Sistema De Control De Encendido Electrónico Para Vehículos Renault.pdf

Sistema de control de encendido electrónico para vehículos Renault

Edward Camilo Cortés Chacón & Jorge Armando Pineda Benítez Febrero 2017

Escuela tecnológica instituto técnico central Facultad de mecatrónica Ingeniería en mecatrónica

Sistema de control de encendido electrónico para vehículos Renault

Aplicación específica para automóviles Renault 9

Edward Camilo Cortés Chacón & Jorge Armando Pineda Benítez Trabajo de grado de ingeniería en Mecatrónica

Ing. Álvaro Cortés Prieto Director de proyecto

Nota de aceptación: ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________

________________________________ Firma Asesor Trabajo de Grado

________________________________ Firma del jurado

________________________________ Firma del jurado

Bogotá, Febrero 2017

Responsabilidad.

Ni la Escuela Tecnológica Instituto Técnico Central, ni el asesor del

trabajo de grado, ni los jurados calificadores son responsables por las ideas expuestas por los autores de este Trabajo de Grado.

Tabla de contenidos Lista de Figuras

vii

Lista de ecuaciones

ix

Lista de Tablas

x

Glosario

xi

Resumen

xiii

Introducción

1

Definición del problema

3

Justificación

7

Objetivo general

10

Objetivos específicos

10

Capítulo 1

11

1.

11

Generalidades del motor y sistemas de encendido

1.1

El motor de cuatro tiempos

14

1.1.1

Tiempo 1: Ciclo de admisión.

14

1.1.2

Tiempo 2: Ciclo de compresión

15

1.1.3

Tiempo 3: Ciclo de combustión.

16

1.1.4

Tiempo 4: Ciclo de escape.

17

1.3

El sistema de encendido

22

1.3.1

Sistema de encendido convencional.

24

1.3.2

Sistema de encendido transistorizado.

26

1.3.3

Sistema de Encendido Electrónico Integral.

29

Capítulo 2

32

2.

El sistema de encendido electrónico integral Renix

32

2.1

Funcionamiento del sistema de encendido Renix

33

2.2

El avance de encendido.

35

2.2.1 2.3

Calculo del Avance de Encendido. Componentes del sistema de encendido Renix

38 39

2.3.1

Rueda fónica.

40

2.3.2

Sensor de Posición Magnético (CKP).

41

2.3.3

Sensor de Presión Absoluta (MAP).

42

2.3.4

Unidad de Control de Encendido (ECU).

43

2.3.5 2.4

Bobina de encendido. Etapas de funcionamiento del módulo de encendido

44 45

2.4.1

Etapa de interface o preparación.

45

2.4.2

Etapa de programación.

46

2.4.3

Etapa de potencia.

46

Capítulo 3

48

3.

48

Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

3.1

Desplazamiento del Pistón Vs Posición Angular del Cigüeñal

48

3.2

Velocidad del Pistón Vs Posición Angular del Cigüeñal

51

3.3

El ángulo de combustión

52

3.3.1

Fase 1. Retardo de Encendido.

53

3.3.2

Fase 2. Propagación de la llama.

54

3.3.3

Fase 3. Extinción de la llama.

55

3.4

Determinando el Angulo de inicio de la combustión

56

3.5

Angulo de Avance en función de la Velocidad del Motor

57

3.7

Corrección del ángulo de avance en función del vacío

61

3.8

Tiempo de recorrido del pistón en función del ángulo del cigüeñal

63

3.9

Angulo de contacto

65

3.10

Tiempo de inicio de la Combustión

68

Capítulo 4

73

4.

73

Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

4.1

Selección del microcontrolador para el sistema de encendido

73

4.3

Sensor de reluctancia variable (CPK)

75

4.3.1

Adecuación de la señal del sensor CKP.

76

4.4

Sensor de vacío (MAP)

82

4.5

Inicialización del sistema de control

84

4.6

Etapa de Potencia: Control de salida para accionamiento de la bobina

85

4.7

Programación del micro controlador PSoC 5LP

91

4.7.1

Configuración programable del módulo de encendido

93

4.7.2

Implementación del tiempo de encendido, carga y descarga de la bobina

94

4.7.3

Filosofía de Control

96

4.7.4

Algoritmos de funcionamiento del sistema de control de encendido

97

4.7.5

Programa cargado en el PSoC 5LP

104

4.8

Ensamble del prototipo de sistema de control de encendido

108

4.9

Montaje banco de pruebas

110

4.9.1

Pruebas de funcionamiento en banco.

112

Conclusiones

116

Bibliografía

118

Anexos

121

Anexo 1. Primera encuesta de Análisis de Oferta del módulo de encendido para Renault 9 en el Mercado colombiano

121

Anexo 2. Curvas de avance en función de las RPM para diferentes configuraciones de módulos de encendido 122 Anexo 3.

Datasheet de elementos utilizados en el desarrollo del prototipo

124

Anexo 4.

Ejemplo de aplicación Ecuación Tiempo Total de Avance al Encendido

130

Anexo 5.

Ajuste de Curva en Función del Tiempo

131

Anexo 6.

Ejemplos de Cartografía de encendido RE001 y RE201

132

Lista de Figuras Figura 1

Componentes de un cilindro de combustión. ........................................................................... 13

Figura 2

Tiempo 1: Ciclo de admisión. .................................................................................................. 14

Figura 3

Tiempo 2: Ciclo de Compresión. ............................................................................................. 15

Figura 4

Tiempo3: Ciclo de Combustión. .............................................................................................. 16

Figura 5

Tiempo 4: Ciclo de escape. ...................................................................................................... 17

Figura 6

Corte de un motor de cuatro cilindros. ..................................................................................... 18

Figura 7

Posición de los pistones respecto al giro del cigüeñal. ............................................................ 19

Figura 8

Ejemplo de ángulo de avance variable. .................................................................................... 22

Figura 9

Esquema general de un sistema de encendido convencional. .................................................. 23

Figura 10 Esquema sistema de encendido transistorizado. ...................................................................... 25 Figura 11 Generador de impulsos y grafica del generador de impulsos. ................................................. 27 Figura 12 Captador de efecto hall. ........................................................................................................... 28 Figura 13 Esquema sistema de encendido integral................................................................................... 29 Figura 14 Ejemplo de cartografía de encendido. ...................................................................................... 32 Figura 15 Esquema sistema de encendido electrónico integral Renix. .................................................... 33 Figura 16 Ubicación del sensor CKP y señal que genera. ........................................................................ 34 Figura 17

Componentes del sistema de encendido integral Renix .......................................................... 39

Figura 18 Esquema de la rueda respecto a un corte lateral. ..................................................................... 40 Figura 19 Tratamiento de la señal generada por la rueda fónica. ............................................................. 41 Figura 20 Efecto producido por un captador magnético. ......................................................................... 42 Figura 21 Bobina de ignición ZS251. ...................................................................................................... 45 Figura 22 Estructura de bloques sistema de encendido Renix Allumage Electronique integral Renix.... 47 Figura 23 Dimensiones Mecanismo Biela-Manibela. Dante Giacosa. Pág. 238 ...................................... 49 Figura 24 Grafico desplazamiento del pistón en función del ángulo del cigüeñal. 2016 ......................... 51 Figura 25 Proceso de combustión. ........................................................................................................... 53 Figura 26 Combustión en diferentes RPM del motor. .............................................................................. 55 Figura 27 Curva de avance de encendido por RPM. 2016 ....................................................................... 59 Figura 28 Curva de avance por vacío. 2016 ............................................................................................. 63 Figura 29 Configuración LD1086 como regulador de voltaje ajustable. ................................................. 75 Figura 30 Sensor CKP Renault 9. ............................................................................................................ 76 Figura 31 Cambio de Tensión de salida por un voltaje de referencia 0. .................................................. 77 Figura 32 Conexión sensor de reluctancia variable a conversor LM2907. .............................................. 77

Figura 33 Nota de aplicación para LM385. .............................................................................................. 78 Figura 34 Generador de Funciones LFG-1300S, marca Leader. Elemento utilizado para pruebas de funcionamiento del prototipo .................................................................................................... 79 Figura 35 Circuito implementado para regulador LD1086V ................................................................... 79 Figura 36 Tabla de datos frecuencia vs voltaje y su representación gráfica. ........................................... 80 Figura 37 Circuito de tratamiento de señal de CKP implementado en prototipo ..................................... 81 Figura 38 Señal obtenida del circuito de tratamiento de señal ................................................................. 82 Figura 39 Sensor de presión absoluta, salidas del sensor. ........................................................................ 83 Figura 40 Grafica comparativa muestreo datos sensor MAP, Valor teórico y Sugeridos ........................ 84 Figura 41 Circuito eléctrico de potencia prototipo sistema de control ..................................................... 88 Figura 42 Circuito de potencia impreso y ensamble en protoboard ......................................................... 89 Figura 43 Bujía generando chispa a través del circuito de potencia con señal generada por el generador de funciones LFG-1300S .......................................................................................................... 90 Figura 44 Tiempo de carga y descarga de la bobina analizada en osciloscopio HM303-6 ...................... 91 Figura 45 Configuración de bloques internos del PSoC 5LP ................................................................... 92 Figura 46 Circuito LCD de verificación implementado ........................................................................... 92 Figura 47 Asignación de leds para programación del sistema de control de para módulo de encendido y su implementación en protoboard ............................................................................................. 93 Figura 48

Grafica de variación de ángulo respecto al desarrollo de la ecuación ..................................... 95

Figura 49 Esquema de funcionamiento general Sistema de Control ON-OFF ........................................ 97 Figura 50 Algoritmo de selección y configuración de parámetros ........................................................... 98 Figura 51 Algoritmo de encendido y estabilización del sistema .............................................................. 99 Figura 52 Algoritmo de procesamiento señal sensor MAP .................................................................... 101 Figura 53 Algoritmo de procesamiento señal del sensor CKP ............................................................... 102 Figura 54 Algoritmo de control de tiempo circuito ON-OFF ................................................................ 103 Figura 55 Asignación de puertos de PSoC a entradas y salidas del circuito general ............................. 104 Figura 56 Distribución de terminales para conectores de alimentación del módulo de encendido ........ 109 Figura 57 Montaje final del prototipo conectores principales y ensamble en caja ................................. 110 Figura 58 Motor A.O. Smith C56B83F21 .............................................................................................. 110 Figura 59 Acople motor a rueda fónica y sensor CKP para banco de pruebas ...................................... 111 Figura 60 Mapa de conexión sensor MAP 16137039 ............................................................................ 112 Figura 61 Señal generada por el sensor CKP, osciloscopio Hantek 6022BE ......................................... 113 Figura 62 Señal de control ON-OFF generada por el módulo de encendido ......................................... 114 Figura 63 Señal de carga y descarga de la bobina de encendido, Osciloscopio Hantek 6022BE .......... 115

Lista de ecuaciones Ecuación 1

Velocidad media del pistón ................................................................................................ 49

Ecuación 2

Deslazamiento en función del ángulo de manivela ............................................................ 50

Ecuación 3

Definición del termino λ .................................................................................................... 50

Ecuación 4

Velocidad del pistón........................................................................................................... 52

Ecuación 5

Velocidad angular del motor .............................................................................................. 52

Ecuación 6

Formula de avance en función de las RPM ........................................................................ 59

Ecuación 7

Función propuesta de avance de encendido ....................................................................... 61

Ecuación 8

Función propuesta de corrección de avance por vacío ....................................................... 62

Ecuación 9

Velocidad de rotación del motor ........................................................................................ 64

Ecuación 10

Tiempo empleado por el pistón en un ciclo ....................................................................... 64

Ecuación 11

Tiempo de desplazamiento del pistón ................................................................................ 65

Ecuación 12

Angulo de combustión disponible...................................................................................... 66

Ecuación 13

Angulo disponible como suma de ángulos de contacto y apertura .................................... 66

Ecuación 14

Angulo de contacto instantáneo ......................................................................................... 67

Ecuación 15

Pendiente del ángulo de contacto ....................................................................................... 67

Ecuación 16

Angulo total de avance al encendido ................................................................................. 69

Ecuación 17

Tiempo total ....................................................................................................................... 70

Ecuación 18

Distancia recorrida por el pistón ........................................................................................ 70

Ecuación 19

Tiempo de inicio de avance al encendido .......................................................................... 70

Ecuación 20

Tiempo total de avance al encendido ................................................................................. 71

Ecuación 21

Linealización de la señal del sensor MAP ......................................................................... 84

Ecuación 22

Valor de inductancia de la bobina 7701031135 ................................................................. 87

Ecuación 23

Valor de potencia de la bobina 7701031135 ...................................................................... 87

Ecuación 24

Tiempo de espera para inicio de avance de encendido ...................................................... 95

Lista de Tablas Tabla 1

Posicionamiento de cilindros del motor en función de la posición del cigüeñal ................... 21

Tabla 2

Ángulos de encendido inicial y de contacto para motores Renault ........................................ 37

Tabla 3

Avance en grados respecto a las RPM del motor ................................................................... 37

Tabla 4

Grados de avance respecto al vacio del motor ....................................................................... 37

Tabla 5

Angulo del cigüeñal Vs Posición del pistón .......................................................................... 51

Tabla 6

Grados de avance en función de las RPM para diferentes programaciones ........................... 56

Tabla 7

Valores de Avance modulo RE.001 ....................................................................................... 58

Tabla 8

Angulo de contacto en función de las RPM del motor .......................................................... 68

Tabla 9

Comparación de microcontroladores aptos para el desarrollo ............................................... 74

Tabla 10

Comparación de sensores MAP comerciales aptos para el desarrollo ................................... 82

Tabla 11

Pruebas de funcionamiento sensor MAP 16137039 .............................................................. 83

Glosario

AEI RENIX:

Modulo de encendido electronico integral para vahiculos Renault de la marca Renix

APMS:

Antes del Punto Muerto Superior

Biela:

Pieza de una máquina que sirve para transformar el movimiento rectilíneo en movimiento de rotación, o viceversa

Bobina:

La bobina del encendido es un dispositivo de inducción electromagnética o inducto, suministra a las bujías de encendido corriente de alta tensión para producir la chispa necesaria para la combustión del motor

Bujía:

Dispositivo de un motor de combustión interna donde se produce la chispa eléctrica que inflama la mezcla explosiva comprimida

CC:

Centimetros Cúbicos

Chispa:

Una chispa eléctrica es una descarga eléctrica repentina que ocurre cuándo un campo eléctrico suficientemente alto crea un canal conductor ionizado eléctricamente en un medio normalmente aislante

Cigüeñal

Pieza del motor del automóvil y otras máquinas que consiste en un eje con varios codos, en cada uno de los cuales se ajusta una biela, y está destinada a transformar el movimiento rectilíneo de los pistones en rotativo o viceversa.

DPMS:

Despues del Punto Muerto Superior

ECU:

Engine Control Unit, Unidad de control electronico, elemento donde se procesa la informacion de los sesores del automovil

P.M.I:

Se refiere a la posición que alcanza el pistón al final de una carrera descendente

Pistón:

El pistón es un cilindro abierto por su base inferior, cerrado en la superior y sujeto a la biela en su parte intermedia. El movimiento del pistón es hacia arriba y abajo en el interior del cilindro, comprime la mezcla, transmite la presión de combustión al cigüeñal a través de la biela

PMS:

El punto muerto superior se refiere a la posición que alcanza el pistón al final de una carrera ascendente

R.P.M

Revoluciones Por Minuto; Revoluciones Por Minutoralentí: es el régimen mínimo de revoluciones por minuto (giros o vueltas por minuto) a las que se ajusta un motor de combustión interna para permanecer en funcionamiento de forma estable sin necesidad de accionar un mecanismo de aceleración

Renix:

Fue una empresa conjunta por Renault y Bendix que diseñó y fabricó automóviles encendidos electrónicos, de inyección de combustible de los sistemas, controles electrónicos entre otros sensores del motor.

SOFASA:

Sociedad de Fabricación de Automotores S.A. es una empresa colombiana fundada en 1969 encargada del ensamble de los automóviles Renault en Colombia

Válvulas:

Una válvula es un elemento que hace parte que un mecanismo que regula el flujo de la comunicación entre dos partes de una máquina o sistema

θ_0:

Angulo de inicio de la combustión

θ_i:

Angulo total de avance al encendido

θ_v:

Avance en grados en función del vacío

Resumen La continua evolución de la tecnología a nivel mundial ha permitido a los fabricantes de vehículos desarrollar y lanzar al mercado nuevos modelos de manera constante, tanto así que en sociedades como la colombiana muchos vehículos que aun hacen parte del parque automotor nacional son ya obsoletos para los fabricantes originales. De igual manera las autopartes necesarias para el correcto mantenimiento de estos vehículos, si superan los diez años de fabricación, son cada vez más difíciles de conseguir con el paso del tiempo. Uno de estos componentes es el módulo de encendido para los vehículos Renault de encendido electrónico del cual actualmente únicamente es posible conseguirlo de segunda mano lo que de trasfondo tiene serios problemas de inseguridad que afectan a la sociedad, estos módulos de encendido son parte vital para el funcionamiento de vehículos como el Renault 9, 18, 19 y 21 ya que de ellos depende el encendido y sostenimiento del vehículo. La necesidad de este dispositivo para los usuarios de estos vehículos puede ser solventada con la implementación de un sistema de control de encendido que reemplace al módulo original y a su vez sea desarrollado con nuevas tecnologías que permitan un mejor comportamiento de los motores de los vehículos Renault. El desarrollo de un nuevo módulo de encendido para sistemas de encendido electrónico integral va de la mano con el estudio de todas las señales análogas que utiliza el vehículo para informar su estado y comportamiento en tiempo real, de igual manera estas deben ser procesadas y posteriormente tratadas para permitir al módulo generar una señal de control de la bobina de encendido del vehículo la cual es la encargada finalmente de generar una chispa de alta potencia que genera una reacción la cual permite encender el vehículo y mantenerlo en ese estado.

1

Introducción Actualmente en el mercado colombiano la oferta de módulos de encendido para sistemas de encendido electrónico integral marca Renix de los vehículos Renault es inexistente cuando de componentes nuevos se trata,

de aquí nace una necesidad que hasta el momento

desafortunadamente solo tiene una solución y es conseguir estos módulos en el mercado de autopartes de segunda; sin embargo detrás de este tipo de mercados se esconde un gran problema de nuestra sociedad el cual es el robo de autopartes y desafortunadamente la única opción para los usuarios que necesitan estos elementos para el mantenimiento de su vehículo es conseguirlos así desconozcan cuál es su procedencia, adicionalmente deben pagar precios excesivos por módulos que ya han sido usados y no hay una certeza real de que el elemento que adquieran pueda prestarles un buen servicio. El desarrollo de un módulo de control automotriz para estos vehículos surge como una opción para brindar una alternativa a los usuarios que necesiten este tipo de dispositivos, para lograrlo es necesario mirar hacia atrás y estudiar cómo ha sido la evolución de los sistemas de encendido y entender completamente su funcionamiento pasando desde los sistemas de encendido por platinos y llegando hasta los sistemas de encendido electrónico integral. Comprender el funcionamiento general de todos los sistemas de encendido nos permite adentrarnos en el estudio de los sistemas de encendido electrónico integral Renix de los vehículos Renault los cuales son el principal objetivo de esta investigación, analizar su funcionamiento, componentes, fases y estructura es la mejor manera de poder plantear un diseño metodológico que abarque todo lo necesario para desarrollar un prototipo que cumpla con todas las necesidades del vehículo.

2

Una vez analizados todos los conocimientos previos de funcionamiento de los sistemas de encendido electrónico integral, las bases son las necesarias para poder desarrollar el módulo de encendido esperado. Para llegar a este punto es imprescindible realizar una serie de pruebas físicas de funcionamiento con los sensores que intervienen en el sistema de encendido, para lo cual es necesaria la implementación de un banco de pruebas que simule el funcionamiento de los sensores que intervienen en el sistema y nos permita evidenciar el comportamiento del módulo de encendido diseñado y así comprobar la respuesta del módulo frente a los cálculos teóricos que se obtienen para el diseño del mismo. Con el análisis necesario de las etapas previas se realiza un desarrollo matemático que permite generar las funciones que son usadas en el algoritmo final que permite desarrollar el prototipo final del módulo de encendido electrónico. Este prototipo utiliza como señales de entrada las mismas que el módulo de encendido Renix original, de igual modo las conexiones también se mantienen igual que las originales con el objetivo de lograr una fácil adaptación en el vehículo.

3

Definición del problema Los automóviles han tenido una rápida evolución a lo largo de los años especialmente desde que se decidió que la electrónica debía ser parte del diseño de vehículos y estos dejaron de ser maquinas netamente mecánicas. La evolución de los componentes electrónicos en el mundo moderno alcanza una magnitud tal que cuando un producto está comenzando a ser comercializado ya se está trabajando en modificaciones, mejoras y por qué no, el reemplazo o la evolución del mismo. Sin embargo los hábitos de consumo en Colombia no tienen la misma voracidad que el desarrollo de las nuevas tecnologías, es común ver aún en nuestras calles en pleno año 2016 vehículos como el Renault 4, Renault 9, Chevrolet Sprint, Swift entre otras referencias en todo tipo de marcas de los cuales ya algunos superan los veinte años de fabricación. Según cifras del Registro Único Nacional de Transito (RUNT) (Registro único nacional de transito, 2015) en el mes de diciembre del año 2015 en nuestro país se encontraban registrados 3.044.145 automotores con una antigüedad mayor a los 16 años de los cuales el 25.55% (777.780) son vehículos particulares. Esto quiere decir que a esta fecha cerca del 26% de los colombianos que tienen automóvil aún tienen vehículos con tecnologías antiguas que desafortunadamente para estos usuarios ya están siendo dejadas de producir; en este punto se crea una necesidad pues si bien el mercado nos está moviendo constantemente hacia el consumismo existen espacios para desarrollar productos para estos vehículos que cualquiera que sea la razón siguen siendo importantes para sus propietarios. El mercado chino principalmente ha sido el encargado de proveer todos estos productos que por su antigüedad o por motivos económicos ya no son fabricados por los ensambladores originales. En Colombia según la Superintendencia de Industria y comercio “la garantía de calidad, idoneidad y servicio de postventa, compromete a sus obligados respecto de los vehículos

4

automotores en cuya fabricación, ensamble, distribución o venta haya participado, como mínimo a… Garantizar, por un término no menor de diez (10) años, material de reposición para los vehículos nacionales e importados…” (Superintendencia de industria y comercio, 19 de Julio de 2001), no obstante nuestros hábitos de consumo nos permiten tener un automóvil por más de 10 años siempre que consigamos lo necesario para mantenerlo funcionando. Como en cualquier mercado los fabricantes de repuestos homologados (reemplazo del original) realizan estudios que les permiten identificar cuáles son o no factibles para fabricar y comercializar, de este modo vehículos con más de 10 años de fabricación ya comienzan a considerarse de poca rotación de repuestos y solo se fabrican piezas de alta rotación o que se puedan utilizar en varios vehículos. En el año 1983 la compañía de automóviles Renault comercializó el que sería el primer carro con sistema de encendido electrónico en Colombia el Renault 9, según Claudia Castro (C. Castro, correo electrónico [email protected], 13 de Noviembre de 2015) desde ese año hasta el año 1998 en nuestro país se vendieron 116.150 unidades de este vehículo en sus diferentes versiones Gamma, Brío, Máximo, Súper e Inyección. El sistema de encendido electrónico se convirtió así en el reemplazo del sistema de encendido convencional por platino y condensador el cual requería de un continuo mantenimiento y ajuste, mientras que el nuevo sistema prometía un mejor desempeño y reducción del mantenimiento. Este sistema de encendido electrónico fue desarrollado por la marca Renix y también fue utilizado por los vehículos Renault 18, 19 y Renault 21 con algunas variaciones en la configuración del módulo de encendido; de estos vehículos se vendieron 60.820 unidades entre 1987 y 1994 solamente en nuestro país; hasta el año 1998 cuando dichos sistemas fueron reemplazados por los sistemas de encendido estáticos cuyo eje principal es el computador automotriz y es el sistema que se utiliza actualmente en la fabricación de vehículos con motores de combustión interna.

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Actualmente existen usuarios que tienen vehículos Renault que cuentan con sistema de encendido electrónico integral con módulo Renix, y pese a que para estos vehículos es relativamente fácil conseguir toda clase de repuestos nuevos de diferentes procedencias de fabricación como Francia, España, China, Turquía, entre otras, no es tan fácil conseguir los módulos de encendido Renix anteriormente mencionados o siquiera alguno que lo reemplace. Específicamente el módulo de encendido AEI RENIX RE-XXX fue utilizado por los vehículos nombrados anteriormente y lo fabricó la firma Renix Electronic en Francia desde 1980 hasta 1985, posteriormente fue fabricado por Siemens hasta el año 1995; sin embargo las ensambladoras como Sofasa Colombia (Ensambladora de Renault) siguieron fabricando automóviles con este dispositivo hasta el año 1998 cuando llegó la nueva generación de vehículos Renault de inyección electrónica los cuales tenían computador como módulo principal del sistema de encendido y se dejaron de fabricar los vehículos de carburador con encendido electrónico. En la primera encuesta de análisis de oferta del módulo de encendido Renix (Cortés, Camilo & Jorge Pineda, Encuesta Telefónica, 03 de Febrero de 2016) realizada para verificar la facilidad de conseguir estos módulos, se preguntó a almacenes especializados en venta de autopartes para vehículos Renault en el país si tenían o no estos módulos de encendido para los vehículos Renault, a lo cual el 80% de los encuestados respondió de manera negativa, del 20% restante solamente el 6% afirmó tenerla disponible para la venta en el momento de la encuesta, adicionalmente del 20% que afirman tenerla ninguno de ellos la ofrece nueva sino únicamente “Reconstruida” o de “Segunda”. Con este antecedente se podría pensar que la única opción de un usuario que tenga un vehículo Renault con este tipo de encendido electrónico en caso de necesitar cambiar el módulo de encendido seria comprar un módulo “reconstruido” que no es más que un repuesto de segunda

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reparado y reempacado o comprarlo usado; sin embargo en ambos casos, sumado a la dificultad para conseguirlo, está la condición de que es un repuesto que ya tiene un uso y su expectativa de vida útil estará seriamente comprometida. ¿Cómo se podría dar una solución al problema de escasa oferta de este módulo de encendido teniendo en cuenta que ya no es fabricado como un repuesto homologado para los vehículos Renault de encendido electrónico integral y así mismo ofrecer alternativas para los usuarios de estos vehículos para que su única opción en caso de necesitar este módulo de encendido no sea únicamente recurrir a la compra de autopartes de segunda que de uno u otro modo agudizan los problemas de inseguridad que invaden nuestra sociedad?

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Justificación La marca Renault es una de las más representativas en el mercado colombiano, según la Revista Motor (Bogotá sigue liderando la colocacion de carros en el mercado, 2012) en su publicación de enero de 2012 la participación de vehículos de la marca Renault en el mercado colombiano ronda el 15% siendo la segunda con más vehículos en el país después de la casa Chevrolet. Evidentemente la aceptación de esta marca es muy alta lo que se evidencia en las cifras de ventas de Renault 9, 18, 19 y 21 entre los años 1983 y 1998 las cuales alcanzaron las 176.970 unidades vendidas en total de estas referencias. Estos vehículos tienen algo en común aparte de su casa de fabricación y es el sistema de encendido, todos ellos se diseñaron con sistemas de encendido integral los cuales utilizaban para su funcionamiento un módulo de encendido, un sensor de posición de motor y un distribuidor de corriente. Específicamente el módulo de encendido utilizado por estos vehículos era fabricado por la firma Renix Electronique para Renault y fue utilizado en la fabricación de vehículos como el Renault 5 Turbo, Renault 9, Renault 11, Renault 19 y Renault 21. El modulo encendido electrónico diseñado por RENIX fue fabricado hasta el año 1993 por la firma SIEMENS (actualmente VDO Siemens) que compro a RENIX Electronique en el año 1986. La fabricación estos dispositivos ceso no sin antes dejar un stock de producto suficiente para que en países como Colombia estos módulos de encendido se siguieran utilizando para fabricar vehículos hasta el año 1998. De los elementos que componen el sistema de encendido integral de los vehículos Renault el único que presenta dificultad para conseguir un reemplazo es el módulo de encendido Renix ya que los otros elementos son suministrados sin ningún inconveniente por fabricantes de diferentes países.

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La necesidad que surge ante la escasa oferta del módulo de encendido electrónico Renix, conduce sin más remedio a los usuarios de estos vehículos a que en el momento de llegar a necesitar reemplazar esta unidad de encendido por cualquier motivo, tengan que pagar precios excesivos por módulos de segunda (usados). El mercado de autopartes de segunda en nuestro país es tal vez uno de los mayores dolores de cabeza para las autoridades ya que detrás de él se puede ocultar un gran problema de seguridad difícil de controlar como lo es el robo de autopartes. Actualmente no encontramos en el mercado un dispositivo que reemplace este módulo sin que sea necesario alterar gran parte del sistema de encendido de estos vehículos, haciendo necesaria la adaptación de sistemas de encendido completos de otros vehículos, lo que obliga a un cambio de la parte física de los carros, adaptaciones de tipo mecánico, pago de costos excesivos por parte de los usuarios. Esto sumado a que aun si es posible conseguir el módulo de encendido Renix de segunda, igualmente este ya tendrá cierto deterioro en sus componentes lo cual reducirá drásticamente su vida útil y puede afectar el comportamiento del vehículo dejando al usuario con el mismo problema inicial. Dentro de nuestros estudios en Ingeniería Mecatrónica encontramos elementos que sumados a un proceso de investigación nos brindan las herramientas y conocimientos adecuados para realizar el desarrollo y la posterior fabricación de un dispositivo que reemplace al original en su funcionamiento general y permita a los usuarios de estos vehículos disponer de una opción al momento de necesitar cambiar el dispositivo anteriormente mencionado. Con el desarrollo de este proyecto aplicamos los conocimientos adquiridos fundamentalmente en todo lo relacionado con electrónica análoga-digital, control eléctrico, mecánica y programación, ya que debido a la naturaleza del módulo de encendido este deberá recibir una serie de señales del vehículo,

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procesarlas y posteriormente generar otra señal que se encarga de controlar el accionamiento de la bobina de encendido y mantener el vehículo encendido. Así pues durante el desarrollo de este proyecto utilizando todos los conocimientos adquiridos y apropiando aquellos que sean necesarios, se realiza el diseño electrónico y físico de un módulo de encendido electrónico automotriz que reemplaza en funcionamiento el módulo de encendido Renix para Renault, y de esta manera brindamos a los usuarios de los vehículos Renault de encendido electrónico integral que usaban esta unidad originalmente, un sistema de control de encendido electrónico para automóviles Renault, que permita el correcto funcionamiento de sus vehículos y reemplaza al original sin necesidad de realizar ninguna adaptación física y satisfaciendo completamente las necesidades de funcionamiento del vehículo.

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Objetivo general Diseñar un sistema de control de encendido electrónico automotriz para vehículos Renault 9 con encendido electrónico integral como alternativa a los módulos de encendido marca Renix convencionales utilizados por estos vehículos como componente original.

Objetivos específicos 

Explorar la situación actual de mercado para los módulos de encendido electrónico de los vehículos Renault.



Describir las características generales de los sistemas de encendido electrónico y su funcionamiento en el motor de los vehículos Renault.



Analizar el funcionamiento del sistema de encendido electrónico integral Renix de Renault.



Proponer un modelo que pueda ser adaptado en los vehículos Renault sin tener que realizar modificaciones físicas al automóvil.



Desarrollar un sistema de encendido electrónico que utilice los mismos sensores que el sistema Renix como las señales de entrada que permiten identificar el comportamiento del motor en cualquier momento.

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

11

Capítulo 1 1. Generalidades del motor y sistemas de encendido El Renault 9 incursionó en el mercado colombiano en el año de 1983 después de haberse consolidado en Europa como el carro del año en 1982 (Car of the year, 2016). Este vehículo tipo sedán de cuatro puertas y baúl, cuenta con un motor de cuatro cilindros de 1.400 cc y un sistema de encendido electrónico que buscaba la disminución del mantenimiento y prometía mejorar el desempeño de los vehículos al tener un sistema de control más preciso que el mecánico de platino y condensador utilizado hasta ese momento. El Renault 18 en su versión 2.000 cc, el Renault 19 1.700 cc y el Renault 21 de 2.000 cc fueron otros vehículo de la casa Renault que fueron equipados con este sistema de encendido aunque con algunas variaciones de programación para cada vehículo. En términos generales el sistema de encendido es el encargado de generar una chispa que en conjunto con el combustible y el oxígeno realizan una explosión al interior de un cilindro del motor de un vehículo, provocando un movimiento de empuje el cual se trasmite al cigüeñal que será finalmente quien proporcione la energía requerida al motor para mantenerse en movimiento. Este tipo de sistema de encendido es utilizado en motores de combustión interna para generar la chispa necesaria para completar un ciclo. Los llamados motores de combustión interna son máquinas que realizan una mezcla de combustible en forma de gas con oxígeno, estos dos son almacenados en una cámara de combustión llamada cilindro donde son comprimidos y posteriormente encendidos para quemarse, lo que se conoce como combustión, debido al diseño del eje del motor este utiliza la energía generada por la combustión como insumo básico para producir movimiento giratorio. Los motores de combustión interna se construyen basados en el principio del ciclo térmico de cuatro tiempos de Otto. De manera generalizada a nivel automotriz se utilizan los motores de cuatro tiempos los cuales funcionan de la siguiente manera:

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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1er ciclo. Admisión: Durante este se abre la válvula de admisión, el pistón se desplaza hacia abajo y el cilindro se llena de aire y combustible. 2do ciclo. Compresión: En este la válvula de admisión se cierra, el pistón se desplaza hacia arriba y comprime la mezcla antes mencionada. 3er ciclo. Expansión: La mezcla se enciende y se produce energía en forma de calor, el calor expande los gases y estos ejercen una presión sobre el pistón y lo empujan hacia abajo. 4to ciclo. Escape: Finalmente la válvula de escape se abre y el pistón se desplaza nuevamente hacia arriba para expulsar todos los gases quemados y dejar la cámara limpia para un nuevo ciclo. Es entonces en el Tercer Ciclo en donde el sistema de encendido juega un papel crucial y de la mayor importancia, pues la explosión se produce gracias a que hay una chispa que es generada previamente por el sistema de encendido y esta debe estar en el momento preciso en que el pistón pasa por el Punto Muerto Superior (PMS) o la posición más alta a la que puede llegar el pistón, ya que si se adelanta o se retrasa a este punto se pueden presentar pérdidas de potencia, sobreconsumos de combustible y hasta daños internos en el motor del vehículo en los casos más extremos.

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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De un modo muy general y enfocado principalmente en el sistema de encendido del vehículo podemos decir que dentro de este subsistema intervienen todos los elementos del sistema de encendido junto con los elementos del motor del vehículo, incluyendo sus cuatro cilindros y el cigüeñal quien une los cuatro cilindros con la ayuda de la Biela (Figura 1).

Figura 1 Componentes de un cilindro de combustión. Manual de automóviles Arias Paz. Capítulo 1. El motor. Pag53

Vehículos como el Renault 9, 18, 19 y 21 están construidos con motores de combustión interna de cuatro tiempos y comprender de una manera más detallada cómo es su funcionamiento, es un elemento importante para empezar a comprender cuál es la labor real del módulo de encendido electrónico ya que los planteamientos teóricos son unos, sin embargo en la realidad debido a las altas frecuencias de funcionamiento de estos motores el comportamiento se ve afectado por muchos factores como se irá conociendo a medida que se explica el funcionamiento de estos.

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

1.1

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El motor de cuatro tiempos Los motores de cuatro tiempos son los más utilizados en la industria automotriz, esto a

causa de que son más limpios y contaminan menos que otros sistemas. Un motor de cuatro tiempos

Figura 2 Tiempo 1: Ciclo de admisión. José Antonio E. García. Recuperado de www.asifunciona.com 2016

está compuesto entre otros elementos por un cigüeñal, cilindro, biela, válvulas y bujía (Figura 1). En términos generales un motor de cuatro tiempos realiza una mezcla de aire y combustible que es comprimida, para posteriormente ser encendida y generar un desplazamiento que es aprovechado para producir el movimiento del cigüeñal. Este proceso se cumple durante cuatro momentos (de allí su nombre) y en cada uno interviene un elemento diferente de los nombrados anteriormente. 1.1.1 Tiempo 1: Ciclo de admisión. (Figura 2) En este primer ciclo el pistón de desplaza desde el punto muerto superior del cilindro (P.M.S) que es la posición máxima que puede alcanzar el pistón antes de comenzar su carrera descendente, hasta el punto muerto inferior (P.M.I) que será la posición mínima que logra el pistón antes de comenzar su carrera de ascenso. Mientras que se realiza este desplazamiento se abre la válvula de admisión, esta permitirá que ingrese al cilindro

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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la mezcla de combustible y aire, como se está realizando un desplazamiento del cilindro hacia el P.M.I este genera un efecto de succión que optimiza la entrada de aire y combustible a gran velocidad. 1.1.2 Tiempo 2: Ciclo de compresión. (Figura 3) Para este segundo ciclo el pistón está

Figura 3 Tiempo 2: Ciclo de Compresión. José Antonio E. García. Recuperado de www.asifunciona.com. 2016

ubicado en su posición más baja P.M.I y el cilindro lleno con combustible y aire, una vez el pistón alcanza este punto la válvula de admisión se cierra y el interior del cilindro se convierte en una cámara cerrada herméticamente, como el pistón se encuentra unido al cigüeñal con la biela este realiza un movimiento gracias a la inercia que tiene el cigüeñal y comienza una carrera de desplazamiento desde el P.M.I hasta el P.M.S y como la cámara está completamente cerrada el desplazamiento del pistón obliga a la mezcla de combustible y aire a comprimirse hasta que el pistón termine su recorrido. Recordemos que si un gas es comprimido su volumen se reduce y la presión aumenta de manera inversamente proporcional (ley de Boyle) adicionalmente, si la presión

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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de un gas aumenta lo hace también la temperatura manera proporcional (ley de Charles). Con la mezcla comprimida y el pistón en carrera de ascenso el motor está listo para el siguiente ciclo.

Figura 4 Tiempo3: Ciclo de Combustión. José Antonio E. García Álvarez. Recuperado de www.asifunciona.com. 2016

1.1.3 Tiempo 3: Ciclo de combustión. (Figura 4) Con el pistón ubicado en el P.M.S y la mezcla de combustible y aire comprimido al máximo, entra en acción otro elemento fundamental que es la bujía. La bujía es la encargada de producir una chispa en forma de arco eléctrico entre su electrodo central y el electrodo masa de la misma bujía, esta chispa se produce una vez la señal de corriente es recibida por la bujía desde el sistema de encendido del motor y gracias a esta chispa es que la mezcla de aire y combustible explota violentamente, a este fenómeno de explosión se denomina combustión cuyo efecto sumado a la inercia del cigüeñal impulsa con gran fuerza el pistón nuevamente hacia el P.M.I, el pistón es entonces el encargado de transformar esta fuerza lineal en un movimiento giratorio.

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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Figura 5 Tiempo 4: Ciclo de escape. José Antonio E. García Álvarez. Recuperado de ww.asifunciona.com. 2016

1.1.4 Tiempo 4: Ciclo de escape. (Figura 5) Este es el cuarto y último ciclo, para cuando este finalice el pistón habrá realizado su cuarta carrera y el cigüeñal habrá dado dos vueltas completas. Inicialmente el pistón estará en el P.M.I y el cilindro lleno de gases quemados por el anterior ciclo de combustión. El pistón inicia de nuevo un desplazamiento hacia el P.M.S y simultáneamente se abre la válvula de escape, mientras el pistón está realizando su carrera y con la válvula de escape abierta, va expulsando los gases que estaban atrapados en la cámara de combustión, cuando el pistón llega el P.M.S el cilindro queda nuevamente vacío, la válvula de escape se cierra y el cilindro estará listo para comenzar un nuevo ciclo en su etapa de admisión. Este ciclo completo de cuatro tiempos se repite constantemente para mantener el motor en movimiento, ahora bien si cada vuelta del cigüeñal representa un giro del motor esto implica que en condiciones normales y teniendo en cuenta que un motor de combustión interna gira en promedio mínimo alrededor de 700 R.P.M (Revoluciones por Minuto) y que se produce una chispa

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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cada dos giros del cigüeñal, se deben producir cerca de 350 chispas en un minuto o 6 por segundo esto siempre y cuando el motor tenga un solo cilindro ya que si tiene dos o más la cantidad de chispas por minuto se multiplica por la cantidad de cilindros, así mismo a medida que aumentan las R.P.M del motor aumentan proporcionalmente la cantidad de chispas que debe generar el sistema de encendido para poder completar el ciclo de combustión y mantener el motor en movimiento. Comercialmente y dependiendo de la aplicación podemos encontrar motores de cuatro tiempos desde uno hasta los ocho cilindros, sin embargo específicamente en el caso de los automóviles familiares Renault como los que se tratan en este proyecto, dichos vehículos utilizan motores de cuatro cilindros y de cuatro tiempos. 1.2

El motor de cuatro cilindros Una vez realizada una descripción general de funcionamiento de un motor de cuatro

tiempos corresponde avanzar a un motor cuatro tiempos pero no de un solo cilindro sino de cuatro cilindros en línea, esto quiere decir uno seguido de otro, este tipo de motor muy utilizado en

Figura 6 Corte de un motor de cuatro cilindros. Manual de automóviles Arias-Paz. Cap. 1 El motor, pág. 56

automóviles compactos como los vehículos Renault. Un motor puede estar compuesto por más de

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

19

treinta piezas, sin embargo para este estudio únicamente trataremos lo concerniente al funcionamiento general sin entrar a describir cada una de sus piezas.

Figura 7

Posición de los pistones respecto al giro del cigüeñal. Manual Arias Paz, pág. 76

El elemento principal de unión y encargado de transmitir el movimiento a los cuatro pistones es el cigüeñal, el cual está construido de manera tal que el pistón 1 y 4, y él pistón 2 y 3,

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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se mueven simultáneamente hacia arriba o hacia abajo, la numeración de los cilindros se realiza desde el volante de inercia hacia las poleas del motor (derecha a izquierda Figura 6), con esta distribución se logra que en media vuelta del cigüeñal los pistones 1 y 4 estén en el P.M.S, simultáneamente los pistones 2 y 3 estarán ubicados en el P.M.I., para el siguiente medio giro del motor los pistones 1 y 4 estarán en el P.M.I y los pistones 2 y 3 se ubicarán en el P.M.S. Visto de otro modo si el pistón de cualquier cilindro está en el P.M.S cuando comience su carrera de descenso iniciara un ciclo de admisión o de combustión, a su vez los cilindros que tengan el pistón en el P.M.I. comenzarán su carrera de ascenso entonces iniciaran un ciclo de compresión o de escape. Sin embargo pese a que los pistones se mueven en pareja teniendo al tiempo dos pistones en P.M.S y dos en P.M.I, en cada cilindro se está completando uno de los cuatro ciclos de admisión, compresión, combustión o escape, de esta manera serán necesarios dos giros completos del cigüeñal para que se complete un ciclo completo de cuatro tiempos en cada uno de los cuatro cilindros. Todo este proceso es posible verlo gráficamente en la Figura 7. Para poder analizar un ciclo completo de funcionamiento podemos suponer que en el cilindro 1 el pistón está ubicado en el P.M.I y ha finalizado el ciclo de combustión, igualmente el pistón del cilindro 4 está ubicado en el P.M.I pero este habrá finalizado el ciclo de admisión. Simultáneamente el pistón del cilindro 2 estará ubicado en el P.M.S y supondremos que finalizo el ciclo de escape, de este modo el pistón del cilindro 3 estará ubicado igualmente en el P.M.S pero acabando de finalizar el ciclo de compresión. En este punto el cigüeñal se ha desplazado media vuelta, para la siguiente media vuelta en cada cilindro se producirá el siguiente ciclo correspondiente de modo tal que en el cilindro 1 se va a producir una carrera de ascenso y a su vez el ciclo de escape, al interior del cilindro la válvula de admisión se encuentra cerrada y la válvula de escape abierta, en el cilindro 2 el pistón se encuentra en su carrera de descenso en el ciclo de

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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admisión, para esto dentro del cilindro la válvula de admisión estará abierta y la válvula de escape cerrada, dentro del cilindro 3 el pistón se encuentra igualmente en carrera de descenso pero completando el ciclo de combustión, las dos válvulas de admisión y escape deben estar cerradas, finalmente al interior del cilindro 4 el pistón se encuentra en su recorrido hacia el P.M.S en el ciclo de compresión y para poderlo realizar las válvulas de admisión y escape igualmente deben estar cerradas. Para este punto el cigüeñal habrá terminado un giro completo. Para el siguiente medio giro en cada cilindro se cumple el ciclo siguiente que corresponda y así este proceso se repite constantemente. Tabla 1 Posicionamiento de cilindros del motor en función de la posición del cigüeñal Cilindro 1

Cilindro 2

Cilindro 3

Cilindro 4

Primera ½ Vuelta

Explosión

Escape

Compresión

Admisión

Segunda ½ Vuelta

Escape

Admisión

Explosión

Compresión

Tercera ½ Vuelta

Admisión

Compresión

Escape

Explosión

Cuarta ½ Vuelta

Compresión

Explosión

Admisión

Escape

Este funcionamiento continuo garantiza que en cada vuelta del cigüeñal se presentan dos ciclos de combustión, esta energía generada por el empuje que se produce dentro del cilindro es la que usa el cigüeñal para convertirla en movimiento. Inicialmente la combustión se produce en el cilindro 1, luego en el 3, después en el cilindro 4 y finalmente en el cilindro 2. Este orden en que se producen los ciclos de combustión se conoce como el "orden de encendido 1-3-4-2", este es el orden de encendido más utilizado por los motores de cuatro cilindros dentro de los cuales está incluido el motor de los vehículos Renault. Con lo anterior se denota la importancia del ciclo de

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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combustión ya que de este depende la generación de energía necesaria para mantener el motor en constante movimiento. 1.3

El sistema de encendido Una vez finalizado el ciclo de compresión la mezcla de combustible y aire se encuentra

lista para ser encendida y realizar el ciclo de combustión, para esto como se mencionó anteriormente la bujía es la encargada de producir una chispa que al entrar en contacto con la mezcla aire combustible produce una explosión, sin embargo este planteamiento teórico debe ser ajustado en la práctica, esto se debe a que si la chispa se produce exactamente cuando el pistón se encuentra en el P.M.S. la mezcla comprimida tardara un tiempo (milisegundos) en incendiarse completamente, debido a la velocidad que tiene el pistón cuando la mezcla esté completamente encendida y se genere el empuje, el pistón puede estar ya muy avanzado en su carrera de descenso y cerca del P.M.I y de este modo la energía generada por la combustión seria ineficiente ocasionando pérdidas de potencia en el motor.

Figura 8 Ejemplo de ángulo de avance variable. Beto Booster Secretos de encendido electrónico, pág. 4

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

23

Teniendo en cuenta este fenómeno la chispa debe producirse entonces de 10 a 15 grados antes que el pistón alcance el P.M.S, así cuando el pistón pase por este punto la mezcla estará completamente incinerada y se aprovecha al máximo la energía producida por la explosión en el ciclo de combustión para empujar el pistón hacia abajo y el motor tendría una ganancia en potencia (Figura 8), a medida que aumentan las revoluciones del motor el pistón alcanza más rápido el P.M.S, por lo cual la chispa deberá generarse con mayor anticipación a medida que aumenta la velocidad del motor. El sistema de encendido será entonces el encargado de generar esta chispa en el momento adecuado, para completar exitosamente el ciclo de combustión. A través de la historia los sistemas de encendido han presentado una evolución que ha estado ligada a los avances de la electrónica, inicialmente los sistemas de encendido eran netamente mecánicos, luego se utilizaron combinaciones de elementos electrónicos con elementos

Figura 9

Esquema general de un sistema de encendido convencional. Albert Martí Parera. Cap. 1 Encendido electrónico

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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mecánicos y finalmente se evoluciona a sistemas electrónicos que son los utilizados en los vehículos producidos actualmente. 1.3.1 Sistema de encendido convencional.

Este se caracteriza principalmente por

el uso de platinos de accionamiento mecánico los cuales actúan como ruptores que permiten el accionamiento de la bobina interrumpiendo constantemente la alimentación de tensión de la misma, este sistema cuenta con un condensador el cual protege los contactos del platino. Los sistemas de encendido convencional están compuestos por una batería, bobina, bujías, cables de alta y distribuidor, a su vez el distribuidor está compuesto por un rotor (contacto móvil), tapa distribuidora, platino y condensador. Al accionar el Switch o contacto de encendido del vehículo este permite el paso de tensión directamente hacia la bobina (Figura 9), esta tensión llega directamente al devanado primario de la bobina de encendido. El platino se abre o se cierra como consecuencia de un contacto directo con una leva que está ubicada en el eje del distribuidor, la cual gira en sincronía con el cigüeñal del motor en una relación de 2:1 (dos vueltas del motor por un giro del eje de levas); cuando el contacto del platino se encuentra cerrado la corriente fluye a través de él, acumulándose energía en la bobina la cual produce campo magnético, una vez la leva continúa su giro obliga al platino a abrir su contacto interrumpiendo el flujo de corriente hacia la bobina en su devanado primario y como consecuencia el campo magnético creado desaparece, mientras que el platino se abre el condensador conectado en paralelo se encarga de acumular la energía residual para evitar que se formen arcos eléctricos entre los contactos del platino, el campo magnético generado en el circuito primario induce una alta tensión en el arrollamiento secundario de la bobina la cual al momento de desaparecer la fuerza magnética es liberada y llega a la tapa de distribución en su terminal central, de allí valiéndose del rotor o contacto móvil se distribuye la corriente de alta tensión a cada una de las bujías a través de los cables de alta. Cuando la corriente

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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llega a cada bujía esta circula a través de la misma y se produce una chispa entre sus electrodos con la cual se enciende la mezcla de aire combustible contenida en un cilindro, produciéndose el ciclo anteriormente mencionado. En este tipo de sistemas de encendido el ajuste de la chispa se realiza gracias a unos contrapesos ubicados dentro del distribuidor, cuando el eje del distribuidor gira lo hacen igualmente los contrapesos, de este modo a medida que aumenta la velocidad del giro los contrapesos por acción de la fuerza centrífuga tienden a separarse más del centro, como consecuencia de esto la leva que acciona el platino se desplaza y así se logra que la chispa esté sincronizada con el movimiento del motor, una vez descienden las R.P.M del motor los contrapesos se ubican nuevamente en sus estado inicial y el avance de la chispa varía nuevamente. El funcionamiento de estos sistemas era netamente mecánico por lo cual su ajuste requería de un constante mantenimiento y ajuste para lograr un desempeño óptimo en el encendido de los vehículos que usaban estos sistemas, sin embargo el principio de funcionamiento sirvió como base fundamental para la posterior evolución de los encendidos automotrices.

Figura 10 Esquema sistema de encendido transistorizado. Albert Martí Parera. Cap 1 Encendido electrónico

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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1.3.2 Sistema de encendido transistorizado. (Figura 10) En el sistema de encendido por platinos el desajuste del punto de encendido, el desgaste de los elementos giratorios y mecánico como el platino y la leva, tienen como consecuencia una vida corta de estos sistemas de encendido lo que se traduce en mayor mantenimiento. En busca de mejorar los sistemas de encendido y a su vez mejorar el desempeño del motor se encontró la manera de reemplazar el platino o elemento ruptor con un transistor, de manera simultánea evolucionaron las bobinas de encendido consiguiendo que generaran corrientes más elevadas y así mismo una chispa más potente para mejorar el encendido de la mezcla aire-combustible. El transistor será entonces el elemento encargado de interrumpir la corriente que llega a la bobina como lo hacía anteriormente el platino, en esta configuración el transistor funciona como un interruptor dejando pasar o cortando la señal eléctrica a partir de una señal de mando que recibe en su base. Esta señal de mando es producida por un módulo de mando el cual recibe una señal de posición del eje del distribuidor, luego la procesa y envía una señal a la base del transistor para cortar o permitir la alimentación de la bobina, este sistema de encendido cuenta igualmente con un distribuidor de corriente como el sistema de platinos pero en su interior ya no hay un platino, en su lugar se encuentra un generador de impulsos encargado de enviar las señales al módulo de mando para ser tratadas; en el sector automotriz específicamente se usaron dos tipos de generador uno por inducción magnética y otro de efecto hall.

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

Figura 11

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Generador de impulsos y grafica del generador de impulsos. Albert Martí Parera. Encendido Electrónico. pág. 75

El generador de impulsos magnético (Figura 11) está compuesto por una parte giratoria (rotor) y una fija (estator), el rotor está construido de acero en forma de rueda con salientes y la cantidad de salientes es igual a la cantidad de cilindros del vehículo, este se encuentra unido al eje del distribuidor, el estator tiene un imán y una bobina arrollada alrededor de una base metálica al igual que el rotor cuenta con el mismo número de salientes pero estos están fijos. Cuando el eje del distribuidor gira los salientes del rotor lo hacen a la misma velocidad y cada vez que una saliente pasa cerca del estator se cierra el campo magnético del imán y desaparece nuevamente cuando el saliente ha pasado. El funcionamiento de este generador es similar a una bobina por lo cual con la variación del campo magnético crea una pequeña tensión alterna cómo es posible apreciar en la Figura 11. Los impulsos magnéticos se generan la misma cantidad de veces en un solo giro del eje como salientes tenga, por ejemplo en un motor de cuatro cilindros el generador tendría cuatro salientes y se generarían cuatro impulsos en cada giro del eje, lo que corresponde a un impulso para cada cilindro; estos impulsos se traducen en una variación de la resistencia de la bobina que son leídos por el módulo de control para generar las interrupciones necesarias para el accionamiento de la bobina.

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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Por otro lado encontramos los generadores de efecto hall (Figura 12) los cuales igualmente se encuentran ubicados dentro del distribuidor, dentro del generador hay un imán rodeado con un bobinado que genera un voltaje si estando energizado y fluyendo corriente sobre él se aproxima un campo magnético, dentro del distribuidor hay un elemento llamado pantalla que está unido al eje y giro con su misma velocidad este tiene tantas salientes como número de cilindros tiene el vehículo, de este modo por cada giro del eje del distribuidor se producirán la cantidad de impulsos necesarios para generar la chispa en cada cilindro. Sin importar el generador de impulsos que se utilice las señales generadas son tratadas por el módulo de mando, el cual está equipado con un circuito electrónico capaz de modificar la duración de alimentación de la bobina teniendo en cuenta la velocidad de giro del motor y la tensión de alimentación, aumentando o disminuyendo la duración del contacto de manera

Figura 12 Captador de efecto hall. Agustín Riu. Enciclopedia del automóvil (motor). pág. 216

proporcional a la velocidad de revoluciones del motor. Pese a la mejora representativa que significaron los encendidos con transistor las señales siguen dependiendo de un elemento unido de manera mecánica al motor.

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

1.3.3 Sistema de Encendido Electrónico Integral.

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Los sistemas de encendido que

antecedieron a este contaban siempre con uniones mecánicas para su funcionamiento en alguna de sus etapas, al eliminar las uniones mecánicas en la etapa de generación de la señal de control de la bobina, se busca garantizar que el avance de encendido sea en todo momento el adecuado teniendo en cuenta la revoluciones del motor y la carga del mismo para conseguir un mejor desempeño y

Figura 13

Esquema sistema de encendido integral. Manual Arias Paz, pág. 708

aprovechamiento de la fuerza que genera el ciclo de combustión en el motor de un vehículo. El sistema electrónico integral (Figura 13) utiliza sensores electrónicos con los cuales capta las señales necesarias para controlar el sistema de encendido, todas estas señales que provienen de los sensores serán tomadas como entradas a una unidad electrónica de control la cual procesa esta información y genera las correspondientes señales de apertura y cierre del primario de la bobina para poder generar la chispa en el momento adecuado del ciclo. Todo sistema de encendido necesita como referencia la posición angular en la que se encuentra el cigüeñal, para esto este sistema utiliza un sensor captador que se encuentra ubicado sobre una corona dentada la cual está

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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unida al eje del motor, esta corona o rueda fónica tiene una serie de dientes distribuidos de manera simétrica en todo su perímetro sin embargo tiene como referencia dos puntos ubicados a 180° entre si, los cuales sirven para identificar P.M.S y P.M.I, estas referencias son dos o tres dientes unidos y seguidamente la misma distancia pero en dientes ausentes. El sensor de posición sirve para determinar el número de revoluciones del motor y la sincronización del sistema de encendido con el cigüeñal, estos sensores están formados por una bobina enrollada en un imán que con el giro continuo de la corona produce cambios en el valor de la resistencia de la bobina por el paso de los huecos y dientes frente al sensor, este proceso induce una tensión alterna en la bobina del captador y esta frecuencia es utilizada por la unidad de mando o módulo de encendido para interpretar a cuantas R.P.M está girando el motor. Una segunda señal de entrada para el módulo de encendido es la generada por un sensor de presión, este sensor se encuentra conectado al múltiple de admisión y proporciona una señal de tensión proporcional a la presión existente dentro del múltiple de admisión, existen algunas unidades electrónicas en las cuales el sensor de presión se encuentra incorporado en su interior como es el caso del módulo de encendido del Renault 9. Algunas unidades de encendido soportan el ingreso de señales de otro tipo de sensores como el de temperatura el cual debe estar sumergido en el líquido de refrigeración del motor y así se encarga de suministrar el valor de resistencia que varía de acuerdo a la temperatura a la que se encuentra el líquido de refrigeración del motor, una vez la señal llega a la unidad de encendido es convertida y se asigna un valor de temperatura para cada valor de resistencia; un sensor alterno es el que mide la temperatura del aire que circula en el interior del motor, este tiene un comportamiento similar al de temperatura de agua. Uno de los inconvenientes de los encendidos integrales es que se trata de sistemas de control de lazo abierto o que no tienen retroalimentación para verificar su funcionamiento razón por la cual siempre es necesario mantener un margen de seguridad que suele

Capítulo 1: Generalidades del motor y sistemas de encendido

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ser exagerado pero que a su vez garantiza que no se presenten efectos no deseados en el comportamiento del sistema de encendido como retardo o demasiado avance en la generación de la chispa, para solucionar este inconveniente algunos módulos de encendido cuentan con sensores que permiten verificar el correcto funcionamiento de las señales como lo es el sensor de detonación, este sensor se ubica en la culata del motor y genera una señal eléctrica cuando percibe un exceso de vibraciones producidas por fallos en la combustión, esta señal permite que la unidad de mando se ajuste y aproveche al máximo el potencial del motor. El distribuidor de corriente aún sigue estando presente en estos sistemas pero ya meramente como el encargado de distribuir la corriente de alta hacia las bujías, este es el único elemento restante de naturaleza mecánica en este tipo de encendido. El sistema de encendido electrónico integral fue utilizado ampliamente debido a la calidad del servicio que este prestaba y por esta razón fue escogido por Renault como el sistema de encendido utilizado por sus vehículos por más de 10 años, dentro de los vehículos que usaron este tipo de sistema se encuentran los vehículos Renault 9, Renault 18, Renault 19 y Renault 21 todos ellos con sistema de carburador.

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

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Capítulo 2 2. El sistema de encendido electrónico integral Renix Renix fue la primera empresa cerca del año 1983 que utilizó un módulo de encendido electrónico que incorporaba en su programación todo el control del sistema de encendido y se realizaba un ajuste automático de la chispa tomando y procesando señales que provenían de sensores externos para corregir el “avance de la chispa de encendido”. Los sistemas de encendido Renix lograron incorporar una mayor cantidad de variables en el funcionamiento del sistema de encendido de los vehículos gracias a la propiedad de programación de sus módulos de control ECU (Engine Control Unit); variables como la temperatura del motor o el vacío presente en el múltiple de admisión permiten al encendido brindar al vehículo un mejor comportamiento en el arranque, una mejor marcha en ralentí y un menor consumo de combustible. Las unidades ECU tienen programada en su interior la denominada cartografía de encendido (Figura 14) en la cual se pueden encontrar los ángulos de encendido ideales

Figura 14 Ejemplo de cartografía de encendido. D. Hermogenes. Manual del automóvil, reparación y mantenimiento, pág. 549

dependiendo de las diferentes situaciones de funcionamiento del motor como arranque, aceleración

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

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y ralentí. La cartografía de encendido se genera con la información obtenida de los sensores de posición de la rueda fónica el cual a su vez entrega la información relativa a la velocidad del motor en RPM y el sensor de vacío el cual mide la carga que está presente en el motor durante el ciclo de admisión, con estas dos variables de entrada se genera el ángulo de encendido ideal de acuerdo a las condiciones de funcionamiento del motor en un mapa de tres dimensiones.

Figura 15 Esquema sistema de encendido electrónico integral Renix. Renix Electronique. L´Allumage Electronique integral RENIX, pág. 8 – 9

2.1

Funcionamiento del sistema de encendido Renix Es posible apreciar en la (Figura 15) la distribución general y los componentes de este

sistema de encendido en el cual la señal generada por el sensor de vacío (Capteur de Depression) es utilizada por el módulo de encendido (Module d’Allumage) como la señal de la carga del motor, esta señal es procesada junto con las RPM del motor y gracias a ellas dos se establece un campo característico de ángulo de encendido que permite en cada punto de carga de motor (vacío) y

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

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velocidad de giro (RPM) programar el ángulo de encendido más favorable para quemar la mezcla de aire combustible contenida en la cámara de combustión. En una cartografía de encendido pueden existir según las necesidades del orden de 1000 a 4000 ángulos de encendido individuales (Núñez, 2013). Uno de los sensores que entregan información para la construcción de la cartografía es el Captador de Posición Magnético o Crankshaft Position Sensor (CKP) el cual se encuentra ubicado frente a la rueda fónica instalada sobre el volante del motor y cumple la función que en sistemas anteriores cumplía el captador magnético o de efecto hall ubicados dentro del distribuidor del vehículo, el sistema de encendido integral de Renault fue entonces el primero en separar el sensor de posición del distribuidor del vehículo. Este sensor CKP de tipo inductivo en conjunto con una corona dentada que va acoplada al volante de inercia del motor permiten a la unidad central conocer la velocidad de giro en RPM a la cual gira el motor. El sensor está formado por un imán permanente y una bobina a su alrededor en la cual se induce una tensión cada vez que un diente de la rueda fónica pasa frente a ella (Figura 16), en la corona dentada hay dos dientes unidos y dos faltantes situados 90° antes del PMS permitiendo que la tensión inducida en este diente sea mayor que en los demás lo cual le indica al

Figura 16 Ubicación del sensor CKP y señal que genera. D. Hermogenes. Manual del automóvil, reparación y mantenimiento, pág. 550

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

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módulo de control también llamado centralita electrónica que el pistón llegará al PMS 90° después de recibida la señal. Para saber la carga del motor se utiliza el sensor de vacío o captador de depresión el cual en los sistemas de encendido Renix se encuentra integrado al módulo de encendido, su función es recibir y transformar el valor de depresión del múltiple de admisión del motor y convertirlo en una señal eléctrica que será enviada a la centralita electrónica donde es interpretada y utilizada para el cálculo del ángulo de encendido. 2.2

El avance de encendido.

Es en el ciclo de combustión de un motor de cuatro tiempos

cuando se produce una chispa en la bujía de encendido encargada de encender la mezcla airecombustible previamente aspirada en el cilindro del motor, sin embargo es muy importante recordar que esta chispa no se produce exactamente cuando el pistón está ubicado en el PMS como sucede teóricamente, de ser así cuando la llama alcanzara al pistón este ya no estaría en el PMS, por lo cual la presión generada en la cámara por la combustión sería menor y a su vez la fuerza transmitida al cigüeñal. Para evitar este fenómeno se realiza un “avance de encendido” lo que se traduce en adelantar el disparo del encendido unos determinados grados para que el pistón se encuentre con la llama justo cuando esté pasando por el PMS y de esta manera aprovechar al máximo la relación de compresión generada en el pistón. La centralita electrónica es la encargada de calcular cuántos grados se adelanta la chispa de encendido teniendo en cuenta la información de RPM y carga del motor, con estos dos datos se realiza el cálculo de la velocidad lineal del pistón, es importante tener en cuenta que al calcular el avance del encendido siempre debe tenerse un margen de seguridad, esto para garantizar que el frente de la llama alcance al pistón justo después de que pase por el PMS a un máximo de 10 a 15

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

36

grados (Booster, 2010) pasado el punto una vez ha iniciado el ciclo de expansión, esto evita que se genere un fenómeno denominado “picado” el cual se produce cuando la llama alcanza el pistón antes de que este llegue al PMS ocasionando perdida de rendimiento del motor, vibraciones y somete al conjunto pistón-biela-cigüeñal a un esfuerzo que puede ocasionar daños físicos (Doñate Domenech, 2011), esto se explica ya que el pistón viene en una carrera de ascenso debido a la inercia del cigüeñal en el ciclo de compresión y si existe una fuerza contraria a este movimiento genera efectos como pérdida de fuerza o incluso roturas en las partes del pistón. A medida que aumenta la velocidad del motor se reduce el tiempo disponible para que la mezcla de airecombustible complete su combustión en el momento adecuado para aprovechar al máximo la presión generada por la explosión de los gases, entonces a mayor velocidad del motor mayor será el ángulo de retardo necesario para que el ciclo se complete de manera correcta ya que el pistón se desplaza más rápido; adicionalmente la velocidad de combustión es mayor cuando mayor es la presión y la temperatura es más elevada. Estos momentos de encendido varían de acuerdo con las RPM del motor pero no de manera proporcional por lo que la configuración del módulo debe tener en cuenta varios factores. El sistema de ajuste de avance de encendido se compone por tres elementos: 

El avance fijo, este es el resultado de la programación inicial del módulo de encendido el cual es calculado sobre el régimen de ralentí y debe ser capaz de mantener el motor en funcionamiento en este régimen. Según el fabricante hay unos grados de avance fijos dependiendo de las características del motor para cada vehículo.

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

37

Tabla 2 Ángulos de encendido inicial y de contacto para motores Renault

Motor

Índice

Modelo

1400

09 10 28 710

811 S/A.A 811 C/A.A B375 710 S/A.A

1600



Avance inicial de encendido

RPM en Ralentí

10°

925 a 975

8° 6°

625 a 675 700 a 750

Angulo de Contacto

54°-59°

El avance variable, depende directamente de la velocidad de giro del motor, el ángulo de avance aumenta a medida que aumentan las RPM del motor aunque no de manera proporcional. En la tabla es posible apreciar los grados de avance sugeridos por el fabricante para diferentes RPM de funcionamiento del motor. Tabla 3 Avance en grados respecto a las RPM del motor

RPM 700 1250 1600 2000



Grados de Avance Variable Sobre Distribuidor RPM

Sobre Motor

0a2 3a5

1400 2500

0a4 6 a 10

5a7

3200

10 a 14

7a9

4000

14 a 18

La corrección de avance, se da como función de la carga soportada por el motor, la medición de la carga a la que está expuesta el motor se mide con la ayuda del sensor de vacío, esta corrección es positiva si la carga del motor disminuye pero también puede ser negativa para evitar fallas en marcha ralentí. Tabla 4 Grados de avance respecto al vacio del motor

Grados de Avance por Vacío Sobre Sobre Motor Columna Distribuidor de mmHg 300

0a2 5a7

0a4 10 a 14

340

7.5 a 9.5

15 a 19

235

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

2.2.1 Calculo del Avance de Encendido.

38

Como se mencionó en el primer

capítulo los vehículos Renault vienen equipados con un motor de cuatro cilindros por lo cual se necesitan dos vueltas completas del motor (720°) para que se realice un ciclo completo (Admisión, Compresión, Expansión y Escape) en los cuatro cilindros, esto se traduce en que cada media vuelta del motor (180°) un pistón habrá recorrido una carrera completa dentro del cilindro que lo contiene, es decir que cada media vuelta del motor se genera una chispa de encendido como parte de la etapa de combustión. Para realizar el evento de combustión el módulo de encendido debe medir la velocidad de rotación del motor, el vacío o presión en el colector de admisión para así calcular la cantidad de grados de avance y tiempo de encendido teniendo en cuenta los parámetros anteriores. La medición de velocidad angular del motor se lleva a cabo desde 0 hasta 6400 RPM, sin embargo pese a que teóricamente las mediciones pueden llegar a las 6400 RPM en la práctica el módulo debe tener un límite de seguridad para no exceder cierto número de revoluciones que pueden ser dañinas para el motor, por esta razón y teniendo en cuenta las recomendaciones del fabricante el máximo de RPM permitidas para el cálculo es de 5000 RPM a partir de este momento el módulo interrumpe la generación de la señal de control a la bobina. El valor de velocidad angular obtenido se utiliza para realizar una tabla de valores en la cual estos valores serán un eje y los valores de presión serán el otro eje, dando como resultado los grados de avance que se convierten en el tercer eje y se produce un gráfico de tres ejes denominado cartografía de encendido.

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix Ilustración 2.1

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

39

Componentes del sistema de encendido integral Renix

Rueda fónica Sensor de posición magnético (CKP) Sensor de presión de admisión (MAP) Unidad de Control de Encendido (ECU) o Centralita Bobina de encendido Distribuidor de Corriente Cables de alta

Figura 17 Componentes del sistema de encendido integral Renix L´Allumage Electronique integral RENIX. Renix Electronique, pág. 12

2.3

Componentes del sistema de encendido Renix

Los sistemas Renix (Figura 17) fueron los primeros en separar la bobina captadora del distribuidor de corriente utilizando el sensor de posición magnético encargado de generar a su vez dos señales la de velocidad del motor en RPM y la posición del cigüeñal con una sola rueda y un solo sensor, el segundo sensor usado por Renix es el de presión el cual va acoplado al módulo electrónico ECU y se comunican internamente, una vez realizado el procesamiento de señales el siguiente elemento en intervenir es la bobina la cual genera una señal de alta tensión que es trasmitida por un cable hacia la tapa del distribuidor de corriente, finalmente en este se realiza la reparación final y la señal llega a cada bujía dependiendo del ciclo en que se encuentre el motor.

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

2.3.1 Rueda fónica.

40

(Figura 18) En los sistemas de encendido Renix es necesario

identificar la posición angular del cigüeñal y la velocidad a la que gira el motor, para cumplir este requerimiento se ubica solidario al volante de inercia del motor un elemento sólido de un material ferromagnético de forma cilíndrica y con sus dos caras planas, en su perímetro tiene 44 dientes espaciados uniformemente, de los cuales dos fueron suprimidos cada media vuelta para crear un marcador absoluto ubicado 90 grados antes del PMS y el PMI, por lo que en realidad físicamente tiene 40 dientes.

Figura 18 Esquema de la rueda respecto a un corte lateral. L´Allumage Electronique integral RENIX. Renix Electronique, pág. 14

La construcción de la rueda permite medir dos variables, en primera medida los dientes faltantes dan una referencia de la posición angular del cigüeñal contando el número de dientes. 360° ̂° = 8, 18 44 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

41

Esto se traduce en que cada diente abarca el espacio correspondiente a 8 grados aproximadamente; con este precedente se realiza una interpolación dividiendo en 8 partes iguales el periodo comprendido entre dos dientes consecutivos teniendo como resultado que se produce un pulso cada 1,023° de rotación del volante de inercia. (Figura 19)

Figura 19 Tratamiento de la señal generada por la rueda fónica. L´Allumage Electronique integral RENIX. Renix Electronique, pág. 14

La segunda variable que permite medir esta particular construcción es la velocidad del motor debido a que el giro continuo de la rueda produce sucesivas variaciones de flujo ocasionadas por el paso de los dientes y huecos que son captadas por el sensor CKP, en cuya bobina se induce una tensión alterna con impulsos positivos y negativos, la frecuencia generada por el sensor es usada por el módulo de control para interpretar la velocidad del motor en RPM. El método de fabricación de la rueda fónica de Renix tiene la ventaja de permitir la detección de los dientes faltantes, lo cual reduce los errores de interpolación de tiempo que se muestran en solo una octava. 2.3.2 Sensor de Posición Magnético (CKP).

Este sensor de tipo inductivo que

proporciona una señal eléctrica que informa al módulo de control ECU acerca de la posición de la rueda fónica. Dicho sensor es una reluctancia variable la cual se compone de un imán permanente y una pieza polar alrededor de la cual se coloca una bobina que recoge el voltaje inducido en cada variación de huecos y dientes de la rueda fónica.

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

42

El sensor CKP se ubica en frente de la rueda fónica y el campo magnético permanente es alterado por el paso de los dientes de la rueda, cuando en frente del imán del sensor hay un diente de la rueda el flujo magnético es el máximo posible y cuando hay una espacio vacío (hueco de la rueda) el flujo magnético es mínimo.

Figura 20 Efecto producido por un captador magnético. D. Hermogenes. Manual del automóvil, reparación y mantenimiento, pág. 556

Esta fluctuación genera una onda alterna entre las terminales eléctricas del bobinado del sensor (Figura 20), la frecuencia de la tensión de salida es proporcional a la velocidad de la rueda fónica lo que permite calcular la velocidad de la misma, los dientes dobles o falta de dientes según el caso son tomados por el sensor como una señal de referencia la cual permite a la unidad de mando reconocer con un cierto avance el PMS de la pareja de cilindros 1-4 o 2-3 según sea el caso. 2.3.3 Sensor de Presión Absoluta (MAP).

El sensor MAP también llamado

sensor de vacío es el encargado de medir la presión existente dentro del múltiple de admisión, con esta medida la unidad de control puede interpretar a qué carga está sometido el motor en cuanto al nivel de exigencia del mismo. El MAP es un sensor electrónico que se encarga de medir la succión o vacío constantemente en el ducto de admisión, dependiendo del valor de vacío entrega un valor de voltaje a la unidad de control. En las unidades Renix el sensor hace parte de la unidad

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

43

desafortunadamente si el sensor falla no hay manera de reemplazarlo por tratarse de una unidad compacta; actualmente los sensores MAP están compuestos por un piezoeléctrico que varía su resistencia de acuerdo a la presión que se ejerce sobre él y con el cambio de resistencia funciona como un divisor de voltaje permitiendo el paso de más o menos voltaje pero ya no hacen parte del conjunto unidad de control sino funcionan como un elemento independiente, adicionalmente cuentan con un orificio el cual se conecta mediante un ducto flexible o manguera al ducto de admisión del vehículo. 2.3.4 Unidad de Control de Encendido (ECU). Es el componente central del sistema de encendido al cual llegan para ser procesadas todas las señales de los sensores que posee el vehículo, la unidad ECU también es llamada centralita electrónica o módulo de encendido, una vez procesadas la centralita electrónica genera una señal ON-OFF de control de la bobina para producir finalmente la energía de alta tensión necesaria El módulo de encendido o centralita electrónica tiene como función recibir los datos de velocidad del motor (RPM) y presión interna del ducto de admisión de combustible; esta información debe ser tratada y procesada para generar el avance de encendido de acuerdo a las necesidades del motor y controlar el accionamiento de la bobina que generara un arco eléctrico de alto voltaje cuando sea necesario, su principio de funcionamiento consiste en buscar dentro de una memoria de programación los valores de avance adecuados previamente guardados de acuerdo a las condiciones de funcionamiento del motor, para lograr un avance de encendido adecuado para el momento que se requiera la chispa para iniciar el ciclo de combustión. La centralita electrónica define entonces el avance del encendido electrónico en función a dos parámetros principales: 

La velocidad rotacional del motor

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix



44

La presión en el ducto de admisión

La unidad de control utiliza como información principal, las señales eléctricas suministradas por el sensor de posición CKP ubicado frente al volante del motor gracias a este es posible identificar en qué posición angular se encuentra el cigüeñal del motor y por consiguiente la unidad puede deducir la posición de cada uno de los pistones dentro de los cilindros, y en segundo lugar la señal generada por la cápsula manométrica o sensor MAP el cual está conectado neumáticamente al colector de admisión, a partir de estos datos la centralita electrónica un valor de ángulo de avance de la bobina de encendido y un valor de tiempo de encendido. 2.3.5 Bobina de encendido.

Básicamente es una unidad compuesta de un

bobinado primario y uno secundario alrededor de un núcleo de hierro, el bobinado primario está hecho por un cable de cobre con alrededor de 200 vueltas, por su parte el bobinado secundario generalmente tiene una relación de 100:1 respecto a la cantidad de vueltas de bobinado primario y de manera inversa una relación de 1:10 en cuanto al diámetro del cable de cobre (Beru, 2013). Su funcionamiento radica en la autoinducción que se genera una vez se interrumpe la alimentación de la conexión a tierra del circuito primario ocasionando que el campo magnético existente colapse instantáneamente, generando una alta tensión de inducción en el bobinado primario la cual se transforma en el bobinado secundario y se transforma en una tensión con relación a la cantidad de vueltas de cada bobinado. Con este fenómeno se pueden alcanzar tensiones cercanas a los 30.000V o más dependiendo siempre de la fabricación de la bobina, la tensión generada por la bobina es transportada a través de un sistema de distribución giratoria a las bujías de encendido. Específicamente los vehículos Renault que cuentan con sistema de encendido electrónico integral están equipados con una bobina tipo cartucho (Figura 21

Bobina de ignición ZS251.

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

45

Recuperada de http://beru.federalmogul.com/e-catalogue/cross-reference/7701031135Figura 21)

las cuales funcionan con un control de interrupción de contacto, en este sistema el tiempo de cierre es el momento en que el interruptor de contacto está cerrado y el tiempo de cierre es el momento en que la corriente primaria está activada.

Figura 21 Bobina de ignición ZS251. Recuperada de http://beru.federalmogul.com/e-catalogue/crossreference/7701031135

2.4

Etapas de funcionamiento del módulo de encendido 2.4.1 Etapa de interface o preparación. En esta fase el módulo de encendido debe

realizar las siguientes operaciones: 

Regulación de la tensión de alimentación



Procesamiento y conformación de la señal del sensor de posición o señal de diente



Generación de una señal de reloj (base de tiempo) para ser usada en la programación



Procesamiento de la señal de presión obtenida del sensor MAP

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

2.4.2 Etapa de programación.

46

En esta etapa se debe realizar toda la etapa de

programación y cálculos de tiempo de avance y tiempo de encendido, para ello se utiliza toda la información recibida de la etapa de interface o preparación (reloj, velocidad y presión), en esta etapa se realizan las siguientes operaciones: 

Reconocimiento del punto de equilibrio de alta y baja PMS y PMI



Transformación de señal de diente en grados



Medición de la velocidad del motor



Medición de la presión / depresión del ducto de admisión del motor



Cálculo del tiempo óptimo de conducción de la bobina de ignición



Cálculo del avance de encendido correspondiente a la presión y velocidad medida



Generación de las señales de encendido ON – OFF para encendido y desconexión de la chispa.

2.4.3 Etapa de potencia. Finalmente una vez realizado todo el cálculo y en el momento adecuado esta última etapa tiene un circuito de poder que produce una chispa de alta tensión la cual es entregada a las bujías a través del distribuidor. Esta etapa incluye dos elementos: 

Una bobina de salida de clavija macho de baja impedancia en el bobinado primario con la que se controla la corriente para asegurar energía continúa.



Un elemento de conmutación para controlar el primario de la bobina de ignición.

Capítulo 2: El Sistema de encendido electrónico integral Renix

47

Batería 12V

Alimentación

Captador de Presión MAP

Señal de Presión

Captador de Volante CKP

Etapa de procesamiento de señales

Señal del Volante

Circuito Digital con Cartografía de Encendido

Control de Avance Etapa de Potencia

Bobina de Encendido

Figura 22

Etapa de distribución

Estructura de bloques sistema de encendido Renix Allumage Electronique integral RENIX. Renix Electronique, pág. 14

En la Figura 22 es posible apreciar el funcionamiento general del módulo de encendido Renix, desde la alimentación del mismo, las señales de entrada que son usadas para realizar los cálculos del ajuste del avance de encendido, una vez el sistema realiza el procesamiento de dichas señales se realiza un cálculo y corrección del punto ideal de inicio de la combustión, los resultados de este proceso son almacenados en una tabla de la cual es posible elaborar un gráfico de tres dimensiones denominado cartografía de encendido, finalmente se selecciona el valor ideal de acuerdo a las condiciones de marcha y funcionamiento instantáneo del motor, la señal es procesada nuevamente y se genera señal cuadrada que alimenta una etapa de potencia que interrumpe de manera controlada la alimentación de la bobina de encendido generando un arco eléctrico que es distribuido a cada cilindro de combustión a través de la etapa de distribución del vehículo.

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

48

Capítulo 3 3. 3.1

Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

Desplazamiento del Pistón Vs Posición Angular del Cigüeñal Se denomina motor alternativo de combustión interna a aquellos en los cuales el fluido de

trabajo es comprimido dentro de la cámara de combustión por lo cual el volumen de la cámara varía constantemente, estos motores utilizan el sistema pistón-biela-manivela para realizar el movimiento de desplazamiento lineal del pistón dentro de la cámara de combustión. Este movimiento lineal con ayuda de la biela y unido en su base a una articulación llamada manivela se transforma en un movimiento rotativo del cigüeñal del motor, a este mecanismo se le denomina tren alternativo. Para poder determinar con mayor precisión el tiempo de recorrido del pistón dentro de la cámara de combustión en su fase de compresión es necesario analizar el mecanismo de tren alternativo, teniendo en cuenta que para efectos de este documento se analiza únicamente la fase cerrada del ciclo de combustión del motor tomaremos el PMI como nuestro ángulo 0° o ángulo de referencia y a partir de este se realizan los cálculos de desplazamiento del pistón; además debemos recordar que el movimiento del motor se da en el sentido horario por lo cual los desplazamientos en esta dirección serán tomados como positivos. En términos generales es posible determinar que la velocidad media a la que se desplaza el pistón es el tiempo que tarda en recorrer una carrera total desde el PMI hasta el PMS (Ferrer Diaz, Marcos, Visscarro torralba, juan B, 2007), la velocidad media del pistón (Vmp) expresada en m/s, está definida bajo la Ecuación 1 donde c es la carrera del pistón en milímetros y N el régimen de rotación del motor en RPM.

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

𝑉𝑚𝑝 = Ecuación 1

49

2∗𝑐∗𝑁 𝑐∗𝑁 = 60 30 Velocidad media del pistón

Pero realmente esta velocidad corresponde a lo que sería la velocidad de desplazamiento lineal de la muñequilla (manivela), sin embargo es necesario recordar que unido a este se encuentran unidas la biela que trasmiten el movimiento al pistón y transforman el movimiento rotacional en lineal. Cuando la muñequilla gira arrastra consigo la biela ocasionando que ésta simultáneamente se desplace y se incline aumentando el ángulo entre su eje y el eje del cigüeñal.

L = Longitud de la biela r = Radio de la muñequilla (manivela) C = Carrera del pistón x = Desplazamiento del pistón entre PMS y PMI respecto a C α = Desplazamiento angular de la manivela respecto a PMI β = ángulo entre la biela y el eje del cigüeñal

Figura 23

Dimensiones Mecanismo Biela-Manibela. Dante Giacosa. Pág. 238

La construcción del tren alternativo (Figura 23) tiene como resultado que la velocidad de desplazamiento del pistón dentro del cilindro no sea directamente proporcional a la velocidad angular de la manivela, teniendo una velocidad de desplazamiento mayor hacia la mitad del recorrido y una levemente menor cuando se acerca a PMS y PMI, por lo cual se debe tener en cuenta la expresión de desplazamiento del pistón en función del ángulo de la manivela (Giacosa, 1980, pág. 202)

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

50

1 𝑥 = 𝑟 ((1 − 𝐶𝑜𝑠 𝛼) + (1 − √1 − λ2 𝑆𝑖𝑛2 𝛼)) λ Ecuación 2

Deslazamiento en función del ángulo de manivela

El valor x obtenido de la expresión Ecuación 2 será la distancia en la que se encuentra ubicado el pistón respecto del Punto Muerto Inferior. El termino λ (Ecuación 3) es igual al cociente entre el radio de la manivela y la longitud de la biela, por lo general este valor está entre los 0.22 y 0.29 manivela (Giacosa, 1980, pág. 224) esta relación nos indica que entre menor sea su valor más larga es la biela y por consiguiente mayor será el tiempo que necesita el pistón para recorrer la carrera. λ = 𝑟⁄𝐿 Ecuación 3

Definición del termino 𝜆

Teniendo en cuenta que el valor de λ oscila entre 0.22 y 0.29 indica una diferencia de desplazamiento de 0.5 mm por lo cual se tomara 0.22 como valor de λ para realizar la programación del módulo de encendido como factor de seguridad para evitar posibles pérdidas de potencia. Con el fin de analizar el comportamiento de la posición del pistón respecto a la posición angular del cigüeñal se realiza el reemplazo de los valores de α por valores de 0° a 180° que equivalen al recorrido del pistón del PMI al PMS y finalmente el valor r se toma como una constante teniendo en cuenta que la carrera del pistón en el motor estudiado es de 77 mm (Renault Argentina S.A., 1987). Utilizando la expresión de desplazamiento lineal del pistón respecto a la posición angular del mismo es posible construir una tabla que nos permita observar el comportamiento del pistón gráficamente.

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

51

Tabla 5 Angulo del cigüeñal Vs Posición del pistón

Angulo

0

Posición x 0,0000

Figura 24

30

60

90

120

150

180

6,2200 22,4556 42,7875 60,9556 72,9040 77,0000

Grafico desplazamiento del pistón en función del ángulo del cigüeñal. 2016

En la Figura 24 es posible evidenciar cómo el desplazamiento (eje y) medido cada 30° es mucho mayor en el intervalo de 60° a 120° (eje x) y en los intervalos de 0° a 30° y 150° a 180° el desplazamiento del pistón es más pequeño. Igualmente se observa que para un movimiento angular de la manivela α=90°, el pistón ha recorrido un trayecto mayor que la mitad de la carrera total lo que significa que en recorrer la primera mitad del recorrido tarda menos tiempo que recorriendo la segunda mitad. 3.2

Velocidad del Pistón Vs Posición Angular del Cigüeñal Si el desplazamiento del pistón no es uniforme respecto al desplazamiento angular tampoco

lo es la velocidad de desplazamiento del pistón, en un determinado instante mientras el pistón recorre una parte infinitesimal de la carrera (𝑑𝑥) y una fracción de tiempo (𝑑𝑡) la velocidad del

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

52

pistón estará dada por 𝑉 = 𝑑𝑥/𝑑𝑡, o en otras palabras la derivada del desplazamiento respecto al tiempo, la cual obtenemos derivando la Ecuación 4 (Giacosa, 1980, pág. 203) y como resultado se encuentra la expresión: 2 𝑉 = 𝑤 𝑟 (sin 𝛼 + sin 2𝛼) λ Ecuación 4

Velocidad del pistón

El término 𝑤 es igual a la velocidad angular del motor expresada en 𝑟𝑎𝑑/𝑠𝑒𝑔. Con la intensión de simplificar los cálculos realizados se trabajan las unidades en milímetros y segundos por lo cual obtenemos: 𝑉=

𝜋. 𝑛 λ 𝑟 (𝑠𝑖𝑛 𝛼 + sin 2𝛼) 30000 2

Ecuación 5

Velocidad angular del motor

De este modo conociendo el número de revoluciones del motor (𝑛) es posible determinar la velocidad del pistón correspondiente a cualquier posición angular de la manivela. (Giacosa, 1980, pág. 203) 3.3

El ángulo de combustión Conocer el comportamiento del proceso de combustión netamente como combustión es

fundamental para realizar unos cálculos precisos en los avances requeridos por el motor de acuerdo a las prestaciones del mismo, para estudiar este proceso se divide en tres fases cuya característica principal se da en función de la cantidad de mezcla aire-combustible que se quema en cada fase, en la Figura 25 es posible apreciar la comparación de la evolución de la presión cuando hay combustión y cuando no la hay. La duración del ángulo de combustión está definida principalmente por las características del combustible, la estructura del recinto de combustión y la

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

53

velocidad de giro del motor, el ángulo de combustión está definido entre 54° a 59°, este valor varia proporcionalmente a la velocidad de giro del motor. (Renault Argentina S.A., 1987)

Figura 25 Proceso de combustión. Beto Booster. Secretos de encendido electrónico. pág. 5

3.3.1 Fase 1. Retardo de Encendido. De manera ideal el momento en el que se produce la chispa y en el que inicia la combustión debería ser el mismo, sin embargo en la realidad esto no es así, esta primera fase cubre el periodo de tiempo en el que se produce la chispa entre los electrodos de la bujía hasta el momento del encendido de la mezcla, se determina el final de esta fase cuando la presión producida por el gas dentro del cilindro supera el aumento de presión normal en un cilindro sin combustión. Esta fase tiene una duración aproximada de 10% del total del ángulo de combustión y en ella se presenta una combustión laminar con una velocidad (Álvarez Flórez et al, 2005) promedio de avance de 5 m/s, el valor del ángulo en esta fase es variable y depende de factores como la

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

54

velocidad de giro del motor y las condiciones de presión en el ducto de admisión. Pese a que su duración angular es variable, su duración en tiempo tiende a mantenerse constante. 3.3.2 Fase 2. Propagación de la llama.

En esta fase se da el inicio del frente de llama,

se caracteriza porque el flujo de trabajo con el desplazamiento lineal del pistón presenta un comportamiento turbulento, esta fase abarca hasta el ángulo en el que se presenta la máxima presión dentro del cilindro durante la misma la velocidad del frente de llama aumenta considerablemente al igual que lo hace la presión, su duración es del 85% del total del ángulo de combustión y por la característica de la combustión turbulenta el frente de llama se desplaza a una velocidad cercana a los 10 m/s. Durante esta etapa el frente de llama alcanza las paredes del cilindro y ocurre lo que se denomina combustión centrada en la cual se consume el 50% del flujo de trabajo para finalmente culminar la etapa cuando se consume cerca de 75% del total de la masa del flujo. 3.3.2.1 Combustión Centrada.

Buscando siempre lograr que la combustión sea lo

más simétrica posible en cuanto a su distribución respecto al PMS y así mismo obtener siempre el mejor aprovechamiento del ciclo para el funcionamiento del motor surge el concepto de combustión centrada el cual tiene como objetivo principal maximizar la potencia del ciclo de combustión, para lograr esto debe controlarse la posición angular del proceso de combustión respecto al PMS. La combustión centrada permite este beneficio garantizando que el punto máximo de presión del fluido de trabajo se dé entre los 10° a 15° DPMS y para lograrlo es necesario que el 50% de la masa total del fluido de trabajo haya sido quemada a los 7° DPMS. Estos dos valores son constantes y no dependen de la velocidad de régimen de giro del motor y por este motivo para mantenerlos debe gestionarse un avance de encendido tal que mantenga estos valores para lograr un óptimo desempeño del motor.

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

55

Para conseguir estas condiciones y buscando que la segunda etapa de combustión se realice de manera centrada se debe lograr mediante el avance de encendido correcto que el PMS se alcance en la mitad del ángulo total de recorrido de esta fase.

Figura 26 Combustión en diferentes RPM del motor. Dante Giacosa. Motores endotérmicos. Pág. 138

Si no existiera tal avance de encendido (Figura 26) a medida que se incrementara el régimen de giro del motor y se mantuviera fijo el ángulo de encendido el tiempo de combustión sería menor sin embargo el ángulo necesario para que esta se realice se mantiene constante, dando como resultado que a mayor velocidad de giro del motor el punto máximo de presión se aleje cada vez más del PMS teniendo un ciclo ineficiente ya que cuando el frente de llama alcance el pistón este se va a encontrar muy lejos del PMS. 3.3.3 Fase 3. Extinción de la llama.

Después de que el frente de llama ha

alcanzado las paredes del cilindro aún queda un porcentaje de mezcla aire-combustible sin consumir, este valor aproximadamente del 25% del total de la mezcla aún no se quema completamente, durante esta etapa el pistón ya está realizando la carrera de expansión desde el

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

56

PMS hasta el PMI y culmina con la extinción del frente de llama, esta fase ocupa un total del 5% del total del ángulo de combustión y culmina con la extinción total de la combustión propiamente dicha. 3.4

Determinando el Angulo de inicio de la combustión El valor de ángulo de inicio de la combustión será entonces el punto donde inicia la fase 1

de la etapa de combustión y es un punto fundamental en la programación del sistema de control de encendido pues de allí parten el resto de valores que varían de acuerdo a las prestaciones del motor y es desde este punto donde hay que realizar ajustes en caso de ser necesario ajustar el funcionamiento del motor. De acuerdo con Renix (Renix Electronique, 1983) fabricante original de los módulos de encendido se diseñaron más de cuarenta diferentes programaciones para vehículos con sistema de encendido electrónico integral teniendo en cuenta las diferentes características del vehículo para el cual se realizaba la programación, específicamente los vehículos Renault 9 tenían como equipo original los módulos de encendido relacionados a continuación: Tabla 6 Grados de avance en función de las RPM para diferentes programaciones Curvas

Ralentí en

Avance

Régimen

Avance

Régimen

Avance

Avance Vacío

Modulo

RPM

Grados

en RPM

Grados

en RPM

Grados

0–300 mBar

RE.001

850

8 – 12

1550

10 - 15

4050

26 - 30

7

RE.007

650

2–5

1550

2–7

4050

20 - 26

4

RE.201

850

9 – 11

1550

12 - 14

4050

27 - 30

7

RE.207

650

2–4

1550

4–6

4050

21 - 26

4

RE.217

750

0–2

1550

12 - 14

4050

25 - 30

8

RE.227

650

3–7

1550

3–9

4050

25 - 29

12

RE.232

750

5–9

1550

8 - 12

4050

26 - 29

8

RE.240

650

5–8

1550

0–3

4050

22 - 24

14

RE.254

650

7–9

1550

9 - 12

4050

28 - 30

10

RE.257

750

7–9

1550

0–4

4050

21 - 23

10

RE.278

750

7–9

1550

9 - 13

4050

28 - 32

5

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

57

En la Tabla 6 podemos observar los valores de avance mínimos y máximos teniendo en cuenta las RPM del motor en Ralentí y otros dos regímenes en la mitad de la marcha máxima y en un valor muy cercano al máximo de RPM que soportan los motores en estudio, igualmente encontramos un valor denominado avance por vacío que nos permite de manera lineal incrementar el avance de encendido teniendo en cuenta la cantidad de vacío presente en el ducto de admisión, este avance se explica detalladamente en el apartado de corrección de avance por vacío. Conociendo los valores recomendados para la programación de cada módulo de encendido por el fabricante para tres diferentes regímenes de giro del motor es posible establecer una función que nos permita determinar el valor del avance de encendido en grados para un determinado valor de RPM instantáneo, es necesario hacer una función para cada módulo teniendo en cuenta que los limites son diferentes para cada programación. Con esta función se obtienen los valores de ángulo de encendido que denominamos ángulo de encendido variable y con estos podremos posteriormente encontrar el valor total del ángulo de encendido en función de la velocidad angular del motor. 3.5

Angulo de Avance en función de la Velocidad del Motor El comportamiento oscilatorio de movimiento del pistón y los constantes cambios en la

velocidad de rotación del motor generan como resultado un comportamiento no lineal del sistema de encendido y de velocidad de desplazamiento del pistón, por esta razón y teniendo en cuenta que conocemos únicamente tres datos de funcionamiento para cada módulo de encendido obtenidos de las tablas del fabricante, se implementa una función para modelar las curvas de funcionamiento programadas en cada módulo de encendido de acuerdo a la siguiente demostración, para el módulo de encendido RE.001 tenemos los valores de la Tabla 7

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

58

Tabla 7 Valores de Avance modulo RE.001 RPM

MIN

MAX

850

8

12

1550

10

15

4050

26

30

Estos valores son utilizados como puntos máximos y mínimos en función de las RPM del motor dentro de las cuales debe encontrarse la curva programada para este módulo de encendido, teniendo en cuenta los valores límite se decide utilizar un valor medio de cada punto como valor de referencia para evitar que la función sobrepase los limites sugeridos por el fabricante, gracias a lo cual obtendríamos tres pares ordenados por los cuales pasa la curva de la función en cuestión, siguiendo con la referencia del módulo RE.001 tendríamos, 𝑥1 (850, 10) ; 𝑥2 (1550, 12.5) ; 𝑥3 (4050, 28) Y con base en estos puntos podemos deducir un sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas de solución directa, 𝑥850 𝑥1550 𝑥4050

10 = 𝑎(850)2 + 𝑏(850) + 𝑐 12.5 = 𝑎(1550)2 + 𝑏(1550) + 𝑐 28 = 𝑎(4050)2 + 𝑏(4050) + 𝑐

Obteniendo como resultado del anterior sistema los valores de, 𝑎 = 8,21429E − 07 ;

b = 0,0016 ; c = 8,04651785

Finalmente aplicando la forma canónica de la ecuación cuadrática siendo el valor de 𝑥 igual al número de RPM instantáneo del motor es posible determinar el grado de avance específico para cada valor de velocidad instantáneo mediante la que será denominada función de avance por RPM y de igual manera obtener una curva completa de comportamiento del avance de encendido en grados en función de las RPM del motor, de la siguiente manera,

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

𝜃0 = (8,21429E − 07)𝑥 2 + (0,0016) + 8,04651785 Ecuación 6

59

∀ 𝑥 > 600 ; < 6000

Formula de avance en función de las RPM

Siendo 𝜃0 el ángulo de inicio de la combustión para un determinado régimen de velocidad de rotación del motor, realizando una sustitución de los valores de 𝑥 con un intervalo de 100 RPM para poder analizar el comportamiento de la función propuesta podemos ver el comportamiento que presenta el ángulo de encendido de la combustión en función de las RPM del motor, cabe aclarar que no se toman en cuenta valores inferiores a 600 RPM debido a que el valor del ralentí para estos motores es siempre superior a 650 RPM por lo cual con valores inferiores el motor no podría estabilizar su funcionamiento, de igual manera el régimen máximo de RPM a la cual es aconsejable trabajar este tipo de motores es 4500 RPM sin embargo de manera ilustrativa se realizan los cálculos hasta un régimen de giro de 6000 RPM.

Figura 27

Curva de avance de encendido por RPM. 2016

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

60

En la Figura 27 podemos observar dos curvas límite superior e inferior del ángulo de avance en función de las RPM las cuales se obtienen de los valores suministrados por el fabricante para el modulo RE.001, también podemos apreciar la curva programada obtenida con la función de avance por RPM que se mueve siempre dentro del límite propuesto por el fabricante, es necesario aclarar que cada módulo de encendido tiene diferentes limites en los ángulos de avance en función de las RPM por lo cual se realiza el mismo procedimiento para los módulos de encendido que se describe el fabricante (Renix Electronique, 1983), obteniendo las ecuaciones de avance inicial en función de las RPM, teniendo en cuenta la similitud de las ecuaciones se complementa la notación de 𝜃0 (ángulo de inicio de la combustión) con la referencia del módulo de encendido de la siguiente manera,

𝜃0(001) = (8,21429E − 07)𝑛2 + (0,0016)𝑛 + 8,04651785

(RE. 001)

𝜃0(007) = (1,84967E − 06)𝑛2 + (−0,00295817)𝑛 + 4,64 1323529 𝜃0(201) = (5,98214E − 07)𝑛2 + (0,00285)𝑛 + 7,145290179

(RE. 007)

(RE. 201)

𝜃0(207) = (1,52288E − 06)𝑛2 + (−0,001128105)𝑛 + 3,089852941

(RE. 207)

𝜃0(217) = (−2.78788E − 06)𝑛2 + (0,0021412121)𝑛 + 13,49090909 𝜃0(227) = (2,14379E − 06)𝑛2 + (0,0036005229)𝑛 + 6,437647059 𝜃0(232) = (9,84848E − 07)𝑛2 + (0,001484848)𝑛 + 5,332386364 𝜃0(240) = (4,1634E − 06)𝑛2 + (0,014715033)𝑛 + 14,30573529

(RE. 217) (RE. 227) (RE. 232)

(RE. 240)

𝜃0(254) = (1,35948E − 06)𝑛2 + (0,000213072)𝑛 + 7,564117647

(RE. 254)

𝜃0(257) = (4,69697E − 06)𝑛2 + (−0,01830303)𝑛 + 19,08522727

(RE. 257)

𝜃0(278) = (1,16667E − 06)𝑛2 + (0,00106667)𝑛 + 6,54375

(RE. 278)

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

61

En el anexo podemos encontrar las gráficas de cada curva de encendido teniendo en cuenta los límites de avance sugeridos por el fabricante. Adicionalmente analizando todas las curvas de encendido para los diferentes módulos de encendido se realizó una función adicional que tiene en cuenta los valores de todas las curvas anteriores y pretende cubrir las necesidades de funcionamiento de cualquier motor de un vehículo Renault 9 en el que sea instalada. 𝜃0 = (1,66154E − 06)𝑛2 + (0,001904615)𝑛 + 6,460307692 Ecuación 7

Función propuesta de avance de encendido

Siendo 𝑛 el valor de RPM instantáneo para en cual se desea conocer 𝜃0 que es la notación para ángulo de inicio de combustión. 3.7

Corrección del ángulo de avance en función del vacío Conocer el valor de vacío presente en el ducto de admisión permite al sistema de control

de encendido realizar una corrección el ángulo de avance en función de este vacío, mientras el vacío en el ducto de admisión aumente, implica que ingresa menos mezcla de combustible a la cámara de combustión por lo cual necesita un tiempo adicional para realizar una combustión completa, de manera inversa si el vacío disminuye (presión aumenta) se realiza una reducción de los grados del avance al encendido debido a que a mayor presión ingresa mayor cantidad de aire y por consiguiente de mezcla en el cilindro de combustión la cual requiere menos tiempo para quemarse. Al igual que los grados de avance en función de las RPM las condiciones para realizar este ajuste dependen de muchos factores constructivos del motor, de este modo la corrección de avance en grados se toma como referencia de los datos extraídos del catálogo técnico de módulos del fabricante y con base a estos se establece una relación lineal que nos permita encontrar el avance indicado para cada valor de vacío registrado por el sensor.

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

62

Para proceder con este cálculo es necesario tener en cuenta los datos de la Tabla 6 en la cual el fabricante indica cuál es valor máximo de avance en función del vacío para una variación de 0 a 300 mBar de vacío, una vez superado este valor el avance en grados se mantiene constante, utilizando el mismo procedimiento para el cálculo del avance en función de las RPM obteniendo una ecuación de avance en función del vacío para la programación de cada módulo de encendido. 𝜃𝑣(001) = (−3,88889E − 05)𝑝2 + (0,0035)𝑝 + (−3,55271E − 15) 𝜃𝑣(007) = (−2,2222E − 05)𝑝2 + (0,02)𝑝

(RE. 001)

(RE. 007)

𝜃𝑣(201) = (−3,88889E − 05)𝑝2 + (0,0035)𝑝 + (−3,55271E − 15) 𝜃𝑣(207) = (−2,2222E − 05)𝑝2 + (0,02)𝑝

(RE. 207)

𝜃𝑣(217) = (−4,44444E − 05)𝑝2 + (0,04)𝑝

(RE. 217)

𝜃𝑣(227) = (−6,66666E − 05)𝑝2 + (0,06)𝑝

(RE. 227)

𝜃𝑣(232) = (−4,44444E − 05)𝑝2 + (0,04)𝑝

(RE. 232)

𝜃𝑣(240) = (−7,77778E − 05)𝑝2 + (0,07)𝑝 + (−7,10543E − 15) 𝜃𝑣(254) = (−5,55555E − 05)𝑝2 + (0,05)𝑝

(RE. 201)

(RE. 240)

(RE. 254)

𝜃𝑣(257) = (−5,55555E − 05)𝑝2 + (0,05)𝑝

(RE. 257)

𝜃𝑣(278) = (−2,7778E − 05)𝑝2 + (0,025)𝑝

(RE. 278)

Para esta corrección de avance igualmente se genera una ecuación adicional con los valores promedio de todas las curvas disponibles, en esta el término 𝜃𝑣 hace referencia al valor de avance en grados en función del vacío y el término 𝑝 al valor de presión (vacío) instantáneo existente en el ducto de admisión. 𝜃𝑣 = (−4,4955E − 05)𝑝2 + (0,04045606)𝑝 Ecuación 8

Función propuesta de corrección de avance por vacío

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

Figura 28

63

Curva de avance por vacío. 2016

Una vez se conocen los avances de encendido inicial, en función de las RPM del motor y la corrección de avance en función del vacío en el ducto de admisión estos se suman para conocer el ángulo de avance total tanto en función de la velocidad del motor como de la presión en el ducto de admisión (Figura 28). 3.8

Tiempo de recorrido del pistón en función del ángulo del cigüeñal Una vez se tiene la información necesaria de los grados de avance de encendido para cada

curva se debe calcular la cantidad de tiempo necesario para que inicie la combustión, este valor está relacionado directamente con la velocidad de desplazamiento del pistón teniendo en cuenta que a medida que aumenta la velocidad de rotación del motor el tiempo que el pistón tarda en recorrer la distancia desde el PMI al PMS es menor, la velocidad de desplazamiento del pistón es independiente de las curvas de avance previamente calculadas, sin embargo es necesario calcular el tiempo de desplazamiento para cada curva pues el valor de grados de avance es diferente.

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

64

Es necesario recordar que la posición del pistón cuando este se desplaza gracias al giro del cigüeñal no es constante con el incremento de la evolución de los grados, del mismo modo el tiempo empleado para recorrer una determinada cantidad de grados no es constante sino que depende del ángulo de la biela y la velocidad de rotación del motor, por esta razón es necesario realizar el cálculo de tiempo en función del desplazamiento para cada grado de desplazamiento angular obteniendo así como total de la sumatoria el tiempo empleado por el pistón para desplazarse cierta cantidad de grados en función de las RPM del motor. Para realizar el cálculo del tiempo es necesario conocer el valor de la velocidad instantánea para cada intervalo con valor un grado (1°) siempre en función del valor de la velocidad de rotación del motor (𝑛), este valor es posible obtenerlo usando la ecuación de velocidad instantánea en función del ángulo de la biela y la velocidad del motor. (Álvarez Flórez et al, 2005) 𝑉=

𝜋. 𝑛 λ 𝑟 (𝑠𝑖𝑛 𝛼 + sin 2𝛼) 30000 2

Ecuación 9

Velocidad de rotación del motor

La anterior Ecuación 9 nos permite encontrar la velocidad instantánea sin embargo es necesario hallar el valor de tiempo empleado por el pistón para recorrer cierta cantidad de grados y esto se logra despejando el valor de tiempo de la ecuación de velocidad, 𝑉 = 𝑥/𝑡

Ecuación 10

𝑡=

𝑥 𝜋. 𝑛 λ 30000 𝑟 (𝑠𝑖𝑛 𝛼 + 2 sin 2𝛼)

Tiempo empleado por el pistón en un ciclo

Utilizando la Ecuación 10 es posible determinar el tiempo empleado por el pistón para recorrer un determinado trayecto realizando una sumatoria del tiempo necesario para recorrer grado a grado, para finalmente obtener un tiempo total.

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

𝑡0 = ∑

Ecuación 11

𝛼𝑛

∆𝑥

𝛼1

𝜋. 𝑛 λ 30000 𝑟 (𝑠𝑖𝑛 𝛼 + 2 sin 2𝛼)

65

Tiempo de desplazamiento del pistón

El término 𝑡0 es igual al tiempo empleado por el pistón en recorrer una distancia determinada entre el ángulo 𝛼𝑛 y 𝛼1 , ∆𝑥 es la diferencia entre la posición inicial y final del pistón de la distancia en cuestión, el termino 𝑛 es el valor instantáneo de las RPM del motor, 𝑟 es la medida del radio de la biela en mm, λ es la relación entre biela-manivela y finalmente α es el valor instantáneo del ángulo de rotación de la biela. La Ecuación 11 nos permite determinar el tiempo que tarda el pistón recorriendo la distancia ∆x equivalente a un desplazamiento en grados del motor, este tiempo nos permite predecir cuánto tiempo en segundos antes debe generarse la señal para producir una chispa en el momento indicado. 3.9

Angulo de contacto Una de las funciones del módulo de encendido es dar paso o cortar la corriente del primario

de la bobina de encendido para inducir una alta tensión en el secundario de la misma, para poder generar una tensión lo suficientemente alta con la capacidad de encender la mezcla de trabajo el diferencial de potencial entre los devanados primario y secundario de la bobina debe ser muy elevado, para lograrlo la resistencia eléctrica del devanado primario de la bobina es muy baja de 1 a 4 Ohm aproximadamente permitiendo fácilmente el flujo de la corriente en el bobinado primario, mientras mayor sea la corriente que fluye es mayor la fuerza del campo magnético al interior de la bobina sin embargo un elevado valor en la corriente por un tiempo prolongado puede causar daños tanto en la bobina como en el módulo de encendido por esta razón el límite de la intensidad en el circuito de alimentación del primario de la bobina es de 6 Amperios.

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

66

Para lograr este límite de corriente debe existir un tiempo máximo de cierre del circuito que permite la carga de la bobina, este valor es denominado ángulo de contacto y nos indica cuánto es el tiempo de carga y descarga de la bobina. Para determinar el ángulo de contacto del circuito se tiene en cuenta un valor llamado el ángulo de dWell el cual representa el ángulo en el que el circuito de alimentación está “cerrado” permitiendo la circulación de corriente en el primario de la bobina. Con el aumento de las revoluciones del motor el tiempo disponible para el ángulo de contacto se reduce y así mismo reduce la carga de la bobina, por lo cual es necesario aumentar el ángulo de contacto a medida que aumentan las RPM del motor. Para determinar el ángulo de contacto se debe tener en cuenta el valor del ángulo disponible (𝜃𝑑 ) el cual se halla dividiendo el valor de una revolución entre el número total de cilindros de motor (Arias-Paz, 2004) que es el valor de ciclos totales de encendido que para el presente estudio se trata de cuatro cilindros de este modo, 𝜃𝑑 = Ecuación 12

360 = 90° 4

Angulo de combustión disponible

El ángulo de disponible indica el total disponible para realizar el ángulo de cierre y apertura del circuito de alimentación de la bobina, el valor del ángulo de contacto (𝜃𝑐 ) está determinado por el fabricante dentro del rango 54° – 59°, siendo 59° el mayor ángulo de contacto. Finalmente tendremos el valor del ángulo de apertura (𝜃𝑎 ) del circuito el cual será la diferencia entre el ángulo disponible y el ángulo de contacto. 𝜃𝑑 = 𝜃𝑐 + 𝜃𝑎 Ecuación 13

Angulo disponible como suma de ángulos de contacto y apertura

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

67

Teniendo en cuenta la velocidad a ralentí del motor de 600 y máximo 4500 RPM es posible establecer una relación lineal del incremento del ángulo de contacto en función de la velocidad de rotación del motor, de este modo para un valor de 600 RPM el ángulo de contacto es de 54° y para un máximo de 4500 RPM el ángulo será de 59°. Utilizando la ecuación de la recta es posible obtener el valor del ángulo de contacto para un valor de RPM instantáneo, 𝜃𝑐 = Ecuación 14

𝑛 − 𝑛𝑚𝑖𝑛 + 𝜃𝑚𝑖𝑛 𝑚 Angulo de contacto instantáneo

Siendo 𝑛 el valor instantáneo de velocidad angular del motor en RPM, 𝑛𝑚𝑖𝑛 el valor de ralentí el cual es un valor constante de 600 RPM, 𝑚 es el valor de la pendiente siendo igualmente un valor constante y finalmente 𝜃𝑚𝑖𝑛 es el ángulo mínimo de contacto suministrado por el fabricante equivalente a 54° (Renix Electronique, 1983), 𝑚=

Ecuación 15

𝑛𝑚𝑎𝑥 − 𝑛𝑚𝑖𝑛 = 780 𝜃𝑚𝑎𝑥 − 𝜃𝑚𝑖𝑛 Pendiente del ángulo de contacto

La señal de cierre de circuito para iniciar la carga de la bobina es la misma señal que se utiliza para iniciar el conteo pero su duración es diferente y está dada por la relación ángulo de cierre y velocidad de rotación del motor.

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

68

Tabla 8 Angulo de contacto en función de las RPM del motor

3.10

RPM

Angulo de Contacto RPM

Angulo de Contacto RPM

Angulo de Contacto

600

54,00

2100

55,92

3600

57,85

800

54,26

2300

56,18

3800

58,10

1000

54,51

2500

56,44

4000

58,36

1200

54,77

2700

56,69

4200

58,62

1400

55,03

2900

56,95

4400

58,87

1500

55,15

3000

57,08

4500

59,00

1700

55,41

3200

57,33

4700

59,00

1800

55,54

3300

57,46

4800

59,00

2000

55,79

3500

57,72

5000

59,00

Tiempo de inicio de la Combustión Establecer un avance de encendido adecuado es fundamental para obtener un sistema de

control de encendido que brinde las mejores prestaciones para el funcionamiento del motor del vehículo, una vez se conoce el valor de los grados de avance es necesario determinar el momento en el que se produce la señal de encendido. El seguimiento geométrico del volante del motor permite al módulo de encendido detectar una señal que le indica que faltan 90° para que alguno de los cuatro pistones llegue al PMS, esta señal sirve a la unidad de control como marcador y desde este punto cuenta el tiempo necesario de acuerdo a la ley de avance de encendido para interrumpir la conducción de energía a la bobina y lograr producir la chispa que enciende la mezcla de trabajo. En este punto el módulo de encendido debe recibir la información de: 

Velocidad de rotación del motor (RPM)



Medida de presión del ducto de admisión (mBar)

Con estos datos se debe aplicar la función de avance escogida tanto de avance por RPM como la corrección avance por vacío, una vez tenga el valor avance en grados se calcula el tiempo necesario que debe esperar el módulo para generar la señal teniendo en cuenta que el pistón se encuentra 90° APMS, el tiempo calculado es en función de las RPM del motor.

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

69

Tomando como referencia el módulo de encendido RE.001 si el motor gira a una velocidad de 1000 RPM, una vez se recibe la señal 90° APMS el corte de alimentación de la bobina el cálculo del tiempo de retardo se calcula de acuerdo al siguiente procedimiento. Inicialmente se calcula el avance de encendido en función de las RPM de acuerdo a la curva de encendido para el modulo RE.001 𝜃0(001) = (8,21429E − 07)𝑛2 + (0,0016)𝑛 + 8,04651785

(RE. 001)

𝜃0(001) = (8,21429E − 07)(𝟏𝟎𝟎𝟎)2 + (0,0016)(𝟏𝟎𝟎𝟎) + 8,04651785 𝜃0(001) = 𝟏𝟎, 𝟒𝟕° Luego se procede a calcular la corrección de avance por vacío para el cual no se conoce el valor de la presión en el ducto de admisión por tanto se asume por defecto el valor de la presión atmosférica, cabe resaltar que el valor de 𝑝 es el vacío presente en el ducto de admisión en mBar por lo cual si el valor asumido por el modulo es la presión atmosférica indica que el vacío es cero. 𝜃𝑣(001) = (−3,88889E − 05)𝑝2 + (0,0035)𝑝 + (−3,55271E − 15)

(RE. 001)

𝜃𝑣(001) = (−3,88889E − 05)(𝟎)2 + (0,0035)(𝟎) + (−3,55271E − 15)

(RE. 001)

𝜃𝑣(001) = 𝟎° Una vez se tienen los correspondientes avances por en función de las RPM y por Vacío estos se suman para encontrar el ángulo total de avance al encendido 𝜃𝑎 . 𝜃𝑎 = 𝜃0 + 𝜃𝑣 Ecuación 16

Angulo total de avance al encendido

𝜃𝑎 = 10,47° + 0° = 10,47° El valor de 𝜃𝑎 nos indica el valor de grados APMS, punto en el cual debe iniciar la combustión, la referencia de 0° se encuentra en el PMI por lo cual en el PMS la biela tendrá un ángulo de 180°, de acuerdo a esta aclaración la combustión debe iniciarse a los,

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

70

𝜃𝑖 = 180° − 𝜃𝑎 𝜃𝑖 = 180° − 10,47° = 169,53° El marcador del volante que indica la posición respecto al PMS lo hace 90° antes de que suceda el evento, siendo así la sumatoria para encontrar el tiempo necesario para producir el corte de señal se comienza desde los 90° hasta 169,53°, utilizando la ecuación de tiempo total (Álvarez Flórez et al, 2005) 𝑡0 = ∑

𝛼𝑛

∆𝑥

𝛼1

𝜋. 𝑛 λ 30000 𝑟 (𝑠𝑖𝑛 𝛼 + 2 sin 2𝛼)

Ecuación 17

Tiempo total

El primer término que encontramos ∆𝑥 que equivale a la diferencia de recorrido del pistón en grado a grado, es necesario recordar cómo se analizó en el apartado Desplazamiento del Pistón Vs Posición angular del cigüeñal el procedimiento para encontrar el valor de la distancia en cada grado teniendo en cuenta que su variación no es lineal, de este modo podemos saber qué distancia ha recorrido el pistón en la carrera ascendente desde el PMI (Ferrer Diaz, 2007). 1 𝑥 = 𝑟 ((1 − 𝐶𝑜𝑠 𝛼) + (1 − √1 − λ2 𝑆𝑖𝑛2 𝛼)) λ Ecuación 18

Distancia recorrida por el pistón

Si reemplazamos el valor de 𝑥 en la ecuación de tiempo obtenemos,

𝑡0 = ∑

𝛼𝑛

1 ∆ [𝑟 ((1 − 𝐶𝑜𝑠 𝛼) + λ (1 − √1 − λ2 𝑆𝑖𝑛2 𝛼))]

𝛼1

Ecuación 19

𝜋. 𝑛 λ 30000 𝑟 (𝑠𝑖𝑛 𝛼 + 2 sin 2𝛼) Tiempo de inicio de avance al encendido

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

71

Finalmente basta con desarrollar la Ecuación 19 para encontrar el que denominaremos tiempo de inicio de avance al encendido (𝑡0 ), para la cual tenemos las siguientes constantes ya analizadas, 𝑟 (Radio de la biela)

=

38,5 mm

𝛼 (Ángulo de giro instantáneo)

=

90° a 169,53°

λ (Relación Biela / Manivela)

=

0,22

𝑛 (Velocidad de Rotación del Motor)

=

1000 RPM

El término 𝛼1 que indica el punto de inicio para el conteo de tiempo es un valor fijo pues el punto de inicio de conteo está determinado por la señal generada por el volante de inercia en sus dientes faltantes a los 90° APMS. El valor de 𝛼 tiene un incremento de 1° que es igual a la resolución del módulo de encendido. 169.5° [38.5 ((1

− 𝐶𝑜𝑠𝛼) +

1 1 (1 − √1 − (0.22)2 𝑆𝑖𝑛2 𝛼))] − [38.5 ((1 − 𝐶𝑜𝑠(𝛼 − 1) + (1 − √1 − (0.22)2 𝑆𝑖𝑛2 (𝛼 − 1)))] 0.22 0.22

∑

𝜋. 1000 0.22 (38.5) (sin 𝛼 + sin 2𝛼) 30000 2

90°

Ecuación 20

Tiempo total de avance al encendido

Una vez desarrollada la Ecuación 20 para 𝛼 desde el ángulo 90° hasta 169.5° tenemos como resultado un valor de tiempo 𝑡0 = 15,48 𝑚𝑆, que será el tiempo de espera del módulo para interrumpir la corriente del primario de la bobina una vez pase el marcador del volante de los 90° APMS. Una vez se conoce el momento en el cual debe interrumpirse la conducción al primario de la bobina es necesario definir en qué momento debe comenzar la carga de la misma. Como se describe en el apartado de ángulo de contacto este valor se encuentra usando la Ecuación 14 teniendo en cuenta que para el caso del ejemplo el valor de RPM es 1000 es posible hallar el valor del ángulo de contacto para este valor de RPM instantáneo, 𝜃𝑐 =

1000 − 600 + 54 = 54,51° 780

Capítulo 3: Generalidades diseño del sistema de control de encendido electrónico

72

Teniendo en cuenta que la Ecuación 17 de tiempo de inicio de avance al encendido (𝑡0 ), permite conocer el tiempo empleado por el pistón en recorrer una distancia determinada en función de las RPM del motor es entonces posible valerse de la misma ecuación para determinar el valor del ángulo de contacto en función del tiempo, de este modo se suman el ángulo de contacto 𝜃𝑐 y el ángulo total de avance al encendido 𝜃𝑎 siendo el primero el tiempo total de cierre del circuito de alimentación del primario de la bobina y el segundo el tiempo de apertura del mismo. Inmediatamente culmine el tiempo de apertura de alimentación inicia de nuevo un ciclo esta vez para otro cilindro de este modo una vez se supere el marcador de 90° APMS inicia un nuevo conteo.

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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Capítulo 4 4. Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico Una vez analizadas en su totalidad las generalidades del funcionamiento del sistema de encendido es necesario realizar todas las modificaciones que sean necesarias para implementar un sistema de control al sistema de encendido electrónico para los motores de los vehículos Renault en cuestión. Conociendo de manera general las especificaciones necesarias de funcionamiento del sistema inicialmente se realiza la selección de un microcontrolador que pueda llevar a cabo todo el procesamiento. 4.1

Selección del microcontrolador para el sistema de encendido Para este sistema de control se deben tomar varias cosas en cuenta, primero los tiempos de

accionamiento y medición son muy cortos teniendo en cuenta que es un sistema mecánico aun así para garantizar una mayor precisión en la adquisición de datos para la realimentación del sistema solo se cuenta con una pequeña sección angular de la rueda fónica ya que la bobina de ignición requiere un tiempo para almacenar la energía de encendido normalmente superior a los 60mJ hasta los 120 mJ y teniendo en cuenta no superar los 6A en el circuito primario de la bobina (Beru, 2013). Debido a que las acciones y el seguimiento del sistema depende de eventos externos cuya frecuencia se desconoce puesto que no hay un control sobre la velocidad del vehículo la cual depende directamente de las necesidades de conducción y en ese sentido sobre las revoluciones del cigüeñal, en necesario basar el sistema en interrupciones con lo cual no se pierde tiempo de procesamiento, además si es posible se requieren distintos tiempos de reloj para garantizar un adecuado funcionamiento y simplificar el código de programación. Por otra parte se busca el diseño de un sistema económico y muy rápido que permita procesar la información de los sensores

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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sin problema alguno. Bajo estos parámetros se comparan algunos elementos comerciales para decidir la mejor opción para este desarrollo. Tabla 9 Comparación de microcontroladores aptos para el desarrollo Nombre Procesador Interrupciones Precio ADC Flash Clock Speed

Arduino uno

Arduino Mega

PSoC 5LP

MP430

8 bits

8 bits

32 bits

16 bits

3

6

+6

2

140.000

210.000

60.000

33.000

10 bits

10 bits

12 bits

10 bits

256 Kb

256 Kb

256 Kb

16 Kb

16 MHz

16 MHz

24 MHz

16 MHz

Bajo estos criterios se seleccionó el PSoC 5LP obteniendo una mayor velocidad de procesamiento, mayor precisión en la conversión analógica a digital, precio cómodo, mayor número de interrupciones y configuración de tiempos de reloj. 4.2

Sistema de alimentación Los vehículos familiares Renault funcionan a 12 Voltios en teoría sin embargo en realidad

este voltaje es generado por un acumulador o alternador el cual en términos generales se encarga de convertir la energía del movimiento del cigüeñal en energía eléctrica, en este proceso el alternador transforma voltaje alterno en voltaje directo, este voltaje entregado por este acumulador puede variar desde los 12V hasta los 15V en condiciones normales y de acuerdo a las necesidades de consumo del vehículo, el sistema de control no es ajeno al sistema eléctrico general del vehículo ni posee una fuente de alimentación independiente por lo cual es necesario regular el voltaje que alimenta la unidad de control, en el momento de encendido el voltaje de la batería puede descender significativamente y el módulo de control podría llegar a dejar de funcionar por esto se trabaja sobre un sistema que requiere un bajo voltaje de alimentación para su funcionamiento y con el fin de mantener una alimentación precisa adicionalmente debido a los componentes elegidos en el diseño del prototipo el sistema de control funciona con 5VDC por lo cual se opta por implementar

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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un regulador de voltaje ajustable en este caso el LD1086V, este regulador es apto para trabajar en la temperatura ambiente que manejan los motores de la industria automotriz de -40 °C a 125°C.

Figura 29

Configuración LD1086 como regulador de voltaje ajustable. Recuperado de ww.st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/53/db/00/58/09/98/4b/36/CD00001884.pdf . 2016

Tomando en cuenta la configuración sugerida por el fabricante Figura 29, el voltaje de referencia típico para el LD1086V es de 1.25V por lo cual para obtener 5V de salida se utiliza una resistencia R2 de 360 ohmios. Con el voltaje regulado de 5 VDC es posible alimentar los circuitos integrados, el PSoC 5LP y el sensor de vacío que hacen parte del sistema de control. 4.3

Sensor de reluctancia variable (CPK) Este sensor es empleado para identificar el paso de cada diente en la rueda fónica que se

encuentra acoplada al cigüeñal, el mismo no requiere alimentación por lo cual el circuito solo requiere una entrada para adecuar la señal y tomar información para el proceso de posicionamiento y velocidad del cigüeñal. El sensor CKP utilizado en los vehículos Renault en estudio es el 7700739792 cuyas características podemos detallar en la Figura 30.

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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Figura 30 Sensor CKP Renault 9. Recuperado de www.repuestosnetwork.com.ar/30014 -sensor-rpm-renault-19-21-clio-7700739792-83035543xJM. 2016

4.3.1 Adecuación de la señal del sensor CKP. Para obtener la información del posicionamiento y la retroalimentación de velocidad necesaria para que el sistema de control realice los cálculos es necesario tener en cuenta que a partir de la medición de este sensor se debe obtener la posición y velocidad. Recordemos que el sensor CKP genera una señal triangular entre -3V y 3V la cual varía constantemente de acuerdo a la velocidad de la rueda dentada, teniendo en cuenta que la frecuencia es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de un fenómeno cualquiera y que conocemos la construcción de la rueda fónica es posible medir la frecuencia que genera este sensor, de este modo con la ayuda de un conversor de frecuencia se convierte la frecuencia generada por el sensor en una señal de voltaje. Con la ayuda de un LM2907 para la conversión F-V y teniendo en cuenta que el voltaje de alimentación del PSoC 5LP es de 5V tenemos que la conversión analógica a digital va desde 0V – 5V y ya que las velocidades a medir van desde 600 hasta 5000 rpm se requiere adecuar la salida para que maneje todo el rango de velocidad para lo cual se adoptó la siguiente nota de aplicación (Figura 31) del datasheet del fabricante (Texas Instrument Incorporated, 2013).

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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Figura 31 Cambio de Tensión de salida por un voltaje de referencia 0. Recuperado de http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2907-n.pdf. 2016

Teniendo en cuenta que la entrada de frecuencia es un sensor de reluctancia variable y en la aplicación inicial de este integrado observamos que el sensor se conecta de manera directa al conversor F-V tal como se muestra en la Figura 32.

Figura 32 Conexión sensor de reluctancia variable a conversor LM2907. Recuperado de http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2907-n.pdf. 2016

Regresando a la nota de aplicación empleada Figura 31 se observa que en este caso se requiere una referencia de 10V y el voltaje de salida depende de este valor por lo cual debe ser

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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muy preciso y constante por lo cual se empleó otro regulador LD1086V con capacitores de 10uF/25V y resistencias para estabilizar el voltaje de referencia, adicionalmente se requiere una referencia de 1V para cambiar el punto de frecuencia 0 con el fin de manejar un valor fijo de inicio 1 𝑟𝑝𝑚 =

1 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎 = 0,016̂ 𝐻𝑧 60 𝑠𝑒𝑔

Conociendo los límites superior e inferior de funcionamiento del motor 600 y 5000 rpm respectivamente, manteniendo un factor de seguridad se calcula la frecuencia para los valor de 300 rpm y 5300 rpm por debajo y por encima del límite de funcionamiento y como son teóricamente 44 pulsos por revolución tenemos que 44 ∗ 300 ∗ 0,016̂ = 220 𝐻𝑍

𝑦

44 ∗ 5300 ∗ 0,016̂ = 3.887 𝐻𝑧

De acuerdo a un valor de referencia de 1V corresponderían los valores 220 HZ y 3.887Hz a 1.3V y 4.9 V respectivamente. Para establecer el valor de referencia se utiliza un regulador de voltaje ajustable LM385 (Texas Instruments Incorporated, 2013) en la Figura 33 es posible apreciar la configuración escogida para este componente.

Figura 33 Nota de aplicación para LM385. Recuperado de www.ti.com/lit/ds/symlink/lm185-adj.pdf. 2016

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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Con una resistencia a tierra de 200 ohmios y el voltaje de referencia de 1V entonces la corriente es de 5mA por lo cual se pone una resistencia en la que caigan los 0.24 voltios y en este caso; 0.24 = 48 Ω 0.005 Aproximamos a una resistencia comercial y usamos una de 47 ohmios obteniendo un voltaje a la salida de 1.24V como se observa en la Figura 33. Tras implementar este sistema se utilizó un generador de funciones LFG-1300S (Figura 34) con el fin de obtener la relación final.

Figura 34 Generador de Funciones LFG-1300S, marca Leader. Elemento utilizado para pruebas de funcionamiento del prototipo

Figura 35

Circuito implementado para regulador LD1086V

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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En el circuito diseñado (Figura 35) se utiliza un potenciómetro de 100 ohmios el cual es utilizado para ajustar el voltaje del regulador de voltaje LD1086V con sus filtros y el circuito mencionado anteriormente para la conversión de frecuencia a voltaje. Para verificar el correcto funcionamiento del conversor F-V se realizan mediciones empleando un multímetro digital FLUKE 87 III y un generador de señales LFG-1300S, en la Figura 36 es posible apreciar algunos datos obtenidos de frecuencia y de voltaje para cada uno.

F-V Frecuencia (Hz)

5000 y = 1.103,67171872727x - 1.122,35727555659 R² = 0,99998292706

4000 3000 2000 1000 0 0

1

2

3

4

5

Voltaje (V)

Figura 36

Tabla de datos frecuencia vs voltaje y su representación gráfica.

Para detectar el posicionamiento del cigüeñal y poder predecir la posición de cada pistón cada media vuelta a partir de los 90 grados antes del PMI es necesario adicionar al circuito de conversión F-V un circuito que convierta esa señal en una señal cuadrada que permita al sistema de control identificar los dientes de la rueda fónica, para realizar esta conversión se utiliza un sistema mediante un disparador Smith trigger pero los sistemas especializados normalmente tienen una histéresis cuadrada de manera interna y en este caso no existe una uniformidad debido a los cambios de velocidad del motor por aceleración y desaceleración del mismo, además de una parte negativa en la señal de salida, teniendo en cuenta estos factores se obtiene un sistema de

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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transistores que genera una señal de manera rápida y utilizando un mínimo de componentes, utilizando dos transistores PN2222A lo cuales nos permiten trabajar a una frecuencia relativamente alta de hasta 300MHz.

Figura 37

Circuito de tratamiento de señal de CKP implementado en prototipo

En el circuito planteado Figura 37 cuando la entrada del CKP está en alto el transistor Q1 cierra y pone a tierra la base del transistor Q2 de manera que hay 5V voltios a la salida, por otro lado cuando la entrada del CKP está en bajo Q1 abre y alimenta la base de Q2 dejando la salida del sistema en tierra, para observar el comportamiento de este circuito utilizamos un osciloscopio análogo HM303-6 de 35 MHz, como es posible apreciar en la Figura 38 la salida genera una señal cuadrada que es enviada para procesamiento al PSoC 5LP.

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

Figura 38

4.4

82

Señal obtenida del circuito de tratamiento de señal

Sensor de vacío (MAP) En los equipos Renix originales el sensor de vacío hacía parte del conjunto de la unidad de

encendido como una unidad integrada presentando dificultad en caso de falla del sensor pues su cambio es complicado, igualmente la naturaleza mecánica del sensor original es reemplazada por electrónica de los sensores para vehículos Renault de modelos más actuales, para nuestro sistema de control decidimos utilizar un sensor MAP externo el cual monitorea la presión del ducto de admisión y entrega la señal al sistema de control; en el mercado a nivel automotriz encontramos varios sensores comerciales como se observa en la Tabla 10. Tabla 10 Referencia 7700101762 3930022600 16137039

Comparación de sensores MAP comerciales aptos para el desarrollo

Aplicación Renault Megane, Symbol, Clio, Logan Hyundai Vision, Gyro, Verna Renault Twingo, Chevrolet corsa, aveo, optra, Daewoo

Precio 140.000

Disponibilidad Baja

Info. Técnica No

120.000

Muy Baja

No

70.000

Alta

Si

Una de las mayores dificultades es encontrar un sensor que sea comercial del cual exista la suficiente información técnica, por esta razón se opta por utilizar el sensor MAP de referencia 16137039. Con este sensor de presión absoluta se realizan mediciones para corroborar su funcionamiento, para este sensor existen algunas tablas que indican su variación de voltaje en

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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función del vacío cómo es posible apreciar en la Figura 39 adicionalmente y con la finalidad de verificar los datos, se realizaron pruebas de funcionamiento del sensor en la ciudad de Bogotá cuya altura promedio es de 2630 mts sobre el nivel del mar equivalente a una presión de 752 mbar (Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas, 2016), cabe aclarar que el sensor mide el diferencial respecto a la presión atmosférica por lo cual a la presión de Bogotá se obtiene una medición de 3.5 V, las pruebas realizadas permiten analizar el comportamiento lineal del sensor para lo cual se empleó el equipo SC67 Injetech obteniendo la información contenida en la Tabla 11.

Figura 39 Sensor de presión absoluta, salidas del sensor. Recuperada de www.aa1car.com/library/map_sensors.htm. 2016 Tabla 11 Bar Voltios

Pruebas de funcionamiento sensor MAP 16137039

1

0,96

0,92

0,87

0,85

0,80

0,78

0,73

0,70

0,66

0,62

0,59

0,55

0,51

3,2

3,0

2,8

2,6

2,4

2,2

2,0

1,8

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

Realizando una comparación entre los datos obtenidos y los teóricos es posible realizar una interpolación de datos y finalmente obtener una función lineal la cual permite agilizar el

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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procesamiento de datos en el sistema de control. Una vez se realiza el procesamiento de datos se obtiene la Ecuación 21. 𝑦 = 18,8945𝑥 + 7,5747 Ecuación 21

Figura 40

Linealización de la señal del sensor MAP

Grafica comparativa muestreo datos sensor MAP, Valor teórico y Sugeridos

Realizando una gráfica (Figura 40) de los valores obtenidos experimentalmente (línea discontinua), los valores de la tabla sugeridos (línea completa) y aplicando la Ecuación 21 (línea punteada) para los mismos valores de presión es posible identificar que los datos obtenidos por el sensor en la prueba experimental se comportan de acuerdo a la función lineal deducida, debido a la poca variación que se evidencia en el comportamiento de este sensor se decide hacer una conversión análoga – digital mediante un ADC asociado al PSoC 5LP para el desarrollo de este sistema. 4.5

Inicialización del sistema de control. Para que el sistema inicie su funcionamiento es necesario que el motor esté en movimiento,

este movimiento inicial del motor es producido por un elemento externo al sistema denominado

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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motor de arranque el cual se alimenta de la batería y genera un impulso al motor para que el sistema de encendido comience a funcionar, de manera generalizada estos elementos pueden producir una velocidad de giro en el motor de hasta 600 rpm, sin embargo para generar mayor fiabilidad en el encendido se decide guardar un factor de seguridad que permita al módulo de encendido realizar la identificación de los dientes de mayor duración en la rueda fónica (90° antes PMS o PMI), por esta razón se establece 400 rpm como el punto de inicio del sistema de encendido para realizar el cálculo del avance de encendido. Suponiendo que al comenzar el funcionamiento del motor, éste se encuentra acelerando, tendremos que en el punto del diente de mayor duración y espacio de mayor duración una pequeña disminución de la velocidad, pero como el sistema no reacciona tan rápidamente lo cual es favorable en la medición de velocidad pero desfavorable en la ubicación de este punto utilizaremos un temporizador que nos asegurará que la ubicación del punto a 90 grados respecto al PMS es correcta midiendo los intervalos de tiempo entre pulsos y cuando ambos coincidan se ubicará el contador para el proceso de control en el que este sistema marcará la posición para encendido de la chispa y para la toma de datos. 4.6

Etapa de Potencia: Control de salida para accionamiento de la bobina Una vez realizado el proceso de obtención de datos y procesamiento de los mismos el

resultado final es la activación de una salida del PSoC 5LP de manera que energice la bobina de ignición y la mantenga el tiempo necesario para completar el ciclo de combustión, este valor es independiente del avance de encendido y de manera generalizada esta entre 1.5 ms – 4 ms (Beru, 2013), teniendo en cuenta que la corriente de salida del PSoC no puede superar 20 mA y que la bobina debe manejar hasta 6 amperios (Booster, 2010) se decidió emplear un Mosfet con al menos 3 veces esa capacidad de corriente como factor de seguridad y teniendo en cuenta el aumento en

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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la temperatura interna de la caja y la resistencia interna del Mosfet, el uso de este tipo de transistor se hace necesario debido a que este es el inicio de la etapa de potencia en la cual se pueden alcanzar valores de voltaje elevados por efecto rebote de la bobina de encendido, a lo cual un transistor mosfet nos permite el accionamiento de la etapa de potencia aislando la etapa de control. Entre los parámetros para la selección del transistor está el voltaje manejado en el primario de la bobina ya que este se encuentra ensamblado en serie con el mosfet, debido a que es necesario tener en cuenta una relación de 1:100 el voltaje en el primario el cual podría llegar a elevarse entre los 380 – 420 V (Beru, 2013), lo que supone un voltaje en el secundario de la bobina entre 30000 - 45000 V por lo cual el Mosfet a utilizar debe tener la capacidad de manejar un voltaje superior a los 500 V. A nivel comercial se encuentra el Mosfet SPP20N60C3, este tiene la capacidad de manejar una tensión máxima de 650V y soportar una corriente (ID) de hasta 20,7 Amp, como característica adicional es un transistor muy utilizado a nivel automotriz debido a su capacidad para trabajar en temperaturas ambientes desde -55…+150 °C lo cual es ideal para trabajar cerca de un motor de combustión interna. Debido a los cortos tiempos de oscilación y garantizar un buen control del proceso de encendido se debe contar con sistema muy rápido y de respuesta limpia, por este motivo se decide emplear dos transistores 1 PNP y 1 NPN con el fin de abrir y cerrar rápidamente el Mosfet evitando disipación de energía y por lo tanto sobrecalentamiento del mismo. También se agregó un condensador de 0.0047 μF/ 2kV para garantizar un aumento gradual de corriente al iniciar la carga de la bobina. Es necesario tener en cuenta eventos como que no haya arco eléctrico en la bujía tras energizar y des energizar la bobina debido a que no esté conectada o exista una mala conexión de la bujía, en este caso el voltaje subiría exponencialmente y podría causar daños al Mosfet por

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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sobrevoltaje, para ello es necesario agregar al circuito de potencia unos diodos zener, supresores de voltaje o Tranzorbs que empiecen a conducir a partir de 400 V con un voltaje de anclamiento menor a 500V los cuales consumirían la energía de la bobina estimada en 20W en caso de no producirse la descarga de la misma. La inductancia de la bobina de referencia 7701031135 es de 6.6 mH, este valor corroborado por resonancia mediante un condensador de capacitancia conocida 1μF y variando la frecuencia mediante el generador de funciones obtenemos una frecuencia en la que se anulan siendo la reactancia capacitiva igual a la reactancia inductiva. La frecuencia de resonancia es de 1958 Hz con un condensador de 1μF. 1 = 𝐿 = 0.00660716 𝐻 (2𝜋𝑓)2 𝐶 Ecuación 22

Valor de inductancia de la bobina 7701031135

El valor de 6.6 mH nos permite confirmar que el valor teórico de inductancia de la bobina corresponde al valor real de la bobina. Tomando un caso crítico como ejemplo con el motor trabajando a 5300 rpm la frecuencia de disparo de la bobina a 180 Hz y asumiendo que se carga a 6A, tenemos que: 1 𝑈 = 𝑓𝐿𝐼 2 = 21 𝑊 2 Ecuación 23

Valor de potencia de la bobina 7701031135

Los Tranzorbs comercializados en el mercado tienen la característica de tener una relación inversa entre voltaje de enclavamiento y corriente de trabajo, teniendo en cuenta que el elemento seleccionado debe soportar mínimo 500V un Tranzorb de esta característica tiene muy poca capacidad para manejo de corriente, por esta razón se utiliza en vez de uno varios Tranzorbs en serie, bajo estas características se selecciona el Tranzorb 1.5KE110 el cual tiene un voltaje de

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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enclavamiento de 152V, una potencia continua de hasta 6,5W y puede trabajar a una temperatura hasta de 75°C, teniendo en cuenta las características del Tranzorb se utilizan 4 en serie para alcanzar un máximo de 600V para disipar la energía de la bobina en caso de no descargarse en la chispa de alta tensión. En la Figura 41 es posible apreciar la disposición final de circuito de protección de potencia.

Figura 41

Circuito eléctrico de potencia prototipo sistema de control

El acoplamiento entre el PSoC 5LP y el circuito de salida mediante un optoacoplador seguido del sistema para cerrar rápidamente el Mosfet paralelo a un condensador y los diodos supresores de alto voltaje. Se utilizan además 5 resistencias de 4.7Ω 0.25W para limitar la corriente de alimentación al sistema de control.

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

Figura 42

89

Circuito de potencia impreso y ensamble en protoboard

En Figura 42 podemos observar las imágenes del circuito impreso diseñado para la etapa de potencia y la implementación del mismo, adicionalmente se utiliza como disipador una lámina de cobre que asegura una mejor disipación de la energía del Mosfet. Una vez implementada la etapa de potencia del sistema de control se realizan pruebas de funcionamiento buscando alimentar la bobina con la señal necesaria para que se produzca la chispa, para alimentar de la señal necesaria a esta etapa se utiliza el generador de funciones LFG1300S con onda cuadrada asimétrica programado para que la mantenga encendida durante 1ms para controlar la Gate del Mosfet. Para realizar esta prueba se utiliza como actuador la bobina 7701031135 conectada mediante un cable a una bujía WR8DCX+ aunque la referencia de la bujía no es determinante en el funcionamiento del sistema de control de encendido se utiliza la misma referencia original para

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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los vehículos Renault buscando siempre tener un comportamiento más cercano al real del motor en estudio.

Figura 43

Bujía generando chispa a través del circuito de potencia con señal generada por el generador de funciones LFG-1300S

Realizada las pruebas de funcionamiento de la etapa de potencia con un generador de señales como señal de entrada es posible verificar el correcto funcionamiento de la salida del circuito, es posible apreciar visualmente como se muestra en la Figura 43 la chispa que se produce entre los electrodos de la bujía con una separación de 1.1mm. Igualmente se realiza el seguimiento de la señal de salida con el osciloscopio para analizar el comportamiento de la misma, en la Figura 44 es posible el observar el momento de carga de la bobina y descarga de forma periódica con una duración de carga de 1 ms con esto se demuestra el correcto funcionamiento de la salida de la etapa de potencia.

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

Figura 44

4.7

91

Tiempo de carga y descarga de la bobina analizada en osciloscopio HM303-6

Programación del micro controlador PSoC 5LP Como se menciona en apartados anteriores debido a la cantidad de información que debe

ser procesada se opta por emplear interrupciones para el posicionamiento, velocidad, tiempo de encendido de la bobina y control del proceso. Puesto que se decide el uso de un LCD con ubicación de pines personalizable, se emplea una biblioteca externa de acuerdo a los datos encontrados en tutorial LCD PSoC 5LP (Ej anterior) (Gomez, 2015) los relacionados se encuentran en el programa. El PSoC 5LP tiene una interfaz de programación llamada PSoC Designer, este software de licencia libre permite la programación del micro por bloques al igual que en lenguaje C y Assembler, la programación por bloques permite seleccionar módulos prediseñados que es posible utilizar para realizar las tareas como los Timers, Contador, conversión ADC y la programación del LCD.

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

Figura 45

Figura 46

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Configuración de bloques internos del PSoC 5LP

Circuito LCD de verificación implementado

El uso de LCD (Figura 46) se limita única y exclusivamente al desarrollo del prototipo del sistema de control y no al que pueda llegar a ser el modelo final, esto con la finalidad de tener un elemento de salida que permita evidenciar los datos de RPM a la que gira el motor y el valor del ángulo de avance al encendido y comprobar de una manera visual los cambios que estos presentan en determinados momentos. En la Figura 45 se observa la implementación de entrada y el uso del LCD para observar los datos de velocidad y corrección del ángulo cada 40 ciclos con el fin de

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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tener a 600 rpm una realimentación cada 2 segundos sin utilizar un temporizador independiente o un retardo en la programación. 4.7.1 Configuración programable del módulo de encendido Dentro del desarrollo del sistema de control de encendido se están tomando en cuenta varias recomendaciones de programación de los módulos originales producidos por Renix dentro de los cuales se encontraron 9 módulos como los utilizados en el motor del vehículo objeto de estudio. Para visualizar la configuración o módulo que se está aplicando para control se emplearon 4 leds y un potenciómetro de manera que se hace un divisor de voltaje para ubicar la configuración deseada y que se refleja en una relación de leds prendidos y apagados empleando una pequeña programación en el PSoC 5LP.

Figura 47

Asignación de leds para programación del sistema de control de para módulo de encendido y su implementación en protoboard

En la Figura 47 es posible apreciar la configuración de bombillos Led y cuáles deben encender de acuerdo al módulo, para reducir un poco la emisión de luz de los Led se utilizaron resistencias de 4.7kΩ; el programa permite que una vez inicialice el sistema sea posible escoger la

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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configuración deseada de acuerdo al módulo original del vehículo en el que se desee utilizar el dispositivo, una vez seleccionado el módulo el programa empieza a correr normalmente. 4.7.2 Implementación del tiempo de encendido, carga y descarga de la bobina En la etapa de salida debido a que se requiere determinado tiempo para la carga de energía en la bobina y debido al adelanto de la chispa teniendo en cuenta que el pulso se genera cada 8.1 grados aproximadamente, se resolvió emplear todo en tiempo para implementarlo mediante el conteo a través de un timer configurado en el PSoC 5LP de manera que a partir de los 90 grados antes del punto muerto superior se debe contar con el cálculo de la corrección de ángulo de acuerdo a velocidad y vacío, además se conoce el desplazamiento del pistón por lo cual se maneja una aproximación como una sumatoria del tiempo requerido grado a grado para tener precisión en el tiempo requerido para el accionamiento de la chispa restándole el tiempo de carga que para alcanzar 6 amperios debe ser de 4 ms, en este caso se tomó como constante un valor de 4ms de duración de accionamiento de la bobina antes de liberar en forma de arco la energía almacenada y a medida que el ángulo de adelanto de chispa sea mayor se reducirá al máximo tiempo posible de accionamiento, para aplicar esta teoría implementamos la Ecuación 20. 169.5° [38.5 ((1

− 𝐶𝑜𝑠𝛼) +

1 1 (1 − √1 − (0.22)2 𝑆𝑖𝑛2 𝛼))] − [38.5 ((1 − 𝐶𝑜𝑠(𝛼 − 1) + (1 − √1 − (0.22)2 𝑆𝑖𝑛2 (𝛼 − 1)))] 0.22 0.22

∑

𝜋. 1000 0.22 (38.5) (sin 𝛼 + sin 2𝛼) 30000 2

90°

Debido al uso de funciones como senos y cosenos en la ecuación, esta se torna ineficiente y pesada para el microprocesador al programarla por lo cual se evalúo el término grado a grado graficando los resultados de tal manera que se hizo un ajuste de curva aproximando los valores a un polinomio de grado 6 (Figura 48).

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

Figura 48

95

Grafica de variación de ángulo respecto al desarrollo de la ecuación

Como se trata de una sumatoria resulta sencillo integrar el polinomio entre los límites de integración que contemplaban los índices de la sumatoria de manera que teniendo un índice inferior fijo solo se requiere conocer el ángulo adicionando el adelanto de chispa para operar con la velocidad media próximo a los 90 grados antes del PMS y obtener el tiempo que toma llegar al punto requerido (Ecuación 24). 𝑡 = −8.67419056194857e − 11 × (𝜃7 − 907 ) + 7.4896602434233e − 8 × (𝜃6 − 906 ) − 2.75707892736542e − 5 × (𝜃5 − 905 ) + 5.605621632258130e − 3 × (𝜃4 − 904 ) − 6.794675930572900e − 1 × (𝜃3 − 903 ) + 4.905757053913110e + 1 × (𝜃2 − 902 ) − 1.78526782487643e + 3 × (𝜃1 − 901 )

Ecuación 24

Tiempo de espera para inicio de avance de encendido

Por lo cual en la programación se encuentra un polinomio de grado 7 para la obtención del tiempo requerido.

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

96

4.7.3 Filosofía de Control Contextualizando el sistemas de encendido electrónico en desarrollo es un elemento que recibe dos señales entrada de unos sensores, las procesa y produce una orden de encendido y apagado de la bobina de encendido del vehículo, todo con el fin de regular el comportamiento y mantener encendido el motor de cuatro tiempos en este caso de los vehículos Renault, fiel a su funcionamiento es posible afirmar que es un sistema de control que funciona como un conjunto de elementos que se encargan de regular el comportamiento del motor del vehículo con el fin de mantenerlo encendido completando el ciclo de combustión de cuatro tiempos. El sistema de encendido electrónico integral Renix se caracteriza por ser un sistema de control que no posee retroalimentación, de igual manera el objetivo del presente desarrollo es no alterar en nada los componentes ni funcionamiento del módulo de encendido en los Vehículos Renault que lo incorporan, por lo tanto el sistema de control en desarrollo tampoco posee sistema de retroalimentación lo que lo convierte en un sistema de control de lazo abierto. Los sistemas de control de lazo abierto se caracterizan porque la señal de salida no es medida ni controlada por ningún sensor y por lo tanto no tiene efecto sobre el sistema de control, tal como es el caso del sistema en desarrollo. Finalmente una vez realizado el proceso programado la señal de salida tiene como objetivo abrir y cerrar el circuito de alimentación de la bobina, por lo tanto funciona como un control ON-OFF. El sistema de control del presente desarrollo inicia con la lectura de dos señales de Vacío y Frecuencia instantáneas del motor, en el caso de la señal de frecuencia recibe un tratamiento con un conversor F-V y posteriormente son procesadas por el microprocesador PSoC, una vez realizado el proceso de cálculo de tiempo de apertura y cierre del circuito de potencia de la bobina

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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se produce un control ON-OFF para accionar este elemento cuando el sistema de control así lo demande. Señal Hz Frecuencia Señal DC Conversor 1V a 5V Sensor F-V CKP

Rueda Fónica

Ducto de Admisión

Sensor MAP Figura 49

Señal DC 0V a 5V

Unidad de Procesamiento

Microcontrolador PSoC

Señal ON-OFF Bobina de encendido

Esquema de funcionamiento general Sistema de Control ON-OFF

En la Figura 49 es posible apreciar de manera esquemática el funcionamiento del sistema de control de lazo abierto ON-OFF propuesto en el presente documento y así mismo identificar los componentes del sistema; identificamos las variables de entrada que para el caso son las señales captadas por los Sensores CKP y MAP de la Rueda fónica del motor y el ducto de admisión del mismo respectivamente, dichas señales previamente tratadas según el caso llegan al controlador del sistema (PSoC) y este a su vez se encarga de controlar el actuador final, el cual es la bobina de encendido. 4.7.4 Algoritmos de funcionamiento del sistema de control de encendido Para analizar el comportamiento del dispositivo de control paso a paso se realiza una serie de algoritmos de funcionamiento que permiten observar fácilmente los procesos y su respectiva respuesta dentro de la programación del microcontrolador. En la Figura 50 se observa el algoritmo que realiza la selección y adaptación de parámetros a configurar según el modelo del vehículo el cual tiene una base de programación para trece módulos diferentes y en el cual el procesador posee un tiempo para realizar esta selección y una

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

98

vez termina el tiempo llama las variables y empieza la configuración de los diferentes elementos que se conectan con el PSoC y se enciende el LCD.

Inicio Configuración Inicializa

Variables

Lectura del prototipo del modelo en un tiempo

Busca las constantes según el modelo

Inicia periféricos

Final

Inicio del Sistema

Figura 50

Algoritmo de selección y configuración de parámetros

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

Inicio

Lectura RPM

Si RPM < 400

Si

No Configuración de componente PSoC (Timer)

Lectura RPM y Timer

Si detecta PMI Y PMS

No

Si Inicializa Contador

No 580
Flag=0

Si

Flag=1

Inicializa Interrupciones de Comparación, Timer y Contador

Figura 51

Interrupciones

Algoritmo de encendido y estabilización del sistema

99

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

100

El la Figura 51 es posible apreciar el algoritmo en el cual el motor se enciende y el dispositivo comienza a tomar los valores de las RPM, si estas están por debajo de 400 rpm el dispositivo no realiza ninguna función debido a que la programación del dispositivo está condicionada a realizar alguna actividad después que este lea más de 400 RPM lo que constituye el ralentí del vehículo, una vez alcanzadas las 400 RPM el PSoC comienza a realizar el procesamiento de señales del sensor de posición del cigüeñal y el de vacío en función del tiempo activando el conversor análogo digital, procesamiento en paralelo de las señales de comparación de intervalos generados por la rueda fónica para detectar el punto muerto superior e inferior y realizar la captación de señales en un periodo de tiempo para generar el atraso o adelanto de la chispa de ignición. En algoritmo de procesamiento de señal del sensor MAP (Figura 52) se realiza la muestra del sensor de vacío el cual determina la corrección del ángulo con respecto a la velocidad del motor para que la chispa generada sea procesada el momento en el cual el cilindro se encuentra pasando por el punto muerto superior, si este no logra tomar la medición de vacío el programa automáticamente le da un valor predeterminado como si el ducto de admisión estuviera a presión atmosférica ideal, esto con el objetivo de que el módulo de deje de procesar y siga su funcionamiento en caso de señal ausente o daño en el sensor.

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

101

Interrupción Comparación

Sensar Vacío

No Si flag = 2 Si Flag=1

Cambia periodo del Timer y lo inicializa

Interrupción por Timer

Final

Figura 52

Algoritmo de procesamiento señal sensor MAP

El siguiente algoritmo (Figura 53) nos muestra la señal de lectura que genera la rueda fónica donde se generan dos procesos el primero es la captación de las RPM del motor y la segunda es la detección del punto muerto superior e inferior el cual 90 grados antes de localizar el punto muerto superior desde realizar el cálculo del Angulo de encendido procesar la señal realizando la comparación de dientes para poder determinar el menor tiempo posible a la salida del dispositivo que produzca la chispa de ignición.

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

102

Interrupción por Contador

Lectura de RPM

flag = 1

No

Si Calcula corrección del ángulo y Tiempo de encendido

Flag=2

Final

Figura 53

Algoritmo de procesamiento señal del sensor CKP

Por ultimo encontramos El algoritmo del Timer controla los tiempos de activación y desactivación (Figura 54) de la salida de la chispa hacia la bobina donde ha realizado el procesamiento de las señales previamente procesadas y determina el tiempo de encendido de la bobina y muestra en el display el Angulo que se está produciendo cada 40 ciclos de procesamiento.

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

Interrupción por Timer

Salida = 1

Demora de tiempo calculado

Salida = 0

Detiene el Timer

Flag = 0 Contador LCD +1

Si contador LCD = 40

No

Si Mostrar datos en LCD

Final

Figura 54

Algoritmo de control de tiempo circuito ON-OFF

103

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

104

4.7.5 Programa cargado en el PSoC 5LP Inicialmente se asignan los valores para cada puerto de PSoC 5LP de acuerdo a las necesidades de programación, las señales de entrada de los sensores y la señal de salida requerida para el funcionamiento del microcontrolador, en la Figura 55 es posible observar la asignacion de los puertos.

Figura 55

Asignación de puertos de PSoC a entradas y salidas del circuito general

Una vez realizada la asignación de puertos del PSoC y conociendo los procedimientos y funciones necesarias para el funcionamiento del Sistema de control se procede a realizar la programación del mismo para verificar su correcto funcionamiento.

/* ======================================== * * Copyright Camilo Cortés & Jorge Pineda, 2016 * All Rights Reserved * UNPUBLISHED, LICENSED SOFTWARE. * * CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY INFORMATION * WHICH IS THE PROPERTY OF CAMILO CORTÉS & JORGE PINEDA. * * ======================================== */ #include <project.h> #include <stdio.h> /* ----- VARIABLES GLOBALES --------- */

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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float64 b1, b2,a,b,c,d,e,f ; uint16 n1=0,CaptN1,CaptTime,time1,vacum1=0,VacioActual,FinalTime,demora,contLCD; uint8 ang; uint8 flag1 = 0; char8 str1[12]; /* -------- PROCEDIMIENTOS ----------- */ void RPM(){ AMUX_FastSelect(2); /*selecciona el canal 2 del multiplexor*/ ADC1_StartConvert(); /*inicializa la conversión ADC */ ADC1_IsEndConversion(ADC1_WAIT_FOR_RESULT); /* espera hasta que termine la conversión */ /* Velocidad aproximada de acuerdo a la aproximación lineal con un error máximo de 0.5% para el intervalo de [600,1200]rpm */ n1 = 60.0*((ADC1_CountsTo_Volts(ADC1_GetResult16())(1.01695057009564))/(0.000906051056754651))/44; } void VACUM(){ AMUX_FastSelect(1); ADC1_StartConvert(); ADC1_IsEndConversion(ADC1_WAIT_FOR_RESULT); /* presión absoluta en mBar obtenida de la relación lineal con coeficiente r^2 = 0.9974 quitando datos atípicos */ vacum1 = 1013 - 10*(18.8945290468133*(ADC1_CountsTo_Volts(ADC1_GetResult16()))+7.5747320924986); } void TIME(){ /* resolviendo la integral definida entre 90 y ang para hallar el tiempo para generar el arco eléctrico en la bujía */ b1 = -8.67419056194857e-11*((90^7)-(ang^7))+7.4896602434233e-8*((90^6)-(ang^6))-2.75707892736542e5*((90^5)-(ang^5))+5.605621632258130e-3*((90^4)-(ang^4))-6.794675930572900e-1*((90^3)(ang^3))+4.905757053913110e+1*((90^2)-(ang^2))-1.78526782487643e+3*(90-ang); /* se obtiene el tiempo en ciclos de reloj para una frecuencia del timer de 2Mhz*/ time1 = 2000*( b1*(1/n1)); } void LCD(){ LCD_Position(0,1); sprintf(str1,"%.7f ",a); LCD_PrintString(str1); LCD_Position(0,5); sprintf(str1,"%.7f ",a); LCD_PrintString(str1); LCD_Position(0,5); LCD_Position(0,5); LCD_Position(0,5); LCD_Position(0,5); LCD_Position(0,5); contLCD = 0; } void CALCULO(){ /* ángulo corregido */ ang = 180 - (a*(n1^2)+b*n1+c+d*(vacum1^2)+e*vacum1+f); TIME(); demora = 8000; /* este valor corresponde a 4 ms */ if (time1 < demora){ demora = time1-2; /* en el caso de que el tiempo para mantener energizada la bobina sea menor a la requerida se aprovecha el mayor tiempo disponible*/ } FinalTime = time1 - demora; /* este es el tiempo a partir de los 90 grados respecto al PMS para que se active la bobina*/ flag1=2; /* Bandera para llevar el orden del proceso */

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

106

} /* --------- INTERRUPCIONES ------------ */ CY_ISR(interrupCapt){ RPM(); /*lectura de velocidad*/ CaptN1 = n1; /* asigna valor a CaptN1*/ CaptTime = TIMER_ReadCapture(); /* Hace la lectura obtenida mediante captura */ TIMER_Init(); /* inicializa el timer */ } CY_ISR(interrupTime){ SALIDA_Write(1); demora = demora/2000; /* conversión de demora a ms*/ CyDelay(demora); SALIDA_Write(0); TIMER_Stop(); flag1 = 0; contLCD = contLCD + 1 ; if (contLCD > 40){ LCD();} } CY_ISR(interrupComp){ VACUM(); if (flag1== 2){ /* Se toma muestra de vacío*/ TIMER_WritePeriod(FinalTime); /* Se cambia el periodo para el timer */ TIMER_Start(); /* Se inicializa el Timer */ } } CY_ISR(interrupCount){ RPM(); if (flag1== 1){ CALCULO();} } /* ----- FUNCIÓN PRINCIPAL ---------- */ int main(){ /* Inicializar las variables locales */ uint8 select = 0; /* Habilitar las interrupciones globales */ CyGlobalIntEnable; /* ---------------------- CONFIGURACION INICIAL ---------------------------------------- */ /* Inicializar el ADC para obtener la configuración inicial */ ADC1_Start(); /* inicializar el ADC1*/ AMUX_Start(); /* inicializar el multiplexor*/ /* Seleccionar el canal 0 del conversor para la referencia del modulo de encendido */ AMUX_FastSelect(0); /* seleccionar el canal 0 del multiplexor*/ ADC1_StartConvert(); /* inicializar la conversión del ADC1 */ ADC1_IsEndConversion(ADC1_WAIT_FOR_RESULT); /* esperar hasta que termine la conversión */ /* asignar un valor a la variable select de acuerdo al resultado de la conversión multiplicada por 2.1 de manera que siendo select un entero solo tomara el valor antes de la coma para utilizarlo en la selección de la configuración */ select = ADC1_CountsTo_Volts(ADC1_GetResult16())*2.1; /* de acuerdo a la variación del potenciómetro se obtienen las constantes para la corrección por velocidad (a,b,c) y por vacio (d,e,f) de cada modulo*/ switch (select) { case(0) : a=0.000000821429; b=0.0016; c=8.04651785; d=-0.0000388889; e=0.0035; f=-0.0000000000000035;

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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LED1_Write(1); LED2_Write(0); LED3_Write(0); LED4_Write(0); case(1): a=0.00000184967; b=-0.00295817; c=4.641323529; d=-0.000022222; e=0.02; f=0.0; LED1_Write(0); LED2_Write(1); LED3_Write(0); LED4_Write(0); case(2): a=0.000000598214; b=0.00285; c=7.145290179; d=-0.0000388889; e=0.0035; f=-0.0000000000000035; LED1_Write(0); LED2_Write(0); LED3_Write(1); LED4_Write(0); case(3): a=0.00000152288; b=-0.001128105; c=3.089852941; d=-0.000022222; e=0.02; f=0.0; LED1_Write(0); LED2_Write(0); LED3_Write(0); LED4_Write(1); case(4): a=-0.00000278788; b=-0.0021412121; c=13.49090909; d=-0.0000444444; e=0.04; f=0.0; LED1_Write(1); LED2_Write(1); LED3_Write(0); LED4_Write(0); case(5): a=0.00000214379; b=-0.0036005229; c=6.437647059; d=-0.0000666666; e=0.06; f=0.0; LED1_Write(0); LED2_Write(1); LED3_Write(1); LED4_Write(0); case(6): a=0.000000984848; b=-0.001484848; c=5.332386364; d=-0.0000444444; e=0.04; f=0.0; LED1_Write(0); LED2_Write(0); LED3_Write(1); LED4_Write(1); case(7): a=0.0000041634; b=0.014715033; c=14.30573529; d=-0.0000777778; e=0.07; f=-0.0000000000000071; LED1_Write(1); LED2_Write(0); LED3_Write(1); LED4_Write(0); case(8): a=0.00000135948; b=0.000213072; c=7.564117647; d=-0.0000555555; e=0.05; f=0.0; LED1_Write(0); LED2_Write(1); LED3_Write(0); LED4_Write(1); case(9): a=0.00000469697; b=-0.01830303; c=19.08522727; d=-0.0000555555; e=0.05; f=0.0; LED1_Write(1); LED2_Write(0); LED3_Write(0); LED4_Write(1); case(10): a=0.00000116667; b=0.00106667; c=6.54375; d=-0.000027778; e=0.025; f=0.0; LED1_Write(1); LED2_Write(1); LED3_Write(1); LED4_Write(0); break; } /* ------ INICIALIZAR EL LCD ---------- */ LCD_Start(); LCD_Position(0,1); LCD_PrintString("control"); /*------------------------- FIN CONFIGURACIÓN INICIAL ------------------------------- */ /* ------------------------ DETECCIÓN DE LA POSICIÓN --------------------------------- */ /* Para asegurar q el motor está en movimiento y entrar en un rango de mayor precisión en la medición de la velocidad se mantiene el programa en un ciclo hasta que la velocidad supere los 400 rpm ( valor con mediana precisión menor a 600 rpm y que brinda espacio suficiente para inicializar el módulo) */ RPM(); /* lectura de velocidad */ while (n1<400){ RPM();

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

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} TIMER_WritePeriod(30000); /* Cambia el periodo del timer a 15 ms */ TIMER_Start(); /* inicializa el timer */ isrCAPT_StartEx(interrupCapt); /*inicializa la interrupción por captura del timer y lo asigna a una función externa llamada interrupCapt*/ /* ----------------- DETECCIÓN MEDIANTE COMPARACIÓN ------------- */ CaptN1 = 400; CaptTime = 50; float32 rel = 1; uint16 CaptTimePast = 0; while (rel > 0.95 && CaptTimePast > 1.05 ){ RPM(); rel = n1/CaptN1; CaptTimePast = TIMER_ReadCounter()/CaptTime ; } /* ----------------- PUNTO A 90 GRADOS ANTES DEL PMS DETECTADO ---------- */ COUNTER_Start(); isrCAPT_Stop(); TIMER_Stop(); /* ---- ciclo infinito de control----- */ for(;;){ if (n1>580 && n1<5000){ flag1= 1; isrCOMP_StartEx(interrupComp); isrTC_StartEx(interrupCount); isrTIME_StartEx(interrupTime); } else { flag1=0; } } }

4.8

/*interrupción por comparación */ /* interrupción al finalizar la cuenta del contador */ /* interrupción por finalizar cuenta del timer */

Ensamble del prototipo de sistema de control de encendido Recordando siempre que uno de los principales objetivos es realizar un módulo de

encendido que haga la menor cantidad posible de cambios respecto al sistema original se disponen dos conectores igual que en el sistema de encendido RENIX, del mismo modo se utiliza la misma bobina del encendido original, como único elemento diferente al original tendremos el sensor MAP sin embargo el acople de conexión (tubo flexible) es del mismo diámetro que el original por lo tanto no representa un cambio significativo. Para la conexión de alimentación del módulo se utiliza un conector de 3 vías tipo Delphi asignando a la terminal 1 con cable amarillo la alimentación 12V desde la batería del vehículo, a

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

109

la terminal 2 se asigna la conexión a tierra o masa del motor con cable negro y la terminal 3 se asigna para la salida a tacómetro de revoluciones. Para la conexión del sensor CKP se utiliza igualmente un conector tipo Delphi de 2 terminales, el orden de conexión de esta terminal es irrelevante pues su propósito es recibir la señal del sensor de posición y este genera un voltaje alterno. El propósito de utilizar estos conectores tipo Delphi es que son iguales que los conectores originales por lo que no es necesario realizar ningún cambio a la instalación original del vehículo, en la Figura 56 es posible observar los conectores escogidos y su distribución.

Figura 56

Distribución de terminales para conectores de alimentación del módulo de encendido

El montaje provisional del prototipo se realiza en una la caja metálica de 150mm x 70mm x 15mm (Figura 57) a cual permite instalar las protoboard diseñadas así como el display provisional y el micro controlador de una manera holgada permitiendo la manipulación de todos los elementos para realizar todas las pruebas de funcionamiento requeridas.

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

Figura 57

4.9

110

Montaje final del prototipo conectores principales y ensamble en caja

Montaje banco de pruebas Con el fin de realizar pruebas para verificar la operación y funcionamiento del dispositivo

de control diseñado se crea un Banco de pruebas para simular las señales de entrada que participan en el proceso. Se utiliza un motor monofásico AC marca A.O. Smith C56B83F21 (Figura 58) de 1725 RPM.

Figura 58

Motor A.O. Smith C56B83F21

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

111

Al eje del motor se acopla de manera directa una rueda fónica dentada de Renault 9 de referencia 7700598735, se realiza un acople directo mediante tres tornillos entre rueda y el motor, se escoge un acople directo para reducir al máximo las vibraciones que puede generar realizar una relación para aumentar la velocidad del motor, de este modo la velocidad máxima que logra la rueda para las pruebas de funcionamiento en banco es de 1750 RPM. Simultáneamente al motor se acopla el sensor CKP de Renault referencia 7700739792, el cual se ubica de modo tal que el elemento sensor apunte directamente al costado lateral de la rueda fónica, el sensor debe ubicarse a una distancia máxima de 1mm tal cual como está ubicado en el motor del vehículo y cómo es posible apreciar en la Figura 59.

Figura 59

Acople motor a rueda fónica y sensor CKP para banco de pruebas

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

112

Para el acople del sensor CKP se utilizar dos ángulos ranurados que permiten mover el sensor hasta ubicarlo de modo tal que no interfiera en el giro de la rueda fónica causando daños al mismo. El sensor tiene consigo un conector de dos vías tipo Delphi el cual se conecta directamente al sistema de control; de manera simultánea se conecta el sensor MAP de referencia 16137039 al arnés de tres vías dispuesto en el módulo para tal fin, dicho sensor obedece a la configuración de conexión que se aprecia en la Figura 60.

Figura 60

Mapa de conexión sensor MAP 16137039

Para la alimentación del módulo de encendido se utiliza una batería 12V de 45 Amp con un conector tipo Delphi de tres vías como se describe en el apartado “Ensamble del prototipo de sistema de control de encendido”. Al igual que en las pruebas realizadas con el Generador de señales se utiliza como actuador la bobina Renault de referencia 7701031135 conectada mediante un cable a una bujía WR8DCX+ en la cual se produce la chispa de encendido. 4.9.1 Pruebas de funcionamiento en banco.

Previamente realizada la conexión del

módulo de encendido a los sensores y siguiendo el protocolo que obedece en el vehículo,

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

113

inicialmente se energiza el módulo de encendido con una tensión de 12VDC, se dispone de algunos segundos para elegir la configuración deseada con la ayuda del potenciómetro dispuesto para ello, una vez seleccionado el modulo inmediatamente queda listo para recibir las señales de los sensores y comenzar su operación. Seguidamente se energiza el motor consiguiendo que la rueda fónica unida a él comience a girar simultáneamente, una vez el motor alcanza la velocidad ralentí de la configuración seleccionada (de 500 a 650 RPM aproximadamente) inicia la generación de chispa en la bujía, conforme aumentan las RPM del motor aumenta la intensidad de la chispa; en el banco de pruebas existe un limitante por la velocidad del motor por lo tanto se alcanza un máximo de 1750 RPM y en ese momento se mantiene estable.

Figura 61

Señal generada por el sensor CKP, osciloscopio Hantek 6022BE

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

114

En la Figura 61 es posible apreciar la señal alterna tomada inmediatamente a la salida del sensor CKP antes de ser transformada por el conversor F-V para ser tratada en el microcontrolador, en dicha señal se pueden contar 42 crestas, 21 en el plano superior (positivo) y 21 en el plano inferior (negativo) las cuales corresponder a la cantidad de dientes que tiene la rueda fónica, también se aprecia cierta distorsión en los flancos de mayor amplitud la cual se debe a defectos físicos de la rueda fónica por tratarse de un elemento usado. Para analizar el comportamiento de la señal se utiliza un osciloscopio Hantek 6022 BE basado en computador.

Figura 62

Señal de control ON-OFF generada por el módulo de encendido. Osciloscopio Hantek 6022BE

Una vez se completa el proceso en el microcontrolador y se realizan todos los cálculos de tiempo del control ON-OFF se obtiene como salida del módulo de encendido una señal cuadrada que es posible apreciar en la Figura 62. Esta señal de onda cuadrada es la encargada de dar apertura y

Capítulo 4: Diseño del prototipo del sistema de control de encendido electrónico

115

cierre al circuito de potencia que controla la bobina de encendido; en las terminales de entrada de esta bobina también es posible realizar una medición para observar el comportamiento de carga y descarga de la misma como se aprecia en la Figura 63.

Figura 63

Señal de carga y descarga de la bobina de encendido, Osciloscopio Hantek 6022BE

Estas pruebas de funcionamiento en banco se realizar con un motor sin un variador de velocidad que permita controlar el mismo, por esta razón las señales de analizadas parecieran constantes, comportamiento que varía de acuerdo a la velocidad instantánea en la que se tome la muestra en un motor que cambia constantemente su velocidad de giro; sin embargo nos permiten observar claramente el comportamiento del sistema de control de encendido electrónico diseñado en el presente documento.

116

Conclusiones



Fue posible determinar que en Colombia la oferta de módulos de encendido para vehículos Renault de encendido electrónico integral no supera el 20% del mercado potencial, de igual modo de este porcentaje ningún proveedor ofrece un producto nuevo, dejando abierta la posibilidad de un mercado para explotar.



El estudio de los sistemas de encendido electrónico permitió generar mayor claridad para comprender el funcionamiento de dichos sistemas y así mismo conocer sus componentes y funciones.



El análisis especifico de los sistemas de encendido electrónico integral Renix facilitó la propuesta de un módulo de encendido que cumple con las mismas características de funcionamiento que el modulo original, adicionalmente se logra integrar la configuración de varios módulos Renix en uno solo para facilitar su adaptación a diferentes vehículos.



El análisis y desarrollo matemático de las variables de entrada del dispositivo permiten implementar un prototipo de sistema de encendido integral el cual tiene la capacidad de programar 12 tipos de módulos Renix los cuales son utilizados por diferentes versiones de vehículos Renault, característica muy importante ya que el mismo sistema de control, puede ser utilizado en diferentes motores cambiando únicamente la programación del prototipo; todo esto sin necesidad de realizar cambios ni modificaciones al vehículo sino únicamente reemplazando el módulo de encendido.



Fue posible desarrollar un dispositivo que consigue utilizar los mismos sensores que usan los vehículos Renault de sistema de encendido integral Renix, esto permite conservar los

117

elementos característicos del sistema de encendido y brinda al usuario final la posibilidad de conectar el prototipo del mismo modo que el modulo original. 

Se diseña y construye un prototipo de sistema de control para encendido electrónico de vehículos Renault, específicamente para los modelos Renault 9 como alternativa de reemplazo del módulo de encendido convencional.

118

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121

Anexos Anexo 1.

Primera encuesta de Análisis de Oferta del módulo de encendido para

Renault 9 en el Mercado colombiano Ficha Técnica 1. Realizada por: 2. Universo:

Edward Camilo Cortés Chacón Negocios de venta de autopartes para vehículos Renault y multimarcas en Colombia. Almacenes de venta de autopartes 03 de febrero de 2016 Colombia Probabilístico Encuesta Telefónica 40 51 encuestas realizadas Evaluar la disponibilidad del Módulo de encendido para Renault en almacenes de repuestos que se especialicen en la marca Renault. 4

3. Unidad de muestreo: 4. Fecha: 5. Área de cobertura: 6. Tipo de muestreo: 7. Técnica de recolección de datos: 8. Tamaño de la muestra: 9. Trabajo piloto: 10. Objetivo de la encuesta:

11. Nº de preguntas formuladas: 

A la pregunta, ¿venden el módulo de encendido electrónico para RENAULT 9? Si



20%

No

80%

A la pregunta, ¿Cuál es su precio de venta? Del 20% que dice tenerlo el precio de venta está en un promedio de Doscientos Cuarenta y Cuatro Mil Quinientos (244.500,oo) Pesos MCTE



A la pregunta, ¿El repuesto es nuevo, usado o remanofacturado? Nuevo



0%

Usado

20%

Remanofacturado

80%

A la pregunta. De los que afirman vender el módulo de encendido ¿Está disponible en el momento? Si

30%

No

70%

122

Anexo 2.

Curvas de avance en función de las RPM para diferentes configuraciones de

módulos de encendido

123

124

Anexo 3.

Datasheet de elementos utilizados en el desarrollo del prototipo

125

126

127

128

129

130

Anexo 4.

Ejemplo de aplicación Ecuación Tiempo Total de Avance al Encendido

131

Anexo 5.

Ajuste de Curva en Función del Tiempo

AJUSTE DE CURVA PARA TIEMPO 167,0 166,0

RESULTADO ECUACIÓN

165,0 164,0 163,0 162,0 161,0 160,0 159,0 y = -0,000000000607193339336419x6 + 0,000000449379614605398000x5 0,000137853946368271000000x4 + 0,022422486529032500000000x3 - 2,038402779171870000000000x2 + 98,115141078262300000000000x - 1.785,267824876430000000000000 157,0 0 20 40 60R² = 0,999675680166229000000000 80 100 120 140 160 180 158,0

ANGULO

132

Anexo 6.

Ejemplos de Cartografía de encendido RE001 y RE201

Cartografía de Encendido Modulo RE001 Avance en Grados 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0

Vacío en mmHg

RPM 410

440

470

500

530

560

590

3000 3600

380

2400

350

1800

320

1200

260 290

600

200230

Cartografía de Encendido Modulo RE201 Avance en Grados 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0

410

380

350

320

290

260

230

200

3000 3600

Vacío en mmHg

0,0

2400

440

1800

470

1200

530 500

600

590 560

RPM