Plataforma de información y Monitoreo de variables proporcionadas por un motor a combustión interna
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PLATAFORMA DE MONITOREO DE VARIABLES PARA UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
VARIABLE MONITORING PLATFORM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE
A. Juan David Gutiérrez Rincón B. Julián Esteban Pinzón Cruz.* C. Henry Montaña
Resumen: De acuerdo a la propuesta del Ing Germán Sicachá Rojas; en el laboratorio de
mecánica de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas
(U.D.F.J.C) se desarrolla un sistema que permite al usuario observar y analizar de manera no
invasiva el estado de un motor de combustión a gasolina ya que revisa ciertas partes del
motor mientras este se encuentra en funcionamiento, estas mediciones son interpretadas y
mostradas por una unidad central de procesamiento de manera que sean entendibles para el
usuario y a su vez, este pueda tomar las acciones necesarias para realizar el correcto
mantenimiento preventivo y/o correctivo del motor.
El funcionamiento del motor puede ser observado desde una caja de control ubicada en la
parte superior del mismo o en un dispositivo móvil que este dentro del laboratorio de
mecánica por medio de una conexión a internet.
Palabras clave: Electrónica, electrónica de potencia, mecánica, monitoreo de variables,
motor de combustión interna, micro-controladores, Raspberry pi.
Abstract: According to the proposal by the Ing Germán Sicachá Rojas; on the mechanics
laboratory of the faculty of technology, District University Francisco José de Caldas
(U.D.F.J.C) develops a system that allows the user to watch and analyze the Internal
combustion engine status of a non-invasive way because it check some parts if the engine;
this is interpreted and displayed by a central processing unit, so that, the user can understand
it; and, in turn, he can take the necessary actions to perform the correct preventive and/or
corrective maintenance of engine.
Engine performance can be observed from a control panel located in the upper part of the
engine or a mobile device located in the mechanics laboratory through an internet
connection.
Key Words: Electronics, power electronics, mechanics, monitoring variables, internal
combustion engine, microcontrollers, Raspberry pi.
1. INTRODUCCIÓN
Con el fin de lograr un desarrollo tecnológico, se deben liderar proyectos de investigación
que permitan aportar y consolidar resultados de investigación técnica y tecnológica que con
lleven a cuantificar el potencial de los diferentes tipos de sistemas de control.
Con base en los anterior se ha desarrollado e implementado una plataforma de información y
monitoreo de variables, según la norma OBD I y II para el motor de combustión a gasolina
que se encuentra en el laboratorio de mecánica de la Facultad Tecnológica de la Universidad
Distrital Francisco José de Caldas, donde sus principales objetivos son la medición de
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distintas variables que se dan al momento que el motor está en funcionamiento las cuales
son: la temperatura que se presenta en el boque del motor, el nivel de gasolina del tanque de
combustible, la presión de aceite y el paso de corriente por las bugías, las revoluciones por
minuto (RPM) del motor y la velocidad del automotor. Estos datos obtenidos de la medición
de las distintas variables se visualizan tanto en una LCD de dos filas dieciséis columnas
(2x16) como en una página web.
El funcionamiento de dicha plataforma se basa en los datos obtenidos por sensores
electrónicos, los cuales serán tratados un micro-controlador para ser visualizados sea a una
interfaz gráfica conformada por un Display o enviados a una Raspberry Pi la cual sirve como
servidor web de modo que la información pueda ser visualizada en dispositivos portables que
se encuentren en el interior del laboratorio de mecánica para que el usuario tenga acceso al
momento de hacer cada prueba.
2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Con el fin de mejorar el funcionamiento del motor a combustión a gasolina que se encuentra
en el laboratorio de mecánica de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas, además de estandarizarla según la norma OBD I y II, se ha hecho
un reconocimiento de los distintos déficits que tiene la máquina, los cuales son:
La temperatura que se presenta en el bloque del motor.
El nivel de gasolina del tanque de combustible.
La presión de aceite y el paso de corriente por las bugías.
Las revoluciones por minuto (RPM) del motor y la velocidad del automotor.
2.1 Metodología
Se propone un sistema que permite monitorear las variables que proporciona un motor a
combustión interna tales como: temperatura, revoluciones por minuto del motor (RPM’s),
velocidad, nivel de gasolina, presión de aceite, corriente de las bugías, y además controlar la
temperatura del motor, las señales generadas están acondicionadas para que el
microcontrolador las adquiera con precisión. El diagrama se muestra en la Fig. 1. Los datos
que adquiere el microcontrolador son visualizados en una LCD y se transmiten mediante
dispositivos XBee® para ser revisados por el usuario mediante un dispositivo portátil que se
encuentre dentro del laboratorio.
Figura 1. Diagrama de Bloques
3. Montaje experimental
3.1 Temperatura del motor
La temperatura del motor se adquiere a través del sensor ASSY-WATER 39220, este sensor
puede detectar temperaturas de - 40° a 151° este sensor tiene una baja impedancia de
salida, su salida lineal y su precisa calibración hace posible que esté sensor sea instalado
fácilmente en un circuito de control. Este sensor se incorporó al paso del agua del motor para
así obtener su temperatura, el sensor funciona con 5 voltios, es una resistencia variable
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lineal, lo que asegura una linealizacion del sensor y unos datos precisos, se puede ver en la
Fig. 2.
Figura 2. Sensor ASSY-WATER 39220 [3]
La información obtenida del sensor se envía al microcontrolador para su procesamiento,
visualización y envió
3.2 Revoluciones por minuto (RPM’s)
Par la obtención de las RPM’s no se utiliza ningún tipo de sensor, solamente se toma la
señal emitida del negativo de la bobina del motor que va conectada al distribuidor, esta señal
es un pulso que da las RPM’s de forma directa y de la manera más precisa posible, este
pulso tiene una amplitud de 5V, para el manejo de esta señal se conecta a la salida del
conversor análogo digital del microcontrolador. En la Fig. 3. Se puede observar un esquema
se toma la señal para su tratamiento.
Figura. 3. Borne negativo de la bobina [fuente propia]
3.3. Velocidad del motor
Para esta parte del proyecto se utilizo un sensor de efecto hall situado en el eje de la caja de
cambios, el sensor hall es sencillo de utilizar, se coloca el sensor cerca del eje y en el eje se
pone un imán que va a proporcionar un campo magnético para que el sensor hall se active
cada vez que da un giro el eje, ya obteniendo un pulso del sensor hall el cual se envía al
microcontrolador, en el micro controlador lo que se hace para que este pulso obtenido por el
sensor hall se convierta en velocidad, más adelante se mostraran las ecuaciones necesarias
para el cálculo de la velocidad lineal.
Con esta operación lo que se hace es tomar el pulso que llega del sonsor hall se guarda en
la variable rpm, a continuacion se halla la velocidad angular del motor (w), y esta velocidad
se multiplica por el radio del eje y se obtendia la velocidad lineal del motor y estaria lista para
visualizarla.
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3.4. Nivel de gasolina del motor
Para mantener el control en todo momento de la cantidad de combustible disponible se
desarrolló esta etapa de censado, con un sensor resistivo en forma de flotador lo que resulta
muy útil al medir un recipiente de líquido ya que cuando se esté vaciando el flotador bajara y
cambiara la resistencia eléctrica del sensor y viceversa a continuación se visualiza un
modelo del sensor utilizado en la Fig. 4.
Figura 4. Esquema del sesnor resistivo [4]
3.5 Presión de aceite
Todos los vehículos utilizan en el panel de instrumentos un indicador visual que puede ser un
foco o un indicador de presión para alertar al conductor en caso de que exista baja presión
de aceite en el sistema de lubricación, ya que la baja presión de aceite es un problema serio
ya que para mantener lubricadas las partes en movimiento y evitar el desgaste, es necesario
mantener cierta presión en el motor, por eso se implementó una pera de presión de aceite
que se puede observar en la Fig.5.
Figura 5. Pera presión de aceite Renault [5]
Este sensor nos va a indicar cuando hay presión de aceite y su funcionamiento es el
siguiente, cuando el motor está apagado no hay presión de aceite lógicamente, la pera de
presión se comporta como un circuito abierto y cuando se enciende el motor comienza a
haber presión de aceite en este momento la pera cambia de estado “cerrando el circuito” y
como la pera esta puesta en el motor el estado que tendría es de GND, ya teniendo los 2
estados entregados por la pera de presión de aceite se envían los datos al microcontrolador
para la visualización y posteriormente para enviarlos.
3.6. Corriente bugías
Para el monitoreo de la corriente de las bugías de planteo un circuito que consiste en el cable
que va a cada una de las bugías se le implementa una bobina que capta el flujo magnético
generado por la intensidad que fluye atreves del conductor Asumiendo que la intensidad que
fluye por el conductor que se mide es el primario del transformador, se obtiene, por la
inducción electromagnética, una corriente proporcional a la del primario en el secundario
(bobina) del transformador, que está conectado al circuito de medición del instrumento esto
proporciona la lectura de intensidad, como se observa en la Figura 6.
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Figura 6. Diagrama de bloques para transformador de corriente [13].
Las bobinas que se crearon para el monitoreo son muy sencillas ya que se conoce la
corriente que circula por I(A) que es de 80A, y la variable N es de 4, de esa manera se
obtiene la corriente de salida decente para ser tratada.
Además, esta forma se obtiene cuando pasa corriente por el cable de la bugía sin interferir
en el circuito que realiza la misma, ya que se obtuvieron muchos problemas al querer
monitorear directamente sobre la bugía por medio de una punta logia e intercambiando de
una a otra por un SCR, se encontraba un problema cuando se monitoreaban 3 al mismo
tiempo el motor no respuesta bien porque no le llegaba a las bugías el voltaje necesario para
su funcionamiento. De esta manera con boninas se puede hacer un monitoreo más limpio y
preciso sin afectar el funcionamiento del motor, el circuito se encuentra acoplado en la parte
superior del motor como se observa en la Fig. 7.
Fig.7. Monitoreo de corriente bugias [Fuente propia]
3.7. Control de temperatura
Para el control de la temperatura se utilizó una pera termostática que fue situada en el
radiador del automóvil, el funcionamiento de esta pera es similar al de la pera de aceite
cuando llega a la temperatura de 75°c el ventilador se enciende para evitar el
recalentamiento del motor, en la Fig.8. Se puede observar un diagrama del funcionamiento
de la pera termostática.
Figura 8. Pera termostatica [Fuente propia]
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MCLR/VPP1
RA0/AN02
RA1/AN13
RA2/AN2/VREF-4
RA3/AN3/VREF+5
RA4/T0CKI6
RA5/AN4/SS/LVDIN7
RE0/RD/AN58
RE1/WR/AN69
RE2/CS/AN710
OSC1/CLKI13
RA6/OSC2/CLKO14
RC0/T1OSO/T1CKI15
RC2/CCP117
RC3/SCK/SCL18
RD0/PSP019
RD1/PSP120
RD2/PSP221
RD3/PSP322
RD4/PSP427
RD5/PSP528
RD6/PSP629
RD7/PSP730
RC4/SDI/SDA23
RC5/SDO24
RC6/TX/CK25
RC7/RX/DT26
RB0/INT033
RB1/INT134
RB2/INT235
RB3/CCP2B36
RB437
RB5/PGM38
RB6/PGC39
RB7/PGD40
RC1/T1OSI/CCP2A16
U1
PIC18F452
RXD
RTS
TXD
CTS
DSW1(NO1)DSW1(NO2)DSW1(NO3)DSW1(NO4)
B0B1B2B3
B2 B1 B0B3U2S6010R
U3S6010R
U4S6010R
U5
S6010R
D5
1N4007
D6
1N4007
D7
1N4007
D8
1N4007
OF
FO
N
1234
8765
DSW1DIPSW_4
R1100R
R2100R
R3100R
R4100R
B4B5
B7B6
B4
B5
B6
B7
RXTX
RX
TXA0A1A2A3A4
55.0
3
1
VOUT2
U6
LM35
A0
50%
RV1
1k
A1A4
R5560R
D7
14D
613
D5
12D
411
D3
10D
29
D1
8D
07
E6
RW
5R
S4
VS
S1
VD
D2
VE
E3
LCD1LM016L
4. PROCESAMIENTO DIGITAL DE LA SEÑAL
En este bloque es considerado una unidad de procesamiento computacional o CPU el cual
interpreta para el usuario la información obtenida por el conjunto de sensores. El sistema
consta de un microcontrolador PIC18F452 y una Raspberry PI. El PIC18F452 detecta el
estado (uno o cero) de siete (7) entradas digitales detecta el estado de las bujías , la presión
de aceite, las RPM’s del motor y la velocidad del mismo (kilometraje); cuatro salidas digitales
son usadas para la activación de las puntas lógicas las cuales informan a la CPU el estado
de las bujías (si circula corriente a través de las bujías o no), por último se tienen dos (2)
sistemas de conversión análogo-digital (ADC) los cuales miden el nivel de gasolina y la
temperatura de este; en la Fig. 9. se muestra una simulación del sistema.
Figura 9. Simulación del sistema [fuente propia]
4.1 Funcionamiento de la CPU
A diferencia de otros microcontroladores; el PIC18F452 solo puede ejecutar una función a la
vez (no puede trabajar por RTOS); de modo que se le pide al PIC que solo haga algunas
funciones a tiempo real dando de modo que se obtenga un retraso mínimo en la información.
A continuación se va a hacer un resumen de la parte de sensorica utilizada, y el
funcionamiento en cuanto a la parte digital.
Partiendo de lo anterior, la primera tarea del PIC es el monitoreo del estado de las bujías;
esto es, el microcontrolador activará cada una de los circuitos y esperara hasta un máximo
de un segundo (1s) a que la punta lógica detecte e informe el paso de corriente por la bujía;
en caso de no recibir información, el PIC guardara el estado de la bujía como un cero; en
caso contrario como un uno.
Una vez detectado el estado de las cuatro bujías el microcontrolador mide la temperatura, el
nivel de gasolina, las RPM’s del bloque del motor y el kilometraje de este; esta información
es mostrada en tiempo real durante cuatro segundos aproximadamente.
Las Revoluciones del bloque del motor son calculadas partiendo de un tren de pulsos de la
bobina este tren de pulsos es acondicionado para poder ser interpretado por el sistema
Análogo-Digital del PIC.
La velocidad del motor se calcula al colocar un sensor de efecto HALL A1302 cerca de un eje
del motor el cual tiene unido un imán. El microcontrolador espera a que el sensor informe que
el imán ha pasado cerca de este; luego el PIC calcula el tiempo (T) en milisegundos que el
imán tarda en pasar cerca del sensor lo que sería una vuelta de la llanta; hecho esto se
calculan las RPM’s del eje (ecuación 1), luego se calcula la velocidad angular del mismo
(ecuación 2) y por último la velocidad lineal del motor basándose en el radio (r) del eje del
motor a trabajar (ecuación 3).
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El nivel de gasolina se detecta por medio de una cisterna inmersa en Ecuación el tanque
de gasolina; de acuerdo con la posición del flotador, la cisterna enviara un nivel de voltaje el
cual será adquirido por el ADC del PIC siendo 0V la ausencia de gasolina y 5V cuando el
tanque este lleno. El nivel de gasolina (Nvg) se expresa como el porcentaje de la capacidad
máxima del tanque y su fórmula se muestra en la ecuación 4.
La temperatura del motor es calculada a partir de la diferencia de potencial entre una
resistencia y el termistor el cual otorga valores resistivos lineales, de modo que estos valores
pueden ser adquiridos y traducidos como si de un LM35 se tratase; la ecuación que utiliza el
PIC18F452 para medir y calcular la temperatura se muestra a continuación en la ecuación 5.
Una vez adquirido toda la información el PIC18F452 publica los datos a la LCD partiendo de
la información que el usuario desee observar; luego este envía esta información por
comunicación serial a una XBee la cual reenvía lo recibido a la Raspberry PI, este sistema
que trabaja principalmente como servidor web publica la información recibida en una página
web la cual solo puede ser visitada por cualquier dispositivo conectado al modem del
laboratorio.
La Raspberry PI se basa en un código que es ejecutado al iniciar el sistema operativo de
este; dicho código se encarga de habilitar el sitio web contenido en el dispositivo y de
publicar al PIC la IP de la Raspberry; a continuación se ejecuta un programa el cual espera a
que llegue alguna información de la XBee; una vez se recibe la información del PIC se
procede a guardar o sobrescribir los datos (dependiendo el caso) en un archivo de texto cuya
información será publicada en internet a continuación en la Fig.10, se puede ver un
pantallazo que muestra el índex de la página web en el momento que la Raspberry no ha
recibido ningún tipo de información del PIC, de modo q este asume que el motor no está
trabajando.
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Figura 10. Visualización por medio de sitio web [Fuente propia]
4.2 Comunicación entre la Raspberry PI y el PIC18F452
La comunicación entre los dos dispositivos digitales se conforma por dos módulos de
comunicación Xbee Pro de la Serie 2 (ver Fig. 10); estos son dispositivos de comunicación
inalámbrica de bajo consumo de energía los cuales pueden trabajar hasta una frecuencia de
2.4GHz en un radio de treinta metros (30m) sin perder información o recibir ruido durante la
comunicación; trabajan bajo el protocolo de comunicación IEEE 802.15.4.
Figura. 10. Módulo de comunicación Xbee
Para poder comunicar los dispositivos se debe primero programar los dispositivos de
comunicación; esto se realiza mediante el software X-CTU conectando un módulo de
comunicación y estableciendo una ID para el dispositivo y una ID de destino (ver Fig. 11) la
información solo sea leída por los módulos de comunicación predefinidos por medio de este
software
Figura 11. X-CTU [Fuente propia]
Una vez configurados los módulos; estos, son conectados tanto al PIC como a la Raspberry.
La conexión del Xbee con el microcontrolador es igual que una conexión UART
conectándose el Tx del PIC al pin Data In del módulo y el Rx al Data Out del módulo (Ver
Fig.12).
Figura. 12 Conexión Xbee con PIC18F452[Fuente propia]
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Para la Raspberry, solo basta con conectar el modulo al puerto USB del dispositivo para que
este identifique una entrada UART e iniciar la respectiva comunicación (Ver Fig. 13).
Figura 13. Conexión Xbee con Raspberry Pi [8]
Agradecimientos
El presente trabajo de tesis primeramente me gustaría agradecer a ti Dios por la bendición
para llegar hasta este punto; se agradecer de manera especial al Ing. Os Henry Montaña, por
la ayuda prestada en este proyecto adelante bajo su dirección, También se agradece al
compañero y laboratorista de mecánica Nicolas por las pautas dadas sobre el funcionamiento
y comportamiento del equipo manejado.
Conclusiones
El funcionamiento del motor, sobretodo la dinamo utilizada para cargar la batería,
genera un ruido tanto eléctrico como electromagnético el cual afecta el funcionamiento
adecuado del microcontrolador; para ello se dejó este último completamente aislado
del motor y se aseguró que ninguna conexión entre el motor y el PIC18F452 llevase
una información o señal eléctrica.
Se encontró que la comunicación con los Xbee tiene una excelente cobertura dentro
del laboratorio a pesar de todo el ruido electromagnético que pueda producirse dentro
del laboratorio gracias a que la velocidad de comunicación de los módulos se
encuentra a nivel de micro-ondas y por ende, la información no puede ser confundida
ni interferida por el ruido de los sistemas del laboratorio que son mucho más pequeño.
Se recomienda al monitorear la corriente de las bugías no interferir en el circuito
realizado por automotor, si no por el contrario medir las corrientes de manera externa
como lo haría una pinza amperimétrica.
Cualquier sistema eléctrico o electrónico conectado a la batería del motor puede llegar
a afectar al funcionamiento de este pues todos los elementos del motos están
diseñador para utilizar en total una corriente mayor a los 60A y se corre el riesgo de
que se pida más corriente de la posible entregada si se llega a conectar otro elemento
eléctrico.
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Referencias
[1] J. Hernandez, “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA UNIDAD ELECTRÓNICA PARA CONTROLAR EL DESEMPEÑO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA,” 2010. [Online]. Available: https://www.academia.edu/6357347/Trabajo_de_Tesis_en_Ing._Electronica_-_DISENO_E_IMPLEMENTACION_DE_UNA_ECU_PARA_CONTROLAR_EL_DESEMPENO_DE_UN_MOTOR_DE_COMBUSTION_INTERNA.
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[3] Hyundai, “SENSOR ASSY-WATER TEMPERATURE - HYUNDAI (39220-3E200)”, 2016. [Online]. Available: http://www.hyundaioemparts.com/oe-hyundai/392203e200
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[5] “Sensor, presión de aceite para RENAULT” 2016. [Online]. Available: https://recambios-coche.oscaro.es/sensor-presion-de-aceite-renault-clio-162-638-gf
[6] “SENSORES ELECTRICOS”, 2014. [Online]. Available: http://nipponpower.mx/foro/showthread.php/74805-Sensores-electricos
[7] R. Aristizabal “Diseño y contrucion de un sistema electrónico de información y monitoreo de un automóvil” 2006. [Online]. Available: http://www.unipamplona.edu.co/unipamplona/hermesoft/portalIG/home_1/recursos/tesis/contenidos/pdf_tesis/28032007/monitoreo_de_automovil.pdf
[8] S. Jain, A. Vaibhav, and L. Goyal, “Raspberry Pi based interactive home automation system through E-mail,” in 2014 International Conference on Reliability Optimization and Information Technology (ICROIT), 2014, pp. 277–280.
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[11] lexixco andres. configuración del modulo Xbee pro serie 2. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=FiBeyfFB4gQ. Publicado el 28 de mayo de 2013.
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[13] KYORITSU. Clamp Meter Operation. [2015]. [Online]. Aviable: www.kew-ltd.co.jp/en/support/mame_02.html