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SENSORES ELECTRÓNICOS DEL VEHÍCULO

En aplicaciones de sistemas de control, los sensores y actuadores son en muchos casos los componentes críticos para determinar el rendimiento del sistema. Esto es especialmente cierto en las aplicaciones de sistemas de control automotriz. La disponibilidad de sensores y actuadores apropiados dicta el diseño del sistema de control y el tipo de función que puede realizar.

Los sensores y actuadores que están disponibles para un diseñador de sistemas de control no siempre son lo que el diseñador desea, porque el dispositivo ideal puede no estar comercialmente disponible a costos aceptables. Por esta razón, a menudo se diseñan procesadores de señales especiales o circuitos de interfaz para adaptarse a un sensor o actuador disponible, o el sistema de control se diseña de una manera específica para adaptarse a los sensores o actuadores disponibles. Sin embargo, debido al gran potencial de producción para sistemas de control automotriz, a menudo vale la pena desarrollar un sensor para una aplicación específica, incluso si eso requiere un proyecto de investigación largo y costoso.

Variables a Medir

El conjunto de variables que se miden para cualquier motor específico está determinado por la configuración del control del motor asociado. Vemos algunos de todos los sistemas de control de motor y las selecciones de sensores y actuadores relevantes para todos los modelos de automóviles. Presentamos ejemplos representativos de configuraciones prácticas de control digital:

El conjunto de variables que se miden en el control del motor incluye lo siguiente:

1. Tasa de flujo de aire masivo (MAF)

2. Concentración de oxígeno en los gases de escape (posiblemente calentado)

3. Posición angular de la placa del acelerador

4. Posición/angular del cigüeñal/RPM

5. Temperatura del refrigerante

6. Temperatura del aire de admisión

7. Presión absoluta del colector de admisión (MAP)

8. Presión diferencial de los gases de escape

9. Velocidad del vehículo

10. Posición del selector de marcha de la transmisión

Además de las mediciones de las variables mencionadas anteriormente, el control del motor también se basa en el estado del vehículo, que se monitorea mediante un conjunto de interruptores. Estos interruptores incluyen lo siguiente:

1. Embrague del aire acondicionado activado

2. Freno encendido/apagado

3. Acelerador completamente abierto

4. Acelerador completamente cerrado

SENSORES DE POSICIÓN DEL ACELERADOR (TPS)

La posición de la placa del acelerador, detectada por el sensor de posición del acelerador (TPS), regula directamente el flujo de aire hacia el motor, controlando así la potencia de salida. Un conjunto de inyectores de combustible (uno para cada cilindro) suministra la cantidad correcta de combustible a un cilindro correspondiente durante la carrera de admisión bajo el control del controlador electrónico del motor.

Un inyector de combustible es, uno de los actuadores importantes utilizados en aplicaciones electrónicas automotrices. El sistema de control de encendido dispara cada bujía en el momento adecuado bajo el control del controlador electrónico del motor.

Como en el caso de la temperatura del refrigerante o del aire de admisión, el sistema de gestión del motor o ECU debe conocer en qué posición se encuentra el acelerador para poder determinar la relación aire-combustible, las funciones de encendido y varias otras salidas de las cuales es responsable. El TPS es uno de los entradas que prácticamente todos los sistemas informáticos utilizan. El TPS utiliza el principio de división de voltaje en un circuito en serie como indicador de la posición del acelerador. A medida que la posición del acelerador cambia, el TPS variará la resistencia del circuito. Observa que nuevamente se aplica un voltaje de referencia al TPS (ver Figura 1).

Fig. 1 - A medida que se mueve el acelerador, un brazo limpiaparabrisas se desplaza para enviar la señal de voltaje a la PCM

También observa que existe un circuito a través del TPS hacia el circuito de tierra de la PCM. Siempre está fluyendo una cantidad muy pequeña de corriente a través del TPS. Debido a que es una resistencia, el voltaje caerá de 5 voltios a los 0 voltios de tierra. El terminal central se conecta a un limpiaparabrisas que tocará la resistencia del TPS en una posición que se relaciona con la posición del acelerador. Por ejemplo, si el acelerador está al 50 por ciento, el limpiaparabrisas tocará la resistencia en el medio. Si el voltaje cae de manera uniforme a lo largo de la resistencia, entonces el voltaje en el medio será de 2,5 voltios. Los 2,5 voltios son interpretados por la PCM como una posición del acelerador del 50 por ciento. El gráfico simplificado en la Figura 2 muestra que el ralentí retornará aproximadamente una señal de 0,5 voltios; un cuarto de aceleración será aproximadamente 1,25 voltios; medio acelerador será 2,5 voltios; y tres cuartos de acelerador serán 3,75 voltios. El acelerador a fondo (WOT), o 100 por ciento, será aproximadamente 4,5 voltios. Observa que en los dos extremos, ralentí y WOT, el voltaje varía entre 0,5 y 4,5 voltios.

El término "acelerador a fondo" se abrevia como "WOT", que significa "Wide-Open Throttle" en inglés. Se refiere al estado en el que el pedal del acelerador de un vehículo se ha presionado completamente hacia abajo, lo que permite que el motor reciba la máxima cantidad de aire y combustible posible para generar la máxima potencia y aceleración. Cuando se acelera a fondo, se abre completamente el acelerador y se permite que el motor funcione a su máxima capacidad.

Este estado se utiliza en situaciones en las que se necesita una rápida aceleración, como al adelantar a otro vehículo en la carretera o al querer obtener la máxima velocidad en una pista de carreras. Sin embargo, es importante tener en cuenta que conducir constantemente con el acelerador a fondo puede ser perjudicial para el motor y el consumo de combustible, por lo que generalmente se utiliza de manera intermitente y no como la forma habitual de conducir.

Tabla 1 : A medida que el ángulo del acelerador aumenta, el voltaje del TP aumenta.

La mayoría de los TPS operan según estos principios. Sin embargo, pueden operar en sentido contrario: alto voltaje en ralentí y bajo voltaje a fondo. También pueden operar con un voltaje de referencia diferente al de este ejemplo, pero en principio, serán similares. El diagnóstico de ellos se simplifica si entiendes lo que están haciendo. Ten en cuenta que existe una conexión mecánica entre el acelerador y el TPS. En un sistema de inyección central de combustible (TBI), el TPS está montado directamente en la unidad de inyección; en un sistema multipuerto (MFI), está montado en la unidad del cuerpo del acelerador (Ver Figura ). En ambos casos, a medida que se mueve el acelerador, también se mueve el brazo limpiaparabrisas del TPS. Los tres cables conectados a él son el voltaje de referencia, el voltaje de retorno y la tierra.

Figura 2 - El sensor de posición del acelerador se sujeta al conjunto del cuerpo del acelerador.

El sensor de posición del acelerador (TPS) monitorea cuán abierta está la válvula (o paleta) del acelerador, lo cual se determina por cuán presionado ha sido el pedal del acelerador. La posición del acelerador controla la cantidad de aire que fluye hacia el múltiple de admisión del motor; cuando está completamente abierto, entra más aire; cuando está casi cerrado, entra poco aire. La posición del acelerador y su velocidad de apertura o cierre se transmiten al módulo de control del motor, y esa información es uno de los factores que la computadora utiliza para decidir cuánto combustible se inyecta en el motor y la sincronización de la chispa. Por lo general, el TPS se monta en el cuerpo del acelerador (la carcasa que contiene la válvula del acelerador). Cuando un TPS falla, puede activar una luz de advertencia de "revisar motor" o hacer que el motor funcione de manera irregular, haga explosiones, dure, o se detenga porque el módulo de control del motor no sabe cuál es la posición del acelerador y no puede ajustar correctamente la mezcla de combustible o la sincronización de la chispa.

SENSOR DE CAUDAL DE AIRE (MAF)

Un sensor de flujo de aire masivo, también conocido como medidor de aire o sensor de flujo de masa de aire, desempeña un papel fundamental en su vehículo. Específicamente, mide la cantidad de aire (flujo de aire masivo) que ingresa al motor de combustión interna.

Basándose en estas entradas en tiempo real, la unidad de control del motor estima la cantidad de masa de combustible necesaria para mantener el equilibrio entre el aire y el combustible.

Además, tenga en cuenta que la densidad del aire cambia con la temperatura, la presión, la humedad, etc. Ahí es donde, una vez más, los sensores MAF ayudan. Cuando se trata de medir la cantidad de aire de admisión en cada cilindro, son más precisos que los sensores de flujo volumétrico.

TIPOS DE SENSORES MAF

El correcto funcionamiento de un motor controlado electrónicamente, operando con emisiones de escape reguladas por el gobierno, requiere una medición de la tasa de flujo de masa de aire (Rm) hacia el motor. La mayoría de los automóviles producidos desde principios de la década de 1990 utilizan un sensor de tasa de flujo de aire masivo (MAF) relativamente simple y económico. Normalmente se monta como parte del conjunto del filtro de aire, donde mide el flujo de aire hacia el colector de admisión. Es un sensor de unidad única robustamente empaquetado que incluye procesamiento de señal electrónico de estado sólido. En funcionamiento, el sensor MAF genera una señal continua que varía casi linealmente con el verdadero flujo de masa de aire Rm.

Los medidores de flujo de aire de paleta son un tipo más antiguo de sensor de flujo de aire. Se dividen aún más en sensores de voltaje de señal VAF y sensores de flujo de aire de vórtice de Karman. Estos últimos tienen un diseño más moderno y utilizan un espejo móvil y un fototransistor para medir el flujo de aire.

El sensor MAF es una variante de un sensor clásico de flujo de aire conocido como anemómetro de hilo caliente y que se utilizaba, por ejemplo, para medir la velocidad del viento en pronósticos meteorológicos. En el MAF, el elemento de hilo caliente o sensor se reemplaza por una estructura de película caliente montada en un sustrato. En el lado de entrada de aire se monta un enderezador de flujo en forma de panal que "alisaría" el flujo de aire (causando un flujo de aire nominalmente laminar sobre el elemento de película). En la parte inferior de la estructura se encuentra la circuitería de procesamiento de señal.

El elemento de película se calienta eléctricamente a una temperatura constante superior a la del aire de entrada. La temperatura del aire de entrada se detecta utilizando un sensor de temperatura de estado sólido (explicado más adelante en este capítulo). El elemento de película caliente se incorpora en un circuito de puente de Wheatstone (Figura 3). La fuente de alimentación para el circuito del puente proviene de un amplificador.

Los sensores MAF de flujo de aire por hilo caliente son sensores MAF avanzados y son más comunes. Consisten en un termistor, un hilo caliente de platino y un circuito de control electrónico. El termistor es un sensor de temperatura que mide la temperatura del aire. Un circuito de control electrónico mantiene un hilo caliente de platino a una temperatura constante. Cuando el aire entra en contacto con el hilo calentado, se enfría. Cuando cambia la diferencia de temperatura entre los dos hilos, el sensor MAF ajusta automáticamente la corriente al hilo caliente.

También existen sensores MAF de flujo de aire por hilo frío que funcionan de manera similar a sus contrapartes de hilo caliente. Sin embargo, tienen una resistencia fría adicional que les permite medir la temperatura ambiente.

Fig. 3 - El elemento de película caliente se incorpora en un circuito de puente de Wheatstone

El puente de Wheatstone consta de tres resistencias fijas: R1, R2 y R3, y un elemento de película caliente con resistencia RHW. Sin flujo de aire, las resistencias R1, R2 y R3 se eligen de manera que los voltajes va y vb sean iguales (es decir, el puente está equilibrado). A medida que el aire fluye sobre la película caliente, el calor es arrastrado por el aire en movimiento. La cantidad de calor llevado lejos varía en proporción a la tasa de flujo de masa de aire.

Fig. 4- Curva de calibración

El calor perdido por la película hacia el aire tiende a hacer variar la resistencia de la película, desequilibrando así el circuito del puente y produciendo una señal de entrada para el amplificador. La salida del amplificador está conectada al circuito del puente y proporciona la potencia para este circuito. La tensión amplificada cambia la resistencia de tal manera que se mantiene una temperatura constante en la película caliente en relación con la temperatura de entrada.

Resumiendo, la mayoría de los vehículos tienen un sensor MAF de hilo caliente. Este sensor tiene un alambre calentado y un alambre de temperatura ambiente. El microprocesador dentro del sensor MAF mide el aire que ingresa al motor manteniendo la temperatura del alambre caliente 93ºC por encima de la temperatura ambiente del aire entrante. La energía requerida para mantener el sensor a la misma temperatura se calcula y se envía al módulo de control del tren motriz (PCM, por sus siglas en inglés). Luego, el PCM controla los inyectores para suministrar la cantidad específica de combustible que es proporcional al flujo de aire, creando una mezcla aire-combustible que, idealmente, es perfecta para su motor.

Fig. 5 - Sensores de caudal de aire

La tensión de salida del amplificador vc varía con la MAF y sirve como medida de Rm. Típicamente, la conversión de MAF a voltaje es ligeramente no lineal, como se indica en la curva de calibración representada en la Figura 4. Afortunadamente, un moderno controlador de motor digital puede convertir directamente la salida analógica del puente en flujo de masa de aire mediante un cálculo simple. Es ventajoso convertir las tensiones analógicas de los sensores a un formato digital dentro de la electrónica de estado sólido asociada con el sensor. Esta conversión es conveniente ya que elimina la necesidad de un convertidor analógico a digital, que puede ser relativamente costoso .

Un esquema para convertir la tensión de salida analógica en una señal digital utiliza un dispositivo conocido como convertidor de voltaje a frecuencia (v/f). Este circuito es un oscilador de frecuencia variable cuya frecuencia f es proporcional a la tensión de entrada (en este caso, la tensión de salida del amplificador).

La tensión de salida de frecuencia variable (vf) se aplica a través de una compuerta electrónica, que es básicamente un interruptor operado eléctricamente. La circuitería de control (también parte de la electrónica de estado sólido del sensor) cierra repetidamente el interruptor durante un intervalo fijo t. Luego lo abre por otro intervalo fijo. Durante el primer intervalo, la señal de frecuencia variable del circuito v/f se conecta al contador binario (BC) . El BC cuenta (en binario) a la frecuencia instantánea del v/f, que es proporcional a la tensión de salida del amplificador vf, que a su vez varía con la tasa de flujo de masa de aire.

Durante cada ciclo de la compuerta electrónica, el BC contiene un número binario dado por el producto de la frecuencia v/f y el intervalo de tiempo. Por ejemplo, si la tasa de flujo de masa de aire fuera tal que la frecuencia v/f fuera de 1.000 ciclos/seg y la compuerta estuviera cerrada durante 0,1 seg, entonces el BC contendría el equivalente binario de decimal 100 (es decir, 1.000 x 0,1 = 100). Si la tasa de flujo de masa de aire aumentara de tal manera que la frecuencia v/f fuera de 1.500 ciclos/seg, entonces el conteo del BC sería el equivalente binario de 150. En términos matemáticos, el conteo B del BC se da por el equivalente binario de

B = ft donde

• B = conteo del BC
• f = frecuencia de v/f
• t = duración de cierre de la compuerta electrónica

Después de que el controlador del motor lee el conteo, el BC se reinicia a cero para estar listo para la próxima muestra. En la operación real, se hacen mediciones repetidas de la frecuencia f bajo el control del módulo de control de motor digital .

Esta conversión de voltaje a frecuencia es ventajosa en aplicaciones de control de motor digital porque la frecuencia se puede convertir fácilmente a formato digital sin necesidad de un convertidor analógico a digital.

Medición de la concentración de oxígeno en los gases de escape (posiblemente calentado)

El sensor de oxígeno, también conocido como sonda lambda, es un instrumento para gestionar las emisiones de escape de motores de gasolina, diesel y gas. Es un sensor de concentración de oxígeno que mide el contenido residual de oxígeno de los gases de escape y luego transmite una señal al sistema de gestión del motor en forma de voltaje eléctrico. El voltaje del sensor de oxígeno permite que la unidad de control detecte si la mezcla es demasiado pobre o rica. La unidad de control reduce la cantidad de combustible en la relación aire/combustible si es demasiado rica, y la aumenta si es demasiado pobre.

También puede haber un segundo sensor de oxígeno, el sensor de diagnóstico (antes de llegar al convertidor catalítico). Este sensor detecta si el sensor de control (antes del convertidor catalítico) está funcionando de manera óptima. Luego, la unidad de control puede calcular cómo compensar esto.

Hoy en día existen básicamente dos tipos diferentes de sensores:

Sensor binario

Hoy en día existen básicamente dos tipos diferentes de sensores: el binario y el sensor de banda ancha. Cuando está a temperatura de funcionamiento (a partir de 350 °C), el sensor binario genera un cambio en el voltaje eléctrico en función del nivel de oxígeno en los gases de escape. Compara el contenido residual de oxígeno en los gases de escape con el nivel de oxígeno del aire ambiente e identifica la transición de una mezcla rica (falta de aire) a una mezcla pobre (exceso de aire) y viceversa.

Sensor de banda ancha.

Este sensor de oxígeno aire combustible, fue desarrollado para ofrecer un sensor con una señal de salida linear para los vehículos que cumplen la norma EURO 3.  El sensor de banda ancha es extremadamente preciso al medir una relación aire/combustible tanto rica como pobre. Tiene un rango de medición más amplio y también es adecuado para su uso en motores diésel y de gas.

Hoy en día, se utilizan sensores de oxígeno calentados para asegurar que los sensores de oxígeno alcancen la temperatura de funcionamiento más rápidamente y, por lo tanto, puedan intervenir antes en el proceso de control de emisiones. Los Sensores de oxígeno de los gases de escape de motor HEGO (Heated Exhaust Gas Oxygen) calentados ya no necesitan instalarse tan cerca del motor.

Los cada vez más estrictos requisitos de emisiones de escape para automóviles en la década de 1990 obligaron a los fabricantes de automóviles a reducir el tiempo desde el arranque del motor hasta el punto en el que el sensor EGO alcanza la temperatura de funcionamiento. Este requisito ha llevado al desarrollo del sensor de oxígeno calentado por gases de escape (HEGO). Este sensor se calienta eléctricamente desde el arranque hasta que produce una señal de salida de suficiente magnitud para ser útil en el control en lazo cerrado. El sensor HEGO incluye una sección de material resistivo. Se aplica energía eléctrica desde la batería del automóvil al inicio, lo que calienta rápidamente el sensor a temperaturas utilizables. Este calentamiento potencialmente acorta el intervalo de tiempo hasta que es posible la operación en bucle cerrado, reduciendo así al mínimo el tiempo durante el calentamiento en el que la relación aire/combustible se desvía de la estequiometría y, en consecuencia, reduce las indeseables emisiones de gases de escape.

Una sonda lambda, también conocida como sensor de oxígeno se encuentra ubicado en el sistema de escape del vehículo, su posición exacta justo antes del catalizador. En algunos modelos de coche, es habitual la colocación de una doble sonda que se sitúa detrás del catalizador.

SENSOR DE OXÍGENO LAMBDA DEFECTUOSO: SÍNTOMAS

Un sensor de oxígeno lambda defectuoso puede causar los siguientes síntomas:

• Alto consumo de combustible
• Mala rendimiento del motor
• Altas emisiones de escape
• Se enciende la lámpara indicadora del motor
• Se almacena un código de error

EFECTOS DE UN SENSOR DE OXÍGENO LAMBDA DEFECTUOSO: CAUSAS DE FALLA

Existen varias razones por las cuales puede producirse una falla:

• Circuitos internos y externos en cortocircuito
• Falta de tierra / suministro de voltaje
• Sobrecalentamiento
• Depósitos / contaminación
• Daño mecánico
• Uso de combustible con plomo / aditivos