RESUMEN
El objetivo de este estudio fue realizar una evaluación detallada de los componentes internos de una ECU de la marca KIA para garantizar su correcto funcionamiento. La metodología empleada consistió en el enfoque cuantitativo- experimental, lo cual permitió la verificación minuciosa de capacitores, resistencias, MOSFET y demás elementos internos, seguida de la activación de la computadora utilizando una batería de 12V. También, se realizaron pruebas de generación y diagnóstico de señales de CKP con un circuito, un potenciómetro y un cable auxiliar, así como de comunicación OBD en K-Line y CAN Bus. Los resultados obtenidos resaltaron la eficacia del proceso de banqueo y la funcionalidad óptima de los componentes internos de la ECU en la marca KIA. Por ende, se concluyó que estas pruebas para el mantenimiento y diagnóstico preciso de sistemas automotrices fueron de gran importancia para la comprensión y manipulación de las ECUs en la gestión del motor.
Descriptores: Evaluación; componentes; activación; simulación; pruebas. (Tesauro UNESCO).
ABSTRACT
The objective of this study was to perform a detailed evaluation of the internal components of a KIA ECU to ensure its correct operation. The methodology employed consisted of a quantitative-experimental approach, which allowed the thorough verification of capacitors, resistors, MOSFETs and other internal elements, followed by the activation of the computer using a 12V battery. Also, CKP signal generation and diagnosis tests were performed with a circuit, a potentiometer and an auxiliary cable, as well as OBD communication in K-Line and CAN Bus. The results obtained highlighted the effectiveness of the bench process and the optimal functionality of the internal components of the ECU in the KIA brand. Therefore, as a conclusion, these tests for the accurate maintenance and diagnosis of automotive systems were of great importance for the understanding and manipulation of ECUs in engine management.
Descriptors: Evaluation; components; activation; simulation; tests. (UNESCO Thesaurus).
INTRODUCCIÓN
Debido a que el área de diagnóstico automotriz ha ido evolucionando a la par con las últimas tecnologías en control electrónico y la necesidad de reparar ECUS en nuestro país, se hace indispensable una herramienta de diagnóstico, que identifique el funcionamiento adecuado de estas para tener la certeza de que debe ser reparada o no. En el caso Vidal et al. (2019), trabajaron con la tecnología Arduino, la cual constituye “un sistema de computación con la integración directa de las áreas de hardware y software para el diseño e implementación de soluciones” (p. 378). Según Henríquez, (2010), Arduino constituye una “plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en software y hardware flexibles y fáciles de usar” (p. 64).
En nuestro medio, existen talleres donde no se tiene conocimiento adecuado de electrónica automotriz, por ende, hay muchas ocasiones donde problemas en el automóvil son atribuidos a las ECUS así como también problemas del tipo electrónico, por cuanto ya no sólo se necesita experiencia como era la mecánica tiempo atrás. Hoy en día, es necesaria una variedad de equipos de diagnóstico como lo es el scanner, osciloscopio, etc. En este sentido, un banco para ECUS se convierte en una herramienta necesaria en el momento de identificar problemas con estos módulos y poder repararlos. De acuerdo con Carrion (2022):
Una importante organización industrial de ingeniería y seguros reveló recientemente que más del 30% de sus pérdidas totales fueron resultado de problemas eléctricos y mecánicos. La temperatura es uno de los indicadores más comunes de la salud estructural de los equipos y componentes”. (p. 182)
Vega et al. (2020) afirman que “el enfriamiento, ventilación y filtrado de aire son los tres sistemas críticos en la operación de un centro de datos o centro de procesamiento de datos (CPD)” (p. 88). Durante casi un siglo el encargado de suministrar combustible al motor fue el carburador, el cual consistía en un sistema de inyección totalmente mecánico que funcionaba por un sistema de palancas y principios físicos de flujo de aire. Este, al ser un sistema de baja presión de combustible, cada cierto tiempo exigía ser afinado y sincronizado y cuando el vehículo se encendía en las mañanas resultaba sumamente contaminante.
Gracias a la incorporación de sensores y actuadores, en el motor se pudo reemplazar al vetusto carburador, para así, dar paso a la inyección electrónica. Este avance tecnológico permitió una dosificación exacta del combustible, a la vez que se pudo variar el tiempo de inyección, reduciendo así los gases producidos por la combustión. En el caso del sistema de inyección multipunto, este constituye un sistema muy implementado en los vehículos actuales, debido a que se obtiene una mejor mezcla, a la vez que logran una dosificación más rápida y eficaz. De la misma forma, al sustituir al carburador por inyectores, se modifican los sistemas de admisión para obtener unas corrientes de aire más adecuadas para optimizar el flujo de aire hacia el motor y así lograr un mejor llenado de los cilindros. López et al. (2022) sugieren el uso de los mapas de motor, ya que “las zonas de consumo de combustible en el mapa de motor determinan el comportamiento del motor en diferentes lugares de desempeño del vehículo” (p. 44).
Desde la aparición de los primeros sistemas de inyección electrónica de combustible, la ECU es la encargada de gestionar todos los parámetros de funcionamiento del vehículo. Finalmente, en la actualidad se está implementando variación del sistema de inyección electrónica multipunto, tales como los sistemas de inyección directa de combustible (GDI). La principal diferencia entre un sistema GDI y un sistema de inyección electrónica de combustible convencional es la disposición del inyector, ya que este pasa de estar colocado en el múltiple de admisión a estar alojado en la cámara de combustión.
Todos estos cambios ayudaron a que la eficiencia de los motores se incrementara y que el consumo del combustible disminuyera. Según Agredo et al. (2015), hoy en día, es de suma importancia ir a la par con la tecnología a fin de mejorar las invenciones en el área de la electrónica y la automatización. Simbaña et al. (2016) manifiestan que “en la actualidad, la industria automotriz impulsa nuevas tecnologías y soluciones prácticas con el propósito de mejorar el rendimiento, comodidad y la seguridad en los automóviles” (p. 2). Villada et al. (2007) expresan que “el par electromagnético es otro de los métodos nuevos y no convencionales de diagnóstico de fallas en las máquinas rotativas que buscan evitar la parada y desmontaje de la máquina” (p. 80). De este modo, de acuerdo con Guanipa y Guillen (2007), “la intervención del ingeniero, como caso particular el ingeniero mecánico sus objetos de trabajo van más allá de lo que tradicionalmente se ha concebido como el ejercicio profesional de la ingeniería” (p. 108).
En la actualidad, la electrónica está muy presente en los vehículos, tanto en la gestión del motor, así como en la seguridad y confort del conductor. Por lo que los técnicos, tecnólogos e ingenieros automotrices deben estar preparados para diagnosticar y reparar estos sistemas de gestión electrónica. Por ende, es indispensable que dentro de la formación profesional se cuente con una herramienta que nos permita visualizar e interactuar con la ECU, la cual se encarga de la gestión del funcionamiento del motor.
La ECU es el componente más importante dentro del sistema de gestión electrónico de combustible en un vehículo, debido a que se encarga de recopilar varios parámetros de funcionamiento del vehículo mediante los sensores, tales como: temperatura del motor (ECT), presión atmosférica (MAP), flujo de aire (MAF), temperatura del aire (IAT), revoluciones del motor (CKP) etc. Por lo que es indispensable conocer cómo recopila estos datos y qué señales envía a los diferentes actuadores incorporados en un motor.
En la mayoría de los vehículos la ECU está ubicada en lugares de difícil acceso, por lo que se hace imposible el diagnóstico de esta. Desde esta visión, nace la necesidad de contar con un banco de pruebas para simular el funcionamiento de una ECU fuera del vehículo.
El desafío es crear una solución para probar y diagnosticar ECUs, abordando la generación de señales CKP y la comunicación OBD, en una variedad de vehículos. En cuanto al OBD (On Board Diagnostics), Rodríguez et al. (2018) expresan que su objetivo principal “ha sido el control de los gases emitidos por los automóviles y de sus efectos en el medio ambiente” (p. 31).
El objetivo de esta investigación fue realizar una evaluación detallada de los componentes internos de una ECU de la marca KIA para garantizar su correcto funcionamiento mediante el desarrollo de un sistema para probar y diagnosticar ECUs, enfocándose en señales CKP, comunicación OBD en K-line y CAN Bus, aplicable a diversos vehículos, con y sin inmovilizadores.
MÉTODO
En el área de diagnóstico automotriz, se observa una creciente necesidad de herramientas para ECUs debido a la evolución de las tecnologías de control electrónico. En este sentido, se identifican patrones en la falta de conocimiento de electrónica automotriz en algunos talleres, y la atribución incorrecta de problemas a las ECUs. Se formula la hipótesis de que un banco de pruebas para ECUs sería una herramienta esencial para identificar y reparar problemas. La recopilación de datos sobre la evolución tecnológica y la importancia de la gestión electrónica en los vehículos respaldan esta hipótesis.
La premisa general establece que la gestión electrónica del motor es esencial en los vehículos actuales. La teoría propone que la falta de herramientas adecuadas de diagnóstico para ECUs puede dificultar la reparación de vehículos y afectar su funcionamiento. Se proponen pruebas y experimentos para desarrollar un sistema de diagnóstico de ECUs, enfocándose en la generación de señales CKP y CMP, así como en la comunicación OBD en K-line y CAN Bus. Los resultados obtenidos se verifican a través de pruebas controladas y experimentos para determinar la viabilidad y eficacia del sistema de diagnóstico propuesto.
Por otro lado, se consideran los componentes para realizar el banco de pruebas, aplicando los conocimientos aprendidos en los módulos de autotrónica, sistema de escaneado para diagnóstico y sistemas automotrices especiales.
Vale destacar que la información actualizada y validada de banco de pruebas de Ecu´s se obtuvo a partir de fuentes secundarias como manuales, sitos webs y repositorios de otras universidades.
Se llevó a cabo una exhaustiva inspección de todos los pines de la ECU para asegurar su adecuado banqueo. Además, se diseñó un circuito de simulación con relés y luces LED para simular la activación de las bobinas de encendido mediante pulsos generados desde un scanner, observando la respuesta del circuito en un protoboard.
La investigación también se basó en la indagación de papers, artículos científicos de los diferentes componentes electrónicos, que consta en un banco de pruebas de ECU´s, el mismo que opera de una manera correcta al ponerlo a prueba.
En el nivel descriptivo, se determinó que la falla de un elemento puede traer consigo altos costos económicos, por esta razón, es importante realizar una prueba en la que se pueda establecer las consecuencias, lo cual se obtendrá al producirse un fallo en el componente principal como lo es en los componentes internos de la ECU.
RESULTADOS
Dentro de la figura 1, se obtiene información detallada sobre los valores que entran y salen de la ECU. Como entradas, se incluye la recepción de información de sensores, específicamente los sensores utilizados en este proyecto: CKP, ECT y la recepción de información de OBDII. Además, se registra una entrada de alimentación de 12V y, por último, las conexiones a tierra o negativos.
Figura 1. Información relacionada con la Unidad de control electrónica.
Elaboración: Los autores.
Después del procesamiento de los datos internos en la ECU, se obtienen diversas salidas. Entre estas salidas se encuentran los controles de los diferentes actuadores. En este proyecto, específicamente, se obtuvo como salida la señal de las bobinas de encendido representadas en el protoboard creado. Asimismo, se registra la salida de voltaje de referencia para los sensores y, por último, la comunicación con el scanner.
Figura 2. Constitución de la ECU.
Elaboración: Los autores.
En base a la figura 2, la constitución de la ECU se compone de cuatro bloques específicos que desempeñan roles distintos:
· Bloque de Fuente: Este circuito protege el módulo y mantiene un nivel de tensión estable en su interior. Además, proporciona la fuente de alimentación de la ECU, ajustando el voltaje de suministro para garantizar el funcionamiento adecuado de todos los componentes y actuadores del vehículo.
· Bloque de Procesamiento: Esta sección alberga la lógica operativa del módulo, incluyendo la memoria que almacena los datos de funcionamiento y el procesador responsable de operar los controles y señales del mismo. Esencialmente, este bloque comprende el circuito del procesador, la memoria y cualquier otro circuito necesario para ejecutar el software.
· Bloque de Drivers: Estos componentes se sitúan entre las salidas del microprocesador y los diferentes elementos que deben ser activados. Su función es actuar sobre los componentes de potencia, como las bobinas de encendido, inyectores y relés, entre otros.
· Bloque de Periferia o Entrada: Este bloque consiste en el conjunto de circuitos que reciben las señales antes de que estas lleguen al microprocesador dentro de la ECU. Estos circuitos procesan las señales antes de que sean tratadas por el microprocesador principal.
Memoria de la ECU
La RAM se emplea para almacenar temporalmente información volátil que el procesador utilizará para llevar a cabo cálculos y otras operaciones lógicas. En ella se guardan los códigos de fallas.
Por otro lado, la ROM requiere un programa o software almacenado en una memoria de valor fijo y no volátil, lo que significa que es una memoria de solo lectura. En la ROM se almacenan datos individuales, curvas, campos característicos y otros datos invariables que son esenciales para el funcionamiento del vehículo y que no pueden ser modificados durante su servicio.
Tipos de fallas en computadoras automotrices
· Fallas Físicas
o Punto de soldadura agrietado o corrosión por óxido en los componentes electrónicos de la ECU, los cuales han sido fijados por medio de soldaduras
o Pista quemada, una pista quemada puede llevar a una falla continua del sistema de inyección por sobrecarga, la cual provoca quemadura en el área de la pista
o Transistor averiado estos tienden a dejar de funcionar porque reciben demasiado voltaje o no reciben suficiente corriente para funcionar.
o El microprocesador este tipo de falla es la más crítica debido a que el microprocesador es el componente principal de la ECU, al cual no se le encuentra fácilmente debido a que es exclusivo de cada fabricante.
· Fallas lógicas
o Se generan en la base de datos del programa interno, por lo que no es necesario desarmar la ECU
o La reprogramación ocurre cuando se ha encontrado fallas en los sistemas de control del motor; consiste en actualizar la información del microprocesador
Pines de la ECU
De acuerdo con la figura 3, las ECUs (Unidades de Control del Motor) de los vehículos automotores tienen una variedad de pines que cumplen funciones específicas en el sistema de gestión del motor.
Figura 3. Pines de la ECU.
Elaboración: Los autores.
Aunque la disposición de los pines puede variar según el fabricante y el modelo del vehículo, aquí hay algunas funciones comunes que suelen estar presentes en los pines de una ECU:
· Alimentación: Los pines de alimentación proporcionan la energía necesaria para que la ECU funcione correctamente. Por lo general, se conectan a la batería del vehículo y suelen ser de 12V.
· Tierra: Estos pines están conectados al chasis y proporcionan un camino de retorno para la corriente eléctrica. Son fundamentales para el correcto funcionamiento de la ECU y otros componentes eléctricos del vehículo.
· Señales de los sensores: Los pines de entrada reciben señales de varios sensores del motor, como el sensor de posición del cigüeñal (CKP), el sensor de posición del árbol de levas (CMP), el sensor de temperatura del refrigerante (ECT), el sensor de oxígeno (O2), entre otros.
· Salidas a actuadores: Los pines de salida envían señales a los actuadores del motor, como los inyectores de combustible, las bobinas de encendido, la válvula de ralentí, entre otros, para controlar su funcionamiento.
· Comunicación: Algunas ECUs tienen pines dedicados a la comunicación con otros sistemas del vehículo, como el sistema de diagnóstico a bordo (OBD), a través de protocolos como K-Line y CAN Bus.
Es importante tener en cuenta que la disposición exacta de los pines y sus funciones pueden variar según el diseño y la aplicación de la ECU en un vehículo particular. Por lo tanto, es recomendable consultar el diagrama de cableado específico del fabricante del vehículo para obtener información detallada sobre los pines de la ECU. A continuación, las figuras 4, 5, 6, 7, 8 y 9 muestran los pines utilizados para el banqueo de ECU.
Figura 4. Pines conectados para el banqueo.
Elaboración: Los autores.
Figura 5. Terminales de diagnóstico.
Elaboración: Los autores.
Figura 6. Pines utilizados en el diagnostico efectuado.
Elaboración: Los autores.
Figura 7. Terminales de diagnóstico.
Elaboración: Los autores.
Figura 8. Circuito creado para simulación de bobinas de encendido.
Elaboración: Los autores.
Figura 9. Distribución de pin.
Elaboración: Los autores.
Se diseñó un circuito para simular el funcionamiento de las bobinas de encendido con el objetivo de confirmar el éxito del proceso de banqueo de la ECU. Este circuito demostró la capacidad de utilizar un escáner para generar señales de activación que pueden ser enviadas por la ECU hacia las bobinas de encendido. Así lo muestra la figura 10.
Figura 10. Ubicación y ejemplificación de bobinas de encendido en un vehículo.
Elaboración: Los autores.
Las figuras 11 y 12, muestran el OBD BRAKE BOX, el cual se refiere a un dispositivo diseñado para interactuar con el sistema de diagnóstico a bordo (OBD) de un vehículo y realizar pruebas relacionadas con el sistema electrónico del vehículo.
Figura 11. OBD BRAKE BOX con su diagrama específico.
Elaboración: Los autores.
Figura 12. OBD BRAKE BOX pines utilizados.
Elaboración: Los autores.
Según la figura 13, para la implementación efectiva del sistema de gestión electrónica del motor, se requirió la simulación precisa de la señal de un sensor de posición del cigüeñal (CKP). Con este fin, se ha desarrollado un circuito especializado que permite la captura directa de la señal desde el vehículo correspondiente, la cual es posteriormente registrada en formato de audio a través de una interfaz computacional.
Figura 13. Simulación de sensor CKP con circuito implementado.
Elaboración: Los autores.
DISCUSIÓN
Al realizar mediciones detalladas de resistencias y voltajes en los distintos componentes eléctricos internos de la ECU, junto con rigurosas pruebas de funcionamiento, se identificó una desconexión a tierra en un MOSFET crucial. Esta anomalía condujo a diagnosticar que la ECU no estaría emitiendo señales de inyección para el cilindro número 3. Asimismo, al evaluar los voltajes de salida de varios sensores y actuadores, se constató que se encontraban significativamente por debajo de los niveles esperados, al igual que las conexiones a tierra de algunos componentes. Se presume que la raíz de la falla en esta ECU radica en un defecto en el sistema de puesta a tierra.
Sin embargo, se lograron realizar todas las conexiones necesarias para activar la ECU, lo cual representó un avance significativo para acceder al sistema con la asistencia de un escáner. Para garantizar un proceso sin contratiempos, se realizó una prueba preliminar utilizando un escáner básico. Esto permitió verificar que la ECU almacenaba varios códigos de falla, confirmando así el correcto funcionamiento de la memoria de errores. Una vez confirmada la conexión de la ECU, se procedió a acceder al sistema utilizando un escáner más avanzado. Con este dispositivo, se logró simular la operación de las bobinas de encendido del vehículo en cuestión. Además, se utilizó un osciloscopio para analizar la forma de onda de la red CAN, tal como se señala en la figura 14.
Figura 14. Comprobación de resistencia de red CAN con medición de onda en osciloscopio.
Elaboración: Los autores.
CONCLUSIONES
El proyecto ha demostrado un entendimiento de las complejidades de las ECUs y su papel vital en el sistema de gestión del motor de los vehículos. A través de la investigación detallada y la implementación de circuitos especializados, se logró simular con éxito el funcionamiento de componentes como las bobinas de encendido, validando así el proceso de banqueo de la ECU.
Las pruebas rigurosas realizadas, incluyendo mediciones detalladas de resistencias y voltajes, han revelado anomalías cruciales como la desconexión a tierra en un MOSFET, proporcionando una comprensión más profunda de las posibles fallas en la ECU. Esta identificación de problemas es fundamental para el mantenimiento y la resolución de fallos en vehículos modernos.
En resumen, este proyecto ha contribuido significativamente al avance en la comprensión y manipulación de las ECUs para la gestión del motor, estableciendo una base para futuras investigaciones y aplicaciones en el campo de la ingeniería automotriz.
FINANCIAMIENTO
No monetario.
AGRADECIMIENTOS
Gracias a todos los especialistas que nos brindaron las asesorías respectivas para la ejecución de la investigación.
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