del pistón. PMI: Punto Muerto Inferior del pistón. AAA (Avance Apertura de Admisión): Número de grados existentes entre la apertura de la válvula de admisión y el PMS. RCA (Retraso Cierre e Admisión): Número de grados existentes entre el PMI y el cierre de la válvula de admisión. AAE (Avance Apertura de Escape): Número de grados existentes entre la apertura de la válvula de escape y el PMI. RCE (Retraso Cierre de Escape): Número de grados existentes entre el PMS y el cierre de la válvula de escape. 𝐴𝐹𝑅𝑒: Mezcla estequiométrica de aire y gasolina. K-Jetronic (Kontinuierlich-Jectronic): Inyección Continua. Es un tipo de inyección mecánica. ADC (Analog to Digital Converter): Convertidor Analógico a Digital. LCD (Liquid Cristal Display): Pantalla de cristal líquido. ISIS (Intelligent Schematic Input System): Herramienta de Proteus para diseñar y simular circuitos, principalmente digitales. ARES (Advanced Routing and Editing Software): Herramienta de Proteus para diseñar placas de circuito impreso. Duty-cycle: Porcentaje de tiempo durante el cual el inyector se encuentra abierto respecto al periodo que tarda el motor en completar dos revoluciones. RPM: Revoluciones por minuto. Memoria técnica vi Jaime Martínez Fernández vii Índice RESUMEN ___________________________________________________________ I RESUM _____________________________________________________________ II ABSTRACT __________________________________________________________ III AGRADECIMIENTOS __________________________________________________ IV GLOSARIO __________________________________________________________ V 1. PREFACIO ______________________________________________________ 1 1.1. Origen del trabajo .................................................................................................... 1 1.2. Motivación ............................................................................................................... 1 1.3. Requerimientos previos ........................................................................................... 2 2. INTRODUCCIÓN _________________________________________________ 3 2.1. Objetivos del trabajo ................................................................................................ 3 2.2. Alcance del trabajo .................................................................................................. 4 3. MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA _______________________________ 5 3.1. Motor rotativo ......................................................................................................... 5 3.2. Motor alternativo ..................................................................................................... 6 4. EL MOTOR OTTO ________________________________________________ 8 4.1. Funcionamiento del motor Otto. ............................................................................. 8 4.1.1. Carrera de admisión ............................................................................................. 10 4.1.2. Carrera de compresión ......................................................................................... 10 4.1.3. Carrera de expansión ........................................................................................... 11 4.1.4. Carrera de escape ................................................................................................. 11 4.2. Sistemas de encendido .......................................................................................... 13 4.2.1. Sistema de encendido convencional .................................................................... 14 4.2.2. Sistema de encendido transistorizado a contactos. ............................................ 17 4.2.3. Sistema de encendido transistorizado con generador inductivo ........................ 17 4.2.4. Sistema de encendido transistorizado con generador Hall ................................. 18 4.2.5. Encendido electrónico integral ............................................................................ 19 4.2.6. Encendido electrónico sin distribuidor ................................................................ 21 4.3. Sistemas de alimentación ...................................................................................... 22 4.3.1. Carburador ............................................................................................................ 23 Memoria técnica 4 inyector de gasolina y una bujía, en función de las señales recibidas por el acelerador, el sensor de posición del árbol de levas, el sensor de posición del cigüeñal, y el sensor de temperatura; y se dispondrá de un display LCD en el cual se podrán ver los parámetros básicos de funcionamientos del motor, tales como las revoluciones, la posición del acelerador o la temperatura del motor. Además de lo mencionado, la ECU se podrá conectar a cualquier dispositivo, con el fin de visualizar los datos recogidos por los sensores, a través de un programa capaz de leer el puerto serie. Esta comunicación, se llevará a cabo bajo el estándar RS232. 2.2. Alcance del trabajo Este proyecto tiene como objetivo desarrollar una unidad de control electrónico que permita gobernar pequeños motores de gasolina. La ECU va a ser un modelo con el que experimentar en un laboratorio y en ningún caso se pretende hacer un modelo comercial. Conviene tener presente que la legislación, en materia anticontaminación, cada vez es más restrictiva y, por ende, se deberían instalar múltiples sensores para conseguir un control lo más eficiente posible. Sin embargo, una ECU de estas características requeriría de años de desarrollo de un equipo de ingenieros y, este proyecto, va a ser realizado de forma individual y en un plazo de 6 meses. Por lo tanto, la ECU que aquí se diseña corresponde más a un prototipo de pruebas que requeriría de más horas de desarrollo y financiación para poder ser comercializada. Sin embargo, se van a diseñar una ECU perfectamente funcional y con los sistemas básicos que podrían ejercer el control de un motor Otto. Jaime Martínez Fernández 5 3. Motores de combustión interna Los motores de combustión interna son máquinas capaces de transformar la energía térmica aportada por un combustible, a través de una combustión, en energía mecánica. Durante el proceso de combustión, se hace incrementar la presión, idealmente de forma isocórica, dentro de una cámara de combustión. Este incremento de presión se puede transformar en energía mecánica de diferentes formas, en función del tipo de motor. Bajo este precepto, en automoción existen dos tipos de motores: 3.1. Motor rotativo También conocido como motor Wankel. La combustión de la gasolina hace girar a un pistón rotativo. La principal ventaja de este tipo de motores es que la energía producida por el combustible se transforma directamente en un movimiento rotativo. Esto hace que el movimiento producido sea más natural, y que presente menos vibraciones respecto a su competidor, el motor alternativo. Además, este motor está formado por menos elementos mecánicos, lo cual le dota de mayor simpleza. También cabe destacar que el ciclo de funcionamiento de este motor, a diferencia del alternativo, no presenta puntos muertos, por lo tanto, el pistón estará sometido a menos inercias y su movimiento será más continuo y, dado que su eje gira tres veces más rápido que el rotor, éste podrá revolucionarse más. Todo lo mencionado redunda en que este motor, con una menor cilindrada, sea más potente y tenga una mayor rapidez de respuesta que el motor alternativo. Sin embargo, este motor también presenta grandes desventajas. La más crítica es la falta de estanqueidad de la cámara de combustión que provoca que los segmentos del pistón se tengan que cambiar con relativa frecuencia, y que el consumo de aceite sea elevado (lo cual genera un problema grave de emisiones). Además, este motor presenta un consumo elevado de gasolina. Debido a la mala estanqueidad de este motor, no existen versiones con alta relación de compresión por lo que solo puede funcionar con gasolina [2]. El motor Wankel está prácticamente en desuso. Los fabricantes de automóviles no han apostado por este tipo de motores debido a los grandes problemas técnicos que presentaba, especialmente el de la estanqueidad. El modelo de vehículo más popular que monta este tipo de motores es el Mazda RX 8. Mazda lo dejó de fabricar en 2012, sin embargo, el fabricante nipón ha anunciado que volvería a presentar un motor rotativo en 2019 [3]. Memoria técnica 6 Figura 3.1.1. Motor rotativo [4]. 3.2. Motor alternativo Es, con diferencia, el motor más utilizado en automoción. Su funcionamiento está basado en el movimiento de un émbolo dentro de un cilindro. Mediante un mecanismo de biela manivela, el movimiento lineal del motor es transformado en un movimiento rotativo. La ventaja de este tipo de motores es la elevada relación de compresión que poseen llegando, en el caso de los motores diésel, a relaciones de compresión superiores incluso a 22:1. Esta característica es fundamental ya que permite reducir las emisiones y el consumo de combustible. Por otro lado, los motores de gasolina tienen una relación de compresión más reducida (de aproximadamente 8:1) [5]. Jaime Martínez Fernández 7 Figura 3.2.1. Motor alternativo [6]. Memoria técnica 8 4. El motor Otto El primer motor de combustión interna fue construido por Etienne Lenoir. En 1861 Lenoir confeccionó un motor que utilizaba un compuesto derivado del petróleo como combustible, capaz de ofrecer una potencia de hasta 2 CV. Este motor fue instalado en un barco, y 2 años más tarde, en 1863, Lenoir construyo una segunda versión de 1,5 CV adaptado para ser instalado en un carruaje. Lenoir fue capaz de recorrer 18 kilómetros en tres horas. Sin embargo, este modelo presentaba problemas de sobrecalentamiento y de pérdidas de gas [7]. En 1861 Nikolaus Otto patentó un motor que funcionaba mediante un ciclo de dos tiempos. La máquina fue desarrollada basándose en los principios del motor de Lenoir, el cual tuvo la oportunidad de conocer gracias a su trabajo como vendedor ambulante. Otto se dio cuenta de que, utilizando un combustible líquido como la gasolina, las prestaciones del motor aumentarían. En 1867, el motor de dos tiempos ideado por Otto consiguió ganar la medalla de oro en la feria mundial de Paris. Finalmente, en 1876 Otto construyó el primer motor de 4 tiempos, y supuso una alternativa práctica al motor de vapor. Tal fue la importancia de su invento que, en la actualidad, la mayoría de los coches de gasolina fabricados, utilizan en ciclo de funcionamiento del motor de Otto [8]. 4.1. Funcionamiento del motor Otto. El motor Otto está formado por un pistón, alojado en el interior de un cilindro, que se mueve de forma axial. Su ciclo de trabajo se basa en 4 tiempos. Cada uno de estos tiempos equivaldrá a una carrera del pistón. Estos 4 tiempos son: admisión, compresión, expansión y escape. También existen dos puntos críticos: el punto muerto superior (PMS o TDC por sus siglas en inglés Top Dead Centre) correspondiente al instante en el que el pistón se encuentra en su punto más alto, y punto muerto inferior (PMI o BDC por sus siglas en inglés Botton Dead Centre) denominado al momento en el que el pistón se encuentra en su posición más baja (siempre que consideremos que el motor está orientado verticalmente). En estos dos puntos, el pistón cambia su trayectoria de descendente a ascendente, en el caso del PMI o de ascendente a descendente en el PMS; por lo que, en estos puntos, se experimenta un gran esfuerzo mecánico. Jaime Martínez Fernández 9 Figura 4.1.1. Representación del PMS y PMI [9] Cuando se analiza el funcionamiento de un motor de combustión interna, es frecuente utilizar los grados como medida para indicar el instante en el que se producen cada uno de los acontecimientos, tomando como referencia la posición del cigüeñal. Dado que la carrera de admisión es considerada como la inicial, el cigüeñal estará en una posición de 0º cuando el cilindro 1 (en el caso de los motores de más de un cilindro) esté en el PMS iniciando la carrera de admisión. De esta forma se establece que la admisión de este cilindro transcurre entre los 0 º y los 180 º, la compresión entre los 180 º y 360 º, la expansión entre los 360 º y 540 º, y el escape entre los 540 º y los 720 º. Memoria técnica 10 Figura 4.1.2. Ciclo teórico de un motor Otto [10]. 4.1.1. Carrera de admisión Inicialmente el pistón se encuentra en el PMS. En este instante, la válvula de admisión es abierta y el pistón comienza a descender hacia el PMI. Durante esta carrera se genera un vacío en el interior del cilindro que origina la succión de aire por la válvula de admisión. Antiguamente, la mezcla de aire y gasolina se hacía mediante carburación o mediante inyección indirecta. Por tanto, el gas que llenaba el cilindro era una mezcla de aire y gasolina. Sin embargo, los motores modernos son de inyección directa. Esto quiere decir que la mezcla se realiza en el interior del cilindro y, por tanto, el gas que entra en el motor durante esta carrera está compuesto únicamente por aire. 4.1.2. Carrera de compresión En esta carrera se encuentran las válvulas de admisión y escape cerradas (despreciando el cruce de válvulas del que hablaremos en apartados sucesivos). El pistón, que se encontraba en el PMI, comienza su ascenso hasta el PMS. Como las válvulas están cerradas, el aire que hay en el interior del cilindro se comprime, idealmente de forma adiabática. En los motores de inyección directa, la mezcla de aire y gasolina se realiza durante la carrera de admisión, para aprovechar la turbulencia generada por los gases entrantes en el motor para mezclar mejor el aire y el combustible, y durante esta carrera. Jaime Martínez Fernández 11 4.1.3. Carrera de expansión La carrera de expansión comienza con el pistón en el PMS y con las válvulas de admisión y escape cerradas. Al comienzo de la carrea, se produce un arco eléctrico entre los electrodos de la bujía, que deflagra el combustible. Esto genera un incremento de la presión, idealmente isocórico, que desencadena el descenso del pistón hasta el PMI. Por lo tanto, esta carrera es la que produce realmente el trabajo mecánico, mientras que, en el resto de las carreras, el pistón se mueve por el efecto la inercia de un disco masivo acoplado al cigüeñal, denominado volante de inercia. 4.1.4. Carrera de escape Durante esta carrera el pistón asciende desde el PMI hasta al PMS. La válvula (o válvulas) de escape se encuentra abierta, lo que provoca que los gases de la combustión salgan por ella. Al finalizar esta carrera, el ciclo volvería a comenzar. A continuación, se muestran las cuatro carreras, desde el punto de vista de la termodinámica, en un diagrama presión-volumen. En estos diagramas, las áreas encerradas por líneas que se recorren en sentido horario indican que se realiza un trabajo; mientras que, si se recorren en sentido antihorario, indican que se consume un trabajo. En este caso, se observa que es claramente mayoritaria el área realizada en sentido horario, por lo tanto, el trabajo ejercido por el motor Otto es positivo. Figura 4.1.3. Diagrama Presión-Volumen de un motor Otto [11]. Memoria técnica 12 Los fabricantes de motores han introducido leves cambios al ciclo Otto, con el fin de mejorar y maximizar la eficiencia de éstos. Uno de los cambios es en la apertura y cierre de válvulas, tanto de admisión como en la de escape. Las válvulas de admisión no se cierran en el PMI, sino que son cerradas levemente más tarde. El motivo es que, durante la admisión, la succión producida por el motor, provoca que el gas entrante en el motor, adquiera la suficiente inercia como para continuar llenando el cilindro en los primeros instantes de la fase de compresión. A esto se le conoce como retraso del cierre de la admisión, y el número de grados de retraso depende del fabricante. Por regla general, cuanto más revolucionado sea capaz de trabajar un motor, mayor será el ángulo de retraso de cierre de admisión. Este fenómeno también ocurre con las válvulas de escape. Del mismo modo, tanto las válvulas de admisión como las de escape, no se abren al inicio de sus respectivos ciclos, sino que lo hacen ligeramente antes, con la finalidad de que estén totalmente abiertas cuando se inicien las carreras de admisión y escape, para aumentar el flujo de aire que pasa por ellas. Llegados a este punto, se puede asegurar que, al existir un avance en la apertura de la válvula de admisión y un retraso en el cierre de la válvula de escape, existe un quinto ángulo formado por el solape de ambas válvulas, denominado cruce de válvulas. A continuación, se muestra la comparativa entre un diagrama de distribución teórico y uno real, en un motor Otto. Figura 4.1.4. Ciclo de trabajo real (derecha) y teórico (izquierda) de un motor Otto [9]. La magnitud de estos ángulos depende del tipo de motor. Por ejemplo, un motor de motocicleta puede superar fácilmente las 10.000 RPM. Cuando se trabajan con motores tan revolucionados, es normal establecer unos ángulos mayores, para que el llenado de los cilindros sea más eficiente en regímenes AAA: Avance Apertura de Admisión Jaime Martínez Fernández 13 de revoluciones altos. Por el contrario, el motor de un coche de poca potencia y bajo consumo, suele trabajar en regímenes de revoluciones más bajos, y por ello, los ángulos son menores. Para adaptar los grados de avance y retraso de apertura y cierre de válvulas a los diferentes modos de funcionamiento de motor, los motores de última generación incorporan una tecnología conocida como distribución variable. Este sistema permite que los ángulos no serán fijos, sino que variarán en función de las condiciones de la marcha. Por último, cabe destacar que también existe un avance de encendido. Desde el punto de pista del presente trabajo, este ángulo es el más importante, ya que se deberá programar en el microcontrolador. Para entender el motivo de la existencia del avance de encendido, debemos analizar lo que ocurre en la cámara de combustión cuando se inicia la deflagración. Cuando la mezcla de aire y gasolina existente en la cámara de combustión es quemada, esta lo hace de forma gradual. Aparece un fenómeno, conocido como frente de llama, que parte de la bujía (ya que es el punto donde se inicia la combustión), y se propaga por toda la cámara de combustión, siguiendo el comportamiento de una onda. Por este motivo, la combustión se ejecuta de forma gradual y no de forma instantánea. La problemática que subyace de este fenómeno es que la presión existente en la cámara de combustión también aumenta de forma gradual, con lo que en la práctica no se consigue un aumento de presión isocórico. Para mejorar el aprovechamiento de la energía de la combustión, es de vital importancia que su apogeo, es decir, la presión máxima producida por la combustión, se alcance en el instante inicial de la fase de expansión y, por ello, el encendido debe adelantarse unos grados. De lo contrario, el punto de presión máxima se alcanzaría con el pistón descendiendo al PMI, con lo que se produciría una merma del rendimiento del motor, especialmente en regímenes altos. El avance nuevamente dependerá del régimen de revoluciones del motor o de la riqueza de la mezcla. El tiempo que tarda la mezcla en ser quemada depende de diversos factores, como la riqueza de la mezcla de aire y combustible, lo homogénea que sea dicha mezcla, la eficiencia en el llenado de los cilindros o la temperatura tanto ambiental como del motor. A su vez, el tiempo disponible para alcanzar el punto de máxima presión, depende íntimamente de las revoluciones por minuto del motor. A mayor número de revoluciones, menor será el tiempo disponible para deflagrar la mezcla completamente. Por ende, se deben de tener en cuenta todas estas variables para regular el avance de encendido. 4.2. Sistemas de encendido En un motor, se entiende por sistema de encendido a todos aquellos componentes eléctricos, electrónicos y mecánicos que intervienen en la generación del arco eléctrico para provocar la deflagración de la gasolina. Para ello, los motores Otto incorporan un circuito que eleva la tensión, generando picos de entre 4 kV y 20 kV (este valor puede variar en función del fabricante). Las sobretensiones son utilizadas para ionizar el gas existente entre los electrodos de la bujía, separados a Memoria técnica 20 • Sensor de temperatura del motor: Los fabricantes instalan, salvo algunas excepciones, termorresistencias NTCs como sensores de temperatura. En este caso se utilizan para regular la temperatura del motor y situarla en 90 ºC, actuando sobre la mezcla de aire/gasolina, el electro-ventilador o incluso sobre el propio circuito de refrigeración. • Sensor de temperatura del aire aspirado: Como se ha mencionado anteriormente, en la mayoría de los sensores de temperatura utilizados, salvo algunas excepciones, se utilizan NTCs. En este caso, el sensor de temperatura es utilizado para medir la temperatura del aire aspirado por el motor, y poder hacer una mejor regulación de la mezcla y del encendido, ya que la velocidad de la combustión dependerá de la cantidad de aire aspirado, y ésta a su vez de la densidad del aire. Cuanto mayor sea la temperatura del aire, menor será su densidad (tenderá a ocupar un mayor espacio) y, por tanto, menor cantidad de aire entrará al motor. • Posición de la mariposa de gases: La mariposa de gases se utiliza para controlar la entrada de aire al motor. En este sistema de encendido, la mariposa incorpora dos finales de carrera, para detectar si ésta se encuentra a ralentí o a plena carga. En sistemas más complejos se añaden dos potenciómetros que miden la posición exacta de la mariposa. • Tensión de la batería: Se hace necesario instalar un sensor de tensión de la batería ya que, ésta afecta a los picos de tensión producidos en las bujías. • Protección sobrepresión del turbocompresor: Se trata de un sensor de presión, generalmente piezoeléctrico, ubicado a la salida del turbocompresor. Su misión es verificar que la presión generada por el turbocompresor no supere un valor crítico ya que resultaría peligroso y podría provocar un autoencendido. Si la presión excediera el valor crítico, se informaría a la unidad de control y se anularía el sistema de encendido hasta bajar de revoluciones al motor, y con ello bajar la presión generada por el turbo. Además de los sensores explicados, este sistema requiere de un sensor capaz de medir la posición del cigüeñal y las revoluciones del motor. Dicho sensor consiste en un generador inductivo, que funciona de manera similar al explicado anteriormente, con la única salvedad de que, en este caso, el rotor contendrá una rueda dentada ubicada en el volante de inercia. Dicha rueda, posee un diente y un valle más grande que los demás, generalmente ubicados a 90º del PMS (y en algunos modelos un segundo diente y valle ubicados a 90º del PMI), lo que le permite a la ECU sincronizarse con el giro del cigüeñal, y detectar el inicio del ciclo de éste. A partir de ahí, la ECU es capaz de detectar el movimiento angular del motor, gracias a la tensión inducida por el paso de los demás dientes. Jaime Martínez Fernández 21 Figura 4.2.5.1. Sensor de posición del cigüeñal [15]. Por otro lado, en el caso de que este sistema se montara en motores de más de un cilindro, se precisa de un distribuidor, ya que este sistema solo utiliza una bobina. Por lo tanto, este sistema de encendido, al igual que los anteriores, se puede clasificar como sistema dinámico, ya que tiene elementos móviles. El control del sistema de encendido se realiza mediante una pequeña unidad de control electrónico. 4.2.6. Encendido electrónico sin distribuidor También conocido como encendido estático. El control de este sistema es íntegramente electrónico, a través de una ECU. Al eliminar el distribuidor, el sistema presenta mayor fiabilidad y menor mantenimiento. Cabe destacar que el distribuidor actuaba como un switch y que giraba solidariamente con el motor. En función de la posición de su contacto, se enviaba la sobretensión a la bujía correspondiente. El sistema estaba construido por unos contactos móviles de grafito. Dichos contactos, debido al movimiento y a las diferencias de potencial con las que trabajaban, sufrían un elevado desgaste. Por ello, este sistema de encendido supuso una gran mejora al eliminar el distribuidor. Además, permite generar sobretensiones más elevadas, lo que redunda en un mejor encendido. Existen dos versiones de este sistema de encendido: • Encendido de chispa perdida: También se le conoce como simultáneo. Fue la primera versión de encendido sin distribuidor que surgió. Este sistema de encendido dispone de una bobina por cada dos cilindros, es decir, por cada dos bujías, las cuales serán alimentadas de manera simultánea. Por lo tanto, las bujías generarán un arco eléctrico al final de las carreras de escape y compresión (cada 360º del cigüeñal). Este sistema otorga una mayor margen de tiempo a las bobinas para generar la tensión disruptiva de las bujías, lo que permite inducir sobretensiones más elevadas y que presentan transitorios de mayor duración. Sin embargo, este sistema presenta el inconveniente de que no puede ser montado en motores con un número de Memoria técnica 22 cilindros impar ni en motores con un cruce de válvulas excesivo, ya que podría causar la deflagración de la mezcla antes de la carrera de compresión. • Encendido secuencial: Es el sistema más empleado en la actualidad y requiere de una bobina por cilindro. Al instalar una bobina por cilindro, cada una de esas bobinas generará una sobretensión cada 720 grados, por lo tanto, si comparamos este sistema con los anteriores a régimen de revoluciones idéntico, este sistema admite unos transitorios mayores, por lo que se puede generar una sobretensión mayor. Por lo general, estos sistemas utilizan sensores inductivos o Hall para detectar la posición del cigüeñal, sin embargo, existen variantes en el mercado que utilizan sensores ópticos. 4.3. Sistemas de alimentación El combustible principal utilizado en un motor Otto es la gasolina. La gasolina es un tipo de hidrocarburo, obtenido a partir de la destilación fraccionada del petróleo. Está compuesta por la mezcla de n-heptano e isooctano. El n-heptano es un compuesto muy sensible (se requiere de un aporte energético de pequeña magnitud para iniciar la combustión), mientras que el isooctano es muy insensible, lo que le confiere la capacidad de resistir a la compresión sin iniciar la deflagración. El octanaje de una gasolina indica el porcentaje, en volumen, de isooctano respecto al volumen total. Actualmente se añaden aditivos, como el metil tert-butil éter (MTBE), que mejora la resistencia a la compresión, sin detonar, del combustible para evitar el autoencendido. También se añaden aditivos anticorrosivos, detergentes, antiemulsionantes, modificadores de fricción y estabilizantes para mejorar las prestaciones del motor y su vida útil [9]. El sistema de alimentación es el encargado de realizar la mezcla de aire y combustible. Esta mezcla debe respetar una relación aire-combustible para que, durante el momento de la combustión, se consuman sus dos reactivos: la gasolina y el oxiígeno. Se conoce como dosado (Air-Fuel Ratio o AFR) al coeficiente resultante de dividir la masa de aire entre la masa de combustible utilizada en la combustión. Este coeficiente indica la relación de aire y combustible. 𝐴𝐹𝑅 =𝑚𝑎 𝑚𝑐 (Ec. 4.3.1) El valor AFR estequiométrico (𝐴𝐹𝑅𝑒) es aquél en el que se consumen totalmente los dos reactivos, y está situado en 14,7. El coeficiente λ resulta de dividir el AFR entre el 𝐴𝐹𝑅𝑒 e indica si una mezcla es rica en combustible (λ < 1) o si es pobre (λ > 1). λ = AFR AFRe=1 𝐴𝐹𝑅𝑒·𝑚𝑎 𝑚𝑐 (Ec. 4.3.2) Jaime Martínez Fernández 23 El dosado dependerá de las condiciones de marcha requeridas. En aceleraciones y en aquellos momentos en los que se requiere una mayor carga al motor, el dosado disminuirá (λ < 1). Cuando el valor de λ se sitúa en torno a 0.9, es cuando se obtiene la mayor potencia calorífica del combustible. Por otro lado, cuando la mezcla se empobrece hasta λ ≈ 1,5 es cuando se obtiene el menor consumo. Un sistema de alimentación debe ser capaz de regular la mezcla de manera óptima, y adaptarla a las condiciones de funcionamiento requeridas [16]. Al igual que con los sistemas de encendido, en los sistemas de alimentación existen diferentes tecnologías. Estas tecnologías son presentadas a continuación por orden cronológico, y en ellos se puede observar como la electrónica ha ido ganando cada vez más peso, permitiendo obtener sistemas más eficientes y precisos. 4.3.1. Carburador En los motores atmosféricos (sin turbocompresor), la presión en el colector de admisión es inferior a la atmosférica debido al flujo de aire entrante al motor. Cuanto mayor sea el régimen de revoluciones del motor, mayor será el caudal de aire que circula por él y, dado que la sección del colector de admisión es fija (obviando los sistemas de admisión variable modernos), mayor será la velocidad con la que el aire que ingresa al motor. Esto se traduce en una reducción de la presión en el interior del colector. Aplicando el teorema de Bernoulli se obtiene la siguiente expresión: ∆𝑃 = −1 2·𝜌·∆𝑣2 (Ec. 4.3.1.1) Donde P es la presión, ρ es la densidad del aire y v la velocidad. El carburador es un elemento ubicado en la entrada del colector de admisión que, aprovecha el vacío generado por la circulación del aire, para regular la mezcla de aire y gasolina en la admisión, a través de un Venturi. El carburador dispone de un elemento de bombeo, que se acciona en plena carga, y que permite verter una mayor cantidad de combustible al colector, enriqueciendo la mezcla. El carburador fue uno de los primeros sistemas en aparecer que permitía regular la mezcla de aire y combustible. Sin embargo, debido a su falta de precisión y eficiencia, esta tecnología quedó obsoleta, salvo en motores de pequeña cilindrada. Memoria técnica 24 4.3.2. Inyección indirecta mecánica También conocida como K-Jetronic (Kontinuierlich-Jectronic o inyección continua). Surgió con la finalidad de reducir el consumo, las emisiones y mejorar el rendimiento del motor respecto al sistema de carburación. Este tipo de inyección se clasifica dentro de la indirecta y multipunto, lo cual quiere decir que incorpora un inyector por cilindro, en el colector de admisión, y no en la cámara de combustión. El sistema contiene una bomba de combustible, que hace llegar la gasolina hasta un regulador de caudal o dosificador. Dicho regulador está formado por una válvula, controlada mecánicamente a través de un disco situado en el colector de admisión. Este disco es movido por el aire que circula a través del colector de admisión. De esta forma, el sistema de inyección es capaz de regular la cantidad de combustible inyectada en función del caudal de aire que circula por el colector de admisión. Figura 4.3.2.1. Inyección mecánica [17]. El regulador envía el combustible a los inyectores. Los inyectores, contienen unas válvulas que permiten el paso de combustible al colector de admisión. También contienen unos resortes que mantienen cerradas estas válvulas en condiciones de reposo. Sin embargo, en condiciones de marcha, la presión existente en el sistema de inyección incide sobre las válvulas, y éstas vencen la fuerza de los resortes abriendo el paso de combustible hacia el colector. Por tanto, como los inyectores se abren por el efecto de la presión del sistema, a este sistema se le denomina inyección mecánica. Jaime Martínez Fernández 25 Figura 4.3.2.2. Inyector mecánico [17]. El uso de inyectores supuso notables mejoras en el rendimiento de los motores. El principal motivo es debido a que un inyector es capaz de pulverizar mejor el combustible, gracias a lo cual, la mezcla de aire y combustible es más homogénea. 4.3.3. Inyección electrónica monopunto Fue el primer sistema de inyección electrónica en surgir. Está compuesto por un único inyector, alojado en el colector de admisión (previa a la mariposa de gases), y que suministra gasolina a todos los cilindros. El sistema incorpora una sonda lambda, capaz de medir la concentración de oxígeno en los gases de escape y, a través de ella, regular la concentración de combustible en la mezcla; por lo tanto, se puede considerar como un sistema realimentado negativamente. La concentración de oxígeno en el aire por unidad de volumen que aspira el motor, dependerá de la presión y de la temperatura de este gas en el colector de admisión. Por tanto, para efectuar una mejor regulación de la mezcla, este sistema incorpora en el colector de admisión un sensor manométrico y una termorresistencia, generalmente NTC; encargados de medir la presión y la temperatura respectivamente. Además, se incorpora una segunda termorresistencia, también NTC, dedicada a medir la temperatura del líquido refrigerante. En caso de que el motor tenga una temperatura inferior Memoria técnica 26 a la de funcionamiento (aproximadamente 90 ºC), el sistema enriquece la mezcla con el fin de alcanzar dicha temperatura con mayor celeridad. Figura 4.3.3.1. Inyección monopunto [18]. La inyección monopunto contaba con una ECU, basada en una memoria PROM que, además de encargarse de regular el caudal de gasolina inyectado, también controlaba la fase de apertura del inyector. Para ello, se ayudaba de un sensor inductivo o un sensor Hall que monitorizaba la posición del cigüeñal, un segundo sensor que medía las revoluciones del motor y un último sensor, formado por dos potenciómetros, que detectaba la posición de la mariposa de gases. 4.3.4. Inyección indirecta electrónica multipunto La inyección indirecta multipunto supuso un nuevo avance en la tecnología de inyección. Los motores que incorporaban este sistema disponían de un inyector por cilindro, alojados en el colector de admisión (después de la mariposa de gases). Dependiendo de la tecnología, la inyección se realizaba de manera simultánea (todos los inyectores se activaban a vez), semisecuencial (los inyectores se activaban por parejas) o secuencial. El control y la regulación de la inyección multipunto es similar al de la monopunto. Se realiza electrónicamente, y la única diferencia estriba en que este sistema cuenta con un mayor número de sensores, que le permite optimizar mejor el funcionamiento del sistema. Jaime Martínez Fernández 27 4.3.5. Inyección directa La inyección directa es un tipo de inyección electrónica en la que la gasolina es mezclada con el aire en el interior de la cámara de combustión. El sistema contiene una bomba que puede suministrar hasta 100 bares de presión de gasolina a los inyectores. Inyectar combustible a alta presión repercute en una mejor pulverización de éste y, por tanto, en una mezcla más homogénea. El funcionamiento de este sistema es similar a los anteriores. El motor dispone de una serie de sensores, que informan a la ECU de variables físicas como la temperatura del motor, la cantidad de aire aspirado, la posición del acelerador, la posición del cigüeñal o el régimen del motor. En función de estas variables, la ECU controla los tiempos de inyección y el caudal de gasolina inyectada. La ECU es programada con una matriz de M filas y N columnas, en donde se fija el tiempo que debe permanecer el inyector abierto y, con ello, el caudal inyectado, en función de la carga y del régimen del motor. Este concepto es aplicable para fijar otros conceptos ya mencionados como el avance de encendido. Las matrices pueden ser representadas gráficamente como se muestra a continuación. Figura 4.3.5.1. Mapa de encendido. Representación del ángulo de avance de encendido [19]. Memoria técnica 28 Figura 4.3.5.2. Mapa de inyección. Representación del tiempo de apertura del inyector [19]. Jaime Martínez Fernández 29 5. Posibles soluciones Existen una infinidad de opciones encaminadas a desarrollar este proyecto y, a medida que avanza la tecnología, las opciones disponibles en el mercado se multiplican. En este apartado se valorarán algunas soluciones que se han tenido en cuenta durante la fase de desarrollo y prototipado, y se describirán brevemente sus ventajas e inconvenientes. 5.1. Microcontrolador Durante el desarrollo del prototipo de pruebas, se han estudiado diferentes opciones de diseño. Una de ellas, consistía en utilizar dos microcontroladores: uno encargado de controlar la inyección y otro encargado de controlar el encendido, para reducir la carga de trabajo de éstos y estableciendo una comunicación I2C entre ambos, con la finalidad de que compartieran los datos de los sensores de temperatura del motor y acelerador. Otra opción valorada fue la de utilizar un único microcontrolador. Esta opción entrañaba algunas ventajas e inconvenientes que se debían de tener en cuenta. Al utilizar un único microcontrolador, reducimos el coste del proyecto además de la probabilidad de fallos. También este diseño permitiría fabricar una PCB de menores dimensiones facilitando así la miniaturización. Sin embargo, se debe seleccionar un microcontrolador con la suficiente memoria como para almacenar el código, con los mapas de inyección y encendido, y con la suficiente velocidad de reloj como para no producir un cuello de botella durante la ejecución. 5.2. Pantalla LCD Otro aspecto a tener en cuenta es la elección de la pantalla LCD, y los tipos de comunicación posibles entre el microcontrolador y la propia pantalla. En el mercado existen diferentes tipos de pantallas LCD, en función del tamaño y del tipo de datos que se pueden escribir en ellas. Para este proyecto se han valorado pantallas de 16x2 caracteres, de 20x2 caracteres y pantallas LCD gráficas; tanto de color azul como verde. Las pantallas LCD presentan diferentes alternativas de conexión. Una de las más populares es mediante comunicación I2C. De esta forma, solo se requeriría de la utilización de los pines SDA y SCL del microcontrolador (más los de alimentación). Sin embargo, sería necesario instalar un módulo I2C en la pantalla. Las otras dos opciones son mediante un bus de comunicación de 4 pines o de 8 pines. Memoria técnica 36 6.5. Sensor de temperatura Se ha optado por sustituir la NTC, que se debería montar en una aplicación real, por un potenciómetro lineal, con el fin de estudiar más facilmente cómo responde un motor en función de la temperatura a la que se encuentra el mismo. El potenciómetro es idéntico que el del acelerador, un potenciómetro lineal de 100 kΩ y de ajuste vertical. Al utilizar un potenciómetro lineal, se simplifica el circuito ya que no requiere linealizar la salida del sensor. 6.6. Testigo de temperatura Se ha utilizado un diodo LED de color rojo y 3 mm como testigo luminoso. Dado que este LED consume 20 mA y el microcontrolador puede aportar 25 mA, se puede gobernar el Led sin la necesidad de instalar un transistor. No obstante, sí que es necesario instalar una resistencia limitadora de corriente. Según la página web del suministrador de este dispositivo [22], el LED presenta una caída de tensión de 2,4 V en su etapa de conducción. Por tanto, la resistencia que se deberá instalar será de al menos 130 Ω. 𝑅 = 5−2,4 20·10−3 =130 Ω (Ec. 6.6.1) 6.7. Sistema de inyección A diferencia del encendido, el inyector, pese a alojar una bobina en su interior, no genera grandes sobretensiones, ya que el valor de su inductancia es más pequeño. Además, se va a instalar en antiparalelo un diodo encargado de filtrar las corrientes autoinducidas generadas durante el cierre del inyector. Por ende, no se ha considerado imprescindible incorporar un optoacoplador, para gobernar la apertura y cierre del inyector. No obstante, no hay que olvidarse de que el diseño que se está realizando corresponde a un prototipo de pruebas que va a ser utilizado en laboratorio y que, en la versión final, la cual iría montada en motores y trabajará en ambientes adversos y cambiantes, se deberá incorporar un optoacoplador como elemento de protección. El diodo utilizado se identifica con la referencia BY255 y soporta picos de hasta 100 A. Del mismo modo, se ha determinado que la alimentación del inyector provenga directamente de la batería, es decir, de 12 V. La razón de esta decisión viene motivada porque, de esta forma, se requiere de una carga de trabajo inferior del regulador de tensión. El regulador elegido (7805UC) puede aportar, como máximo, 1 A. También, de esta manera, se reduce la temperatura de trabajo de regulador y, por tanto, se aumenta la eficiencia del circuito. Jaime Martínez Fernández 37 6.8. Sistema de encendido El sistema de encendido requiere de una tensión entre los electrodos de la bujía, que contenga picos de varios miles de volts. Para ello, el circuito contiene una bobina de encendido, la cual alberga un transformador en su interior con una relación de espiras de 1:1000, y un transistor que interrumpe la alimentación en el primario de la bobina de encendido, produciendo la variación de flujo electromagnético requerida. Tanto la bujía como la bobina vienen impuestas en este proyecto. Debido a la magnitud de las señales con las que se trabaja, se ha creído conveniente instalar un optoacoplador entre el microcontrolador y la base del transistor, con la finalidad de aislar eléctricamente los circuitos. El optoacoplador utilizado es el 4N25, y su circuito de potencia puede aportar 50 mA en modo continuo, y picos de hasta 100 mA. En el transcurso del proyecto, se ha estudiado la posibilidad de utilizar otro optoacoplador, identificable con la referencia HCPL3120 y, cuyo circuito de potencia contaba con un transistor IGBT, que podía soportar picos de hasta 2,5 A. Sin embargo, su uso ha sido desestimado, ya que requería de tensiones de alimentación de hasta 30 V. El LED del optoacoplador 4N25 requiere de una corriente de hasta 60 mA. Como el microcontrolador solo puede aportar 25 mA, se ha incluido un transistor como driver, identificable con la referencia BD139. El transistor encargado de cortar la alimentación de la bobina es el 12N60A4. Se trata de un transistor IGBT que puede soportar corrientes de hasta 54 A, en modo continuo, y tensiones de hasta 390 V entre los terminales del colector y emisor. Se ha conectado una resistencia de 10 Ω a la compuerta del mismo. De esta forma, según los datos recopilados del datasheet, se obtienen tiempos de apertura inferiores a 17 ns, lo cual es suficiente para la aplicación requerida. El transistor IGBT va a estar controlado por el optoacoplador, junto con una resistencia pull-down de 5,6 kΩ conectada a su salida. 6.9. Comunicaciones Se quiere implementar la opción de poder comunicar la unidad de control electrónico con un smartphone y un ordenador. Se ha creído conveniente realizar la conexión entre el ordenador y la ECU, mediante un USB. Sin embargo, esta opción ha tenido que ser descartada por un problema de compatibilidad de los drivers de Windows a la hora de ejecutar las simulaciones. Por ello, se ha optado por utilizar una comunicación serie, bajo es estándar RS232[40]. No obstante, se deberá incluir un integrado que adapte las tensiones del microcontrolador al estándar RS232. El integrado seleccionado es el MAX232 y convierte los valores de tensión de la señal al estándar RS232 a través de unos condensadores de 1 µF. Memoria técnica 38 7. Diseño del prototipo de pruebas Para desarrollar el hardware se ha utilizado el software Proteus. Proteus integra un programa de desarrollo electrónico, conocido como ISIS (Intelligent Schematic Input System), el cual permite crear y simular circuitos digitales. Por otro lado, Proteus también contiene una herramienta, denominada ARES (Advanced Routing and Editing Software), con la que se pueden diseñar placas de circuito impreso. Por lo tanto, Proteus permite desarrollar, de manera simultánea, los esquemas eléctricos y la placa de circuito impreso, al tiempo que se simulan los circuitos. Por este motivo, se ha elegido Proteus como herramienta de diseño y simulación de este proyecto. A continuación, se expone el diagrama de bloques que resumirá la constitución de la unidad de control electrónico. Figura 7.1. Diagrama de bloques del prototipo (fuente: propia). Jaime Martínez Fernández 39 Figura 7.2. Esquema eléctrico (fuente: propia). 7.1. Alimentación El circuito va a estar alimentado por una batería de plomo ácido de 12 V. Esta batería va a alimentar, de forma directa, al circuito de potencia del encendido y al de la inyección. En el caso de que el motor se encuentre encendido, la tensión de alimentación provendrá del alternador y podrá superar los 14 V. Por otro lado, la electrónica de control precisa de una alimentación de 5 V. Por ello, se ha precisado incorporar un regulador de tensión con el fin de alimentar al microcontrolador, y a toda la circuitería de control. Tal y como se ha mencionado en el apartado anterior, el regulador elegido es el 7805UC, y se le ha acoplado un condensador de 330 nF a la entrada, y uno de 100 nF a la salida. A continuación, se muestra el esquema de conexionado. Memoria técnica 40 Figura 7.1.1. Esquema del regulador de tensión (fuente: propia). Implementando este circuito, se obtienen 5 V a la salida. Figura 7.1.2. Simulación de la salida del regulador de tensión (fuente: propia). 7.1.1. Cálculo del disipador Para efectuar los cálculos del disipador del regulador de tensión, se ha contemplado el supuesto más desfavorable, que es que la tensión provenga del alternador. Se ha estimado que, de darse este caso, la tensión de entrada al regulador de tensión estaría situada en 14 V. El regulador de tensión debe ser capaz de convertir los 14 V en 5 V y, a su vez, suministrar los 225,7 mA que consume el circuito de control de la ECU. Con estos datos, se ha calculado que el regulador disipa una potencia de 2,03 W. Jaime Martínez Fernández 41 𝑃𝑑𝑖𝑠 =(𝑉𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 −5)·𝐼𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 𝐸𝐶𝑈 (Ec. 7.2.1.1) 𝑃𝑑𝑖𝑠 =(14−5)·0,2256 = 2,03 𝑊 (Ec. 7.2.1.2) El regulador elegido utiliza el encapsulado TO-220. Con este encapsulado, la resistencia térmica entre la unión y el ambiente está situada en 19 ºC/W. Por tanto, considerando que, al estar en las proximidades del motor, el regulador puede estar sometido a una temperatura puede alcanzar 90 ºC; la temperatura de la unión será de 128 ºC. 𝑇𝑗= 𝑃𝑑𝑖𝑠 ·𝑅𝑇+𝑇𝑎𝑚𝑏 (Ec. 7.2.1.3) 𝑇𝑗= 2,03·19+90 (Ec. 7.2.1.3) La temperatura de máxima de la unión que indica el fabricante, se sitúa en 150 ºC. Por tanto, no se necesitará disipador para trabajar dentro del área de operación segura (safe operating area). 7.2. Microcontrolador Se ha optado por utilizar el microcontrolador PIC18F2550. Uno de los aspectos más importantes es la velocidad del clock. El modelo con el que se ha trabajado admite velocidades de hasta 48 MHz. A lo largo del desarrollo del proyecto, se han probado diferentes velocidades de reloj, pero se ha concluido que la velocidad más alta es la máxima. Inicialmente se probó utilizar una velocidad de 4 MHz, ya que se consideró una frecuencia aceptable y que no comportaba un consumo excesivamente alto del microcontrolador. Con esta frecuencia y, suponiendo una situación en la que el motor fuera a un régimen de revoluciones alto (≈ 6000 rpm), el reloj del microcontrolador haría 40000 oscilaciones en cada revolución, lo que supondría 10000 ciclos de máquina. Esta velocidad puede parecer aceptable, sin embargo, cuando se simulaba en regímenes altos, se obtenían unos resultados caóticos. El motivo era que, el sensor de revoluciones (recordemos que era un sensor inductivo que detectaba el movimiento de una rueda dentada), había sido programado mediante interrupciones y, el periodo de tiempo entre diente y diente del sensor era lo suficientemente pequeño como para impedir que se ejecutara en su totalidad la función que medía el ancho de pulso y que se calculaba del régimen de giro del motor. Esto desembocaba en un funcionamiento anómalo. Por ello se optó por subir la velocidad del clock y, como además había que añadir las comunicaciones, se decidió usar la velocidad máxima del microcontrolador, es decir, 48 MHz. Memoria técnica 42 Para conseguir estas velocidades de reloj, se ha instalado un cristal de cuarzo de 48 MHz, identificable con la referencia ABL-48.000MHz-B1U, y cuya capacitancia de carga es de 18 pF. Por tanto, se deberá instalar con dos condensadores de 36 pF, pero como de este valor no se fabrica, se ha optado por instalar condensadores de 33 pF. El microcontrolador se ha alimentado con una tensión de 5 V procedente de un regulador de tensión y se ha incorporado un pulsador que permite ejecutar un Reset. Figura 7.2.1. Esquema de las conexiones básicas del microcontrolador (fuente: propia). 7.3. Sensor de revoluciones El sensor de revoluciones consta de dos sensores inductivos. Uno de ellos, se utiliza para conocer la posición del cigüeñal a partir de una rueda dentada que gira solidariamente a éste. El sensor produce una señal senoidal. Cada pulso corresponde a un diente de la rueda, y uno de los pulsos tiene un ancho mayor. En algunos motores, este diente se sitúa a 90 º del PMS, sin embargo, en este proyecto se ha utilizado para señalar el PMS, yendo ubicado en los 0 º. Jaime Martínez Fernández 43 El segundo sensor inductivo va instalado en el árbol de levas y se utiliza para detectar el inicio del ciclo del motor, es decir, la carrera de admisión. Los generadores inductivos han sido conectados a los pines RB0 y RB1 respectivamente, correspondientes a las 2 primeras interrupciones externas (INT0 e INT1) del microcontrolador. Figura 7.3.1. Señal producida por un sensor inductivo [23]. Para simular la primera señal en Proteus, ha sido necesario incorporar un amplificador operacional en modo comparador, que comparará las tensiones de dos generadores de pulsos diferentes. El generador encargado de simular los pulsos del mismo ancho tiene un duty-cycle del 50 %, y una frecuencia 35 veces superior al número de revoluciones por segundo. Con esto se consigue 35 pulsos por revolución. Por otro lado, en el generador encargado de simular el pulso más ancho, se ha fijado como frecuencia el número de revoluciones por segundo que se quiere simular, y un duty cycle del 10 %. Al sumar las dos tensiones, se obtiene una señal almenada, en la que cada 31 pulsos se obtienen uno más ancho que el resto, sumando un total de 32 pulsos. El sensor situado en el árbol de levas consiste en un generador de pulsos en la que se ha fijado una frecuencia equivalente a la mitad del número de revoluciones por segundo que se quiere simular, y un duty cycle del 2 %. Memoria técnica 44 Figura 7.3.2. Esquema eléctrico de un amplificador operacional en modo sumador (fuente: propia). No obstante, esta circuitería solo será necesaria para realizar las simulaciones, debido a la imposibilidad de disponer de un sensor real. Para hacer las pruebas en el laboratorio, se creará un circuito digital que genere estas señales. En la versión comercial, este operacional debe estar en modo comparador, para producir una señal digital a partir de una señal como la que se muestra en la Figura 7.3.1. Como las señales de la tensión producida por el sensor ubicado en el cigüeñal presenta una simetría impar respecto al origen de coordenadas, al incluir un amplificador operacional en modo comparador, y al situar la tensión de referencia a masa, se obtiene como salida, una señal equivalente a la de la entrada, pero convertida en un tren de pulsos. Figura 7.3.3. Esquema eléctrico de un amplificador operacional en modo comparador (fuente: propia). 7.4. Acelerador En un automóvil, la posición del acelerador se determina a partir de un potenciómetro lineal de doble pista, alojado en el pedal del acelerador o en la mariposa de gases. Dicho potenciómetro presenta dos salidas (una por pista) inversamente proporcionales la una a la otra. Al acelerar, la tensión de una de las señales crece, mientras la otra decrece. Con esto se logra redundancia en el sistema, lo que se Jaime Martínez Fernández 45 traduce en una mayor seguridad. Sin embargo, con la finalidad de simplificar el diseño, en este proyecto se utilizará un potenciómetro lineal de 100 kΩ, de una sola pista, y de ajuste vertical. La ventaja de utilizar este tipo de potenciómetro es que no requiere de ninguna etapa acondicionadora para linealizar la señal de salida. Además, al utilizar un potenciómetro con un valor óhmico elevado, se reduce la corriente que circula por el sistema y, con ello, su consumo. El modelo de potenciómetro utilizado permite un ángulo de giro de 300 º. Como EL ADC del microcontrolador es de 10 bits, la medición tendrá una sensibilidad de 0,29 º. 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 = 300 210 = 0,29 º (Ec. 7.4.2) La salida del potenciómetro ha sido conectada a la entrada AN0 del microcontrolador. Debido a que el sensor va a trabajar en un rango de tensión comprendido entre 0 V y 5 V, no ha sido necesario utilizar las entradas 𝑉𝑅𝑒𝑓+ y 𝑉𝑅𝑒𝑓− del integrado. Figura 7.4.1. Esquema eléctrico del potenciómetro del acelerador (fuente: propia). 7.5. Sensor de temperatura En automoción, se acostumbran a utilizar como sensor de temperatura, termistores NTC. Estos sensores deben ser instalados en un puente de Wheatstone, junto con un amplificador operacional de instrumentación, con la finalidad de linealizar la salida del sensor. Sin embargo, dado que se está trabajando en el diseño de un prototipo de pruebas para laboratorio, el termistor ha sido reemplazado por el mismo modelo de potenciómetro lineal que en el acelerador, con la finalidad de poder simular diferentes temperaturas de funcionamiento, y vislumbrar como ésta afecta al control del motor. Memoria técnica 52 7.8.1. Cálculo del disipador Este transistor admite una temperatura máxima en la unión de 150 ºC y la resistencia térmica entre la unión y el aire es de 62,5 ºC/W. Teniendo en cuenta que la ECU está alojada en las proximidades del motor, y que este se encuentra a una temperatura de unos 90 ºC se puede calcular si se precisa de un disipador. 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 =𝑇𝑗−𝑇𝑎𝑚𝑏 𝑅Ɵ𝐽𝐴 (Ec. 7.8.1.1) 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 =150−90 62,5 =62,5 º𝐶/𝑊 (Ec. 7.8.1.2) Como el transistor maneja potencias de 343 mW, no se requiere el uso de un disipador. 𝑃𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 = 𝑉𝐸𝐶 ·𝐼𝐶𝐸 +𝑉𝐵𝐸 ·𝐼𝐵𝐸 (Ec. 7.8.1.3) 𝑃𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 = 0,6·571·10−3 +1,4·534·10−6 =343 𝑚𝑊 (Ec. 7.8.1.4) 7.9. Sistema de encendido El sistema de encendido está formado por un transistor IGBT, encargado de iniciar e interrumpir la alimentación del primario de la bobina de encendido. Para evitar inducir ruido y sobretensiones en la circuitería de control, se ha decidido utilizar un optoacoplador para aislar e independizar ambos circuitos. Sin embargo, la etapa de control del optoacoplador requiere de corrientes de hasta 60 mA según los valores consultados por el datasheet, mientras el microcontrolador apenas puede suministrar 25 mA. Figura 7.9.1. Valores máximos asumibles por el optoacoplador [27]. Para solucionar este problema, se precisa de la instalación de un segundo transistor, con el que controlar el encendido del optoacoplador. El modelo elegido es el BD139. Jaime Martínez Fernández 53 Se quiere limitar la corriente de la base a 20 mA. Por ende, se deberá incorporar una resistencia a la salida del microcontrolador de un valor de, al menos 215 Ω. Se ha optado por utilizar una de 220 Ω. 𝑅𝑏=5−0,7 20·10−3 =215 Ω (Ec. 7.9.1) El circuito de control del optoacoplador irá conectado al colector del transistor. No obstante, como el transistor utilizado tiene un valor ℎ𝐹𝐸 alto para la aplicación requerida y como no se quiere quemar el LED del optoacoplador, es necesario instalar una segunda resistencia. A través de los datasheets del optoacoplador y del transistor, se sabe que la caída de tensión en el circuito de control del primero es de 1,3 V mientras que la diferencia de potencial entre el emisor y el colector del transistor es de 70 mV. Por lo tanto, se deberá instalar una resistencia de 72,6 Ω. Como se debe normalizar este valor, se ha optado por instalar una resistencia de 68 Ω, quedando la corriente limitada a 53,4 mA. 𝑅6=5−70·10−3−1,3 50·10−3 =72,6 Ω (Ec. 7.9.2) Cuando el LED del optoacoplador es atravesado por una corriente de 50 mA, el valor de la corriente que circula entre el colector y el emisor del fototransistor es de 2 mA. Para reducir la cantidad de potencia disipada por este elemento, se ha incluido una resistencia de un valor 5,6 kΩ. Figura 7.9.2. Circuito de encendido (fuente: propia). 7.9.1. Cálculo de los disipadores Según los valores extraídos del datasheet del transistor BD139, el transistor que controla el encendido del LED del optoacoplador puede disipar hasta 1,25 W, cuando la temperatura ambiental es de 23 ºC. Teniendo en cuenta que la temperatura de la unión puede llegar a ser de 150 ºC, la resistencia térmica entre la unión y el ambiente de este dispositivo es de 100 ºC/W. µC Memoria técnica 54 𝑅𝐽−𝐴 =150−25 1,25 =100 º𝐶/𝑊 (Ec. 7.9.1.1) Con estos datos, se puede calcular la potencia que es capaz de disipar el dispositivo con una temperatura ambiental de 90 ºC. El resultado es de 0,6 W. 𝑃𝐶 (𝑇=90 º𝐶)=150−90 100 = 0,6 𝑊 (Ec. 7.9.1.2) Teniendo en cuenta que el transistor va a ser atravesado por 50 mA a través de su colector, y por 20 mA a través de su base, la caída de tensión máxima entre el emisor y el colector del transistor es de 11,675 V. Como este valor no se va a alcanzar, no se precisa de la instalación de un disipador. 𝑉𝐶𝐸 =0,6−25·10−3·0,65 50·10−3 =11,675 𝑉 (Ec. 7.9.1.3) El transistor IGBT seleccionado, dispone de una temperatura máxima de la unión de hasta 150 ºC y una resistencia térmica entre la unión y la cápsula de 0,75 ºC/W. Este modelo de transistor se fabrica con la cápsula TO-220, la cuál tiene una resistencia térmica entre ella misma y el disipador, sin añadir mica, de 0,8 ºC/W. Se ha escogido un disipador con una resistencia térmica de 10,2 ºC/W. Así mismo, se considera que la ECU, al ir alojada dentro del vano del motor, puede estar sometida a temperaturas de hasta 90 ºC. Con estos datos, se puede calcular la potencia máxima que disipara el dispositivo, sin instalar un disipador térmico. 𝑃𝑇=150−90 0,75+0,8+10,2 = 5,1 𝑊 (Ec. 7.9.1.4) El transistor IGBT no disipa potencia durante su fase de bloqueo, ya que no lo atraviesa corriente. Sin embargo, durante su fase de conducción se disipará potencia, en forma de calor, debido a la existencia de una caída de tensión entre el colector y el emisor, cuando éste es atravesado por una corriente. Con la temperatura de la unión máxima que admite el dispositivo, se estima una caída de tensión aproximada de 0,9 V, con lo que el dispositivo podría llegar a ser atravesado por más de 5,67 A, sin sufrir ningún daño (provocado por una refrigeración deficiente), en el caso de que el transistor estuviera siempre conduciendo. Como el encendido trabaja con un duty-cycle de entorno al 75 % (ya que durante la carrera de escape está inactivo), podría trabajar con corrientes de hasta 7,57 A (despreciando el efecto de las sobretensiones). 𝐼𝑚𝑎𝑥 =5,11 0,9 = 5,67 𝐴 (Ec. 7.9.1.5) 𝐼𝑚𝑎𝑥 =5,11 0,75·0,9 = 7,57 𝐴 (Ec. 7.9.1.6) Jaime Martínez Fernández 55 7.10. Diseño de la placa de circuito impreso La placa de circuito impreso tiene unas dimensiones de 260 mm x 140 mm. Estas dimensiones permiten establecer una separación significativa entre los circuitos de inyección y encendido, y el microcontrolador. De esta forma, se consigue reducir el impacto de las sobretensiones generadas en ambos circuitos, sobre el circuito de control. Por otro lado, el tamaño de las pistas elegido es de 100 milésimas de pulgada para el circuito de potencia del encendido, 50 milésimas de pulgada para el circuito de potencia de la inyección, 20 milésimas de pulgada para la circuitería de control y 10 milésimas de pulgada para las comunicaciones. Memoria técnica 56 8. Diseño de los mapas En este apartado se expondrán los procedimientos que se han llevado a cabo para diseñar los mapas del motor. Se debe tener presente que los mapas que aquí se diseñan, son una mera aproximación y que, por tanto, el modelo comercial deberá ser puesto a punto en un banco de pruebas de motores. Los fabricantes dedican ingentes cantidades de recursos económicos y humanos, a llevar a cabo esta acción. Una vez diseñados los mapas, se prueban en bancos de potencia para motores, sometiendo a a diferentes condiciones de marcha, y se comprueban todas las variables del motor (potencia generada, emisiones, consumo de combustible, temperatura de funcionamiento, etc.). En función de los datos obtenidos, se modifica el mapa previamente confeccionado, con la finalidad de mejorar los resultados de dichas pruebas. Sin embargo, esto no se podrá llevarse a cabo debido a la falta de medios disponibles. 8.1. Mapa de inyección Para diseñar los mapas se ha considerado que la unidad de control electrónico iba a ser instalada en motores de gasolina atmosféricos con una cilindrada de 250 cm3. Se ha considerado que, durante la carrera de admisión, el cilindro se llenaría completamente de aire. En la práctica, esto no es cierto puesto que la eficiencia del llenado de los cilindros depende de diversos factores, entre los que destacan el régimen de revoluciones del motor, la presión atmosférica, o la temperatura ambiental. Sin embargo, cabe tener presente que la ECU diseñada en este proyecto, es un prototipo experimental y que, los modelos comerciales deberán probarse en bancos de pruebas de motores para así calibrar sus mapas correctamente. Se ha establecido que el dosado estaría situado entre 0,9, en el caso de que se requiera de una mezcla rica, y 1,3, en el caso de que se precise de una mezcla pobre. En base a estos parámetros, se puede calcular la gasolina que se debería inyectar cuando se requiere mezcla rica y cuando se requiere mezcla pobre. 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 =𝑣𝑎𝑖𝑟𝑒·𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 𝐴𝐹𝑅𝐸·𝑑𝑜𝑠𝑎𝑑𝑜·2 (Ec. 8.1.1) 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒(𝑟𝑖𝑐𝑎) =250·0,001 14,7·0,9·2 = 9,45 𝑚𝑔 (Ec. 8.1.2) Con estos datos, se sabe que se necesitarán 9,45 mg de gasolina, por cada dos vueltas del cigüeñal, en el caso de que se requiera de una mezcla rica. Del mismo modo, también se ha calculado la masa de gasolina necesaria para obtener una mezcla pobre con un dosado de 1,3. Jaime Martínez Fernández 57 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒(𝑝𝑜𝑏𝑟𝑒) =250·0,001 14,7·1,3·2 = 6,54 𝑚𝑔 (Ec. 8.1.3) Por tanto, el inyector deberá ser capaz de suministrar entre 6,54 mg y 9,45 mg de gasolina por cada dos revoluciones. Nuevamente cabe destacar que estos datos son una mera aproximación, y que la densidad del aire o el llenado del cilindro depende de diversos factores, como la presión atmosférica, la temperatura ambiental o la temperatura del motor, que no han sido tenidos en cuenta y que, por tanto, deberían calibrarse en un banco de pruebas, además de añadirse más sensores. Se dispone de un inyector, identificable con la referencia 280 150 715. Dicho inyector, es capaz de suministrar un caudal de gasolina de 137 g/min a 3 bares de presión. Sin embargo, la gasolina solo puede ser inyectada durante las carreras de admisión y compresión, por motivos obvios; por lo tanto, a efectos prácticos este inyector podrá suministrar, como máximo, 68,5 g/min de gasolina. Considerando que el motor alcanza su régimen de revoluciones máximo a 6000 rev/min, el caudal máximo de gasolina necesario es de 28,35 g/min, por lo que este inyector es capaz de abastecer sobradamente al motor. 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙𝑔𝑎𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎 (𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜)= 9,45·10−3 ·6000 2=28,35 𝑔/𝑚𝑖𝑛 (Ec. 8.1.4) Teniendo en cuenta que el inyector es capaz de aportar un caudal 137 g/min, cuando éste está abierto de manera continua, se puede calcular el duty-cycle en función de la demanda de gasolina del motor. Partiendo de que se requiere de una mezcla pobre cuando el motor está a ralentí, a 90 ºC y el acelerador sin accionar, y una mezcla rica en el caso opuesto, se han calculado el duty-cycle para cada instante de marcha. Memoria técnica 58 Acelerador [%] Revoluciones [Rev/Min] 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 600 3% 3% 3% 3% 4% 4% 4% 4% 4% 4% 700 3% 4% 4% 4% 4% 4% 4% 5% 5% 5% 800 4% 4% 4% 4% 5% 5% 5% 5% 5% 6% 900 4% 5% 5% 5% 5% 5% 6% 6% 6% 6% 1000 5% 5% 5% 6% 6% 6% 6% 6% 7% 7% 1250 6% 6% 7% 7% 7% 8% 8% 8% 8% 9% 1500 7% 8% 8% 8% 9% 9% 9% 10% 10% 10% 1750 9% 9% 9% 10% 10% 11% 11% 11% 12% 12% 2000 10% 10% 11% 11% 12% 12% 13% 13% 13% 14% 2250 11% 12% 12% 13% 13% 14% 14% 15% 15% 16% 2500 12% 13% 14% 14% 15% 15% 16% 16% 17% 17% 2750 14% 14% 15% 15% 16% 17% 17% 18% 18% 19% 3000 15% 16% 16% 17% 18% 18% 19% 19% 20% 21% 3250 16% 17% 18% 18% 19% 20% 20% 21% 22% 22% 3500 17% 18% 19% 20% 20% 21% 22% 23% 23% 24% 3750 19% 19% 20% 21% 22% 23% 23% 24% 25% 26% 4000 20% 21% 22% 22% 23% 24% 25% 26% 27% 28% 4250 21% 22% 23% 24% 25% 26% 27% 28% 28% 29% 4500 22% 23% 24% 25% 26% 27% 28% 29% 30% 31% 4750 24% 25% 26% 27% 28% 29% 30% 31% 32% 33% 5000 25% 26% 27% 28% 29% 30% 31% 32% 33% 34% 5250 26% 27% 28% 30% 31% 32% 33% 34% 35% 36% 5500 27% 29% 30% 31% 32% 33% 34% 36% 37% 38% 5750 29% 30% 31% 32% 34% 35% 36% 37% 38% 40% 6000 30% 31% 32% 34% 35% 36% 38% 39% 40% 41% Tabla 8.1.1. Mapa de inyección. Duty-cycle. Jaime Martínez Fernández 59 Los valores presentados corresponden a un modo de funcionamiento en el que el motor ha alcanzado su temperatura de trabajo (90 ºC). En caso contrario, se enriquecerán los valores mostrados un 3 %. Esta tabla puede ser graficada para obtener una representación tridimensional del mapa de inyección. Figura 8.1.1. Mapa de inyección (fuente: propia). 8.2. Mapa de encendido El mapa de encendido es utilizado para regular los grados de avance. Se ha establecido un ángulo de avance comprendido entre 3 º y 25 º. Sin embargo, el control del avance se hará a través de los dientes del sensor del cigüeñal, a diferencia del duty-cycle del inyector que se ha programado midiendo el tiempo que debe estar el inyector abierto. Por ende, se ha hecho una conversión, para transformar los grados de avance de encendido, en dientes de avance de encendido. En base a esto, se ha diseñado la siguiente tabla. 10 50 90 0% 20% 40% 60% 600 900 1500 2250 3000 3750 4500 5250 6000 Acelerador [%] Duty-cycle [%] Revoluciones [Rev/min] Mapa de inyección Memoria técnica 60 Acelerador [%] Revoluciones [Rev/Min] 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 600 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 700 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 800 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 900 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1000 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1250 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1500 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1750 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2000 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2250 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2500 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2750 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3000 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 3250 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 3500 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 3750 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4000 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4250 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4500 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4750 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 5000 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 5250 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 5500 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 5750 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 6000 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 Tabla 8.2.1. Mapa de encendido. Dientes de avance. Jaime Martínez Fernández 61 A continuación, se muestra una representación gráfica del mapa de encendido. Figura 8.2.1. Mapa de avance de encendido (fuente: propia). 10 50 90 0 1 2 600 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Posición del acelerador [%] Dientes de avance Revoluciones [rev/min] Mapa de encendido Memoria técnica 68 Figura 9.1.4. Diagrama de flujo de la rutina del Timer 3 (fuente: propia). 9.5. Rutina interrupción externa 0 La interrupción externa 0 (INT EXT 0) tiene por objetivo detectar los dientes del sensor ubicado en el cigüeñal. Cada vez que se detecta un pulso (o diente), se reinicia el Timer 1 y se configura esta interrupción externa para que funcione por flanco de bajada. De esta forma, cuando se termina el pulso, se puede leer el registro del Timer 1 para poder determinar cuál ha sido la duración de dicho pulso. Posteriormente, se debe configurar nuevamente la interrupción externa para que trabaje por flanco de subida y detecte el próximo pulso. Llegados a este punto, se comprueba si el pulso ha sido significativamente más grande que el anterior. De ser así, se podría determinar que el pistón se encuentra en el PMS. De lo contrario, existe una variable que contabiliza los pulsos, para conocer en qué posición se encuentra el cigüeñal. Tomando como referencia la posición del cigüeñal y con la ayuda de un testigo que permita discernir las carreras de admisión y compresión de las carreras de expansión y escape, se puede controlar el instante de apertura del inyector o la apertura y cierre del primario de la bobina de encendido. Cada vez que se completa una vuelta, se deben de reiniciar todos los contadores. Jaime Martínez Fernández 69 Figura 9.5.1. Diagrama de flujo de la rutina de la interrupción externa 0 (fuente: propia). 9.6. Rutina interrupción externa 1 La interrupción externa 1 permite conocer si el motor se encuentra en la primera vuelta de su ciclo (admisión y compresión) o en la segunda vuelta (expansión y escape). Para ello, se sirve de una señal Memoria técnica 70 proveniente del sensor ubicado en el árbol de levas. Cada vez que se detecta un pulso, se activa un testigo que es utilizado en otras rutinas del programa explicadas anteriormente. Figura 9.6.1. Diagrama de flujo de la rutina de la interrupción externa 1 (fuente: propia). 9.7. Interrupción externa 2 Con la interrupción externa 2 se puede controlar los datos que se visualizan en el display. Para ello, se dispone de una variable que inicialmente almacena un valor de 0 y que se autoincrementa cada vez que se acciona el pulsador. No obstante, cuando la variable ha alcanzado su valor máximo, se reinicia a 1. De esta forma, hay una pantalla, que corresponde a la inicial, la cual solo se visualizará una vez. Jaime Martínez Fernández 71 Figura 9.7.1. Diagrama de flujo de la rutina de la interrupción externa 2 (fuente: propia). 9.8. Rutina de cálculo del incremento de duty-cycle debido a la temperatura Esta rutina aprovecha la variable global que almacena el valor de la temperatura del motor, para determinar si es necesario aumentar el porcentaje de tiempo que tiene que estar el inyector abierto por cada ciclo del motor. De esta forma, si la temperatura del motor es baja, se enriquecerá la mezcla de aire y combustible. A este control se le ha añadido una histéresis de 5 ºC. Memoria técnica 72 Figura 9.8.1. Diagrama de flujo de la rutina de cálculo del duty-cycle debido a temperatura (fuente: propia). 9.9. Rutina encargada de imprimir valores en el display La rutina a la que se hace referencia permite imprimir las variables más significativas en el display junto con sus unidades. Existe una pantalla inicial en donde se imprime el nombre del proyectista y que solo se puede visualizar una vez. En el momento que se acciona el pulsador, la pantalla alterna para mostrar el régimen de giro del motor. Las siguientes pantallas corresponden a la visualización del valor de la temperatura del motor, en ºC, y la posición del acelerador en %. Si se oprimiera el pulsador nuevamente, se volvería a la pantalla de las revoluciones por minuto. Jaime Martínez Fernández 73 Figura 9.9.1. Diagrama de flujo de la rutina de impresión de valores en LCD (fuente: propia). 9.10. Rutina de cálculo de duty-cycle y avance de encendido Con esta rutina se puede conocer el porcentaje de tiempo total que debe estar abierto el inyector por cada ciclo del motor, y los grados de avance de encendido. La rutina busca dentro de los mapas de inyección y avance de encendido, los valores adecuados en función del régimen de giro y de la posición del acelerador. Una vez encontrados los valores, se le suma el incremento de duty-cycle debido a una temperatura baja del motor, y su valor se almacena en una variable global. Del mismo modo, también se almacena en una variable global los grados de avance. Memoria técnica 74 Figura 9.10.1. Diagrama de flujo de la rutina de cálculo del duty-cycle total y encendido (fuente: propia). 9.11. Rutina comunicaciones Esta rutina permite enviar a través del puerto RS232, las variables globales que se han considerado de mayor interés. Estas variables corresponden a las revoluciones por minuto, la temperatura del motor, la posición del acelerador, el duty-cycle de la inyección y el avance de encendido. Jaime Martínez Fernández 75 Figura 9.12.1. Diagrama de flujo de la rutina de envío de valores a través de RS232 (fuente: propia). Memoria técnica 76 10. Descripción del Hardware de la FPGA La FPGA debe ser capaz de generar dos señales: la primera señal, cuya salida es a través del pin D0 y que emula el sensor de posición del cigüeñal y la segunda a través del pin D1 que corresponde al sensor de posición del árbol de levas. Estas señales también son visibles a través de los LEDs que incorpora la placa(LED0 y LED1 respectivamente). La FPGA cuenta con un reloj de 12 MHz, por lo que se ha decidido utilizar un prescaler, para así simular un régimen de giro cercano al ralentí. Si el motor girase a 600 rpm, daría 10 vueltas por cada segundo y, teniendo en cuenta que el último pulso generado por el sensor del cigüeñal es de mayor anchura que el resto, la señal resultante equivaldría a un tren de 35 pulsos, donde los pulsos 32, 33, 34 y 35 corresponderían al pulso de mayor tamaño. Por tanto, se debe generar una señal con una frecuencia de 350 Hz. Con los datos expuestos se puede calcular el prescaler. 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒𝑟 = log2(12·106 350 ) = 15,06 (Ec. 10.1) Redondeando el prescaler a 15 bits, se obtiene un régimen de giro de 628 rpm. A continuación, se expone una tabla con los regímenes de giro que se conseguirían simular en función del número de bits del prescaler. RPM Nº bits 628 rpm 15 1256 rpm 14 2511 rpm 13 5022 rpm 12 Tabla 10.1. Régimen de giro en función del número de bits Jaime Martínez Fernández 77 11. Simulaciones En este apartado se expondrán los resultados de las simulaciones llevadas a cabo con Proteus. Es de vital importancia asegurarse de que los resultados de estas simulaciones concuerdan con los resultados esperados, antes de proseguir con la fabricación de un primer prototipo de pruebas. De esta manera, se reducirá notablemente el impacto económico al detectar posibles fallos, antes de adquirir los componentes necesarios. 11.1. Sensor de revoluciones La primera simulación en ejecutarse ha sido la del sensor de revoluciones. Esta decisión viene motivada por tratarse de uno de los elementos más críticos del proyecto. Es esencial que las señales procedentes del sensor del cigüeñal y del árbol de levas estén en sincronismo con la inyección y el encendido. Además, estos sensores son utilizados para contar las revoluciones. También se trata de uno de los sensores más complejos de simular y, por ello, se han presentado dos alternativas: una para el prototipo de pruebas, debido a la imposibilidad de disponer de un sensor real, y una segunda alternativa para la versión comercial. 11.1.1. Prototipo de pruebas Los sensores de revoluciones y posición que se instalarán en el prototipo de pruebas arrojarán una señal almenada, que se obtendrá a partir de un circuito digital. Esta señal consistirá en un tren de pulsos en el que, el pulso treintaidosavo tendrá una anchura del doble de tiempo que los demás. La forma de obtener este tipo de señal en Proteus, ha sido mediante la suma de dos señales PWM; una de ellas con un duty-cycle del 50 %, y una segunda señal con una frecuencia y con un duty-cycle inferior a la primera (en este caso, con un duty-cycle del 10 % y una frecuencia 35 veces inferior a la de la primera señal). Si se suman ambas señales con un operacional configurado en modo sumador y, con una amplificación lo suficientemente grande como para que se sature el operacional, se obtendrá una señal cuadrada. Sin embargo, en el prototipo de pruebas se obtendrá mediante una FPGA. Memoria técnica 84 Figura 11.2.3. Simulación del inyector y encendido con el motor a 90 ºC y acelerador al 0 %. Señal amarilla: Sensor de posición del cigüeñal. Señal azul: Sensor del árbol de levas. Señal rosa: Inyector. Señal verde: Encendido (fuente: propia). Finalmente, es interesante conocer el valor de la corriente que atravesará el inyector y el primario de la bobina de encendido, para ver si estos se encuentran dentro de los parámetros adecuados. Pese a que las simulaciones que puede efectuar Proteus van encaminadas a los circuitos digitales, el software incorpora herramientas para comprobar algunas magnitudes analógicas, entre ellas el valor de las intensidades de los diferentes elementos que componen un circuito. No obstante, los circuitos de potencia se han tenido que simular por separado, para no saturar la memoria. Figura 11.2.4. Simulación del circuito de inyección (fuente: propia). Jaime Martínez Fernández 85 Al simular el circuito de inyección, se puede observar como el transistor puede aportar hasta 542 mA al inyector, valor que se considera suficiente. También se puede comprobar como la corriente de la base queda limitada a 529 µA, valor que es perfectamente asumible por el microcontrolador. Figura 11.2.5. Simulación del circuito de encendido (fuente: propia). La simulación del circuito de encendido muestra como la corriente de polarización del LED del optoacoplador, es de 54,8 mA y, por tanto, inferior a los 60 mA que indicaba el datasheet como valor máximo al que se podía someter este elemento. También se puede comprobar como la corriente que suministra el microcontrolador es de 19,8 mA (inferior a los 25 mA que puede suministrar como máximo), y que la corriente que aporta el optoacoplador, a través de su transistor interno, es de 2,11 mA (obviando la corriente de carga de la compuerta del transistor, debido a su escasa magnitud), es decir, inferior a los 50 mA que estaban fijados como máximo. Finalmente, el aspecto más reseñable es el de la corriente que se suministra al primario de la bobina de encendido, que llega a alcanzar 1,31 A, cuando la batería se encuentra a 12 V. Sin embargo, debemos tener presente que la tensión de la batería puede alcanzar los 13,2 V si ésta se encuentra en un estado de carga elevado, y puede llegar a superar los 14 V si la tensión proviene del alternador. Por tanto, bajo estas circunstancias, la corriente que se suministraría al primario de la bobina de encendido sería incluso mayor. No obstante, es conveniente que en las simulaciones se tenga en cuenta el caso más desfavorable, que es el que se ha expuesto. También se ha simulado el circuito de encendido con PSIM. En esta simulación se puede corroborar como la tensión a la salida del secundario de la bobina de encendido, alcanza valores de 17 kV. Memoria técnica 86 Figura 11.2.1. Simulación del circuito de encendido. Señal roja: Diferencia de potencial entre los electrodos de la bujía (fuente: propia). 11.3. Sensor de temperatura El sensor de temperatura debe trabajar en un rango de valores comprendidos entre los -20 ºC y los 120 ºC. Esta temperatura es regulable mediante un potenciómetro. A continuación, se exponen los resultados de la simulación, con el potenciómetro que emula el sensor de temperatura del motor al 0 % (Figura 10.3.1.) y al 100 % (Figura 10.3.2.). Figura 11.3.1. Simulación del sensor de temperatura a -20 ºC (fuente: propia). Figura 11.3.2. Simulación del sensor de temperatura a 119,8 ºC (fuente: propia). Jaime Martínez Fernández 87 11.4. Acelerador El procedimiento para simular el potenciómetro del acelerador, ha sido similar al de la temperatura. A continuación, se exponen las lecturas del acelerador cuando éste está al 0 % (Figura 10.4.1.) y cuando está al 100 % (Figura 10.4.2.). Figura 11.4.1. Simulación del acelerador al 100 % (fuente: propia). Figura 11.4.2. Simulación del acelerador al 0 % (fuente: propia). 11.5. Pantalla LCD El display se podrá controlar a través de un pulsador. Al actuar sobre el pulsador, se podrá navegar por el menú de la pantalla, pudiendo alternar entre varias medidas. Al encender la placa, se ha optado por mostrar la autoría del proyecto. En el momento en el que se acciona el pulsador, se puede alternar entre la lectura de las revoluciones por minuto, la temperatura del motor, o la posición del pedal del acelerador. De esta forma, una vez que el usuario inicia la navegación, mostrando diferentes lecturas en la pantalla, es imposible retornar a la de inicio, al menos que se reinicie la placa. Las diferentes pantallas que puede arrojar el display, son mostradas a continuación. Memoria técnica 88 Figura 11.5.1. Menú inicial (fuente: propia). Figura 11.5.2. Menú de régimen de giro (fuente: propia). Figura 11.5.3. Menú de temperatura del motor (fuente: propia). Figura 11.5.4. Menú de posición del acelerador (fuente: propia). 11.6. Comunicaciones Para llevar a término las simulaciones de las comunicaciones mediante el puerto RS232, se ha creado un puerto virtual a través del programa VSPE. El puerto virtual se ha configurado en el COM4. Además, se ha utilizado Hercules para visualizar los datos del puerto serie. Los datos que se envían por el puerto serie son las revoluciones por minuto, la temperatura del motor, la posición del acelerador, y los grados de avance del encendido. Jaime Martínez Fernández 89 Figura 11.6.1. Datos recibidos por el puerto serie (fuente: propia). Memoria técnica 90 12. Comunicaciones La unidad de control electrónico diseñada, cuenta con un puerto serie, para transmitir las variables que se han considerado de interés. Estas variables son las revoluciones por minuto, la temperatura del motor, la posición del acelerador, el duty-cycle del inyector y los grados de avance del encendido. El estándar de comunicación utilizado es el EIA/TIA RS-232C [40], el cual establece que el 0 lógico debe corresponder a una señal de 12 V y el 1 lógico a una señal de -12 V. Como el microcontrolador no puede generar estas tensiones por sí mismo, ha sido necesario la instalación de un integrado (MAX232) que permite la adecuación a estos valores. Del mismo modo, se ha configurado la velocidad de la comunicación a 9600 baudios y no se ha creído conveniente incluir protocolos de detección de errores de transmisión, como es el de bit de paridad. Esta última decisión se ha tomado con la finalidad de evitar errores en la simulación. Sin embargo, en el prototipo comercial debe incluirse. La lectura de los valores se realiza a través de un software denominado Hércules, que permite imprimir los datos que llegan al ordenador por diferentes periféricos, entre ellos el puerto serie. Como los ordenadores actuales no disponen de este puerto, es necesario adquirir un conversor USB – RS232. En versiones sucesivas de esta unidad de control electrónico, el puerto RS232 será sustituido por un puerto USB y un módulo bluetooth. Jaime Martínez Fernández 91 13. Normativa La versión comercial de la unidad de control electrónico diseñada, deberá respetar la normativa europea y nacional existente. Dicha normativa afecta principalmente a las emisiones de gases contaminantes (óxidos de nitrógeno, hidrocarburos, monóxido de carbono y partículas) y a la compatibilidad electromagnética. También debiera respetarse la normativa referente a los plazos de garantía y calidad exigidos por el marcado de Conformidad Europea (marcado CE). Del mismo modo, si la unidad de control electrónico se exportase fuera de la Unión Europea, se deberá velar por el cumplimiento del marco legal de aquellos terceros países a los que se exporte. No obstante, la normativa europea acostumbra a ser una de las más avanzadas y garantistas para el consumidor. 13.1. Normativa relativa a las emisiones de gases contaminantes La Comisión Europea y el Parlamento Europeo se han puesto como objetivo reducir los niveles de gases contaminantes emitidos a la atmósfera, hasta el punto de convertirse en una de las legislaciones más ambiciosas y restrictivas en esta materia. En las últimas décadas, se han ido aprobando leyes que limitan cada vez más la cantidad de emisiones que pueden generar aquellos vehículos que se comercialicen dentro de los estados miembros, hasta tal punto, de que se prevé que se prohíban estos vehículos en unas décadas. La normativa vigente en esta materia es la siguiente. • REGLAMENTO DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO sobre la homologación de tipo de los vehículos de motor por lo que se refiere a las emisiones y sobre el acceso a la información relativa a la reparación de los vehículos, y por la que se modifican las Directivas 72/306/CEE y .../.../CE (Euro 5). Actualmente, esta normativa no afecta a motocicletas. Sin embargo, se ha marcado el año 2020 como fecha de entrada en vigor para este tipo de vehículos [28]. • DIRECTIVA 2002/80/CE DE LA COMISIÓN de 3 de octubre de 2002 por la que se adapta al progreso técnico la Directiva 70/220/CEE del Consejo relativa a las medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor (Euro 4) [29]. • DIRECTIVA 98/69/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO de 13 de octubre de 1998 relativa a las medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor y por la que se modifica la Directiva 70/220/CEE del Consejo (Euro 3) [30]. Memoria técnica 92 13.2. Normativa relativa a la compatibilidad electromagnética También debe ser tenida en cuenta la normativa referente a la emisión de señales electromagnéticas, especialmente por las producidas en el circuito de encendido. La legislación aprobada al respecto es la siguiente: • Directiva 2009/19/CE de la Comisión, de 12 de marzo de 2009, por la que se modifica, para adaptarla al progreso técnico, la Directiva 72/245/CEE del Consejo, relativa a las interferencias de radio (compatibilidad electromagnética) de los vehículos [31]. • Directiva 2006/28/CE de la Comisión, de 6 de marzo de 2006, por la que se modifican, para su adaptación al progreso técnico, la Directiva 72/245/CEE del Consejo relativa a las interferencias de radio (compatibilidad electromagnética) de los vehículos y la Directiva 70/156/CEE del Consejo relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre la homologación de vehículos a motor y de sus remolques [32]. • Directiva 2005/83/CE de la Comisión, de 23 de noviembre de 2005, por la que se modifican, para su adaptación al progreso técnico, los anexos I, VI, VII, VIII, IX y X de la Directiva 72/245/CEE del Consejo, relativa a las interferencias de radio (compatibilidad electromagnética) de los vehículos [33]. • Directiva 2005/49/CE de la Comisión, de 25 de julio de 2005, por la que se modifican, para su adaptación al progreso técnico, la Directiva 72/245/CEE del Consejo relativa a las interferencias de radio (compatibilidad electromagnética) de los vehículos, y la Directiva 70/156/CEE del Consejo, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre la homologación de vehículos a motor y de sus remolques [34]. • Corrección de errores de la Directiva 2004/104/CE de la Comisión, de 14 de octubre de 2004, por la que se adapta al progreso técnico la Directiva 72/245/CEE del Consejo relativa a las interferencias de radio (compatibilidad electromagnética) de los vehículos y por la que se modifica la Directiva 70/156/CEE del Consejo relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre la homologación de los vehículos a motor y de sus remolques [35]. • Directiva 2004/104/CE de la Comisión, de 14 de octubre de 2004, por la que se adapta al progreso técnico la Directiva 72/245/CEE del Consejo relativa a las interferencias de radio (compatibilidad electromagnética) de los vehículos y por la que se modifica la Directiva 70/156/CEE del Consejo relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre la homologación de los vehículos a motor y de sus remolques [36]. • Corrección de erratas del Real Decreto 138/1989, de 27 de enero, por el que se aprueba el Reglamento sobre Perturbaciones Radioeléctricas e Interferencias [37]. • Real Decreto 138/1989, de 27 de enero, por el que se aprueba el Reglamento sobre Perturbaciones Radioeléctricas e Interferencias [38]. Jaime Martínez Fernández 93 13.3. Otra normativa aplicable Además de lo mencionado, todos los productos que se comercialicen dentro de la Unión Europea, deben cumplir el marcado CE. El marcado CE se apoya en la directiva europea 93/68/CEE. Este marcado es obligatorio para comercializar equipos eléctricos dentro de la Unión Europea y, para obtenerlo, la unidad de control electrónico deberá ser examinada por un organismo autorizado de la Unión Europea, y en donde se velará por el cumplimiento de la normativa anteriormente descrita y por la seguridad y durabilidad del producto [39]. Finalmente, dado que se ha establecido un puerto de comunicación, se debe cumplir el estándar RS232. Dicho estándar fija, entre otras cosas, los valores que deben tener las tensiones del puerto de comunicación [40]. Memoria técnica 100 18. Bibliografía [1]. Ament, P. Wheel History - Invention of the Wheel. En: [en línea]. [consulta: 3 enero 2019]. 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