Sistema digital de control de motor del automóvil.
El control electrónico del motor ha evolucionado desde un sistema de control de combustible relativamente rudimentario que empleaba componentes analógicos discretos hasta el control de encendido y combustible de alta precisión a través de un control de sistema de propulsión o tren de potencia (abreviado PCM de Powertrain Control Module) electrónico digital integrado basado en un microprocesador de 32 bits. La motivación para el desarrollo de los sistemas de control digital más sofisticados han sido las regulaciones cada vez más estrictas sobre las emisiones de gases de escape y el consumo de combustible. Se ha demostrado que es rentable implementar el tren de potencia controlador como un sistema basado en computadora multimodo para satisfacer estos requisitos.
Un controlador multimodo opera en uno de los muchos modos posibles y, entre otras tareas, cambia los diversos parámetros de calibración a medida que cambian las condiciones de operación para optimizar el rendimiento. Para implementar el control multimodo en la electrónica analógica, sería necesario cambiar los parámetros del hardware (por ejemplo, a través de sistemas de conmutación) para adaptarse a las diversas condiciones de funcionamiento. Sin embargo, en un controlador basado en computadora, la ley de control y los parámetros del sistema se cambian a través del control del programa (es decir, el software). El hardware permanece fijo, pero el software se reconfigura de acuerdo con las condiciones de funcionamiento determinadas por las mediciones del sensor y las entradas del interruptor al controlador.
Veamos cómo el microcontrolador bajo el control del programa es responsable de generar las señales eléctricas que operan los inyectores de combustible y disparan los pulsos de encendido. También discutimos las funciones secundarias (incluida la gestión del aire secundario que se debe proporcionar al convertidor catalítico, la regulación de recirculación de gases de escape y el control de emisiones evaporativas).
El control del motor en la gran mayoría de los automóviles es un concepto que significa regular la admisión de aire y combustible, así como la sincronización de la chispa para lograr el rendimiento deseado en forma de par o potencia de salida. Hasta finales de la década de 1960, el control del par de salida del motor y las RPM se lograba mediante alguna combinación de sistemas mecánicos, neumáticos o hidráulicos. Luego, en la década de 1970, se introdujeron los sistemas de control electrónico.
El propósito principal del sistema de control electrónico del motor es regular la mezcla (es decir, aire-combustible), el tiempo de encendido y la EGR. Prácticamente todos los principales fabricantes de automóviles vendidos en los Estados Unidos (tanto extranjeros como nacionales) utilizan el catalizador de tres vías para cumplir con las restricciones de emisión de gases de escape. Para tales automóviles, la relación aire/combustible se mantiene lo más cerca posible del valor estequiométrico de alrededor de 14,7 durante el mayor tiempo posible. El tiempo de encendido y la EGR se controlan por separado para optimizar el rendimiento y el ahorro de combustible.
La motivación para el control electrónico del motor provino en parte de dos requisitos gubernamentales en Estados Unidos. El primero surgió como resultado de la legislación para regular las emisiones de escape de los automóviles bajo la autoridad de la Agencia de Protección Ambiental (EPA). El segundo fue un impulso para mejorar la economía de combustible promedio nacional mediante la regulación gubernamental.
Principales emisiones peligrosas para la salud :
Durante el proceso de combustión, el carbono y el hidrógeno se combinan con el oxígeno del aire, liberando energía térmica y formando varios compuestos químicos. Si la combustión fuera perfecta, los gases de escape consistirían únicamente en dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), ninguno de los cuales se considera nocivo en la atmósfera. De hecho, ambos están presentes en el aliento de un ser humano.
Desafortunadamente, la combustión del motor de combustión interna a gasolina, encendido por chispa, tipo pistón no es perfecta. Además del CO2 y el H2O, los gases de escape contienen cantidades de monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (uniones químicas de nitrógeno y oxígeno denominadas NOx), hidrocarburos no quemados (HC), óxidos de azufre y otros compuestos. Algunos de los componentes del escape se consideran dañinos y están bajo el control de las agencias gubernamentales.
Los gases de escape del motor están formados por los productos de la combustión de la mezcla de aire y gasolina. La gasolina es una mezcla de compuestos químicos que se denominan hidrocarburos. Este nombre se deriva de la formación química de varios compuestos de gasolina, cada uno de los cuales es una unión química de hidrógeno (H) y carbono (C) en varias proporciones. La gasolina también contiene impurezas naturales, así como productos químicos agregados por el refinador. Todos estos pueden producir elementos de escape indeseables.
Monóxido de carbono (CO). Este gas es muy peligroso incluso en bajas concentraciones. No tiene olor ni sabor y es incoloro.
Cuando se inhala, se combina en el cuerpo con los glóbulos rojos, evitando que transporten oxígeno. Si es absorbido por el cuerpo puede ser fatal en muy poco tiempo.
Óxidos de nitrógeno (NOx)
Los óxidos de nitrógeno son incoloros e inodoros cuando salen del motor, pero tan pronto como llegan a la atmósfera y se mezclan con más oxígeno, se forman óxidos de nitrógeno. Son de color marrón rojizo y tienen un olor acre y picante. Estos gases dañan el sistema respiratorio del cuerpo, cuando se inhala. Cuando se combina con vapor de agua, se puede formar ácido nítrico, que es muy dañino para la tráquea y los pulmones. Los óxidos de nitrógeno también son un factor que contribuye a la lluvia ácida.
Un número de diferentes hidrocarburos son emitidos por un motor y son combustible parcialmente quemado o sin quemar. Cuando se mezclan con la atmósfera, pueden contribuir a formar smog. También se cree que los hidrocarburos pueden ser cancerígenos.
Material particulado (PM), también llamado contaminación por partículas.
Este rubro comprende principalmente el plomo y el carbón. El plomo se agregaba tradicionalmente a la gasolina para reducir su velocidad de combustión y reducir la detonación. Es perjudicial para la salud y se cree que causa daño cerebral, especialmente en los niños. El plomo finalmente se eliminará gradualmente ya que todos los motores nuevos ahora funcionan con combustible sin plomo. Las partículas de hollín o carbón son un problema mayor en los vehículos que funcionan con diésel y ahora tienen límites establecidos por la legislación.
Evaporación de combustible y emisiones del cárter. Evaporación de combustible del tanque y del sistema.
La evaporación del combustible hace que se produzcan hidrocarburos. El efecto es mayor a medida que aumenta la temperatura. Un filtro de carbón activado es el método preferido para reducir este problema. El tanque de combustible generalmente funciona a una presión justo por debajo de la atmosférica mediante una conexión al colector de admisión, extrayendo el vapor a través del filtro de carbón activado. Sin embargo, esto debe ser controlado por el sistema de gestión , ya que incluso una concentración del 1 % de vapor de combustible cambiaría el valor lambda en un 20 %. abierto bajo otras condiciones. El sistema monitorea el efecto mediante el uso de la señal del sensor lambda.
Humos del cárter
Los hidrocarburos se concentran en el cárter principalmente debido a la presión que sopla a través de los anillos del pistón. Estos gases deben regresar al proceso de combustión. Esto generalmente sucede a través del sistema de admisión de aire. Esto se describe como ventilación positiva del cárter.
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Los fabricantes de automóviles descubrieron que los controles de motor tradicionales no podían controlar al motor lo suficiente para cumplir con estos límites de emisión y mantener un rendimiento adecuado del motor al mismo tiempo, por lo que recurrieron a los controles electrónicos.
Las regulaciones se aplican a una variedad de combustibles, que incluyen gasolina, diesel, gas natural y combustibles a base de alcohol que involucran mezclas de gasolina con metanol o etanol.
El uso de control electrónico digital ha permitido a los fabricantes de automóviles cumplir con las regulaciones gubernamentales al controlar el sistema con precisión y excelente tolerancia. Además, el sistema tiene estabilidad de calibración a largo plazo. Como ventaja añadida, este tipo de sistema es muy flexible. Debido a que utiliza microcomputadoras, se puede modificar a través de cambios de programación para cumplir con una variedad de combinaciones diferentes de vehículos y motores. Las cantidades críticas que describen un motor se pueden cambiar fácilmente cambiando los datos almacenados en la memoria de la computadora del sistema.
Para comprender el control electrónico del motor, es necesario comprender algunos fundamentos de cómo se controla la potencia producida por el motor. Cualquier conductor entiende intuitivamente que el acelerador regula directamente la potencia producida por el motor en cualquier condición de funcionamiento. Lo hace controlando el flujo de aire hacia el motor.
En esencia, el motor es una bomba de aire tal que a cualquier RPM, la tasa de flujo másico de aire en el motor varía directamente con la posición angular de la placa del acelerador.
A medida que el conductor presiona el pedal del acelerador, el ángulo del acelerador aumenta, lo que permite un mayor flujo de aire en el motor.
El papel del control de combustible es regular el combustible que se mezcla con el aire para que aumente en proporción al flujo de aire.
Consideramos a continuación un sistema de control electrónico del motor que regula el flujo de combustible al motor. Un sistema de control electrónico del motor es un conjunto de componentes electrónicos y electromecánicos que varía continuamente la configuración del combustible y la chispa para cumplir con las normas gubernamentales sobre emisiones de gases de escape y economía de combustible.
Un sistema de control de lazo cerrado requiere mediciones de ciertas variables que le indican al controlador el estado del sistema que se está controlando. El sistema de control electrónico del motor recibe señales eléctricas de entrada de varios sensores que miden el estado del motor. A partir de estas señales, el controlador genera señales eléctricas de salida a los actuadores que determinan la calibración del motor, es decir, la entrega correcta de combustible y la sincronización de la chispa.
Hay varias funciones automotrices que rodean el motor.
Un ejemplo es el sistema de medición de combustible para ajustar la mezcla de aire y combustible que fluye hacia el motor a través del colector de admisión. El control de chispa determina cuándo se enciende la mezcla de aire y combustible después de comprimirse en los cilindros del motor. La potencia se entrega en el eje de transmisión y los gases que resultan de la combustión fluyen fuera del sistema de escape. En el sistema de escape, hay una válvula para controlar la cantidad de gas de escape que se recircula a la entrada y un convertidor catalítico para controlar aún más las emisiones.
En una etapa de desarrollo, el control electrónico del motor consistía en subsistemas separados para control de combustible, control de chispas y recirculación de gases de escape.
El sistema de encendido que se ve en la figura se muestra como un sistema de control separado, aunque en la actualidad, el control del motor está evolucionando hacia un sistema digital integrado.
Módulo de control de transmisión TCM
El Módulo de control de la transmisión (TCM) controla las transmisiones automotrices modernas en función de la entrada de varios sensores, así como los datos proporcionados por el módulo de control del motor (ECM). Procesa esta entrada para calcular cómo y cuándo cambiar de marcha en la transmisión y genera las señales que impulsan los actuadores para lograr este cambio. El software del TCM está diseñado para optimizar el rendimiento del vehículo, la calidad de los cambios y la eficiencia del combustible. Esta unidad determina si la transmisión del vehículo necesita cambiar. Los vehículos con transmisión automática están equipados con un Módulo de Control de Transmisión.
Los sensores electrónicos monitorean la selección de la posición del cambio, la velocidad del vehículo, la posición del acelerador y otros parámetros. Con base en esta información, el módulo de control ajusta la corriente suministrada a los solenoides en la transmisión que controlan la posición de varias válvulas y engranajes.
A lo largo de los años, la funcionalidad de estos dispositivos también ha mejorado enormemente. Dicho dispositivo, no solo monitorea la entrada de la transmisión, sino que también proporciona información sobre el control de crucero, el acelerador y el control de tracción. Por lo tanto, puede disminuir el giro de las ruedas y la oscilación del engranaje. Las transmisiones automáticas e incluso las transmisiones manuales de doble embrague vienen con módulos TCM instalados, mientras que la caja de cambios manual tradicional no. Las transmisiones manuales tienen funciones eléctricas controladas por la ECU.
El interruptor selector de posición de marcha comunica al TCM qué marcha ha seleccionado el operador. El sensor de posición del cigüeñal proporciona información al TCM para determinar la velocidad de rotación existente del motor. Esta información ayuda al TCM a determinar cuándo cambiar de marcha. El sensor de posición del acelerador le dice al TCM cuánto está abierto el acelerador, lo que indirectamente indica la carga del motor. Esta entrada se utiliza para determinar el mejor momento para cambiar de marcha. El sensor de velocidad de la turbina determina la velocidad del convertidor de par. El TCM utiliza esta información para encontrar el deslizamiento en el convertidor de par, lo que le ayuda a decidir cuándo activar el embrague de bloqueo del convertidor de par. El embrague de traba del convertidor de par aumenta la eficiencia de la transmisión al eliminar las pérdidas hidráulicas y de bombeo asociadas con el convertidor de par cuando se viaja a altas velocidades constantes. El sensor de temperatura del fluido de la transmisión se usa para garantizar que el fluido de la transmisión automática esté a la temperatura correcta. Si el fluido de la transmisión automática está caliente, entonces la transmisión se reduce. El sensor de posición del pedal del freno ayuda a garantizar que el conductor haya aplicado el freno antes de cambiar a estacionamiento o reversa. El TCM también puede reducir la marcha de la transmisión si el vehículo va cuesta abajo para utilizar el frenado por compresión del motor. Las entradas del sistema de control de tracción le indican a la transmisión que reduzca la marcha cuando uno o más neumáticos pierden tracción.
Gracias a los controles de transmisión electrónicos, las transmisiones automáticas modernas son mucho más eficientes en combustible que sus predecesores puramente mecánicos/hidráulicos. También exhiben cambios más suaves, emisiones reducidas del motor, mayor confiabilidad y manejo mejorado del vehículo.
En algunos vehículos, las funciones del TCM y el ECM se combinan en un solo módulo llamado Módulo de control del tren motriz o PCM.
Aunque un PCM OEM (fabricación de equipos originales) de reemplazo puede parecer un conjunto único desde el exterior, la mayoría de ellos combinan una ECU y un TCM separados, cada uno de ellos tiene un procesador dedicado y una memoria de programación. Operan de forma independiente en todas las operaciones de la unidad, compartiendo datos en caso de que una determinada función espere que ambos sistemas funcionen en conjunto. También tiene un gran beneficio para los programadores, porque significa que pueden programar un sistema y dejar otro sin verse afectado.
Podemos concluir entonces que Reemplazar su PCM o ECM son los términos más comunes para la computadora del motor real. ECU es un término general que puede significar cualquier cosa impulsada por una computadora, ya que significa “Unidad de control electrónico”. En la industria de la electrónica automotriz, la unidad de control ECU se usa como un término genérico para cualquier sistema integrado que controle múltiples funciones eléctricas en un automóvil. Normalmente incluye:
- Módulo de control de la carrocería (BCM)
- Módulo de control de frenos (BCM o EBCM)
- Módulo de control central (CCM)
- Módulo de sincronización central (CTM)
- Unidad de control del motor / Módulo de control del motor (ECM y PCM)
- Módulo electrónico general (GEM)
- Módulo de control del tren motriz (PCM)
- Módulo de control de suspensión (SCM)
- Unidad de control de inyección de combustible (mezcla de combustible)
- Módulo de control de transmisión (TCM), etc.
- OEM (Unidad de equipo original) ECU (Unidad de control electrónico)
A veces, un conjunto consolida varios sistemas diferentes de esta lista de módulos. La mayoría de los coches modernos tienen hasta 80 unidades ECU diferentes .
El módulo de control del motor no es algo que deba tomarse a la ligera cuando se trata de su vehículo, y se busca repararlo o reemplazarlo lo antes posible. No olviden que cada marca de automóviles también identifica módulos de control con diferentes nombres, lo cual puede generar confusión; sin embargo para esto se hace importante la consulta continua de manuales de servicio de los fabricantes.
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