COMPUTADORAS DEL AUTOMOTOR
ELECTRONICA E INFORMATICA EN INTERACCION
La unidad de control de motor o ECU (sigla en inglés de engine control unit) es una unidad de control electrónico que administra varios aspectos de la operación de combustión interna del motor. Las unidades de control de motor más simples sólo controlan la cantidad de combustible que es inyectado en cada cilindro en cada ciclo de motor. Las más avanzadas controlan el punto de ignición, el tiempo de apertura/cierre de las válvulas, el nivel de impulso mantenido por el turbocompresor, y control de otros periféricos.
Las unidades de control de motor determinan la cantidad de combustible, el punto de ignición y otros parámetros monitorizando el motor a través de sensores. Estos incluyen: sensor MAP, sensor de posición del acelerador, sensor de temperatura del aire, sensor de oxígeno y muchos otros. Frecuentemente esto se hace usando un control repetitivo (como un controlador PID).
Antes de que las unidades de control de motor fuesen implantadas, la cantidad de combustible por ciclo en un cilindro estaba determinada por un carburador o por una bomba de inyección.
FUNCIONES
Control de la inyección de combustible
Para un motor con inyección de combustible, una ECU determinará la cantidad de combustible que se inyecta basándose en un cierto número de parámetros. Si el acelerador está presionado a fondo, el ECU abrirá ciertas entradas que harán que la entrada de aire al motor sea mayor. La ECU inyectará más combustible según la cantidad de aire y la presión de la gasolina que esté pasando al motor. Si el motor no ha alcanzado la temperatura suficiente, la cantidad de combustible inyectado será mayor (haciendo que la mezcla sea más rica hasta que el motor esté caliente).
Control del tiempo de ignición
Un motor de ignición de chispa necesita para iniciar la combustión una chispa en la cámara de combustión. Una ECU puede ajustar el tiempo exacto de la chispa (llamado tiempo de ignición) para proveer una mejor potencia y un menor gasto de combustible. Si la ECU detecta un picado de bielas en el motor, y "analiza" que esto se debe a que el tiempo de ignición se está adelantando al momento de la compresión, ralentizará (retardará) el tiempo en el que se produce la chispa para prevenir la situación.
Una segunda, y más común causa que debe detectar este sistema es cuando el motor gira a muy bajas revoluciones para el trabajo que se le está pidiendo al coche. Este caso se resuelve impidiendo a los pistones moverse hasta que no se haya producido la chispa, evitando así que el momento de la combustión se produzca cuando los pistones ya han comenzado a expandir la cavidad.
Pero esto último sólo se aplica a vehículos con transmisión manual. La ECU en vehículos de transmisión automática simplemente se encargará de reducir el movimiento de la transmisión.
Control de la distribución de válvulas
Algunos motores poseen distribución de válvulas. En estos motores la ECU controla el tiempo en el ciclo de motor en el que las válvulas se deben abrir. Las válvulas se abren normalmente más tarde a mayores velocidades que a menores velocidades. Esto puede optimizar el flujo de aire que entra en el cilindro, incrementando la potencia evitando la mala combustión de combustible.
UNIDADES PROGRAMABLES
Una categoría especial de unidades de control de motor son aquellas que son programables. Estas unidades no tienen un comportamiento prefijado, y pueden ser reprogramadas por el usuario.
Las ECUs programables son requeridas en situaciones en las que las modificaciones después de la venta son importantes para el comportamiento final del motor. Entre estas situaciones se incluyen la instalación o cambio del turbocompresor, intercooler, tubo de escape, o cambio a otro tipo de combustible. Como consecuencia de estos cambios, la antigua ECU puede que no provea de un control apropiado con la nueva configuración. En estas situaciones, una ECU programable es la solución. Estas pueden ser programadas/mapeadas conectadas a un computadora portátil mediante un cable USB, mientras el motor está en marcha.
La unidad de control de motor programable debe controlar la cantidad de combustible a inyectar en cada cilindro. Esta cantidad varia dependiendo en las RPM del motor y en la posición del pedal de aceleración (o la presión del colector de aire). El controlador del motor puede ajustar esto mediante una hoja de cálculo dada por el portátil en la que se representan todas las intersecciones entre valores específicos de las RPM y de las distintas posiciones del pedal de aceleración. Con esta hoja de cálculo se puede determinar la cantidad de combustible que es necesario inyectar.
Modificando estos valores mientras se monitoriza el escape utilizando un sensor de oxígeno (o sonda lambda) se observa si el motor funciona de una forma más eficiente o no, de esta forma encuentra la cantidad óptima de combustible a inyectar en el motor para cada combinación de RPM y posición del acelerador. Este proceso es frecuentemente llevado a cabo por un dinamómetro, dándole al manejador del combustible un entorno controlado en el que trabajar.
Otros parámetros que son usualmente mapeados son:
Ignición: Define cuando la bujía debe disparar la chispa en el cilindro.
Límite de revoluciones: Define el máximo número de revoluciones por minuto que el motor puede alcanzar. Más allá de este límite se corta la entrada de combustible.
Correcta temperatura del agua: Permite la adicción de combustible extra cuando el motor está frío (estrangulador).
Alimentación de combustible temporal: Le dice a la ECU que es necesario un mayor aporte de combustible cuando el acelerador es presionado.
Modificador de baja presión en el combustible: Le dice a la ECU que aumente el tiempo en el que actúa la bujía para compensar una pérdida en la presión del combustible.
Sensor de oxígeno (sensor lambda): Permite que la ECU posea datos permanentes del escape y así modifique la entrada de combustible para conseguir una combustión ideal.
Sensor de temperatura en el motor: Al llegar a determinada temperatura, la ECU detiene el motor para evitar la deformación de sus partes interiores debido al punto de fundición de los metales que lo constituyen.
Algunas de las unidades de carreras más avanzadas incluyen funcionalidades como control de salida, limitación de la potencia del motor en la primera marcha para evitar la rotura de éste, etc.
Otros ejemplos de funciones avanzadas son:
Control de pérdidas: Configura el comportamiento del waste gate del turbo, controlando el boost.
Inyección Banked: Configura el comportamiento del doble de inyectores por cilindro, usado para conseguir una inyección de combustible más precisa y para atomizar en un alto rango de RPM.
Tiempo variable de levas: Le dice a la ECU como controlar las variables temporales en las levas de entrada y escape.
ECU de Carreras
Una ECU de carreras frecuentemente se equipa con un dispositivo de almacenamiento que graba los valores de todos los sensores para un posterior análisis usando un software especial en un ordenador. Esto puede ser muy útil para la puesta a punto del vehículo y se consigue con la observación de los datos buscando anomalías en los datos o comportamientos de las ECUs. El almacenamiento de estos dispositivos que graban los datos suele rondar entre los 0.5 y 16 megabytes.
Para conseguir la comunicación con el conductor, una ECU de carreras puede estar conectada a un "pila de datos", que es un pequeño guion de a bordo en el que el conductor puede ver las actuales RPM, velocidad y otros datos básicos del motor. Estas zonas de almacenamiento, son mayoritariamente digitales, y se comunican con la ECU utilizando uno de los muchos protocolos entre los que se encuentran RS232, CANbus.
ECU flashing
Muchos coches recientes (fabricados en 1996 o posteriores) usan Ecus OBD-II, que son capaces de cambiar su programación a través de un puerto OBD. Entusiastas del motor con coches modernos aprovechan las ventajas de esta tecnología modificando sus motores. En lugar de utilizar un nuevo sistema de control de motor, uno puede utilizar el software apropiado para ajustar la antigua ECU. Haciendo esto, es posible mantener todas las funciones y el cableado mientras se utilizan ciertos programas de modificación de parámetros. Esto no debe ser confundido con el chip tuning, en el que el propietario tiene una ECU ROM físicamente remplazada por una distinta - este caso no requiere modificación de hardware (normalmente), aunque un equipamiento especial si es necesario.
Los sistemas de control del motor de fábrica frecuentemente poseen las mismas funcionalidades que unidades que no vienen de serie creadas para carreras, como por ejemplo tiempo de inyección multidimensional, en función de las variables de entrada, y mapas de control de combustible. Generalmente no tienen la habilidad de controlar dispositivos extras auxiliares, como el control de distribución de válvulas si el coche de fábrica tenía una geometría fija en el árbol de levas o si el control de arranque no poseía turbocompresor.
HISTORIA
Diseño híbrido digital
El modelo híbrido digital fue popular en la mitad de los años 1980. Éste utilizaba técnicas analógicas para tomar medidas y procesaba los parámentros de entrada del motor, luego usaba una tabla almacenada en una memoria de solo lectura para obtener los valores de salida. Sistemas posteriores procesarían estas salidas dinámicamente. Este tipo de sistemas con memoria de solo lectura son fáciles de modificar si uno conoce bien el sistema. La desventaja de estos sistemas es que los valores preprocesados son sólo óptimos para un nuevo motor ideal. Este sistema no tiene la eficiencia de un sistema basado en una unidad central de procesamiento.
Los sistemas de control de motor sofisticados reciben entradas de otras fuentes, y controlan más partes del motor; como por ejemplo, los sistemas de control del tiempo de distribución de válvulas son controlados electrónicamente así como el funcionamiento del turbocompresor. Estos además se deben comunicar con las unidades de control de transmisión o directamente con la interfaz que controla la transmisión de forma automática, sistemas de control de tracción y más sistemas con funciones similares. El cable CAN (controller area network) es frecuentemente utilizado para conseguir la comunicación entre estos dispositivos.
Unidades modernas
ECUs modernas utilizan un microprocesador que puede procesar las entradas de los sensores del motor en tiempo real. Una unidad de control electrónico contiene el hardware y el software (firmware). El hardware consiste en un conjunto de componentes electrónicos que van sobre una placa (PCB). El principal componente de este circuito en tabla es un chip microcontrolador. El software está almacenado en el microcontrolador o en otros chips de la PCB, generalmente en memorias EPROM o en memorias flash; es por ello que la CPU puede ser reprogramada actualizando el software de estas o cambiando los circuitos integrados.
Las unidades de control de motor modernas a veces incluyen control de velocidad.
Otras aplicaciones
Algunos sistemas que se usan en algunos motores de combustión también pueden tener otras aplicaciones. Como por ejemplo en aeronáutica, en los sistemas conocidos como "FADEC" (full authority digital engine controls). Este tipo de control electrónico es menos común en aeroplanos de motor de pistones que en automóviles, debido al alto coste que requieren los certificados que permiten que estas piezas puedan ser usadas para la aviación, a esto se le añade una baja demanda, y la consecuente innovación tecnológica del mercado. Además, un motor de carburador con una ignición magnética y un sistema de alimentación de combustible basado en la gravedad no requiere ninguna potencia electrónica para funcionar, lo que es un bonus en el tema de seguridad.
OBD
OBD (On Board Diagnostics) es un sistema de diagnóstico a bordo en vehículos (coches y camiones). Actualmente se emplean los estándares OBD-II (Estados Unidos), EOBD (Europa) y JOBD (Japón) que aportan un monitoreo y control completo del motor y otros dispositivos del vehículo. Los vehículos pesados poseen una norma diferente, regulada por la SAE, conocida como J1939
Historia del OBD
Para reducir la contaminación del aire, la "California Air Resources Board" (CARB) determinó en 1988 que todos los automóviles a gasolina contaran con OBD (On Board Diagnostics), que controlara los límites máximos de emisiones y además un autocontrol, el On Board Diagnostics de componentes relevantes de las emisiones de gas a través de dispositivos de mando electrónicos. Para que el conductor detecte un mal funcionamiento del OBD se impuso la obligación de tener una lámpara que indique fallos (MIL - Malfunction Indicator Lamp).
Medidas más estrictas en los límites de emisiones en 1996 llevó a la creación del OBD II. En Europa se introdujo el OBD ajustándose al OBD-II americano. Desde 1996 el OBD II es un requisito legal para automóviles nuevos en Estados Unidos. Con base en esta regla americana se impuso en los noventa la inclusión de sistemas de diagnóstico también para los automóviles destinados al mercado europeo.
En Europa, según la Directiva 98/69EG, los automóviles a gasolina del año 2000 en adelante, los diésel de 2003 en adelante, y los camiones de 2005 en adelante tienen que estar provistos de un OBD. La interfaz estándar del OBD-II no solamente es utilizada por el fabricante para sus funciones avanzadas de diagnóstico sino también por aquellos que van más allá de lo que la ley exige.
La siguiente etapa planeada es el OBD-III, en el que los propios automóviles se comunican con las autoridades si se produce un empeoramiento de las emisiones de gases nocivos mientras está en marcha. Si esto sucede, se pedirá a través de una tarjeta indicativa, que se corrijan los defectos.
OBD I
OBD I fue la primera regulación de OBD que obligaba a los productores a instalar un sistema de monitorización de algunos de los componentes controladores de emisiones en automóviles. Obligatorios en todos los vehículos a partir de 1991, sin embargo fue creada esta tecnología en 1983 así como implementada en algunos vehículos americanos en 1987 y 1988, los sistemas de OBD I no eran tan efectivos porque solamente monitorizaban algunos de los componentes relacionados con las emisiones, y no eran calibrados para un nivel específico de emisiones.
OBD II
OBD II es la la segunda generación del sistema de diagnóstico a bordo, sucesor de OBD I. Alerta al conductor cuando el nivel de las emisiones es 1.5 mayor a las diseñadas. A diferencia de OBD I, OBD II detecta fallos eléctricos, químicos y mecánicos que pueden afectar al nivel de emisiones del vehículo. Por ejemplo, con OBD I, el conductor no se daría cuenta de un fallo químico del catalizador. Con OBD II, los dos sensores de oxígeno, uno antes y el otro después del catalizador, garantizan el buen estado químico del mismo.
El sistema verifica el estado de todos los sensores involucrados en las emisiones, como por ejemplo la inyección o la entrada de aire al motor. Cuando algo falla, el sistema se encarga automáticamente de informar al conductor encendiendo una luz indicadora de fallo (Malfunction Indication Lamp (MIL), también conocida como Check Engine o Service Engine Soon).
Para ofrecer la máxima información posible para el mecánico, guarda un registro del fallo y las condiciones en que ocurrió. Cada fallo tiene un código asignado. El mecánico puede leer los registros con un dispositivo que envía comandos al sistema OBD II llamados PID (Parameter ID).
Generalmente el conector OBD2 suele encontrarse en la zona de los pies del conductor, consola central o debajo del asiento del copiloto.
Actualmente se puede conectar con la máquina de diagnosis de diferentes maneras siendo las más usadas el wifi, bluetooth o usb dejando cada vez más atrás la antigua conexión rs232. Al permitir la conexión por estos sistemas se pueden usar equipos como ordenadores, móviles de alta gama e incluso tabletas como máquinas de diagnosis. En el caso de los móviles de alta gama (smartphone) es suficiente con comprar el lector obd e instalar la aplicación para usar el teléfono como una potente máquina de diagnosis. Es el caso por ejemplo de la aplicación del play store de Google TORQUE.
EOBD
EOBD es la abreviatura de European On Board Diagnostics (Diagnóstico de a Bordo Europeo), la variación europea de OBD II. Una de las diferencias es que no se monitorizan las evaporaciones del depósito de combustible. Sin embargo, EOBD es un sistema mucho más sofisticado que OBD II ya que usa "mapas" de las entradas a los sensores basados en las condiciones de operación del motor, y los componentes se adaptan al sistema calibrándose empíricamente. Esto significa que los repuestos necesitan ser de alta calidad y específicos para el vehículo y modelo.
JOBD
JOBD es una versión de OBD-II para los vehículos vendidos en Japón.
