Presentacion del trabajo de diseño, construcción y validación de una ECU para un motor de combustión interna CORSA 16NE de 1.6L del Laboratorio de Ingeniería Mecánica Automotriz de la Universidad del Azuay.

1. Desarrollo de la ecu para un motor de
combustión interna a gasolina
Jorge Luis Ramón.
Tutor: Dr. Julian Echeverry.
Maestría en Sistemas Vehiculares
Octubre 2017 1

2. Agenda
• Introducción.
• Objetivos.
• Metodología y Materiales.
• Resultados.
• Conclusiones.
• Referencias.
2

3. Introducción
3

4. • Investigación en mejorar el
control del motor.
• Impulsado por mandatos
regulatorios de:
• Seguridad.
• Economía.
• Emisiones. Fuente: https://www.sprl.upv.es/msmecanico1.htm
4

5. Fuente: Auto Diagnosis, Service, and Repair
Fuente: http://www.eng.ox.ac.uk/engines/research/direct-
injection-spark-ignition-disi-engine-research
6

6. Motivación
Fuente: http://megasquirt.info/products/ms-complete/ms3/ Fuente: http://www.haltech.com/universal-ecu-kits-elite-550/
Fuente: http://www.fiestastforum.com/forum/threads/3764-
Fiesta-ST-ECU-Type
7

7. Estado del Arte
• En [22] se simula un diseño de la ECU usando Simulink de MATLAB.
• En [18] se desarrolla una ECU utilizando la arquitectura de tareas y probando su
funcionamiento en un microcontrolador Arduino MEGA.
• En [11] se desarrolla una ECU para la formula SAE en un motor Ford 2L usando un
microcontrolador Freescale 68HC12 de 8 bits usando la GUI Visual C++.
• En [12] se desarrolla una ECU para un motor diésel mediante el microcontrolador MPC564
de 32 bits.
• En [23] se desarrolla una ECU que realiza la corrección del algoritmo de inyección por
medio de mapas cartográficos en tiempo real para la puesta en punto de un auto de
carreras a gasolina.
• En [16] se construyen un modelo de motor GT-POWER y calculan el tiempo de inyección
por medio de herramientas de prototipado rápido mediante la PC.
• En [6] analizan las características y los circuitos de interfaz de los sensores de entrada con
la ECU, implementado en el DSP TMS320LF2407 de 16 bits en un motor a Diesel. 8

8. Objetivo General.
• Desarrollar el diseño, construcción y validación de una unidad de
control electrónico del motor (ECU) para un motor Corsa 1.6 L de la
marca Chevrolet.
Objetivos Específicos.
• Caracterizar los sensores del motor Corsa 1.6L.
• Sincronización de los algoritmos de inyección e ignición con la
velocidad del motor y el tiempo (admisión, compresión, explosión y
escape) que se encuentra el motor.
• Diseño e Implementación de los algoritmos de inyección e ignición
de una ECU en un microcontrolador MPC5634 de la compañía NXP.
• Probar el funcionamiento en condiciones de arranque, ralentí,
aceleración y desaceleración. 9

9. Metodología y
Materiales.
10

10. Caracterización
de Sensores.
Programación. Implementación.
• CKP
• MAP
• TPS
• ECT
• IAT
• Algoritmo de
control
principal.
• Algoritmo de
sincronización.
• Algoritmo de
Inyección.
• Algoritmo de
Ignición.
• TRK-MPC5634
• Motor Corsa
1.6L
Desarrollo
11

11. Caracterización de las variables del control del
motor.
Fuente: El Autor 13

12. Modulo de Entrada de Sensores
Fuente: El Autor
Sensor de velocidad del motor
15

13. Señal de sensores de corriente continua.
Sensor de Posición de la Mariposa (TPS)
Posición Voltaje
10% 0.5 V
10-80% 0.5 a 3.5 V
80-100% 3.5 a 4.8 V
Fuente: El Autor
16

14. Sensor de presión del múltiple de admisión(MAP).
Vacío Voltaje
0 inHg 3.5 V
10 inHg 1.7 V
20 inHg 0.5 V
Fuente: El Autor
17

15. Señales de variación de la resistencia.
Sensor de temperatura del refrigerante del motor (ECT)
Temperatura Voltaje
20 ⁰C 3 a 2 V
Superior a 50 ⁰C 1 a 0.2 V
Fuente: El Autor
18

16. Sensor de temperatura de temperatura del aire de admisión
(IAT)
Temperatura Voltaje
23 ⁰C 1.8 V
60 ⁰C 0.5 V
Fuente: El Autor
19

17. Circuitos de Acondicionamiento de Sensores
MAP-TPS
IAT-ECT
Fuente: El Autor
CKP
20

18. Modulo de procesamiento.
Fuente: IC Insights. (2017). NXP Acquires Freescale, Becomes
Top MCU Supplier in 2016. Arizona USA.
31%
37%
19%
13%
Aplicaciones en el Automovil
RENESAS
NXP
STMicroelectronics
Infineon
21

19. Microcontrolador TRK-MPC5634M
Característica
Plataforma Core e200z3
Frecuencia 60, 80 MHz
Memoria Flash 1.5 MB
CAN 2 canales
EQADC 34 canales
ETPU 32 canales
EMIOS 16 canales
Voltaje de Operación 5 V
Precio $11.72
Fuente: MPC5634M Microcontroller Datasheet.
22

20. Hardware del Control del Motor.
Fuente: El Autor
24

21. • Algoritmo de control principal.
• Algoritmo de sincronización.
• Algoritmo de inyección e ignición.
Algoritmos de control del motor.
26

22. Fuente: El Autor 27

23. Algoritmo de Control principal
Iniciar el
Microcontrolador
Esperar
Interrupción
Calculo de tiempo
de inyección e
ignición
Sincronización
Leer Valor del
ECT
Corrección del
tiempo de inyección
al arranque
28

24. Algoritmo de Sincronización
29

25. 30

26. Algoritmo de Inyección e Ignición.
Tiempo de igniciónTiempo de inyección
Tiempo de espera = Tw
Tiempo de inyección = Tiny
Tiempo de avance de inyección = Taviny
Tiempo de espera = Tw
Tiempo de carga = Tc
Tiempo de avance = Tav
31

27. Calculo periodo de
revolución del motor
(Trpm)
Trpm>=
500
r/min
Calculo tiny y tav. Tablas
de búsqueda
Calculo tiny y tav para el
arranque
SINO
T2rpm>
Tav+ Tc +
Tmil
Calculo periodo de
revolución del motor/2
(T2rpm)
Tw=T2rpm-Tav-TcTw=Trpm - Tav-Tc
SINO
Algoritmo de Ignición
32

28. Taviny +Tiny
+ Tmil>T2rpm
Tw=T2rpm-Taviny-Tiny Tw=Trpm - Taviny-Tiny
Algoritmo de Inyección
NO SI
Configuración de los
puertos EMIOS
33

29. Estrategias de control del motor.
Cálculo del modo de puesta en
marcha.
• <500 rpm.
• Tiempo de inyección base de 18
ms a 10°C.
• Carga de la bobina 4ms.
• Corrección por temperatura del
motor.
Temperatura [ °C] Tiempo de Inyección [%]
18 100
30 90
35 80
40 70
45 60
50 50
60 40
70 30
80 20
85 15
90 10
100 5
34

30. 35
Cálculo del modo ralenti.
• 850 rpm aproximado.
• Tiempo de inyección base de 16
ms .
• Carga de la bobina 4ms.
• Angulo del avance de encendido
30 ATDC
• Corrección por temperatura del
motor.
Temperatura [ °C] Tiempo de Inyección [%]
<30 40
30-60 35
>60 30

31. 36
Cálculo del modo
aceleración/desaceleración
• Tiempo de inyección base
según tabla de búsqueda.
• Carga de la bobina 4ms.
Posición de la mariposa
[%]
Tiempo de Inyección [%]
0 50
10 55
20 60
30 65
40 70
50 75
60 80
70 85
80 90
100 100

32. Cálculo básico del ancho de pulso y avance de
encendido: tablas de búsqueda
Fuente: Mapas Cartográficos Corsa 1.6 a 90° C. Megasquirt
37

33. Resultados.
38

34. Fuente: El Autor
Inyección del primer
cilindro
Sincronización señal de
ignición 1 y 4.
39

35. Comparación entre Apertura
del TPS, Rpm y tiempo de
inyección.
ADC del sensor TPS y tiempo de
inyección.
Fuente: El Autor
41

36. Videos de Funcionamiento
42

37. Conclusiones
43

38. • Mediante los algoritmos de ignición e inyección se controla la puesta
en marcha del motor y la velocidad del motor de un modo suave y
estable dentro de los rangos de funcionamiento en ralenti.
• La caracterización de los sensores permite al microcontrolador poder
tomar diferentes estrategias de control del motor para diferentes
estados que se encuentre arranque, ralentí, aceleración y
desaceleración.
• En la programación del microcontrolar, con la ayuda de tablas de
búsqueda disminuye la carga de procesamiento del microcontrolador.
• El desarrollo de la ECU proporciona una plataforma eficiente para la
investigación y el desarrollo de nuevas estrategias de control del
motor buscando optimizar el comportamiento del mismo, lo que no
es posible con una ECU programable.
44

39. Trabajo Futuro.
• Desarrollo de estrategias de control con retroalimentación del sensor
de golpeteo y el sensor de oxígeno, que es muy importante para el
control del rendimiento y las emisiones contaminantes del motor.
• Un uso futuro de esta ECU seria implementar una comunicación
mediante la interfaz gráfica del software LabView® de las señales de
los sensores y salida de actuadores del motor mediante CAN.
• Implementar el algoritmo de diagnostico.
• Optimizar las tablas de búsqueda para el motor de prueba.
45

40. Referencias
46

41. [1] M. B. Barron and W. F. Powers, “The Role of Electronic Controls for Future Automotive Mechatronic Systems,” IEEE/ASME Trans. MECHATRONICS, vol. vol.1, no. n.1, p. p.80-88, 1996
[2] L. Glielmo, F. Vasca, and C. Rossi, “Architecture for Electronic Control Unit Tasks in Automotive Engine Control,” Symp. Comput. Control Syst. Des., pp. 42–47, 2000.
[3] D. Kościelnik, “Algorithms of real-time correction of the fuel map and the ignition map of a race combustion engine with spark ignition,” 2010 IEEE Int. Symp. Ind. Electron. Bari, pp. 62–67,
2010.
[4] T. Fu-qiang, M. You-liang, and Y. Yun-bing, “The input signal simulation system design of the engine ECU dynamic detector,” Third Int. Conf. Instrumentation, Meas. Comput. Commun.
Control., 2013.
[5] R. Dees, L. Gao, M. Garrard, K. Leiss, and H. Qian, “MPC563xM Engine Control Unit Reference Design,” no. August, 2011.
[6] Freescale Semiconductor, “MPC5634M Microcontroller Reference Manual.” 2015.
[7] Freescale Semiconductor, “KIT33810EKEVME Evaluation Board User ’ s Guide.” 2010.
[8] L. M. A. Echeverry J M, Contreras D E, Vásquez V, “Diseño, Construcción y Validación de una ECU para un Motor de Combustion Interna a Gasolina” in 12o CONGRESO IBEROAMERICANO DE
INGENIERÍA MECÁNICA, 2015, p. 9.
[9] F. Lee and J. Wang, “Fuel Injection Motorcycle Engine Model Development,” Int. Conf. Networking, Sens. Control, pp. 1259–1264, 2004.
[10] L. Romo and Á. Rodríguez, “Optimización del funcionamiento de un motor de combustion interna por medio de la modificacion de parámetros de la ECU basado en modelos matematicos,”
Universidad del Azuay, 2016.
[11] M. Farrugia, M. Farrugia, and B. Sangeorzan, “ECU Development for a Formula SAE Engine” SAE, 2005.
[12] J. Zeng and L. Zhang, “Development of 32-bit Universal Electronic Control Unit UECU32 for Automotive Application,” 2006.
[13] B. Ashok, S. D. Ashok, and C. R. Kumar, “A review on control system architecture of a SI engine management system,” Annu. Rev. Control, pp. 1–25, 2016.
[14] V. Chaumerliac, “Control-Oriented Spark engine model,” Control Eng. Pract., vol. 2, no. 3, pp. 381–387, 1994.
[15] G. G. Zhu, I. Haskara, and J. Winkelman, “Closed-Loop Ignition Timing Control for SI Engines Using Ionization Current Feedback,” IEEE, vol. 15, no. 3, pp. 416–427, 2007.
[16] C. Wei, M. Chen, and Y. Jiang, “Electronic Control Fuel Injection System Based on GT-POWER and MotoTron,” Procedia Eng., vol. 174, pp. 773–779, 2017.
[17] M. Ajudia, M. Kolte, and P. Sarkar, “Validation Process and Development of Control Strategy of Electronic Control Unit for Injector and Ignition coil,” Int. J. Sci. Res. Publ., vol. 4, no. 5, pp.4–
8, 2014.
[18] L. S. Mendonça, D. D. Luceiro, M. E. S. Martins, and F. E. Bisogno, “Development of an Engine Control Unit : Implementation of the Architecture of Tasks,” IEEE, pp. 1142–1146, 2017.
[19] I. Hitica, D. Marin, L. Mihon, E. Resiga, and D. Iorga, “Parameters Control of a Spark Ignition Engine through Programmable ECU for Specific Regimes,” IEEE, pp. 1–6, 2013.
[20] M. Puškár, P. Bigoš, M. Kelemen, R. Tonhajzer, and M. Šima, “Measuring method for feedback provision during development of fuel map in hexadecimal format for high-speed racing
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[21] J. Zareei and A. H. Kakaee, “Study and the effects of ignition timing on gasoline engine performance and emissions,” Eur. Transp. Res. Rev., vol. 5, pp. 109–116, 2013.
[22] E. Gutiérrez, J. Alvarez, and S. Arab, “Development of the management strategies of the ECU for an internal combustion engine Computer simulation,” Mech. Syst. Signal Process., vol. 22,
pp. 1356–1373, 2008.
[23] K. Gyung, A. Jungl, C. Tae, and C. Sang, “‘Sensors implementing characteristics of input in the simulator of Common Rail Engine ECU,’” pp. 265–268, 2006..
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