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UIS / UPS

Indice del curso

 

Unidad de control

Mediante la tecnología digital moderna se abren múltiples posibilidades en cuanto al control del automóvil. Hay muchas factores de medición influyentes que se pueden reunir para controlarlos a todos de modo simultáneo. La unidad de control recibe las señales de los sensores y transmisores, las evalúa y calcula las señales de activación para los elementos actuadores. El programa de control esta almacenado en la memoria. De la ejecución del programa se encarga un microcontrolador.
Las unidades de control están sometidas a altas exigencias, como son:


Unidad de control de un sistema EDC

 

Estructura
La unidad de control se encuentra dentro de una carcasa metálica. Los sensores, los actuadores y la alimentación de corriente. Están conectados a la unidad de control a través de un conector multipolar. Los componentes de potencia para la activación directa de los actuadores están integrados en la carcasa de la unidad de control, de tal forma que se garantiza una buena disipación térmica hacia la carcasa. En caso de montaje de la unidad de control, adosada al motor el calor de la carcasa se puede disipar a través de una placa integrada de refrigeración, colocada sobre la unidad de control. (refrigeración de la unidad de control solo en vehículos industriales).
Una mayoría de componentes electrónicos están ejecutados en técnica SMD (Surface Mounted Devices, componentes montados en superficie). Solo hay unos pocos componentes de potencia que están cableados así como los enchufes. Esto permite una construcción muy idónea para ahorrar espacio y peso.

 

Procesamiento de datos

Señales de entrada
Los sensores, junto a los actuadores, constituyen los intermediarios entre el vehículo y la unidad de control. Las señales eléctricas de los sensores son conducidas la unidad de control a través del mazo de cables y conectores. Estas señales pueden tener diferentes formas:

- Señales de entrada analógicas:
Estas señales pueden adoptar cualquier valor de tensión dentro de una gama determinada. Ejemplos de magnitudes físicas disponibles como valores de medición analógicas son la masa de aire aspirada, la tensión de la batería, la presión en el tubo de admisión y de sobrealimentación, la temperatura del agua refrigerante y del aire de admisión. Son transformadas por un convertidor/analógico (A/D) en el microcontrolador de la unidad de control, convirtiendolas en valores digitales, con los que puede operar el microprocesador. La resolución de la señal depende de la cantidad de escalones (muestreo de la señal del sensor) al efectuarse la conversión.

- Señales de entrada digitales:
Estas señales tienen solamente dos estados: "Hight" y "Low" o lo que es lo mismo "1" y "0" como los computadores. Ejemplos de señales de entrada digitales son las de conmutación (conexión/desconexión) o señales de sensores digitales como impulsos de revoluciones de un sensor Hall. Pueden ser procesadas directamente por el microcontolador.

- Señales de entrada pulsatorias:
Estas señales procedentes de sensores inductivos con informaciones sobre el numero de revoluciones del motor y la marca de referencia (PMS), son preparadas en una parte propia del circuito de la unidad de control. A su vez se suprimen impulsos parasitos, y las señales pulsatorias son transformadas en señales digitales rectangulares.

Preparación de señales
Las señales de entrada se limitan, con circuitos de protección, a niveles de tensión admisibles. La señal útil se libera ampliamente de señales perturbadoras superpuestas, mediante la filtración, y se adapta en su caso por amplificación a la tensión de entrada admisible de la unidad de control.
Según el nivel de integración, la preparación de señales puede realizarse parcial o totalmente en el sensor.

Procesamiento de señales
La unidad de control de la central de mando para el desarrollo de las funciones. En el microcontrolador se ejecutan los algoritmos de mando y regulación. Las señales de entrada puestas a disposición por los sensores, transmisores e intermediarios hacia otros sistemas, sirven de magnitudes de entrada. En el procesador se vuelven a someter a un examen de plausibilidad (señales que están dentro de los márgenes posibles). Las señales salida se calculan con la ayuda de un programa y de las curvas y campos característicos. Un cuarzo hace de reloj y lleva el control de cadencia del microcontrolador.

- Memoria de programa:
El microcontrolador necesita de un programa (software) que este almacenado en una memoria de valor fijo (no volátil) como las memorias ROM o EPROM.
Adicionalmente existen en esta memoria datos específicos (datos individuales, curvas características y campos característicos). Se trata, en este caso, de datos invariables que no pueden ser modificados durante el servicio del vehículo.
El gran numero de variantes de los vehículos que requieren unos conjuntos de datos variadisimos exigen la reducción de los tipos de unidades de control que necesitan los fabricantes de vehículos. Para ello es posible programar, al final de la producción del vehículo, el área de memoria completa del Flash-EPROM (FEPROM) con el programa y el conjunto de datos especifico de la variante (EOL: Programation End Of Line). Otra posibilidad consiste en almacenar en la memoria mas de una variante de datos (por ejemplo: variantes de cada país), que pueden ser seleccionadas a través de la programación al final de la cadena.

- Memoria de datos:
Una memoria de escritura/lectura (RAM) es necesaria para almacenar datos variables, como por ejemplo. valores de calculo y valores de señal. Para se funcionamiento la memoria RAM necesita un abastecimiento continuo de corriente. Al desconectar la unidad de control por el interruptor de encendido, esta memoria pierde todos los datos almacenados (memoria volátil). Los valores de adaptación (valores aprendidos sobre estados del motor y de servicio) tienen que determinarse de nuevo en este caso al conectar otra vez la unidad de control.
Los datos que no se deben perder (por ejemplo: códigos para el inmovilizador y datos de la memoria de averías) se tienen que almacenar de forma duradera en una EEPROM. Los datos almacenados en este acumulador no se pierden, ni siquiera al desenbornarse la batería.

ASIC (circuitos integrados específicos para su uso)
Debido a la complejidad cada vez mayor de las funciones de la unidad de control, ya no basta la capacidad de calculo del microprocesador. El remedio lo proporcionan los componentes ASIC (Aplication Apecific Integrated Circuit). Estos IC (Integrated circuit, circuito integrado) se diseñan y fabrican segun las pautas del fabricante de la unidad de control. Contienen por ejemplo: una RAM adicional, entradas y salidas, y son capaces de generar y emitir señales MID.

- Módulo de supervisión:
La unidad de control dispone de un modulo de supervisión que esta integrado en el ASIC. El microcontrolador y el módulo de supervisión se supervisan recíprocamente, Al reconocerse una avería pueden interrumpir ambos la inyección independientemente entre si.

Señales de salida
Con estas señales el microcontrolador controla unas etapas finales que normalmente suministran suficiente potencia para la conexión directa de los elementos actuadores o acciona reles. Las etapas finales están protegidas contra cortocircuitos a masa o a tensión de batería, así como contra la destrucción debida a sobrecarga eléctrica. Esta averías, asi como cables interrumpidos o averías de sensores, son reconocidas por los controladores de etapas finales y son retransmitidas al microcontrolador

- Señales de conmutación:
Por medio de estas señales es posible conectar y desconectar los elementos actuadores (como ejemplo: el ventilador de refrigeración del motor)

- Señales MID:
Las señales de salida digitales se pueden emitir también como señales MID (Modulación por Impulsos en Duración). Esta señales tienen forma rectangular con frecuencia constante pero tiempo de conexión variable. Mediante estas señales es posible activar las electroválvulas neumáticas (como ejemplo: electroválvula de control de recirculación de gases de escape EGR, electroválvula de control de presión del turbo).

Comunicación interna en la unidad de control
Los componentes periféricos que apoyan al microcontrolador en su trabajo se tienen que comunicar con este. Esto tiene lugar a través del bus de direcciones/datos. El microcontrolador emite por ejemplo: las dirección RAM, a través del bus de direcciones, cuyo contenido memorizado requiere ser leído. A través del bus de datos serán transmitidos seguidamente los datos correspondientes a la dirección. Los antiguos desarrollos aplicados a los vehículos motorizados se conformaban con una estructura de bus de 8 bits. Esto significaba que el bus de datos esta compuesto por 8 conductores, a través de los cuales se pueden transmitir 256 valores. Con el bus de direcciones de 16 bits que es el usual en estos sistemas de pueden transmitir 65536 direcciones. Los sistemas complejos de hoy en dia requieren 16 o incluso 32 bits para el bus de datos. Para economizar patillas en los componentes, es posible multiplexar el bus de datos y direcciones, o sea que la dirección y los datos se transmiten de forma desfasada, utilizandose los mismos conductores.

Diagnóstico integrado
Con la ayuda del diagnóstico integrado, se comprueba en la supervisión de sensores si estos son abastecidos suficientemente y si su señal esta dentro de los márgenes admisibles (como ejemplo: temperatura del motor entre -40 y +150ºC). Las señales importantes se ejecutan 2 hasta 3 veces (redundancia del sistema) siempre que sea posible, es decir, existe la posibilidad de conmutar a otra señal similar o de efectuar una selección de 2 entre 3 en caso de avería.

- Reconocimiento de averías:
El reconocimiento de averías es posible dentro del margen de supervisión de un sensor. En caso de funciones con circuito regulador cerrado (como ejemplo: supervisión de presión) se puede diagnosticar adicionalmente la desviación con respecto a cierto margen de regulación.
Una ruta de señal se considera defectuosa si esta presente una avería durante un tiempo definido previamente. La avería se almacena entonces en la memoria de averías de la unidad de control, junto con las condiciones ambientales correspondientes en las que ha aparecido (como ejemplo: temperatura del liquido refrigerante, numero de revoluciones, etc.).

- Tratamiento de averías:
Al detectar una señal fuera de los márgenes normales de funcionamiento de un sensor se sustituye esta señal por otra de emergencia. Este procedimiento se aplica en las siguientes señales de entrada:
- Tensión de batería.
- Temperatura del liquido refrigerante del aire, y del aceite.
- Presión de sobrealimentación.
- Presión atmosférica y caudal de aire.
En caso de funciones importantes para la marcha se cuenta con reacciones sustitutivas que permiten proseguir por ejemplo: al taller mas cercano para arreglar la avería. En caso de un fallo de un potenciometro de pedal de acelerador se podrá contar por ejemplo: con el valor del segundo potenciómetro si el mismo suministra valores posibles, o el motor marchara con un régimen fijo y bajo.

 

Funcionamiento del sistema EDC
La unidad de control evalúa señales de los sensores externos y las limita al nivel de tensión admisible.
El microprocesador calcula a partir de estos datos de entrada y según y según campos característicos almacenados en memoria, los tiempos (duraciones) de inyección y momentos de inyección, y transforma estos tiempos en desarrollos temporales de señal que están adaptados al movimiento del motor. Debido a la precisión requerida y alto dinamismo del motor, es necesario una gran capacidad de calculo.
Con las señales de salida se activan las etapas finales que suministran suficiente potencia para todos los elementos actuadores (como ejemplo: electroválvulas). Además se activan también actuadores para las funciones de motor (como ejemplo: actuador -electroválvula- de retroalimentación de gases de escape, actuador de presión de sobrealimentación) y otras funciones auxiliares (como ejemplo: relé de incandescencia, acondicionador de aire). Las etapas finales están protegidas contra cortocircuitos y destrucción debido a sobrecargas eléctricas. El microprocesador recibe retroalimentación sobre anomalías de este tipo así como sobre cables interrumpidos.
Las funciones de diagnostico de las etapas finales para las electroválvulas reconocen también desarrollos deficientes de señal. Adicionalmente se retransmiten algunas señales de salida, a través de las interfaces, a otros sistemas del vehículo. En el marco de un concepto de seguridad, la unidad de control supervisa también el sistema de inyección completo

Regulación de los estados de servicio
Para que el motor funcione en cualquier estado de servicio con una combustión optima, en la unidad de control se calcula el caudal de inyección adecuado en cada uno de los casos siguientes:

- Caudal de arranque:
Al arrancar se calcula el caudal de inyección en función de la temperatura del liquido refrigerante y del régimen. El caudal de arranque se establece desde la conexión del interruptor de marcha, hasta que se alcance un régimen de revoluciones mínimo. El conductor no tiene ninguna influencia sobre el caudal de arranque.

- Servicio de marcha:
El servicio de marcha normal, se calcula el caudal de inyección en función de la posición del pedal del acelerador (sensor del pedal) y del numero de revoluciones. Esto se realiza mediante el campo característico del comportamiento de marcha. Quedan adaptados así de la mejor forma posible el deseo del conductor y la potencia del vehículo.

- Regulación de ralentí:
Al ralentí del motor, son principalmente el grado de rendimiento y el régimen de ralentí los que determinan el consumo de combustible.
Una gran parte del consumo de combustible de los vehículos motorizados en el denso trafico rodado, recae sobre este estado de servicio. Por este motivo es ventajoso un régimen se ralentí lo mas bajo posible. Sin embargo, el ralentí debe estar ajustado de tal forma que su giro no baje demasiado en cualquier circunstancia de funcionamiento (como ejemplo: puesta en marcha del aire acondicionado) y provoque la parada del motor.
Para el ajuste del régimen teórico del ralentí, el regulador de ralentí varia el caudal de inyección hasta que el régimen real medido sea igual que el régimen teórico preestablecido. El régimen teórico y la característico de regulación son influidos aquí por la marcha conectada (automóviles con cambio automático) y por la temperatura del motor (sensor de temperatura del liquido refrigerante).
Además de los pares de carga externos están los pares de fricción internos (rozamientos) que deben ser compensados por la regulación de ralentí. Estos pares (de fuerza) varían ligeramente a lo largo de la vida útil del motor y ademas dependen en gran medida de la temperatura.

 

- Regulación de la suavidad de marcha:
Debido a las tolerancias mecánicas y las alteraciones durante el periodo de marcha, no todos los cilindros del motor generan el mismo par motor. Esto tiene como consecuencia un funcionamiento no suave del motor, especialmente al ralentí. El regulador de la suavidad de marcha determina las variaciones del régimen después de cada combustión y las compara entre sí.
El caudal de inyección para cada cilindro se ajusta entonces en función de las diferencias de revoluciones, de tal forma que en lo posible todos los cilindros contribuyan por igual a la generación del par motor.

- Regulación de la velocidad de marcha:
Este regulador se ocupa de la circulación a una velocidad constante. El regulador ajusta la velocidad del vehículo a un valor deseado. Este valor puede ajustarse mediante una palanca de operación en el cuadro de instrumentos.
El caudal de inyección se eleva o se reduce continuamente hasta que la velocidad real corresponde a la velocidad teórica ajustada, Si, estando conectado el regulador, el conductor pisa el pedal del embrague o de freno, se desconecta el proceso de regulación. Accionando el pedal del acelerador es posible acelerar superando la velocidad teórica momentánea. Al soltar de nuevo el pedal del acelerador, el regulador ajusta de nuevo la ultima velocidad teórica vigente. Igualmente es posible cuando el regulador esta desconectado ajustar de nuevo la ultima velocidad teórica seleccionada con la ayuda de la posición de recuperación de la palanca de operación.
También es posible modificar escalonadamente la velocidad teórica mediante la palanca de operación.

- Regulación del caudal de referencia:
No siempre debe inyectarse el caudal de combustible deseado por el conductor o físicamente posible.
Esto puede tener las siguientes razones:
- Emisiones excesivas de contaminantes.
- Expulsión excesiva de hollín.
- Sobrecarga mecánica debido a un par motor excesivo o un exceso de revoluciones.
- Sobrecarga térmica debido a temperatura excesiva del liquido refrigerante, del aceite o del turbocompresor.
El caudal de limitación se forma a partir de distintas magnitudes de entrada, por ejemplo: masa de aire aspirada, numero de revoluciones y temperatura del liquido refrigerante.

- Amortiguación activa de tirones:
Al accionar o soltar el pedal del acelerador repentinamente se da una velocidad de variación muy grande del caudal de inyección y, por tanto, también del par motor. El alojamiento elástico del motor y la cadena cinemática originan por este cambio de carga abrupto oscilaciones en forma de tirones que se manifiestan como una fluctuación del régimen del motor.
La opción del amortiguador activo de tirones reduce estas oscilaciones periódicas del régimen, variando el caudal de inyección con el mismo periodo de oscilación: al aumentar el numero de revoluciones, se inyecta menos caudal; al disminuir el numero de revoluciones se inyecta mas caudal. El movimiento de tirones queda así fuertemente amortiguado.

- Corrector de altitud:
Con la ayuda del sensor de presión atmosférica la unidad de control puede registrar la presión atmosférica. Esta presión ejerce influencia en la regulación de la presión de sobrealimentación y la limitación del par motor. Con ello es posible reducir, cuando esta a mayor altitud, el caudal de inyección, disminuyendo la emisión de humos.

- Desconexión de cilindro:
Si se desea un par motor reducido a altos regímenes de revoluciones del motor, se tiene que inyectar muy poco combustible. Una posibilidad adicional es la llamada desconexión de cilindro. En este caso se desconecta la mitad de los inyectores (UIS, UPS, CR: Common Rail) y se utilizan los inyectores restantes con un caudal correspondientemente mayor. Este caudal se puede inyectar con una precisión mas alta.
Mediante unos algoritmos de software especiales se pueden conseguir transiciones suaves, o sea sin cambios de par motor, al conectarse o desconectarse los cilindros.

- Parada del motor:
El principio de trabajo de "autoencendido" tiene como consecuencia que el motor Diesel solo pueda pararse interrumpiendo la llegada de combustible a los cilindros.
En el caso de regulación electrónica Diesel, el motor se para mediante la orden de la unidad de control "caudal de inyección cero" (no se activan las electroválvulas). Adicionalmente hay una serie de rutas de paradas adicionales (redundantes).

Intercambio de informaciones
La comunicación entre la unidad de control del motor y las demás unidades de control se produce a través del CANBus (Controller Area Network). Para ello se transmiten los valores teóricos, estados de servicio en informaciones de estado, necesarios para el servicio y para la supervisión de averías.

 

Activación de las electroválvulas UI/UP

La activación de las electroválvulas plantea exigencias especiales a las etapas finales. Esta debe realizarse con flancos de corriente muy pronunciados, para conseguir una tolerancia reducida y una elevada capacidad de reproducción del caudal de inyección. La activación se realiza con la ayuda de una regulación de corriente; esta divide la activación en una fase de corriente de excitación y otra de corriente de retención. Entre estas dos fases se activa brevemente con tensión constante para la detección del momento de cierre de la electroválvula. La regulación debe funcionar con tal precisión que la bomba de inyección o el inyector funcionen en cada margen de servicio inyectando de nuevo de forma reproducible. Ademas tiene que reducir la potencia de perdida en la unidad de control y en la electroválvula, se efectúa una "cancelación rápida" de la energía almacenada en la electroválvula mediante la aplicación de una tensión en bornes elevada.

La división en las diversas fases de activación es calculada por el microcontrolador. Un componente lógico (Gate array) con una elevada capacidad de calculo que asiste al microcontrolador materializa esta exigencia en tiempo real generando dos señales digitales de activación (señal MODE y ON). Estas señales de activación, a su vez, incitan las etapas finales a que generen la secuencia de corriente de activación necesaria.


- Regulación del comienzo de alimentación:
El comienzo de alimentación también llamado BIP (Begin of Inyection Period), esta definido como el momento en el cual se cierra la electroválvula. A partir de este momento comienza el aumento de presión dentro de la cámara de alta presión de la bomba. Después de haberse rebasado la presión de apertura de la aguja del inyector, se abre el inyector y empieza el proceso de inyección (comienzo de inyección). La dosificación del combustible tiene lugar entre el comienzo de alimentación y el final de activación de la electroválvula, y se denomina "duración de la alimentación".
El comienzo de alimentación o comienzo de inyección influye esencialmente sobre la potencia, el consumo de combustible, los ruidos y el comportamiento de los gases de escape. Su valor teórico esta almacenado en campos característicos en la unidad de control, en función del numero de revolucione del motor y del caudal de inyección. Ademas todavía puede realizarse una corrección en función de la temperatura del liquido refrigerante.
Debido a las tolerancias de fabricación y las alteraciones de las electroválvulas durante el periodo de marcha pueden aparecer pequeñas diferencias en los tiempos de conmutación de las electroválvulas dentro del motor, lo que se traduce en diferencias de comienzo de alimentación entre las bombas individuales.
Para el cumplimiento de las legislaciones sobre los gases de escape y para que se alcance una suavidad de marcha elevada es necesario que se compensen estas diferencias mediante unas estrategia de regulación.
A causa de la relación directa, antes mencionada, entre el comienzo de la alimentación y el de inyección basta, para una regulación exacta del comienzo de inyección, conocer el momento de comienzo de alimentación.
Para poder prescindir de sensores adicionales (por ejemplo: sensor de movimiento de aguja) se detecta el comienzo de inyección mediante una evaluación electrónica de la corriente electromagnética. Dentro del margen del momento esperado de cierre de la electroválvula se realiza la activación con tensión constante. Unos efectos inductivos que se producen al cerrarse la electroválvula le imprimen una característica peculiar a la corriente de válvula electromagnética. Esta es leída y evaluada por la unidad de control. La discrepancia del momento de cierre con respecto al valor teórico esperado se almacena en la memoria para cada una de las electroválvulas y se emplea para la secuencia de inyección siguiente como valor de compensación.

 


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