Unidad 4 Sensores PDF - Sistemas de motores diésel

Tema 4. Sensores y Actuadores Sistemas auxiliares del motor diésel Introducción UCE Sensores Actuadores Introducción La unidad de gestión motor (UCE) recoge las diferentes informaciones captadas por los distintos sensores implantados en el vehículo....

Tema 4. Sensores y Actuadores Sistemas auxiliares del motor diésel Introducción UCE Sensores Actuadores Introducción La unidad de gestión motor (UCE) recoge las diferentes informaciones captadas por los distintos sensores implantados en el vehículo. Una vez analizada las informaciones recibidas, determina la activación de los diferentes actuadores repartidos por el sistema, consiguiendo un preciso funcionamiento del motor. La UCE determina, de acuerdo con una cartografía programada, la distribución del combustible, así como el momento de la inyección y la cantidad de combustible a inyectar, interviniendo, sobre el tiempo de inyección y la presión del circuito. Sensores Los sensores son elementos colocados en diferentes lugares del vehículo o del motor con la misión de detectar y medir parámetros físicos de funcionamiento o de las condiciones de marcha (régimen, temperatura, posición de algún elemento, etc.). Los transforma en señales eléctricas (tensión, resistencia, etc.) para después enviarlas a una unidad de control electrónica (UCE) para su evaluación. Estas informaciones son esenciales para que la UCE pueda detectar el estado de servicio momentáneo del motor y gestionar de forma precisa las funciones que tiene encomendadas, las cuales han aumentado constantemente en los últimos años, haciéndose más variadas y por tanto también, la cantidad de sensores necesarios para su control. Los sensores se montan tanto en motores de gasolina como diésel. Nos vamos a centrar en los sensores de los motores diésel. 1. SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR “Régimen del motor” es la velocidad de rotación del cigüeñal en función del tiempo, (se expresada en RPM). La información instantánea del régimen del motor y la posición del pistón número 1 son informaciones básicas para el sistema de inyección.  Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR En sistemas más antiguos se utilizaban 2 sensores: uno para medir el régimen y otro para detectar la posición del pistón número 1. Actualmente se utiliza un solo sensor para obtener ambas informaciones Para obtener estas informaciones se utilizan sensores que miden el movimiento relativo que existe entre dos piezas. Una fija donde se coloca el sensor y otra móvil montada sobre el cigüeñal. (Carcasa o envolvente de embrague y volante motor) (carcasa de reten de aceite cigüeñal y rueda dentada) Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR  Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR Inductivos Tipos de sensores de RPM y PMS Tanto los sensores inductivos como los de efecto hall son capaces de medir de efecto Hall velocidades así como localizar un punto de un determinado elemento que esté en movimiento.  Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR 1.1. Sensores de RPM Y PMS Inductivos Los sensores inductivos más utilizados están formados por un rotor unido al cigüeñal con gran cantidad de dientes en su contorno que son explorados por el sensor siendo este capaz de detectar la velocidad instantánea. Son eléctricamente pasivos (no requieren de alimentación) basan su funcionamiento en el principio de inducción magnética (variaciones del campo magnético, inducen una corriente eléctrica alterna en una bobina sometida a su influencia.  Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR Constitución sensores de RPM Y PMS Inductivos Formados por un imán permanente sobre el que se monta un devanado o bobina de hilo de cobre. El conjunto se recubre con una carcasa metálica o de plástico que incorpora la sujeción al soporte mediante tornillos. Del sensor salen 2 cables (extremos de la bobina) para enviar la señal eléctrica hasta la UCE. Para que la señal sea efectiva el entrehierro debe de estar entre 0,8 y 1,5 mm.  Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR Funcionamiento sensores de RPM Y PMS Inductivos El paso de un diente por delante del sensor concentra el flujo magnético del campo que por inducción, aumenta de intensidad y alcanza un valor mayor (tensión positiva). Cuando el diente se aleja se produce otra variación de flujo en sentido contrario (se induce en la bobina una corriente negativa).  Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR sensores de RPM Y PMS Inductivos Señal emitida Para que la UCE pueda evaluar la señal, el voltaje debe estar entre 30mV (20-30 rpm) hasta 100 v. que se alcanzarían cuando el motor gira a altas revoluciones.  Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR sensores de RPM Y PMS Inductivos Los sensores inductivos están siendo sustituidos por otros más modernos basados en el efecto Hall. Estos se denominan sensores inteligentes o activos siendo más caros que los inductivos pera más precisos en sus mediciones.  Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR 1.2. Sensores de RPM Y PMS de efecto Hall Son sensores que llevan integrado el circuito electrónico de amplificación y tratamiento de las señales que se generan en ellos. Pequeño tamaño y reducido peso por lo que se pueden montar integrados en el reten de aceite del cigüeñal.  Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR 1.2. Sensores de RPM Y PMS de efecto Hall Tipos de Con rotor dentado pasivo sensores de efecto Hall Con rotor magnético activo  Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR 1.2. Sensores de RPM Y PMS de efecto Hall Con rotor dentado pasivo: Formado por elemento Hall adosado a un imán permanente. Dispone de 3 conexiones (positivo 5v, masa y señal). Se monta mirando a una corona de dientes de un rotor pasivo (rotor con dientes de metal).  Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR 1.2. Sensores de RPM Y PMS de efecto Hall Con rotor magnético activo: Sensor igual que el anterior. Corona de dientes magnéticamente activa (corona cuenta con gran cantidad de pequeños imanes permanentes que alternan su polaridad). La ventaja de estos sensores es que detectan también el sentido de giro.  Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR Funcionamiento 1.2. Sensores de RPM Y PMS de efecto Hall El efecto Hall se produce cuando se ejerce un campo magnético transversal sobre un cable por el que circulan cargas. Como la fuerza magnética ejercida sobre ellas es perpendicular al campo magnético y a su velocidad las cargas son impulsadas hacia un lado del conductor y se genera en él un voltaje transversal o voltaje Hall Animación efecto Hall Continuación SENSOR RÉGIMEN DEL MOTOR 1.2. Sensores de RPM Y PMS de efecto Hall 2. SENSOR DE POSICIÓN DEL ARBOL DE LEVAS Se denomina también sensor de fase. Se utilizan para determinar tiempo del ciclo de trabajo en el que se encuentra el pistón (sin un pistón sube, si lo hace en compresión o en escape)  Continuación Sensor de posición del árbol de levas Toda esta información es imprescindible para la UCE: Inyectores y bobinas de encendido se activen de forma individual. En distribución variable. Para que el vehículo arranque rápido (en tan solo media vuelta la UCE sabe que cilindro está en compresión. En caso de que el sensor de RPM falle este informará a la UCE de las mismas (1 vuelta del de árbol de levas = 2 del cigüeñal)  Continuación Sensor de posición del árbol de levas En caso de avería de este sensor el motor no arranca aunque si la avería se produce en marcha, el vehículo continua con el ciclo memorizado hasta que se produce la parada del motor. Después, no arranca.  Continuación Sensor de posición del árbol de levas Tipos de sensores Sensor Hall de posición de árbol de levas Sensor Hall diferencial  Continuación Sensor de posición del árbol de levas (igual que el sensor de RPM de efecto Hall)  Continuación Sensor de posición del árbol de levas Se utiliza cuando se necesita detectar con gran precisión la posición del árbol de levas. Constituidos por 2 elementos Hall. Uno de ellos detecta un diente y el otro un hueco o ventana. Ventaja: Mas precisión que los normales, entrehierro mas grande y buena compensación de la Tª (al llevar 2 elementos). 3. SENSOR TEMPERATURA DE MOTOR Informa a la UCE de la temperatura a la que se encuentra el motor en cada instante. Está colocado sobre la culata, sobre la caja de distribución del liquido refrigerante o sobre el bloque (siempre en contacto con el líquido refrigerante).  Continuación Sensor temperatura de motor Constitución Se basan en resistencias eléctricas cuyo valor resistivo varía en función de la temperatura Las más utilizadas son las de cerámica sinterizada (termisrestencias) debido a sus buenas propiedades de medición y fabricación económica Alimentada por la UCE con 5v. A través de un conector de plástico.  Continuación Sensor temperatura de motor Tipos de sondas de temperatura de motor  Continuación Sensor temperatura de motor ¿Se trata de un PTC o un NTC? Montaje en vehículo antiguo (sin UCE) 4. SENSOR TEMPERATURA DEL AIRE DE ADMISIÓN La información de temperatura del aire, complementa la de caudal o masa de aire suministrada por el sensor correspondiente. La UCE determina con toda exactitud la masa de aire aspirada por el motor, independientemente de su volumen o temperatura para lograr así una dosificación exacta de la mezcla  Continuación Sensor temperatura aire admisión Situado en el colector de admisión (normalmente integrado en el medidor de caudal o masa de aire o en el sensor de presión del colector de admisión). En la mayoría de los casos es una sonda NTC que se encuentra en contacto directo con el aire de admisión. La UCE lo alimenta con 5 v.  Continuación Sensor temperatura aire admisión Funcionamiento Las variaciones de resistencia en función de su temperatura se convierten en una señal de tensión analógica variable que se lleva hasta la UCE La UCE lleva en su memoria una gráfica que le permite compara para cada valor de resistencia, la temperatura correspondiente del motor.  5. SENSOR DE CAUDAL O MASA DE AIRE La cantidad de aire aspirada por el motor es el parámetro más importante que define el estado de carga del propio motor. La masa de aire a medir esta entre 400 y 1200 kg/h (dependiendo de la cilindrada. Es sensor va colocado entre el filtro de aire y el cuerpo de mariposa. Como el flujo de aire no es constante (por apertura y cierre de válvulas) se producen reflujos de aire que este debe detectar para no medir el mismo aire 2 veces.  Continuación sensor de caudal o masa de aire Debido al control de los gases de escape y a la reducción del consumo de combustible, la medición del aire aspirado debe realizarse en masa y no en volumen para obtener así gran exactitud. Los primeros sistemas de inyección electrónica utilizaban sensores de medición de caudal de aire, después fueron sustituidos por sensores de medición de masa de aire.  Continuación sensor de caudal o masa de aire Tipos de sensores para la medición del aire de admisión Medidor de caudal de aire por aleta sonda Sensor de masa de aire por hilo caliente Sensor de masa de aire por película caliente  Continuación sensor de caudal o masa de aire 5.1. Medidor de caudal de aire por aleta sonda Montados en los primeros sistemas de inyección electrónica diésel. Un plato sonda móvil se movía en el interior de un conducto cuando circulaba aire por el mismo. Como la masa volumétrica de aire Esta sonda de admisión varía mide el flujo con la temperatura volumétrico de o la altitud sobre el aire aspirado nivel del mar, para por el motor medir estas (m³/h) variaciones es necesario un sensor de Tª de aire y otro barométrico  Continuación sensor de caudal o masa de aire Constitución 5.1. Medidor de caudal de aire por aleta sonda Formado por un cuerpo de aleación ligera que en sus lados dispone de los conductos de entrada y salida de aire En su interior se aloja un plato sonda en forma de compuerta que cierra totalmente el conducto de aire. Unido a el formando 90⁰ se encuentra una compuerta de compensación para amortiguar las oscilaciones producidas por las pulsaciones de aire. En el extremo del eje lleva montado un cursor con resistencias formando un potenciómetro. En posición de reposo un muelle en espiral mantiene la sonda cerrada.  Continuación sensor de caudal o masa de aire 5.1. Medidor de caudal de aire por aleta sonda  Continuación sensor de caudal o masa de aire Funcionamiento 5.1. Medidor de caudal de aire por aleta sonda Con motor parado el muelle empuja a la sonda cerrando totalmente el conducto de paso de aire. Con motor en marcha, el caudal de aire aspirado vence la acción del muelle abriendo así la compuerta (sonda). En función del aire que pase por el conducto la sonda se abrirá más o menos. El cursor giratorio se desliza sobre la pista de resistencias transmitiendo una tensión eléctrica a la UCE obteniéndose así la medida del caudal volumétrico aspirado por el motor.  Continuación sensor de caudal o masa de aire 5.2. Medidor de caudal de aire por hilo caliente Mide el flujo de masa de aire aspirado por el motor en kg/h. Es insensible a las pulsaciones generadas en el flujo de aire. No es capaz de reconocer la dirección del flujo de aire (directo o inverso).  Continuación sensor de caudal o masa de aire 5.2. Medidor de caudal de aire por hilo caliente Principio térmico de medición Si por un hilo conductor se hace circular una corriente, el hilo se calienta por efecto Joule y alcanza una temperatura determinada. Se establece un equilibrio entre la potencia eléctrica suministrada para calentar el hilo y la potencia calorífica disipada por el flujo de aire. Corriente eléctrica consumida = masa de aire que circula por el conducto.  Continuación sensor de caudal o masa de aire 5.2. Medidor de caudal de aire por hilo caliente Constitución Formado por tubo cilíndrico hueco de plástico por el que circula el flujo de aire de admisión. Protegido en algunos casos con una rejilla en la entrada para retener las partículas de suciedad. La rejilla también evita remolinos generando un paso de aire uniforme. En su interior se encuentra un hilo de platino y una resistencia sin calefacción.  Continuación sensor de caudal o masa de aire 5.2. Medidor de caudal de aire por hilo caliente Funcionamiento El flujo de aire que pasa hacia el motor, pasa primero por la resistencia de compensación que mide su temperatura y a continuación pasa por la resistencia calefactada (hilo de platino). La corriente de calefacción genera en una resistencia de medición de alta precisión. La señal de tensión es proporcional al flujo de masa de aire que se transmite a la UCE como información del caudal de masa de aire aspirado por el motor.  Continuación sensor de caudal o masa de aire 5.2. Medidor de caudal de aire por hilo caliente (auto mantenimiento) Para evitar que la suciedad que se deposita en el hilo caliente pueda afectar a la exactitud de la medición, después de parar el motor, la UCE alimenta el hilo a una temperatura de 1000º C durante 1 segundo (efecto pirolisis).  Continuación sensor de caudal o masa de aire 5.3. Medidor de caudal de aire por película caliente Es una evolución del anterior y está basado en el mismo principio térmico. Se diferencia en que las resistencias de medición y regulación están montadas en forma de capas gruesas sobre un sustrato o película de cerámica. Mide con gran precisión pero no es capaz de detectar la dirección del flujo de aire.  Continuación sensor de caudal o masa de aire 5.2. Medidor de caudal de aire por película caliente Sensor con detección de flujo inverso 2 evoluciones posteriores Sensor con señal por frecuencia  Continuación sensor de caudal o masa de aire 5.2. Medidor de caudal de aire por película caliente Sensor con detección de flujo inverso Permite detectar la dirección del flujo de aire tanto directo como inverso Así puede restar al flujo de aire directo el que circula en sentido inverso obteniendo mayor exactitud en la medición.  Continuación sensor de caudal o masa de aire 5.2. Medidor de caudal de aire por película caliente Sensor con señal por frecuencia Dispone de una electrónica integrada para transformar la señal de tensión en una señas de frecuencia que se envía a la UCE. De esta forma se eliminan interferencias que puedan afectar a la señal  Continuación sensor de caudal o masa de aire Constitución 5.2. Medidor de caudal de aire por película caliente 5.2. Medidor de caudal de aire por película caliente Continuación sensor de caudal o masa de aire  Continuación sensor de caudal o masa de aire 5.2. Medidor de caudal de aire por película caliente Las resistencias están conectadas a un circuito electrónico que se encarga de alimentar eléctricamente la resistencia calefactada y regular su temperatura. La resistencia calefactada se conecta a una amplificador que mide la corriente eléctrica consumida y la transforma en señal de tensión que se envía a la UCE.  Continuación sensor de caudal o masa de aire Medidor de caudal de aire por película caliente Funcionamiento básico Cuando el sensor es alimentado desde la UCE la resistencia alcanza unos 160ºC superior a la del aire. La Tº del aire ambiente es medida por el sensor que esta justo delante Con motor en marcha el flujo de aire aspirado entra en contacto con la resistencia calefactada y se lleva parte del calor El aire se calienta y la resistencia calefactada se enfría. El circuito electrónico transforma las variaciones de corriente aplicadas en señales variables de tensión adaptadas a la UCE la cual determina la masa de aire.  Continuación sensor de caudal o masa de aire Medidor de caudal de aire por película caliente Funcionamiento del sensor con detección de flujo inverso Con motor parado se alimenta la resistencia calefactada hasta que alcanza Tº superior a la del ambiente. Esta es medida por los 2 sensores de Tº colocados delante y detrás. Con motor en marcha el flujo de aire aspirado pasa primero por el sensor sitiado delante que mide su temperatura ambiente. Después entra en contacto con la resistencia calefactada elevando su temperatura. Después pasa por el sensor situado detrás midiendo la temperatura de salida. Continuación sensor de caudal o masa de aire Medidor de caudal de aire por película caliente  Continuación sensor de caudal o masa de aire Medidor de caudal de aire por película caliente Funcionamiento del sensor con señal por frecuencia El circuito electrónico del sensor obtiene la señal de masa de aire aspirada en forma de tensión y la transforma en una señal de frecuencia cuyo valor es directamente proporcional a la masa de aire medida (a menor masa, menor frecuencia). 6. Sensor de presión en el colector de admisión. Denominado sensor MAP Mide la presión existente en el interior del colector de admisión. En motores sobrealimentados se utiliza como sensor de presión de sobrealimentación. También se utiliza para informar a la UCE de la presión atmosférica (a mayor altitud presión disminuye). Nos lo podemos encontrar:  En la UCE unido a través de una tubería flexible al colector.  En el propio colector de admisión.  Detrás de la válvula de mariposa.  Sensor de presión en el colector de admisión. Constitución Formado por carcasa En su interior se aloja una membrana en forma de campana con resistencias piezorresistivas (resistividad varía cuando son sometidas a tensión mecánica).  Sensor de presión en el colector de admisión. Funcionamiento Con motor a ralentí la presión absoluta en el colector varia en función del estado de carga del motor (mínima a ralentí y aumenta conforme lo hace la carga). La membrana sufre pequeñas deformaciones que se transmiten a las resistencias. Estas a su vez varían su conductividad de manera proporcional a las variaciones de presión. La señal tratada tiene un valor variable entre 0 y 5 voltios y es enviada a la UCE. 7. Sensor de posición de mariposa. Mide la posición de apertura de la válvula de mariposa (mariposa de gases). Si el sistema de inyección no posee sensor de masa de aire, se utilizará como señal de carga. Esta señal la utiliza la UCE para:  Para reconocer el estado de carga (ralentí, carga parcial y plena carga).  Como señal de emergencia en caso de fallar el sensor de masa de aire aspirado.  Para diversas estratégias de aceleraciones, actuador de ralentí, corte en desaceleración, fase de calentamiento, etc.  Sensor de posición de mariposa. Información Sensor de contactos suministrada a UCE según Sensor de doble potenciómetro y gráfica sistema proporcional Sensor con doble potenciómetro y gráfica opuesta  Sensor de posición de mariposa. 7.1. Sensor de contactos Es el más antiguo. A través de interruptores informa a la UCE de 3 estados:  Ralentí  Carga parcial  Plena carga  Sensor de posición de mariposa. 7.2. Sensor de doble potenciómetro y gráfica proporcional Consta de 2 potenciómetros Se detecta con gran precisión la posición de mariposa. Si falla una de las pistas se enciende testigo de avería y pasa a fase de emergencia.  Sensor de posición de mariposa. 7.3. Sensor con doble potenciómetro y gráfica opuesta Este sistema se monta en las mariposas motorizadas (motor eléctrico) Con esta señal la UCE detecta si la posición de la mariposa es la posición calculada. El 1º potenciómetro envía señal de tensión variable 0,75 y 4,75V. El 2º potenciómetro envía señal opuesta entre 4,75 y 0,75 V. Si uno de los potenciómetros se avería, el sistema puede seguir funcionando con la señal del otro. Si fallan ambos, el sistema pone la mariposa en posición de ralentí acelerado. 8. Sensor posición del pedal del acelerador En los sistemas convencionales pedal de acelerador y mariposa se unían de forma mecánica por medio de un cable Bowden. Debido al incremento de funciones asignadas a la UCE se hace necesario regulación de mariposa independientemente de la posición del acelerador: Sistemas anticontaminación. Control de velocidad ESP ASR  Sensor posición del pedal del acelerador Tipos de sensor Sensor de doble potenciómetro posición del pedal del acelerador Sensor Hall Nota: Funcionamiento de estos 2 sensores vistos anteriormente. Ventaja del sensor Hall respecto al sensor de doble potenciómetro es que este último presenta el inconveniente del desgaste de pistas y cursor por rozamiento y por el paso de corriente. Por este motivo estos sensores están siendo sustituidos por los de efecto Hall. 9. Sensor de velocidad del vehículo Normalmente colocado en la caja de cambios en la salida de transmisión a las ruedas. Informa a la UCE de la velocidad del vehículo para realizar correcciones de par motor. Envía señal al cuadro de instrumentos para informar al conductor. Es un sensor de efecto Hall que dispone de un piñón. El movimiento del piñón se transmite a una corona imantada con polaridad alterna que gira cerca del sensor Hall y produce las variaciones de flujo magnético. 10. Sensor posición del pedal de freno UCE necesita saber si el pedal de freno está suelto o accionado: De esta forma reconoce si el motor está en desaceleración para producir el corte de caudal de inyección y así poder utilizar el freno motor además de reducir las emisiones contaminantes.  Sensor posición del pedal de freno Constitución Consiste en un interruptor simple montado sobre el pedal de freno. Alimentado con 12 V. de batería. Genera señal de todo o nada. Puede ser:  Independiente.  Formar conjunto con el utilizado para encender las luces de freno.  Uno solo que realice ambas funciones.  2 interruptores o uno doble con accionamiento inverso (cuando uno está cerrado, el otro está abierto y viceversa). 11. Sensor posición del pedal de embrague UCE necesita saber si el pedal de embrague está suelto o accionado:  Para reconocer la intención de interrumpir la transmisión del motor a la caja de velocidades para cambiar de marcha y así ajustar el par motor para obtener mayor suavidad en la marcha..  Sistema Star Stop.  Sistema de ayuda en pendiente.  etc.  Sensor posición del pedal de embrague Constitución Consiste en interruptor simple 12 V. Señal de todo o nada. Montado sobre el pedal de embrague. En algunos casos se monta interruptor doble con accionamiento inverso (como en el caso de algunos sensores de pedal de freno). 12. Sensor de presión atmosférica UCE necesita saber la presión atmosférica para calcular con mayor exactitud la dosificación de la mezcla. Suele venir incorporado en la propia UCE. Funcionamiento similar al sensor de presión del colector de admisión.  13. Sensor de oxígeno También denominada sonda lambda (valor lambda). Mide el oxigeno existente en los gases de escape. Informa a la UCE (mezcla rica lambda1). Cuando se empezaron a montar en vehículos solo se montaban en los otto. Actualmente se montan tanto en diésel como en gasolina. Antes se colocaba una delante del catalizador En la actualidad se monta una delante y otra detrás del catalizador (para una regulación más rápida y precisa).