Caracterización de los parámetros de un motor de combustión interna mediante la comunicación con el Bus CAN

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(1)INSTITUT,O TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY. CARft.CTERIZAClóN DE LOS PARÁMETROS DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA MEDIANTE LA COMUNICACIÓN CON EL BUS CAN. TESIS QUE PARA OPTAR EL GRADO DE MAESTRO EN SISTEMAS DE MANUFACTURA PRESENTA. JAIME RAMíREZ GARDUÑO. ASESOR: DR. VIRGILIO VÁZQUEZ LóPEZ. ATIZAPAN DE ZARAGOZA, ESTADO DE MÉXICO, MAYO 2016..

(2) 4. ÍNDICE. Abreviaturas ..................................................................................................................................... 2 Índice ............................................................................................................................................... 4 Lista de Figuras ............................................................................................................................... 7 Lista de Tablas ..................... ..................................... .... ............. .... .................................................. 9 Lista de ecuaciones ........................................................................................................................ 1O Agradecimientos ............................................................................................................................ 11 Capítulo 1: Introducción .............. ........ ................. .... ................. .................... .................... ..... ....... 12 1.1 Estado del Arte .................................................................................................................... 12 1.1.1 Principales componentes de los motores de combustión interna ................................. 13 1.1.2 Ciclos de tiempo del motor de combustión interna ...................................................... 18 1.1.2.1 Admisión ............................................................................................................... 18 1.1.2.2 Compresión ............................................................................................ ......... ....... 18 1.1.2.3 Explosión ............................................................................................................... 19 1.1.2.4 Escape .................................................................................................................... 19 1.1.3 Rendimiento del ciclo de Otto ideal ............................................................. ................ 19 1.1.3.1 Admisión 0-1 (Isobara) ............................ ........ ................. ........ ........ ..................... 20 1.1.3.2 Compresión 1-2 (Adiabática) ................................................................................ 20 1.1.3.3 Combustión 2-3 (lsócara) ...................................................................................... 20 1.1.3 .4 Trabajo 3-4 (Adiabática) ....................................................................................... 20 1.1.3.5 Primera fase del escape 4-1 (lsócara) ...................... ......................... ....... .............. 20 1.1.3.6 Segunda fase del escape 1-0 (Isobara) ................................................................... 20 1.1.4 Ciclo de Orto real. ......................................................................................................... 20 1.1.5 Modelado de sistemas automotrices ............................................................................. 22 1.1.5.1 Modelado con UML .............................................................................................. 22 1.1.5.2 Simuladores HIL ................................................................................................... 27 1.2 Hipótesis .............................................................................................................................. 28 1.3 Objetivos .............................................................................................................................. 29 1.3.1 Objetivos generales ....................................................................................................... 29 1.3.2 Objetivos particulares ................................................................................................... 29.

(3) 5 1.3.3 Alcances y Limitaciones ............................................................................................... 29 Capítulo 2: Marco Teórico ............................................................................................................ 30 2.1 Metodología de diseño ........................................................................................................ 30 2.2 Antecedentes del bus CAN ................ .................................................................................. 31 2.3 Topología del bus ................................................................................................................ 32 2.4 Características de CAN ..................... ................ ..................................................... ............. 32 2.5 Errores ................................................................................................................................. 34 2.5.1 Estado de error activo ................................................................................................... 34 2.5.2 Estado de error pasivo .................................................................................................. 34 2.5.3 Estado de bus apagado .................................................................................................. 34 2.6 Protocolo CAN .................................................................................................................... 36 2.7 Tipos de tramas ............................................................................... ................. .................... 37 2.7.1 Trama de datos .............................................................................................................. 38 2. 7.2 Trama remota ............................................................... ................................................. 40 2.7.3 Trama de error .............................................................................................................. 41 2.7.4 Trama de sobrecarga .............................................................................................. ....... 41 2.8 Espacio entre tramas ............................................................................................................ 42. 2. 9 Prioridad por arbitraje ............................................................. .... ............ ............................. 43 2.1 O Relleno de bits ................................................................................................................... 44 2.11 Tipos de errores ...... ........................................................................................................... 44 2.12 OBD 11 ............................................................................................................................... 45 Capítulo 3: Instrumentación e Implementación de la Comunicación en el Bus CAN .................. 47 3.1 Componentes de Hardware utilizado ................................................................................... 47 3.1.1 Chasis NI CompactDAQ USB de 4 Ranuras ................................................................ 4 7 3. I .2 Tarjeta de comunicación de High Speed CAN ............................................................. 48 3.1.3 Cable OBDII ................................................................................................................. 49 3 .2 Herramientas de Software utilizadas ................................................................................... 50 3.2.1 Labview 2012 32 bits ................................................................................................... 50 3 .3 Configuracion de la interfaz CAN ................. ...................................................................... 50 Capítulo 4: Implementación y Experimentación ...................................................................... ..... 53 4.1 Arquitectura eléctrica del vehículo ...................................................................................... 53 4.2 Etapa de adquisición de datos .............................................................................................. 57.

(4) 6 4.3 Modelado del motor de combustion interna ........................................................................ 60 4.3.1 Procesamiento de los datos de entrada ........ .... ........................ .... .................. ............... 61 4.3.2 Admisión del flujo de masa de aire .............................................................................. 63 4.4 Presión en el múltiple de admisión ........ .... ............. .... .... .... ................ .......................... ....... 65 4.5 Bombeo del flujo másico ..................................................................................................... 67 4.6 Cálculo de la carga de aire en un cilindro ........................................................................... 68 4.7 Cálculo del torque del motor ............................................................................................... 68 4.8 Cálculo de la velocidad angular. .......................................................................................... 70 4.9 Cálculo de las revoluciones por minuto ................................................................. ............. 71 4.1 O Análisis de resultados ........................................................................................................ 72 Capítulo 5: Conclusiones y Trabajo a Futuro ................................................................................ 79 5.1 Conclusiones ........................................................................................................................ 79 5.2 Trabajo a futuro ................................................................................................................... 80 Referencias ...................................................................................................... .............................. 82 Anexos ........................................................................................................................................... 85 Anexo 1. Tabla de PIDs del OBDII soportados en el modo de operación 1. [22] .................... 85 Anexo 2. Resultados de la simulación del modelo del motor ................................................. 100.

(5) 7. LISTA DE FIGURAS. Fig. 1 Culata del motor ................................................................................................ .. .. ........ ...... 13 Fig. 2 Bloque del motor ................................................................................................................. 13 Fig. 3 Pistón de un motor .............................................................................................................. 14 Fig. 4 Biela .................................................................................................................................... 14 Fig. 5 Cigüeñal del motor ........ ........ .................. .. .......................................................................... I 5 Fig. 6 Árbol de levas .......................................................... .. ........ ...... .. ............ .. ............ ...... .. .. .. ... I 5 Fig. 7 Sensor de velocidad del motor ............................................................................................ 15 Fig. 8 Sensor de flujo másico de aire ............................................................................................. 16 Fig. 9 Bujía del motor .................................................................................................................... 16 Fig. 1O Múltiple de admisión ......................................................................................................... 17 Fig. 11 Múltiple de escape .......................................... .. .. .. .. .. .. .. .................. .. .. .. .......... .. ................. 17 Fig. 12 Sensor de temperatura del aire de entrada ......................................................................... 18 Fig. 13 Diagrama del ciclo Otto ideal ............................................................................................ 19 Fig. 14 Comparación entre el ciclo Otto ideal y real.. ................................................................... 22 Fig. 15 Diagrama de flujo del modelo del motor. ......................................................................... 23 Fig. 16 Relación entre Crank clock y Cam clock ............................... .. ........ .. ........ .. .. .. .. .. ............. 23 Fig. 17 Relación entre Crank clock y Cam clock .......................................................................... 24 Fig. 18 Diagrama de Simulink del cálculo del flujo de aire de entrada del motor ........................ 25 Fig. 19 Diagrama de Simulink de la presión en el múltiple de admisión ...................................... 26 Fig. 20 Diagrama de Simulink cálculo del torque ......................................................................... 27 Fig. 21 Modelo V de ingeniería de sistemas [30] .......................................................................... 31 Fig. 22 Diagrama de conexiones típico ......................................................................................... 32 Fig. 23 Estados de error de una unidad ......................................................................................... 35 Fig. 24 Campos de la trama de datos para CAN Estándar ............................................................ 38 Fig. 25 Campos de la trama de datos para CAN extendido .................... ......... ... .. ...... .. .. .. ............. 38 Fig. 26 Campos de la trama remota para CAN estándar ............................................................... 40 Fig. 27 Campos de la trama remota para CAN extendido ............................................................. 40 Fig. 28 Campos de la trama de error ....................................... .. ...... .. ............ .. ........... .. .... .. .. .... ..... 41 Fig. 29 Campos de la trama de sobrecarga ............ ............ ... .. ....... ................................................ 42 Fig. 30 Espacio entre tramas .......................................................................................................... 42 Fig. 3 1 Arbitraje entre nodos ......................................................................................................... 44 Fig. 32 Diagrama de comunicación con el vehículo ..................................................................... 47 Fig. 33 Chasis NI ........................................................................................................................... 47 Fig. 34 Tarjeta de Comunicación NI 9862 .................................................................................... 48 Fig. 35 Cable de conexión DB-9 a 08011 .................................................................................... 49 Fig. 36 Diagrama de conexión DB-9 a 08011 .................... .. .. .. .. .. .. .. .. .. ...... .. .. .. ............... .. ........... 50 Fig. 37 Configuración de la interfaz CAN2 .................................................................................. 51 Fig. 38 Características de la interfaz CAN2 .................................................................................. 52.

(6) 8 Fig. 39 Diagrama de entradas y salidas del modelo ...................................................................... 53 Fig. 40 Arquitectura eléctrica del vehículo ................................................................................... 54 Fig. 41 Lista de mensajes de High Speed CAN del vehículo ........................................................ 56 Fig. 42 Bloque 080 ...................................................................................................................... 58 Fig. 43 Interfaz del proyecto de adquisición de datos ............. ..... ........ ...................... .... ............... 58 Fig. 44 Acceso y conversión del PID de MAF del motor ....... .... ......... ......................................... 59 Fig. 45 Acceso y conversión del PID de RPM del motor ............................................................. 59 Fig. 46 Acceso y conversión del PID de la posición de la válvula mariposa ................................ 60 Fig. 47 Acceso y conversión del PID del avance de la chispa ...................................................... 60 Fig. 48 Acceso y conversión del PID del tiempo que lleva encendido el motor ........................... 60 Fig. 49 Diagrama de bloques del modelo ...................................................................................... 61 Fig. 50 Código de importación del archivo csv a Labview Parte 1 ..... .... ......................... .... ......... 62 Fig. 51 Código de importación del archivo csv a Labview Parte 2 ............................................... 62 Fig. 52 Variables individuales de entrada al ciclo ......................................................................... 63 Fig. 53 Ciclo While del modelo .................................................................................................... 63 Fig. 54 Cálculo del flujo de aire a la entrada ................................................................................. 64 Fig. 55 Cálculo del flujo másico de aire a la entrada del motor en Lab View ............................... 64 Fig. 56 Cálculo de la presión en el múltiple de admisión (35] ........................ ............. .... .... ......... 66 Fig. 57 Cálculo de la presión en el múltiple de admisión en LabView ......................................... 66 Fig. 58 Integración para obtener Pm en LabView ......................................................................... 66 Fig. 59 Cálculo del flujo de aire bombeado a los cilindros ........................................................... 67 Fig. 60 Cálculo de la carga de aire bombeado a cada cilindro ...................................................... 68 Fig. 61 Cálculo del torque generado por el motor ......................................................................... 70 Fig. 62 Cálculo de la velocidad angular en Lab View ..................... ........ ............. ........ ............. ..... 71 Fig. 63 Cálculo de la revoluciones por minuto en Lab View ......................................................... 71 Fig. 64 Interfaz de usuario del modelo en LabView ..................................................................... 72 Fig. 65 Comparación entre velocidad del motor Calculada vs Real ................................ .... .... ..... 73 Fig. 66 Comparación entre velocidad del motor Calculada vs Real. (Acercamiento) .................. 73 Fig. 67 Gráfico del torque generado por el motor ......................................................................... 74 Fig. 68 Gráfico del torque generado por el motor. (Acercamiento) .............................................. 74 Fig. 69 Gráfico de la presión en el múltiple de admisión .............................................................. 75 Fig. 70 Tabla de valores típicos medidos por el sensor del múltiple de admisión ........................ 75 Fig. 71 Gráfico de las curvas típicas del motor del Ford Fiesta 2012 1.6 Litros ........ .... ..... ......... 76 Fig. 72 Gráfico de la potencia del motor obtenida por el modelo ................................................. 77 Fig. 73 Pasos experimentales del modelo ...................................................................................... 78.

(7) 9. LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Tabla 2. Tabla 3. Tabla 4. Tabla 5. Tabla 6. Tabla 7. Tabla 8.. Valores de los contadores de errores de transmisión/recepción ...................................... 3 5 Condiciones de cambio los contadores de errores de transmisión/recepción .................. 36 Velocidad de transmisión de acuerdo a la longitud del bus ............................................ 37 Número de bits de datos para el campo de control... ....................................................... 39 Tipo de operación del OBDII ........................................... ............. .. ................................ 46 Ficha técnica de la tarjeta NI 9862 .................................................................................. 49 Lista de módulos del vehículo ......................................................................................... 56 Tabla P!Ds 08011 ........................................................................................................... 57.

(8) 10. LISTA DE ECUACIONES. ( 1) Flujo de aire en la válvula reguladora .................................................................... .. ...... .... ...... 24 (2) Ecuaciones para el cálculo del flujo de aire .............................................................. 25 (3) Flujo de aire en cilindro ......................................................................................................... 25 (4) Integral de flujo de aire en cilindro ........................................................................................ 25 (5) Presión en el múltiple de admisión .......................................................................................... 26. (6) Velocidad del motor. ................................................................................................. 26 (7) Flujo másico en el múltiple de admisión ..................................................................... ..... ....... 64 (8) Cálculo de la presión en el múltiple de admisión .................................................................... 65 (9) Cálculo del flujo másico de aire bombeado a la entrada de los cilindros (Crossley) .............. 67 (1 O) Cálculo del flujo másico de aire bombeado a la entrada de los cilindros ............................. 67 ( 11) Cálculo de la carga de aire bombeado a cada cilindro ........................................................... 68 ( 12) Cálculo del torque generado por el motor (Crossley) ............................................. ....... 69 (13) Cálculo del torque generado por el motor ................................................................. 69 ( 14) Mezcla estiqueométrica de aire combustible ......................................................................... 69 ( 15) Reacción química del combustible ............................................................................ 69 ( 16) Cálculo molar de la relación aire combustible ......................................................... 69 ( 17) ( 18) ( 19) (20) (21). Torque respecto a los momentos de inercia ............. .............................................................. Cálculo de la velocidad angular ............................................................................................. Relación rad/s a RPM ............................................................................................................ Potencia generada por el motor .............................................................................................. Equivalencia potencia ............................................................................................................. 70 70 71 77 77.

(9) 12. CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN. Esta investigación tiene como principal propósito de estudio la comunicación entre las unidades de control electrónicas de los automóviles mediante el uso del bus CAN y las distintas aplicaciones que se pueden llevar a cabo a partir de la información que estas intercambian en el bus. En concreto. esta investigación presenta una propuesta para el modelado del motor de combustión interna de un vehículo. este modelo es obtenido utilizando los parámetros de control básico del auto y las salidas obtenidas de las distintas señales que las unidades electrónicas de control del vehículo intercambian durante su funcionamiento normal. Al mismo tiempo. es de vital importancia para esta investigación buscar el abrir camino para el desarrollo de más investigaciones enfocadas al uso del bus CAN en nuestra institución. con el fin de posicionarla como un centro de excelencia en la generación de conocimiento aplicado a la industria automotriz.. 1.1 ESTADO DEL ARTE La invención y el desarrollo de los motores de combustión interna han representado uno de los avances tecnológicos más importantes de los últimos 100 años al grado que al día de hoy son la fuente de propulsión más común en los vehículos de pasajeros. Todo esto es debido a la alta densidad de energía que poseen los combustibles de hidrocarburos líquidos. es por eso que podemos definir a los motores de combustión interna como máquinas que a través de la energía química proporcionada son capaces de convertirla y obtener energía mecánica directamente utilizable. La energía química transformada es proveniente de una combustión que se lleva a cabo en su interior. la cual es producida por el fluido activo o mezcla de combustibles [l ]. El movimiento de los elementos que componen a un motor se efectúa a partir del efecto que se produce de la combustión del fluido activo en combinación con aire proveniente de la atmósfera. La cámara interna donde sucede la combustión, forma parte de un cilindro dentro del cual se posiciona el pistón de un mecanismo biela-manivela, lo que permite que el cilindro se mueva de manera rectilínea. Al momento de la ignición el pistón realiza su carrera y transmite el movimiento a la biela. lo cual resulta en el movimiento rotativo del cigüeñal..

(10) 13. 1.1.1 PRINCIPALES COMPONENTES DE INTERNA. LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN. Para poder comprender el funcionamiento de un motor de combustión interna. es importante primero conocer cada uno de los componentes que lo conforman y la forma en que interactúan entre ellos para desempeñar las funciones previamente descritas. •. Culata del motor Este elemento es la parte superior del motor y sirve para cerrar las cámaras de combustión por su sección superior. Usualmente también alojan a las válvulas de admisión y escape. las bujías y el árbol de levas.. Fig. 1 Culata del motor. •. Bloque del motor Este componente representa la estructura básica del motor y es el componente más grande del motor. En su interior contiene a cada uno de los cilindros donde los pistones se mueven y los apoyos del cigüeñal. Además cuenta con otros conductos por los cuales circulan lubricantes y refrigerantes. Este componente se manufactura por fundición de hierro o aluminio.. Fig. 2 Bloque del molor. •. Pistón El pistón desempeña la función de cerrar y obturar la cámara de combustión interna con respecto al cárter. Además, este componente se encarga de recibir las fuerzas causadas en la combustión a través de la biela y de transmitirla al cigüeñal. Durante su movimiento se ejercen dos fuerzas principalmente: una paralela al movimiento del pistón y otra lateral a.

(11) 14. esté la cual provoca que el pistón se impacte contra las paredes del cilindro. esta fuerza en particular causa desgaste en éste después de un uso prolongado. Usualmente este componente se manufactura utilizando aleaciones de aluminio sintetizado. lo que otorga una buena resistencia a las altas temperaturas a las cuales opera, buenas propiedades de deslizamiento y una alta resistencia al desgaste.. Fig. 3 Pistón de un motor. •. Biela Este elemento mecánico se encarga de transmitir el movimiento del pistón hacia el cigüeñal. Cuando el pistón se encuentra comprimiendo la mezcla. aproximadamente I Oº antes de llegar al punto superior muerto, se genera la chispa y cuando se alcanza el punto muerto superior la fuerza explosiva que se está liberando se comprime.. Fig. 4 Biela. •. Cigüeñal El cigüeñal es el componente mecánico que se conforma de codos y contrapesos y que se conecta a las bielas y al monobloque del motor por medio de cojinetes. Su principal función consiste en transformar la fuerza del pistón en un par de fuerzas creando un momento de giro que transfiere al embrague. Además de esto se encarga de poner en fase cada uno de los impulsos de fuerza de los cilindros. La geometría de este componente depende del número de cilindros. y apoyos que tenga el motor así como la longitud de carrera y la disposición de los cilindros..

(12) 15. Fig. 5 Cigüeñal del motor. •. Árbol de levas Este mecanismo está conformado por un eje sobre el cual se posicionan distintas levas de distintas formas y tamaños. Su función consiste en abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape de manera cíclica. de forma sincronizada con los tiempos del motor. El número de levas que posee depende directamente del número de cilindros que tenga el motor en una relación 2: l.. Fig. 6 Árbol <le levas. •. Sensor de velocidad Este sensor de efecto Hall se encarga de monitorear la posición del cigüeñal para determinar la velocidad del motor. En el engranaje del cigüeñal se establece un punto que sirve de referencia para realizar los cálculos. Cada vez que un borde del diente establecido como punto de referencia se acerca al sensor se genera una señal. la cual será alta durante el tiempo que el diente este cercano al sensor y será baja cuando el diente se aleja. El PCM determina la velocidad de acuerdo al número de pulsos registrados en un tiempo establecido [34].. Fig. 7 Sensor de velocidad del motor.

(13) 16. •. Bobina La bobina es el componente eléctrico que se encarga de generar una carga de alto voltaje mediante inducción magnética, elevando el voltaje de la batería de 12 volts a 15000 volts.. •. Sensor de tlujo másico Este componente se encuentra ubicado entre el filtro de aire y el múltiple de admisión del vehículo. Su función es medir el tlujo másico que se introduce al motor. Se componen de un cable calentado eléctricamente y de un sensor de temperatura situado cerca del cable. Conforme el tlujo de aire aumenta al presionar el acelerador. el aire enfría el cable. por lo que más corriente debe ser aplicada para mantener caliente al cable. La cantidad de corriente necesaria para realizar esto es proporcional al flujo de aire [32].. Fig. RSensor de llujo másico de aire. •. Bujía La función de las bujías es generar una chispa eléctrica en la cámara de combustión del cilindro cuando recibe la carga del voltaje proveniente del distribuidor. Esta chispa provoca la explosión de la mezcla de aire combustible que permite el movimiento de los pistones. Es importante mencionar que cada uno de los cilindros del motor cuenta con su propia bujía. Usualmente la sincronización del momento en que las bujías inician la ignición es controlada por la unidad de control electrónico del módulo del tren motriz.. Fig. 9 Bujía del motor. •. Múltiple de admisión Es el conducto por el cual llega la mezcla de aire que se inserta en los cilindros y su función consiste en distribuir la cantidad de aire de manera equitativa hacia cada uno de ellos..

(14) 17. (· ig. 1O Múltiple Je admisión. •. Múltiple de escape Por este conducto se liheran los gases de escape que se producen durante la combustión hacia la atmósfera. Anterior a este paso los gases pasan a través de un catalizador con el objetivo de disminuir las emisiones dañinas hacia el medio ambiente. Este componente es además altamente resistente a la corrosión y a las altas temperaturas debido a las elevadas temperaturas a las cuales se expulsan los gases.. Fig. 11 Múltiple Je escape. •. Sensor de temperatura del aire de entrada Este sensor se encarga de monitorear la temperatura del aire que entra en el motor. Los datos que mide este sensor son utilizados por el PCM para estimar la densidad del aire y balancear la mezcla de aire combustible. Cuando el aire de entrada es más frío se requiere más combustible para mantener la misma relación aire combustible. por lo que el PCM aumenta el tiempo que los inyectores se mantienen abiertos [33]..

(15) • 18. Fig. 12 Sensor de temperatura del aire de entrada. •. 1.1.2 CICLOS DE TIEMPO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA Los motores de combustión interna pueden ser de dos tiempos o de cuatro tiempos. siendo los motores de gasolina de cuatro tiempos los más comúnmente utilizados en los coches o automóviles y para muchas otras funciones en las que se emplean como motor estacionario. Una vez que ya conocemos las partes. piezas y dispositivos que conforman un motor de combustión interna. pasamos a explicar cómo funciona un motor típico de gasolina. Como el funcionamiento es igual para todos los cilindros que contiene el motor. tomaremos como referencia uno sólo. con el objetivo de analizar qué ocurre en su interior en cada uno de los cuatro tiempos:. •. 1.1.2.1 ADMISIÓN Al inicio de este tiempo el pistón se encuentra en el PMS (Punto Muerto Superior). En este momento la válvula de admisión se encuentra abierta y el pistón. en su carrera o movimiento hacia abajo va creando un vacío dentro de la cámara de combustión a medida que alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior). ya sea ayudado por el motor de arranque cuando ponemos en marcha el motor, o debido al propio movimiento que por inercia le proporciona el volante una vez que ya se encuentra funcionando . El vacío que crea el pistón en este tiempo, provoca que la mezcla aire-combustible que se envía el al múltiple de admisión penetre en la cámara de combustión del cilindro a través de la válvula de admisión abierta.. 1.1.2.2 COMPRESIÓN. •. Una vez que el pistón alcanza el PMI. el árbol de leva. que gira sincrónicamente con el cigüeñal y que ha mantenido abierta hasta este momento la válvula de admisión para permitir que la mezcla aire-combustible penetre en el cilindro. la cierra. En ese preciso momento el pistón comienza a subir comprimiendo la mezcla de aire y gasolina que se encuentra dentro del cilindro ..

(16) 19. 1.1.2.3 EXPLOSIÓN Una vez que el cilindro alcanza el PMS y la mezcla aire-combustible ha alcanzado el máximo de compresión. salta una chispa eléctrica en el electrodo de la bujía, que inflama dicha mezcla y hace que explote. La fuerza de la explosión obliga al pistón a bajar bruscamente y ese movimiento rectilíneo se transmite por medio de la biela al cigüeñal, donde se convierte en movimiento giratorio y trabajo útil.. 1.1.2.-1 ESCAPE El pistón, que se encuentra ahora de nuevo en el PMI después de ocurrido el tiempo de explosión. comienza a subir. El árbol de leva, que se mantiene girando sincrónicamente con el cigüeñal abre en ese momento la válvula de escape y los gases acumulados dentro del cilindro. producidos por la explosión. son arrastrados por el movimiento hacia arriba del pistón, atraviesan la válvula de escape y salen hacia la atmósfera por un tubo conectado al múltiple de escape.. 1.1.3 RENDIMIENTO DEL CICLO DE OTTO IDEAL El rendimiento del ciclo de Ono, como el de cualquier otra máquina térmica, viene dado por la relación entre el trabajo total realizado durante el ciclo y el calor suministrado al fluido de trabajo. Visto de una manera gráfica en un diagrama P-V se puede considerar ejecutado según las siguientes transformaciones termodinámicas: p. 3. P,. P.'.\I.S. P.:\1.1.. Fig. 13 Diagrama dL:I ciclo Otto ideal. \".

(17) 20 1.1.3.1 ADMISIÓN 0-1 (ISOBARA) Se supone que la circulación de los gases atmosféricos hacia el interior de los cilindros se realiza sin rozamiento. por lo cual puede asumirse que no hay pérdida de carga, y por lo tanto la presión interior permanece constante y de igual magnitud a la atmosférica.. 1.1.3.2 COMPRESIÓN 1-2 (ADIABÁTICA) Al realizarse la compresión de manera muy rápida. podemos asumir que la mezcla aire-combustible no intercambia calor con el medio, por lo cual éste permanece constante.. 1.1.3.3 COMBUSTIÓN 2-3 (ISÓCARA) Al producirse la chispa. se genera una combustión instantánea que produce una cantidad de calor. Q l. en ese instante se puede asumir que el pistón aún no comienza su movimiento. por lo cual el volumen permanece constante.. 1.1.3.4 TRABAJO 3-4 (ADIABÁTICA) Debido a la rapidez de giro del motor. los gases quemados no tienen tiempo para intercambiar calor con el medio exterior por lo cual se considera que éste permanece constante durante esta etapa.. 1.1.3.5 PRIMERA FASE DEL ESCAPE 4-1 (ISÓCARA) En esta etapa se asume que la válvula de escape se abre de manera instantánea. por lo que la salida de los gases del interior del cilindro se hace a volumen constante. Al mismo tiempo que esto ocurre sucede una pérdida de calor Q2.. 1.1.3.6 SEGUNDA FASE DEL ESCAPE 1-0 (ISOBARA) Cuando el pistón se desplaza hacia el punto muerto superior expulsa los gases remanentes en el interior del cilindro. Al asumirse que no hay resistencia alguna para que estos gases sean expulsados a la atmósfera. la presión en el interior se mantiene constante y de igual magnitud a la atmosférica.. 1.1.4 CICLO DE OTTO REAL El ciclo real se diferencia del teórico en que el primero se considera para máquinas hipotéticas, las cuales no cuentan con problemas mecánicos. ni pérdidas energéticas, además de los gases con los que trabajan se consideran ideales. En la práctica, ni las transformaciones adiabáticas del ciclo de Ono son adiabáticas. ni las transformaciones isocoras del diagrama presentado en la figura 13. ?·L'. ~ lt. BlBLIOT-ECA ~(.STUDlos. '~ •. J'~. " 4":~-=- '°~\. f'. eAMr us. 'ó\.

(18) 21 tienen lugar a volumen constante. Las principales diferencias que existen entre el ciclo ideal o teórico y el real se describen a continuación. En primer lugar podemos mencionar que los gases que forman parte del ciclo no son en realidad gases ideales. sino una mezcla de gases y vapores. Por esto los gases que se utilizan en los motores de combustión interna no siguen las leyes de comportamiento de los gases ideales; estas leyes en su mayoría sólo aplican a gases sometidos a muy bajas presiones y temperaturas. mientras que en ciclo real las presiones y temperaturas son considerablemente más elevadas. Otra diferencia se encuentra en que en el ciclo ideal no se toman en cuenta las pérdidas de calor y en comparación con las que suceden en el ciclo real cuando una cierta parte del calor del fluido se transmite a las paredes del motor. este efecto causa que las líneas de compresión y expansión no sean adiabáticas sino politrópicas. El tiempo de abertura y cierre de las válvulas de admisión y escape es también diferente. ya que en el modelo ideal éstas se asumen que operan de manera instantánea. mientras que en el modelo real esto es fisicamente imposible. Es por esta razón que para poder sincronizar el ciclo las válvulas estas se abren con un tiempo de anticipación controlado por el módulo de control del motor aunque esto provoca finalmente una pérdida en el trabajo útil generado. Existen también pérdidas asociadas al bombeo de combustible ya que en la realidad existe un rozamiento en los conductos de admisión y escape del fluido activo, mientras que en el modelo real ambas etapas se realizan a presión constante. Para poder lograr que el rendimiento del ciclo ideal se asemeje lo más posible al ciclo real se controla el comienzo y la finalización de la entrada y salida del fluido activo con el propósito de alcanzar un mejor llenado y evacuación de los gases. Además de esto. también se ejecuta un adelanto del encendido de la chispa y de la inyección con el fin de compensar el tiempo necesario para lograr la combustión de la mezcla aire/combustible. En la figura 14 podemos observar de manera gráfica la diferencia en cuanto a eficiencia que existe entre el ciclo Otto teórico contra el real; en la figura el trabajo generado por el ciclo ideal se marca por la zona coloreada en rojo. mientras que el trabajo real generado en el ciclo se observa por la zona marcada en color azul (29]..

(19) 22. V1 PMS. \¡ V. PMI. Fig. 14 Comparación entre el ciclo 0110 ideal y real. 1.1.5 MODELADO DE SISTEMAS AUTOMOTRICES. 1.1.5.1 MODELADO CON UML La complejidad de sistemas en tiempo real embebidos se incrementa sin cesar, mientras el tiempo necesario para desarrollar los productos y llevarlos al mercado se vuelve cada vez menor. Es por eso que la ingeniería de modelado ha comenzado a ser utilizada como una propuesta para poder agilizar el diseño de aplicaciones en tiempo real. Actualmente existe una gran demanda en la generación de modelos ejecutables que cubren desde las etapas de diseño de las especificaciones hasta la implementación, soportando también las etapas de validación. Para el modelado de este tipo de sistemas existen lenguajes como UML y SysML que debido a que son lenguajes estandarizados y a que utilizan elementos gráficos para describir el comportamiento de un sistema facilitan la visualización de cada una de las acciones del sistema y la interpretación de los resultados. [9]. Un ejemplo de esta aplicación es el modelo propuesto por C. André y F. Malletpara [9] que describe el control de ignición y corrección de un motor de 4 tiempos. Utilizando UML y aplicando específicamente el estándar MARTE (Modeling and Analysis ofReal Time and Embedded systems por sus siglas en inglés) que permite introducir extensiones de UML para conceptos de tiempo, los autores proponen un modelo tomando en cuenta el ángulo de rotación del árbol de levas como variable para hacer las transiciones tal y como se muestra en la figura 15. Es importante mencionar que en el motor real la sucesión de las fases está dada por la posición del árbol de levas mientras que en este modelo las distintas posiciones angulares del árbol de levas se consideran instantes.

(20) 23 lógicos de un reloj denominado camClk cuyas unidades son por lo tanto ºCAM y tiene un rango de valores definidos de Oº a 360º con una resolución de 0.5. De acuerdo a esta primera máquina de estados cada una de las transiciones se activa después de 90ºCAM. stm <<timedProcessing>> 4StrokeEngineCycle { on :::: camClk}. •. > after 90. lntake. r. E,haust. after90 1>-----------¿. Comprn1ion '·1. ~--afterg()-- ·. Combuation. 1.~., I. Fig. 15 Diagrama de flujo del modelo del motor.. Posteriormente, en ese mismo trabajo, definieron una nueva variable de tiempo crkClk (crank clock) con unidades ºCRK y dado que un ciclo completo del motor de combustión interna requiere dos revoluciones del cigüeñal el valor máximo de esta variable es 720. Dado que el cigüeñal y el árbol de levas se encuentran mecánicamente relacionados es posible. entonces definir una relación entre ambas variables que miden el tiempo (crkClk y camClk) siendo que esta relación que el cigüeñal gira dos veces más rápido que el árbol de levas. 1. Instan! values (º CRK). i. ¡-----1. (O.O) 1. (0.5) 2. (1.0) 3. (1.5) 4. (2.0) 5. (2.5) 6 crkClk. Coincidence relation :. .. camClk 1 Instan! values _ _ (O.O) (° CAM). 2 (0.5). ,------~1. j. 3 (1.0) --- -. --------- ------------~. <<clockConstra,nt>> ( camClk = crkClk filteredBy Ob(10)}. Fig. 16 Relación entre Crank clock y Cam clock.. En la figura 17 podemos observar el diagrama que describe el comportamiento de la ignición. La primera acción determina el ángulo de la chispa que provoca la ignición mediante la búsqueda en una tabla basado en dos parámetros de entrada, el primero siendo la relación aire combustible y el segundo la velocidad actual del motor. Posteriormente la información es usada por el módulo de correcciones que toma en cuenta factores como la intensidad del golpeteo del cilindro. El valor corregido finalmente entra al módulo de adaptación que genera como respuesta el avance de la chispa real..

(21) 24. <<limedOuralionConstraint>> { dMIC1r1 < i'm }. Af: Alr/Fual Ratio l(J Knock lntenmry crt<Clk cnnk,haft Clod<. /llYV: Aavance KAW Kr-.ici< Aa:µoillOn lflnlow IIICtrt Mal tgmaon Canlrol CLM: CaTeded lgniion Advanc:e Azqe. RPM: Eng1n& 1peed. 8IAA: Bao,c lgno11on Advance Arq,e. +. Fig. 17 Relación entre Crank clock y Cam clock.. El modelado de motores de combustión interna tiene diversas áreas de aplicación, principalmente en el área de consumo de combustible y control de emisiones contaminantes, además de aplicaciones de seguridad, confort y mejoras al manejo de los automóviles. La mayoría de los vehículos modernos están equipados actualmente con motores de inyección indirecta de gasolina. En este tipo de motores el torque es controlado por la cantidad de mezcla aire / combustible que se introduce en cada cilindro en cada ciclo. Típicamente esta cantidad se controla modificando la presión de entrada y cambiando por ende la densidad de la mezcla aire / combustible. Es por este motivo que se utiliza una válvula mariposa para controlar la cantidad de aire que entra en el motor. Sin embargo, a pesar de que esta solución es bastante confiable y simple produce pérdidas de bombeo que se han descrito anteriormente en la sección 1.1.4 Ciclo Otto real. Por otro lado. en el ramo del modelado de motores de combustión interna existen ya varias publicaciones y libros que buscan describir el comportamiento de este tipo de motores para distintas aplicaciones. Un ejemplo de esto es el modelo propuesto por Jie y Wung [ 17], el cual es utilizado principalmente para realizar pruebas del tipo HIL (Hardware in the Loop) utilizando Matlab y Simulink. La aplicación propuesta por estos autores, tiene el objetivo principal de generar un modelo cuya simulación pueda ser utilizada para realizar pruebas de validación de los ECUs. El modelo propuesto consta de tres etapas y está basado en el modelo del valor medio con el fin de reducir la complejidad y la carga computacional. La primera etapa del modelo propuesto representa el flujo del aire a través de la válvula reguladora, este flujo de aire se asume como el mínimo calculado entre el flujo de masa de aire en la válvula mariposa de acuerdo al ángulo (a) de la válvula (ni 1 ) y el flujo de aire calculado de acuerdo a la velocidad del motor (m.2 )..

(22) 25. Donde las constantes Cau, Catz, Cat3 y Cat4 se han calculado mediante ajustes experimentales en el modelo. ~1 (a) es una función dependiente del ángulo de la mariposa mientras que ~ 2 (pr) es una función dependiente de la presión Pr . Esta presión es a su vez una relación entre la presión en el. múltiple de admisión y la presión ambiental. ~3 (n) es un parámetro de corrección de la velocidad del motor. beta1. f(u). TPS_a(deg). ~05 011. Fcn. Pr. X. P•mb(l<p•). c.11,c.12. m,n. Produd. Pr>Pc. 1. IIA"d'.gls). 0.002"u-3.5C,. X. G.1in. Cal31C•~ Gain1. Product1. bela3. Englne Throttl• Model Fig. 18 Diagrama de Simulink del cálculo del !lujo de aire de entrada del motor. Posteriormente en este modelo, se realiza el cálculo del flujo de aire de cada uno de los cilindros utilizando las ecuaciones 3 y 4, en la cual V5 representa el desplazamiento del motor, T¡ representa la temperatura en el múltiple de admisión. r la constante de los gases, s¡ es una constante dependiente de la estructura del motor, iO e ic representan el tiempo en que la válvula de entrada se encuentra cerrada y abierta respectivamente, p¡ es la presión en el múltiple de admisión y p 0 es la pérdida de presión que existe por la presión de escape del ciclo Otto. V ns¡ ( = 12orT; p¡ -. .. 5. map. .. mai. Po. ). . d V s¡ ( = fic ·0 ffiap t = -4rT¡ Pi 5. 1. (3). Po. ). (4). Para obtener el valor de la presión en el múltiple de admisión se sabe que el flujo de aire en el múltiple es la diferencia entre el flujo de aire que existe en la válvula mariposa y el flujo de aire en.

(23) 26 el puerto de entrada debido al principio de conservación de flujo en el motor. Utilizando la ecuación de los gases ideales la presión en el múltiple se obtiene de la siguiente expresión (5): .. P1 =. rT¡ (. y.. .. .. ffivalv - ffiap. ). (5). 1. Lookup T able_yi F cn1. M~i Ai1 Chaige lo Cylmde!(g). Lookup T able_S,. lnt.:ike Port Air M.iss Flow And Pressure. Fig. 19 Diagrama de Simulink de la presión en el múltiple de admisión. Finalmente en la última etapa de este modelo, se realiza el cálculo de la velocidad angular del motor utilizando para ello el bloque de generación de torque que se muestra a continuación en la figura 20. La expresión que se utiliza para el cálculo de la velocidad está dada por la ec. (6), donde n es la velocidad del motor, 1 es la inercia efectiva del motor, Hu es una constante del combustible (43000kJ/kg), n¡ es la expresión de eficiencia térmica en función de la velocidad del motor, la presión del múltiple de admisión y el ángulo de la chispa, Lth es la relación teórica de aire combustible (14.67), Pr son las pérdidas por fricción, Pp las pérdidas por bombeo, Pp las cargas externas, y Td es el retraso de tiempo que pasa desde la inyección a la generación del torque. .. n. = -Huni n¡ ( n, p, S) m,;alv(t-Tct) Lth. Pr(n)+Pp(n,p)+Pb(n) ni. (6).

(24) 27 Engine Torque. rpm/1000 to rad. Lo.ads. 3. Spark Advance. Fig. 20 Diagrama de Simulink cálculo d.:I torque. 1.1.5.2 SIMULADORES HIL Un simulador de HIL es en esencia un sistema de control cuyos componentes virtuales mandan a sus componentes físicos para el seguimiento de un sistema hipotético totalmente físico. Esto implica que las herramientas clave, tanto para la simulación HIL y control embebido son bastante similares. Los avances en el desarrollo de la simulación HIL han llevado a ampliar las aplicaciones en el diseño de control embebido debido a que permiten realizar simulaciones de sistemas antes de poseer los componentes físicos. En consecuencia. la simulación HIL puede ser un excelente marco para la creación de prototipos de control, calibración y validación. Actualmente el papel de la simulación HIL se ha ampliado en respuesta a una necesidad de estudiar los dispositivos físicos inmersos en los sistemas complejos, tales como los de aplicaciones médicas, automotrices, aeronáuticas y militares. La síntesis de sistemas avanzados incluye importantes piezas de hardware, como un motor de combustión interna, la transmisión de un automóvil, un misil o un torpedo. y apoya tanto el diseño y validación de componentes y sistemas completos. Como se ha mencionado anteriormente. los sistemas automotrices modernos son cada vez más complejo y las nuevas tecnologías ofrecen oportunidades sin precedentes para mejorar los atributos del vehículo, pero los beneficios dependen de la integración de nuevos componentes de una manera que maximiza las sinergias a nivel del sistema. Por lo tanto, la evaluación del potencial de las tecnologías aplicadas a estos sistemas y la optimización de sus diseños requiere de herramientas de análisis de sistemas eficaces. El estudio de nuevos conceptos depende en gran medida en las herramientas de simulación predictiva, ya que las decisiones a menudo tienen que hacerse antes de que los prototipos físicos estén disponibles..

(25) 28 El modelado de sistemas de motores se utiliza en el ámbito académico y de la industria pero principalmente en el diseiio y la calibración de controladores de transmisión y motor. Las investigaciones recientes en las Universidades de Bath y Wisconsin [14] por ejemplo. se han centrado en el desarrollo de dinamómetros hidráulicos con altos anchos de banda propicios para el trabajo del sistema de control. Del mismo modo. Fleming et al. [ 19] describe el desarrollo de una configuración de sistema de propulsión-in-the-Loop que permite el diseiio de control y la aplicación específicamente para los vehículos eléctricos híbridos. Por último. el Laboratorio Nacional de Argonne (ANL) está invirtiendo fuertemente en las capacidades HIL, y sirve como el sitio primario para la validación de la tecnología para el Departamento de Energía de Estados Unidos [20]. El enfoque de ANL es el que permite la comprobación de los distintos componentes del sistema de propulsión en un entorno simulado. Un trabajo reciente en el ANL también ha utilizado la simulación HIL para investigar soluciones para optimizar la relación entre la eficiencia del combustible y las emisiones de Nüx en un vehículo híbrido. Investigaciones en el Centro de Investigación Automotriz han producido un conjunto completo de herramientas de simulación de vehículos para el diseño y análisis de sistemas de vehículos avanzados. La plataforma de modelado del sistema resultante. denominado VESIM para la simulación del motor del vehículo. se ejecuta en SIMULINK con énfasis en la alta fidelidad de simulaciones de sistemas totalmente integrados. Esta plataforma ha sido posteriormente extendida y utilizada para la investigación de una serie de temas relacionados con la propulsión híbrida para camiones, como la evaluación de economía de combustible potencial para vehículos híbrido eléctricos. Como se ha podido observar en los trabajos anteriormente mencionados, la aplicación de diseño de sistemas basados en modelos y aplicaciones HIL tienen un amplio rango de aplicación en la industria automotriz debido a que permiten reducir el tiempo de desarrollo y la inversión que tienen que realizar las empresas automotrices en prototipos físicos ya que permiten la simulación y validación de los sistemas sin que muchas veces sean necesarios estos elementos durante las etapas tempranas del diseño. Es por esto que el modelo presentado en esta investigación resulta útil ya que permite realizar una simulación del comportamiento real de un motor de combustión interna utilizando únicamente las señales transmitidas por los distintos componentes del vehículo a través del bus CAN.. 1.2 HIPÓTESIS Es posible generar el modelo que describe adecuadamente el comportamiento del motor de combustión interna de un Ford Fiesta 2012 (14 1.6 Litros 120 HP) utilizando como parámetros de control las señales enviadas por las unidades de control electrónicas que operan en el bus CAN..

(26) 29. 1.3 OBJETIVOS. 1.3.1 OBJETIVOS GENERALES •. Desarrollar un modelo de un motor de combustión interna que permita evaluar y caracterizar el comportamiento de la velocidad angular del motor obteniendo los datos del vehículo por medio del bus CAN . El vehículo que se utiliza en este trabajo de Tesis es un Ford Fiesta SES 2012 ( l 20HP 1.6 Litros). 1.3.2 OBJETIVOS PARTICULARES •. Instrumentación e implementación del sistema que permita establecer la comunicación por medio del bus CAN con la computadora del auto por medio del software LabView.. •. Obtener los parámetros del motor que permitirá la modelación y validación del motor. Los parámetros a leer son:. o Porcentaje de apertura de la válvula mariposa o o o •. Revoluciones por minuto del motor A vanee de la chispa Lectura del sensor MAF. Validación del sistema ingresando datos reales del comportamiento del motor al modelo generado en LabView .. 1.3.3 ALCANCES Y LIMITACIONES •. En la implementación del sistema se empleará la conexión por el puerto 08011 del vehículo para la comunicación con CAN.. •. La adquisición de datos se realizará utilizando una tarjeta de High Speed CAN.. •. Los parámetros que no se puedan medir por limitaciones del vehículo (sensores y señales no disponibles) serán estimados y aproximados durante la modelación..

(27) 30. CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO. En este capítulo se describen ampliamente los principios de funcionamiento del protocolo CAN el cual es fundamental para la implementación del modelo del motor de combustión interna debido a que la arquitectura eléctrica del vehículo utilizado (Ford Fiesta SES 2012) se basa en este protocolo. A lo largo de este capítulo se enumeran los distintos tipos de tramas que se han definido en el protocolo CAN para el envío y recepción de datos además de los distintos mecanismos de detección de error que permiten que este protocolo sea ampliamente utilizado en aplicaciones de sistemas embebidos.. 2.1 METODOLOGÍA DE DISEÑO Al ser este trabajo un esfuerzo de diseño, es importante primero definir el tipo de metodología apropiada para desarrollar en sistema que cumpla con todos los requisitos que sean definidos. Una vez dicho esto. resulta fundamental primero definir qué es un sistema. De acuerdo a Draper Kaufmann, "un sistema consiste en una colección de partes las cuales interactúan entre ellas para funcionar como un todo". Otra definición más completa sobre lo que un sistema es la del Dr. W Edwards Deming: ''Un sistema es una red de componentes interdependientes que operan juntos con el fin de alcanzar el objetivo de este". Un elemento fundamental tocados por esta definición es que un sistema debe poseer un objetivo, sin él no existe un sistema. Para el desarrollo de este sistema se utilizará un enfoque basado en ingeniería de sistemas, el cual es definido por el Consejo Internacional de Ingeniería de Sistemas (INCOSE) por sus siglas en inglés) como un "enfoque interdisciplinario que permite la realización de sistemas exitosos''. Ahora bien. una vez que hemos definido el tipo de enfoque que se utilizará es necesario seleccionar el tipo de metodología o modelo que se utilizará para desarrollar el sistema. Debido a este enfoque. el modelo V presenta ventajas significativas al momento de diseñar sistemas robustos que cumplan finalmente con los requisitos que se plantean. un ejemplo de esto es el diseño de sistemas de freno ABS propuesto por Kumar en el cual se define primero la especificación del módulo ABS [23]. para posteriormente definir la lógica de operación de los componentes utilizados (llantas, sensores, bombas hidráulicas) y finalmente se diseña un modelo en Simulink que describa el comportamiento que el módulo debe de seguir. Posteriormente. utilizando también Simulink. se realizan las etapas de validación y calibración de los parámetros del modelo. Una de estas ventajas es que este modelo presenta iteraciones en varios niveles, lo que permite asegurar que cada uno de los requisitos definidos a alto nivel sea cumplido. En la figura 21 se muestra la representación gráfica del modelo V generalizado. En la parte izquierda de este modelo se representan los distintos niveles de entradas que se tienen para el diseño del sistema. Las principales características de este lado del modelo son que las entradas se van.

(28) 31. describiendo en cada uno de los niveles; cada uno de los requisitos del sistema es analizado primero a nivel sistema, posteriormente a nivel subsistema y finalmente a nivel componente, siguiendo la línea izquierda de la .. V" del modelo. Haciendo esto se asegura que ningún requisito sea omitido en cada nivel de implementación. Al dividir el sistema en elementos más pequeños o subsistemas se logra también que se puedan desarrollar los planes de verificación que se utilizarán en la parte derecha del modelo. Por otro lado, el lado derecho del modelo se centra en la integración desde los elementos más pequeños o componentes en subsistemas y posteriormente la integración de estos a un nivel superior o de sistemas y la respectiva validación de cada una de esas etapas. Es importante mencionar que al igual que la parte izquierda del modelo se realiza de manera iterativa por lo que no es posible avanzar a un nivel superior hasta que todos los requisitos cumplen con los criterios de verificación que se han definido.. Systems Engineering V • Underetand Unr Roquiremenb, Oevelop System Concept and. Demonstrale and VaJidate Syslem to User Villdatlon Plan. Villidallon Plan. Systems Engineering. Develop Syslem Pe!formance Speclflcatlon and Syslem. // lntegrate System and Pertom, Syslem Verfficallon to Perforl!lílnce Spe<:s. \l;llidallon Plan. // Expand System Perfonnance SpetJ lnto SUbsystem Deslgn Spec;s and 0..lgn Verification Plan. Evolve Deslgn Specs into Produttion Doc;umefltallon and lnspedion Plan. Design Engineering. Auemble Subsyslems and Perfonn Subsysllem Vetfflcallon t0Spec1. lnsped ID Produdlon. Documenbltion. ~ // ~---~-~ Fabric:ate, Aasemble, and Cocle ID Production Documentation. Fig. 21 Modelo V de ingeniería de sistemas [30]. 2.2 ANTECEDENTES DEL BUS CAN CAN (Control Area Network) por sus siglas en inglés es un protocolo de comunicación aplicado principalmente en la industria automotriz y el cual se encuentra estandarizado por la norma ISO 11898 [37). La industria automotriz ha presenciado el desarrollo de diversos sistemas electrónicos de control para aplicaciones de seguridad, confort y control de emisiones. Sin embargo en muchas ocasiones estos sistemas han presentado desventajas debido a las diferencias entre los tipos de datos de comunicación que varios sistemas pueden llegar a soportar, y también debido a la confiabilidad.

(29) 32 que los sistemas de seguridad requieren. Estas diferencias inclusive llegaron a causar que cada sistema fuera configurado en diferentes líneas del bus de comunicación resultando finalmente en más cantidad de arneses. Lo mencionado anteriormente causó la necesidad de reducir el número de arneses, transfiriendo grandes cantidades de información a alta velocidad vía múltiples LA Ns. Para poder satisfacer esta necesidad, BOSCH, una compañía de manufactura de equipo eléctrico alemana desarrollo en 1986 el protocolo de comunicación para la industria automotriz CAN. Posterionnente el bus CAN fue estandarizado por el organismo internacional ISO en las normas ISO 11898 e ISO 11519, estableciéndolo como el protocolo de redes en los vehículos en Europa. Actualmente CAN es ampliamente utilizado por su desempeño y confiabilidad a altas velocidades, además de que es utilizado en diversos campos como la industria aeroespacial. la médica y para la comunicación de equipo industrial.. 2.3 TOPOLOGÍA DEL BUS Existen dos diferentes niveles en los cuales el bus puede operar: nivel dominante (O lógico) y nivel recesivo ( 1 lógico), cualquiera de los cuales es asumido en determinado momento dependiendo de la información transmitida en el mensaje de CAN. El controlador de CAN determina el nivel del bus por la diferencia de potencial que existe entre las dos terminales que componen el bus. La unidad de transmisión puede mandar un mensaje a la unidad de recepción cambiando el nivel del bus.. Unidad de. Control Transceptor. Elec trón ica. Fig. 22 Diagrama de conexiones típico. 2.4 CARACTERÍSTICAS DE CAN El protocolo CAN cuenta principalmente con las siguientes características: 1) Multi-maestro Cuando el bus se encuentra en estado libre, todas las unidades que se encuentran conectadas pueden comenzar a mandar mensajes. La primera unidad que comienza la transmisión de un mensaje al bus tiene la prioridad de mandar el mensaje, en cambio cuando múltiples.

(30) 33 unidades comienzan la transmisión de mensajes al mismo tiempo, la unidad cuyo identificador (ID) posea la mayor prioridad le es asignada el derecho de transmisión. 2) Transmisión de mensajes En el protocolo CAN. todos los mensajes que contienen información son transmitidos en un formato predefinido. Cuando el bus no está ocupado, todas las unidades conectadas al bus pueden comenzar con la transmisión de mensajes. Sin embargo si dos o más unidades comienzan la transmisión al mismo tiempo, el derecho de transmisión se otorga dependiendo del identificador o ID. El identificador no indica el destino del mensaje. sino la prioridad de mensajes en cuyo orden el bus es accedido. El arbitraje se efectúa haciendo la comparación de los bits del ID que se describirá más adelante. La unidad que gana el proceso de arbitraje puede continuar mandando el mensaje, mientras que las demás unidades detienen el proceso de envío y pasan a un estado de recepción. 3) Sistema flexible Las unidades conectadas al bus no poseen una dirección lógica que los identifique. Gracias a esto, cuando una unidad es removida o añadida al bus, no existe la necesidad de modificar el software, el hardware o la capa de aplicación de ninguna unidad conectada al bus. 4) Velocidad de comunicación La velocidad de comunicación puede ser fijada de manera que pueda soportar el tamaño de la red. Dentro de una red, todas las unidades deberán tener la misma velocidad de comunicación configurada, de lo contrario se generará un error afectando la comunicación dentro de la red. 5) Solicitud de datos remota Es capaz de solicitar remotamente datos o información de otras unidades enviando una trama remota a esas unidades. 6) Detección, notificación y recuperación de errores Todas las unidades pueden detectar un error, cuando esto sucede la unidad que lo detecta inmediatamente notifica a las demás unidades sobre un error simultáneo. Si una unidad detecta el error mientras transmite un mensaje, automáticamente detiene la transmisión y notifica a las demás unidades. posteriormente se repite el proceso de transmisión hasta que el mensaje es transmitido correctamente. 7) Confinamiento de errores Existen dos tipos de errores dentro del bus. El primero se refiere a un error temporal donde la información dentro del bus se vuelve errática debido a ruido o a factores externos al bus, mientras que el segundo se refiere a un error continuo donde la información se vuelve errática debido a fallas internas de la unidad, del ''driver'', o debido a desconexiones. CAN posee una función que permite discriminar entre estos tipos de errores, esto permite.

(31) 34. disminuir la prioridad de comunicación de una unidad propensa a fallas con el fin de prevenir dificultades de comunicación con las unidades que operan normalmente. y en caso de errores continuos permite separar a la unidad que causa la falla del bus. 8) Conexión El bus CAN permite conectar múltiples unidades al mismo tiempo de manera que no hay un límite lógico al número de unidades que pueden estar conectadas. Sin embargo este número se ve limitada debido al tiempo de retraso y a la carga eléctrica del bus. De esta manera existe una relación directa entre el número de unidades conectadas y la velocidad de comunicación que puede utilizar el bus.. 2.SERRORES Una unidad conectada al bus siempre se encuentra en alguno de los siguientes estados descritos a continuación. Estos estados también pueden observarse en la figura 23.. 2.5.1 ESTADO DE ERROR ACTIVO.. En este estado la unidad puede participar en el proceso de comunicación dentro del bus de manera normal. Si la unidad en este estado detecta un error, transmite una bandera de error activo.. 2.5.2 ESTADO DE ERROR PASIVO.. Este estado es aquel donde la unidad en cuestión tiende a causar un error. Aunque la unidad en este estado puede participar en la comunicación dentro del bus, no puede notificar a las demás unidades de un error durante la operación de recepción con el fin de evitar dificultar la comunicación. Incluso. cuando la unidad en este estado ha detectado un error, se asumirá que no han ocurrido errores en el bus siempre y cuando las demás unidades en estado de error activo no lo detecten.. 2.5.3 ESTADO DE BUS APAGADO.. Este estado es aquel en el cual la unidad no puede participar en la comunicación con el bus ya que las operaciones de transmisión / recepción han sido desactivadas..

(32) 35. TEC>l27 OR. 11 bits recesivos. Fig. 23 Estados de error de una unidad.. Cada uno de estos estados de error es manejado por el contador de transmisión de error y el contador de recepción de error gracias a la combinación de estos valores de acuerdo a como se muestran en la Tabla 1. Estado de error Contador de error de transmisión (TEC) Contador de error de recepción (REC) 0-127 AND 0- 127 Error pasivo 128-255 128 -255 OR. Error activo. Bus apagado. :::256. ... -. Tabla 1. Valores de los contadores de errores de transm1s1ón/recepc1ón. Los valores de los contadores de error de transmisión y de recepción, se calculan de acuerdo a las condiciones que se describen en la Tabla 2. Es posible que múltiples condiciones sucedan en una sola operación de transmisión y recepción. El tiempo en el cual el contador de error aumenta su valor coincide con el primer bit de posición de la bandera de error.. No.. . · d e cam b'10 d e Ios con ta d ores d e error e onta d or d e error e on d 1cmnes ., d .. , d t .. , e transm1s1on 1 recepcmn. Cuando la unidad de recepción detecta un error. (Exceptuando el caso en que la unidad detecta un error cuando se encontraba mandando una bandera de error activo o de sobrecarga). e ransnusmn. Contador d de error e ., recepc1on + I.

(33) 36. 2. 3 4. 5. 6. 7. 8. Cuando la unidad de recepción ha detectado un nivel dominante en el primer bit que recibió después de enviar una bandera de error Cuando la unidad de transmisión detecta una bandera de error Cuando la unidad de transmisión detecta un bit de error mientras envía una bandera de error activo o sobrecarga Cuando la unidad de recepción detecta un bit de error mientras envía una bandera de error activo o sobrecarga Cuando cualquier unidad de recepción ha detectado un nivel dominante en 14 bits consecutivos desde el inicio de una bandera de error activo o sobrecarga y que además cada vez que la unidad ha detectado un nivel dominante en 8 bits consecutivos después de la primera condición. Cuando cualquier unidad de recepción ha detectado un nivel dominante en después de una bandera de error pasivo y que además cada vez que la unidad ha detectado un nivel dominante en 8 bits consecutivos después de la primera condición Cuando la unidad de transmisión envía un mensaje de manera normal (ACK recib ido y no errores detectados hasta la que se completa EOF). 9. Cuando la unidad de recepción envía un mensaje de manera normal (no errores detectados hasta la unidad puede regresar el ACK de manera satisfactoria). 10. Cuando la unidad en estado de bus apagado ha detectado un nive l reces ivo en 11 bits consecutivos 128 veces. ... -. +8. +8. -. +8. -. -. +8. +8. +8. +8. +8. -1 O cuando TEC=O. -. -. - 1 cuando 1 :::; REC :::; 127 O cuando REC = O Cuando REC > 127 un valor entre 119 y 127 se acumula en REC. Limpia su valor cuando TEC=O. Limpia su valor cuando TEC=O. . .. Tabla 2. Cond1c1om:s de cambio los contadores de errores de transm1s1ón/recepc1ón. 2.6 PROTOCOLO CAN El protocolo CAN es un protocolo de comunicaciones que utiliza una arquitectura de bus para la transferencia de mensajes. Este protocolo está estructurado de acuerdo a lo establecido en el modelo OSI en una arquitectura de dos capas. Las dos capas incluidas son la capa física y la capa de enlace de datos del modelo OSI [21]. La capa de enlace se divide en las subcapas MAC y LLC. La función de esta capa es unir las señales recibidas de la capa fisica en un mensaje que contenga el procedimiento para el control de transmisión de información. Esto incluye ensamblar los mensajes en una trama, arbitrando la colisión de datos, detectar y notificar errores y regresar el ACK..