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Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, VII Edición 2018, No. 9 (14)
Artículo Cientíco / Scientic Paper
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 7 Vol. 1 / 2018 (14) ISSN 1390 - 7395 (9/14)
ESPE
MODIFICACIÓN DE LOS MAPAS TRIDIMENSIONALES DE INYECCIÓN DE
COMBUSTIBLE, AVANCE AL ENCENDIDO PARA AJUSTAR LA POTENCIA Y
TORQUE EN UN MCI.
MODIFICATION OF THREE-DIMENSIONAL FUEL INJECTION MAPS, FEED
FORWARD TO ADJUST POWER AND TORQUE IN AN MCI.
Stefania Amaya Sandoval
1
, Alex Villarreal Prado
2
, Alexandra Corral Díaz
3
1
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE – Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica, Quijano y Ordoñez y Marques de
Maenza s/n.
e – mail: smamaya@espe.edu.ec
1
, asvillarreal1@espe.edu.ec
2
, macorral@espe.edu.ec
3
RESUMEN
Los motores de combustión interna (MCI) modernos
son controlados por una unidad de control electrónica
(ECU), y el rendimiento de la potencia del motor se ve
afectado signicativamente por la selección tanto de
los parámetros de la ECU como de los componentes
del motor. Este artículo se presenta un nuevo método
de ajuste de rendimiento de la potencia y torque del
motor mediante el método de mapeo de inyección de
combustible y avance al encendido sin la necesidad
de realizar cambios mecánicos en el motor, y a la vez
permitiendo un ahorro de combustible. El método
de mapeo, es realizado mediante la modicación de
los mismos en tiempo real permitiendo el control de
la inyección y de avance de encendido, con el n de
aumentar los parámetros característicos del motor,
para lo cual se realiza pruebas experimentales como
el aumento - disminución de porcentaje de eciencia
volumétrica - grados de avance al encendido con el n
de obtener una conguración óptima del motor.
Palabras clave:
Avance al encendido, ECU programable, inyección
de combustible, mapeo, potencia, torque.
ABSTRACT
Modern internal combustion engines (MCI) are
controlled by an electronic control unit (ECU), and
the performance of the engine power is signicantly
affected by the selection of both the ECU parameters
and the engine components. This article presents
a new method of adjusting engine power and
torque performance by the method of mapping fuel
injection and advance to ignition without the need
for mechanical changes in the engine, while allowing
fuel savings . The mapping method is performed by
modifying them in real time allowing the control of the
injection and ignition advance, in order to increase the
parameters of the motor, for which experimental tests
such as increase - decrease of volumetric efciency
percentage - degrees of advance to ignition in order
to obtain optimum engine conguration.
Keywords:
Advance to ignition, programmable ECU, fuel
injection, mapping, power, torque.
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1. INTRODUCCIÓN
El rendimiento de la potencia del motor se ve afectado
de forma signicativa por el ajuste de los parámetros
de control en la ECU y la selección de las partes del
motor. El ajuste del rendimiento de la potencia del
motor requiere, por lo tanto, un ajuste o modicación
de los parámetros de la ECU y de componentes del
motor para obtener un rendimiento óptimo basado en
los requisitos. En la práctica, el ajuste del rendimiento
de potencia del motor del automóvil implica un
compromiso entre el par máximo del motor, el
consumo mínimo de combustible y las emisiones
reducidas. [1]
Los parámetros de la ECU, como el tiempo de
inyección de combustible, el tiempo de encendido, se
clasican en variables numéricas. Las partes de motor
se reeren a piezas opcionales o de rendimiento tales
como sistemas de admisión, sistemas de encendido,
sistemas de escape, árbol de levas y otros. Típicamente,
las piezas del motor son objetos complicados y no
ajustables, pero pueden ser sustituidos por otras
piezas de alto rendimiento, en este caso se omite
dichos cambios, debido a que se utilice el método de
mapeo para la optimización del motor sin cambios
mecánicos. [1]
Al existir muy poca investigación para la selección
de partes de motor, pero los estudios sobre la
conguración de parámetros de ECU (también
llamada calibración de ECU) están disponibles. Esta
situación existe porque todos los estudios anteriores
han asumido que las piezas del motor fueron elegidas
perfectamente por el fabricante. De hecho, la selección
de piezas es muy importante para el rendimiento de la
potencia del motor, sin embargo, es muy difícil llegar
a una conguración óptima. Por otra parte, no ha
habido discusión comprensiva de la integración de la
selección de la parte del motor con la calibración de la
ECU, aunque estos dos factores son muy importantes
en problemas de optimización de potencia del motor.
[1]
Tradicionalmente, la calibración de la ECU se ha venido
realizando empíricamente a través de un dinamómetro
porque el motor del automóvil es un sistema integrado
de sensores y procesamiento de señales, sistemas de
control termo uido, mecánico e informático. La
relación entre los parámetros de entrada y salida de
un motor automotriz controlado electrónicamente
forma una función no lineal multivariable compleja
que es muy difícil de determinar. Por lo tanto, en la
práctica actual, el ingeniero primero determina una
conguración del motor basada en la experiencia,
datos pasados y simples ecuaciones matemáticas,
y el motor se ejecuta entonces en un dinamómetro
para probar su rendimiento real. Si el rendimiento
del motor es pobre, el ingeniero ajusta los ajustes y
repite el procedimiento hasta que el rendimiento sea
satisfactorio.
2. MÉTODOS Y MATERIALES
En la gura 1, se presenta la implementación de
ECU programable con la cual se realizó el método de
mapeo mediante la conexión en red de computadoras
automotrices, permitiendo una comunicación entre la
ECU programable y el ordenador portátil mediante un
adaptador de cable serial RS232 permitiendo realizar
modicaciones de parámetros como inyección de
combustible y avance al encendido, para obtener
mejor rendimiento del motor en tiempo real.
Figura 1. Diagrama de conexión de ECU MegaSquirt
Avance al encendido
La posición del cigüeñal justo donde el contacto inicia
una chispa en la bujía. Siempre se hace referencia a la
posición del cigüeñal en grados. Dado que hay 360 °
en una revolución del cigüeñal, media revolución son
180°, el avance se especica como “antes del punto
muerto superior” (APMS). Esto es signica el número
de grados del cigüeñal donde salta chispa. El avance
de encendido es necesario porque el combustible y el
aire gastan unas milésimas de segundo para quemar.
[2]
Los valores típicos oscilan entre 5º APMS en vacío a
unos 35º con el acelerador totalmente abierto (WOT)
y, posiblemente, aún más en condiciones de crucero.
Hay un punto óptimo en el movimiento del pistón
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cuando los gases de combustión alcancen su pico de
presión (generalmente alrededor de 17° APMS), por
lo que se necesita iniciar la ignición adelantada para
obtener el máximo presión donde desee (en este caso
36°-17° = 19° APMS)”.
Figura 2. Presión en el cilindro [2]
El tiempo de avance es mínimo cuando el vehículos
se encuentra a régimen bajo, porque el pistón se
mueve lentamente, y el combustible tiene tiempo
para quemar cerca de PMS. A velocidades más altas,
debe ser adelantado. En algún momento (por lo
general cerca de 3000 rpm) la turbulencia asegura una
combustión rápida y no se necesita más avance. Los
detalles de cómo optimizar el avance del encendido
se ve afectado por diversos factores, podría llenar un
gran volumen, e incluyen temas relevantes como el
tamaño del válvula y la forma de cámara, lo agitado de
la mezcla, y una miríada de otras cosas. Si el pico de
presión llega demasiado pronto, el resultado puede ser
que la explosión se inama produciendo en fenómeno
llamado “detonación” y puede ser muy destructivo,
además la chispa y el combustible interactúan en
sintonía.
Figura 3. Velocidad de llama [2]
Además de ser programada correctamente, la chispa
se debe ser de suciente voltaje para saltar la distancia
entre electrodos, y tener la energía suciente para
mantener la chispa suciente como para iniciar la
combustión.
Optimización de combustible
Para ajustar la cantidad de combustible y corregir
la condición pobre, se incrementa el valor del
parámetro (ya sea en % o milisegundos).El parámetro
que se quiere aumentar pueden estar en la tabla
enriquecimiento de aceleración VE (Eciencia
Volumétrica), el enriquecimiento de calentamiento, o
el ancho de pulso de arranque, entre otros.
El parámetro que se modica dependiendo de las
condiciones bajo las que se encuentra el motor. Por
el contrario, si el motor posee una mezcla rica, se
disminuye el parámetro correspondiente.
Para obtener la máxima potencia, se desea una mezcla
más rica que estequiométrica. Esto se debe a que la
salida del motor esta principalmente limitado por la
cantidad de aire que entra en los cilindros.
Eso, a su vez, limita la cantidad de combustible que
puede quemar. Sin embargo, para asegurarse de que
todo el oxígeno se consume, se proporciona una
mezcla más rica que la estequiométrica.
Para un motor de aspiración natural, aquí se tiene un
ejemplo de tabla AFR:
Figura 4. Tabla AFR [2]
Típicamente, los motores de aspiración natural quieren
la mezcla ligeramente más rica en el par máximo que
en la potencia pico. Así que en acelerador a fondo
“WOT” a 100 kPa es ligeramente más no a bajas
rpm.
El área alrededor de 1100 a 2000 rpm y 45 a 75 kPa
es “crucero” (las bajas rpm es el resultado de una
velocidad de transmisión larga). Mezclas más nas
aquí ayudan a la economía de combustible, y evita la
carbonilla y residuos en escape.
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La zona comprendida entre 500 y 800 rpm está
por debajo de 85 kPa y por encima de 45 kPa está
inactivo. 13.5:1 da el menor MAP kPa, y por lo tanto
el más eciente de inactividad en este motor (aunque
este AFR no sería adecuado para un motor con control
de emisiones).
Se logra la calibración mediante el software dedicado
en este caso TunerStudio donde permite la variación
de los parámetros de control, brindando un mejor
desempeño del motor, en tiempo real.
Para lo cual es recomendable para la calibración de
ECU partir de datos bases del motor, con el cual se
podrá realizar modicaciones con variación de 30 %
de tolerancia con el n que el motor trabaje de forma
óptima sin fallas y sin realizar cambios mecánicos en
el mismo.
MegaSquirt es el hardware a emplear el que permite
el control de sensores en paralelo con la ECU estándar
del motor, lo que ayuda a un mayor control de cada
sensor y sin realizar modicaciones en el motor.
MegaSquirt I emplea un sensor de presión interna
de calibración de 250 KPa. Para las modicaciones
a realizar en los mapas tridimensionales es necesario
conocer la carga del motor, las revoluciones por
minuto, y sea el caso de porcentaje de inyección de
combustible o grados de avance.
En las modicaciones de mapas se posee términos
técnicos, para ello nos basaremos a la tabla 1 de
resumen de síntomas y acciones de ajuste. Será de
gran ayuda para un entendimiento de ajustes de mapas
tridimensionales.
Tabla 1. Síntomas y acciones de ajuste
AJUSTE COMBUSTIBLE CHISPA
Necesidad
de reducir
Muy rico: Muy avanzada:
Humo negro en
escape
Lenta respuesta del
acelerador
Potencia reducida
“Tiznado” negro
electrodos de bujía
Bajo consumo de
combustible
Combustible en el
aceite
Desgaste del motor
Detonaciones
Tarda en arrancar
Aumento de las
emisiones
En su punto Buena respuesta del
acelerador
Potencia máxima
Electrodos de la
bujía de color crema
Potencia máxima,
Sin detonación,
Buena economía de
combustible
Necesidad
de
aumentar
Muy pobre: Demasiado retraso:
“Tos” explosiones en
la admisión
Poca potencia
Electrodos de bujía
blancos
Posible detonación
Pistón quemado
(carga alta)
Sobrecalentamiento
Poca potencia
El escape se
enciende al rojo vivo
Mapa tridimensional de inyección de
combustible.
Al momento de realizar la reprogramación en la
ECU se encontró con una base de datos conocido
como archivo inicial, con el cual se realizó las
comparaciones de las próximas reprogramaciones,
con el n de determinar variantes de optimización.
Los valores representados en las cuadriculas son
representados en forma porcentual; es decir nos indica
la cantidad de combustible inyectado y es variado
según sea la necesidad. Se determinó en el mapa base
la inyección de combustible en la posición ralentí es
de 49 % de inyección de combustible; con respecto a
dicho valor se podrá realizar una variación de 30%,
con el n de no producir daños en el motor. El mapa
de inyección se encuentra determinado por el número
de revoluciones del motor (rpm), depresión del sensor
MAP (Kpa) y carga de combustible (%).
Figura 5. Mapa tridimensional de inyección de combustible
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Mapa tridimensional de avance de encendido.
Con respecto al mapa de encendido de igual manera
que el mapa de inyección, los datos bases son los que
permiten realizar comparaciones de desempeño. En el
mapa de avance de encendido se encuentra un ángulo
menos en revoluciones bajas debido a que el pistón se
mueve lentamente y el combustible puede asegurar su
quemado en el PMS, por ende entre mayor incremento
de rpm será mayor el ángulo de encendido; tomando
en cuenta que un avance de encendido puede tomar
valores desde 5° en ralentí hasta 35° con el acelerador
netamente abierto.
Figura 6. Mapa y tabla de avance de encendido
El mapa de encendido está determinado por el número
de revoluciones (rpm), el grado de encendido (°) y la
depresión que genera en el sensor MAP, se observó
que entre mayor se encuentre la depresión del sensor
MAP se necesitara menor ángulo de encendido.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Tabla 2. Comparación de mapas de inyección
Comparación de mapas tridimensionales de
inyección
Mapa de inyección primera reprogramación
Partiendo del mapa base, se visualiza que el motor
posee una inyección de combustible excesiva
indicado que existe una mezcla rica por lo cual
se genera humo negro y exceso de consumo de
combustible, por lo cual es recomendable disminuir,
con el n de cada parámetro del motor indique buen
desempeño, en el consumo de combustible se verica
el cambio mediante el panel de control donde existe
una reducción de 0,1 MPG.
Mapa de inyección segunda reprogramación
Observando la distribución de colores en el mapa de
inyección se visualiza una diferencia entre las zonas
de baja velocidad y alta velocidad, en el primer caso
se disminuyó 15% de inyección de combustible
generando un área mayor de valores mínimos de
inyección con respecto a la segunda reprogramación.
Al realizar la disminución de inyección de
combustible, de igual forma el motor no tiende a
llegar a altas revoluciones por minutos, en el caso de
la primera reprogramación existe menor desarrollo
del motor donde las RPM de mayor alcance es de
3800 rpm, las mismas que no permiten un desempeño
óptimo del motor debido a que con el mapa base la
velocidad máxima es de 5000 rpm.
Al momento de realizar los cambios se identica que
el motor tiende a poseer una desaceleración; por lo
cual es recomendable vericar el avance al encendido,
para que exista una combustión completa.
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Tabla 3. Comparación de mapas de Ignición.
Comparación de mapas tridimensionales de
ignición
Primera reprogramación
En la tabla 3, se visualiza un leve incremento del
avance al encendido debido a que el motor no posee
carga por lo tanto no es importante que el motor tienda
acelerar, sino que obtenga un ralentí suave de forma
estable, este cambio de parámetro también es idóneo
cuando se requiere realizar cambios de marcha por lo
que es factible realizar una disminución del avance.
Entre las primeras celdas existe el aumento en el
caso de 1° en la primera reprogramación y 2° en la
segunda, se realizó el aumento en la sección donde el
motor trabaja en ralentí para evitar que se apague, y
en velocidades mayores se mantiene el valor inicial
debido a que no posee carga el motor.
Las modicaciones realizadas indican un cambio
uniforme y suave del mapa permitiendo que el motor
tenga un buen desempeño, y no exista detonación en
la combustión.
Segunda reprogramación
En la primera reprogramación en las celdas
seleccionadas viene hacer ocupada por una inyección
mínima de combustible se realizó un adelanto en el
mapa de ignición para compensar la mezcla y que el
motor no produzca ineciencia.
En la segunda reprogramación se visualiza el área de
mejor desempeño del motor se ha incrementado para
compensar el cambio es necesario el incremento del
avance de encendido para que exista una combustión
completa de la mezcla.
Mediante las reprogramaciones, se puede concluir
que la más óptima del motor es la segunda debido a
que genera un ahorro de combustible, el motor posee
una óptima respuesta del acelerador la combustión no
genera detonación.
4. CONCLUSIONES
• Se propone un método de calibración de ECU
programables para la modicación de parámetros
de control y la optimización del motor permitiendo
incrementar la potencia y torque del motor. Para dicho
método es necesario la manipulación de los valores
de inyección de combustible y avance al encendido
para determinar la óptima reprogramación adecuado
del motor.
• El uso de las unidades de control electrónico posee
grandes versatilidades según el usuario lo necesite, en
el campo deportivo son empleadas por las facilidades
de modicación de los distintos parámetros de
control, mientras el motor se encuentra funcionando,
con el n de obtener un desempeño óptimo del motor,
permitiendo el ahorro de combustible y generando
mayor potencia y torque del motor, según la carga de
mismo.
• La segunda reprogramación es la idónea para el
motor, debido que existe una respuesta óptima del
acelerador, mejor desarrollo del motor con una
combustión limpia, el cual se redujo en un 25% la
inyección de combustible debido a la presencia de una
mezcla excesivamente rica en datos iniciales, lo cual
se observaba la presencia de humo negro el avance al
encendido se incrementó 2° obteniendo una potencia
máxima, bajo consumo de combustible; se realizó
dicha modicación relacionada con datos bases en
los cuales era notorio detonación en la combustión y
generaba emisiones de gases excesivos.
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ESPE. Investigación de la inuencia del uso
de software dedicado en la reprogramación en
red para el mapeo de le ECU programable en el
motor Peugeot 407
6. BIOGRAFÍA
2
Stefania Amaya Sandoval, nació
en Latacunga, Ecuador, es
Ingeniera Automotriz de la
Universidad de las Fuerzas
Armadas ESPE, presta
asesoramiento en Mecánica y
Electrónica del automóvil,
Docente en la Universidad de las
Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga.
3
Alex Villarreal Prado, nació en
Tulcán, Ecuador, es Ingeniero
Automotriz de la Universidad de
las Fuerzas Armadas ESPE, presta
asesoramiento en Mecánica y
Electrónica de automóviles,
Docente en la Universidad de las
Fuerzas Armadas ESPE Extensión
Latacunga.
3
Alexandra Corral Díaz, Ingeniera
en Sistemas, Magister en
Software, actualmente desenpeña
actividades de Docente tiempo
parcial en la Universidad de las
Fuerzas Armadas ESPE Extensión
Latacunga.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 17 septiembre 2018
Fecha aceptación
10 de noviembre 2018
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