¿Qué es una ECU?
El uso del término ECU puede ser utilizado para referirse a una Unidad de Control del Motor, sin embargo ECU también se refiere a una Unidad de Control Electrónico, que es un componente de cualquier sistema mecatrónico de automoción, no sólo para el control de un motor.
En la industria del automóvil, el término ECU a menudo se refiere a una Unidad de Control del Motor (ECU), o un Módulo de Control del Motor (ECM). Si esta unidad controla tanto un motor como una transmisión, a menudo se describe como un Módulo de Control del Tren de Potencia (PCM).
Para los fines de este artículo, hablaremos de la ECU como una Unidad de Control del Motor.
¿Qué hace una ECU?
Fundamentalmente, la ECU del motor controla la inyección del combustible y, en los motores de gasolina, el momento de la chispa para encenderlo. Determina la posición de los componentes internos del motor mediante un sensor de posición del cigüeñal para que los inyectores y el sistema de encendido se activen en el momento preciso. Aunque esto suena como algo que puede hacerse mecánicamente (y así fue en el pasado), ahora hay algo más que eso.
Un motor de combustión interna es esencialmente una gran bomba de aire que se alimenta a sí misma usando combustible. A medida que se aspira el aire, hay que proporcionar suficiente combustible para crear la potencia necesaria para mantener el funcionamiento del motor y, al mismo tiempo, tener una cantidad útil para propulsar el coche cuando sea necesario. Esta combinación de aire y combustible se llama «mezcla». Demasiada mezcla y el motor estará a tope, demasiado poca y el motor no podrá impulsarse a sí mismo o al coche.
No sólo es importante la cantidad de mezcla, sino que la proporción de esa mezcla tiene que ser correcta. Demasiado combustible – demasiado poco oxígeno, y la combustión es sucia y derrochadora. Demasiado poco combustible – demasiado oxígeno hace que la combustión sea lenta y débil.
Los motores solían tener esta cantidad y proporción de mezcla controlada por un dispositivo de medición totalmente mecánico llamado carburador, que era poco más que una colección de agujeros de diámetro fijo (chorros) a través de los cuales el motor «aspiraba» el combustible. Con las exigencias de los vehículos modernos centradas en la eficiencia del combustible y la reducción de las emisiones, la mezcla debe estar más controlada.
La única manera de cumplir estos estrictos requisitos es entregar el control del motor a una ECU, la Unidad de Control del Motor. La ECU se encarga de controlar la inyección de combustible, el encendido y los componentes auxiliares del motor mediante ecuaciones y tablas numéricas almacenadas digitalmente, en lugar de por medios analógicos.
Gestión precisa del combustible
Una ECU tiene que lidiar con muchas variables a la hora de decidir la relación de mezcla correcta.
- Demanda del motor
- Temperatura del motor/refrigerante
- Temperatura del aire
- Temperatura del combustible
- Calidad del combustible
- Restricción variable del filtro
- Presión del aire
- Porcentaje de mezcla.
- Eficiencia de bombeo del motor
- Recirculación de los gases de escape (EGR)
- Convertidor catalítico y reducción catalítica selectiva
- Reacción de inyección de aire de escape (AIR)
- .
- Filtros de partículas diésel (DPF)
- Estratificación del combustible
- Inyección de aditivos de escape (como AdBlue)
- Control de emisiones evaporativas (EVAP)
- Turboalimentación y sobrealimentación
- Sistemas de tren motriz híbrido
- Control de válvulas variable (Como VTEC o MultiAir)
- Control de admisión variable
- Entrada
Esto incluye típicamente sensores de temperatura y presión, señales de encendido/apagado y datos de otros módulos dentro del vehículo y es cómo una ECU recoge la información que necesita para tomar decisiones. - Un ejemplo de una entrada sería un sensor de temperatura del refrigerante, o un sensor de posición del pedal del acelerador. Las solicitudes del módulo del sistema de frenos antibloqueo (ABS) también pueden ser consideradas, como para la aplicación del control de tracción.
- Procesamiento
- El procesador no sólo lee el software para decidir la salida adecuada, sino que también registra su propia información, como los ajustes de mezcla aprendidos y el kilometraje.
- Salida
La ECU puede entonces realizar una acción en el motor, permitiendo que la cantidad correcta de potencia controle los actuadores de forma precisa. - Estos pueden incluir el control de la anchura del pulso del inyector de combustible, la sincronización exacta del sistema de encendido, la apertura de un cuerpo de aceleración electrónico o la activación de un ventilador de refrigeración del radiador.
- Gestión de la potencia
- No sólo el voltaje tiene que ser correcto, pero algunas salidas tienen que manejar más de 30 amperios, lo que naturalmente crea una gran cantidad de calor. La gestión térmica es una parte clave del diseño de la ECU.
Estos requieren una serie de sensores para medir dichas variables y aplicarlas a la lógica en la programación de la ECU para determinar cómo compensarlas correctamente.
Un aumento de la demanda del motor (como la aceleración) requerirá un aumento de la cantidad global de mezcla. Debido a las características de combustión de los combustibles en uso, también requiere un cambio en la proporción de esta mezcla. Al pisar el pedal del acelerador, la aleta del acelerador se abrirá para permitir la entrada de más aire al motor. El aumento del flujo de aire que llega al motor es medido por el sensor de flujo de masa de aire (MAF) para que la ECU pueda cambiar la cantidad de combustible que se inyecta, manteniendo la proporción de la mezcla dentro de los límites.
No se detiene ahí. Para obtener los mejores niveles de potencia y una combustión segura, la ECU debe cambiar la relación de la mezcla e inyectar más combustible bajo el acelerador a fondo de lo que lo haría durante la marcha de crucero – esto se llama una «mezcla rica». Por el contrario, una estrategia de abastecimiento de combustible o un fallo que provoque que se inyecte una cantidad de combustible inferior a la normal daría lugar a una «mezcla pobre».
Además de calcular el abastecimiento de combustible en función de la demanda del conductor, la temperatura desempeña un papel considerable en las ecuaciones utilizadas. Dado que la gasolina se inyecta en forma de líquido, tiene que producirse una evaporación antes de que se produzca la combustión. En un motor caliente, esto es fácil de manejar, pero en un motor frío el líquido es menos probable que se vaporice y se debe inyectar más combustible para mantener la relación de la mezcla dentro del rango correcto para la combustión.
Flashback: Antes del uso de la ECU, esta función era gestionada por un «estrangulador» en el carburador. Este estrangulador era simplemente una trampilla que restringía el flujo de aire en el carburador aumentando el vacío en los surtidores para promover un mayor flujo de combustible. Este método era a menudo inexacto, problemático y requería un ajuste regular. Muchos eran ajustados manualmente por el conductor mientras conducía.
La temperatura del aire también juega un papel en la calidad de la combustión de forma muy similar a la variación de la presión atmosférica.
Perfeccionando la combustión
Dado que el motor de un coche pasa la mayor parte del tiempo en la aceleración parcial, la ECU se concentra en la máxima eficiencia en esta área. La mezcla ideal, en la que todo el combustible inyectado se quema y todo el oxígeno se consume en esta combustión, se conoce como «estequiométrica» o a menudo como «Lambda». En condiciones estequiométricas, Lambda = 1,0.
La Sonda de Oxígeno de los Gases de Escape (Sonda Lambda, Sonda O2, Sensor de Oxígeno o HEGO) mide la cantidad de oxígeno que queda después de la combustión. Esto le dice al motor si hay un exceso de aire en la relación de la mezcla – y, naturalmente, si hay un exceso o insuficiencia de combustible que se inyecta. La ECU lee esta medición y ajusta constantemente la cantidad de combustible inyectado para mantener la mezcla lo más cerca posible de Lambda = 1,0. Esto se conoce como funcionamiento en «bucle cerrado», y es una contribución importante a la eficiencia avanzada que se obtiene al utilizar las ECUs del motor.
Debido a las estrictas regulaciones de emisiones ahora en vigor, hay muchos otros sistemas en un motor que ayudan a reducir el consumo de combustible y/o el impacto medioambiental. Entre ellos se encuentran:
Cada uno de los sistemas anteriores afecta al funcionamiento del motor de alguna manera y como consecuencia necesita estar bajo el control total de la ECU.
¿Cómo funciona una ECU?
A menudo se hace referencia a una ECU como el «cerebro» del motor. Es esencialmente un ordenador, un sistema de conmutación y un sistema de gestión de la energía en una caja muy pequeña. Para funcionar incluso en un nivel básico, tiene que incorporar 4 áreas diferentes de operación.
Una vez que los datos han sido recogidos por la ECU, el procesador debe determinar las especificaciones de salida, como el ancho de pulso del inyector de combustible, según lo indicado por el software almacenado dentro de la unidad.
La ECU tiene muchos requisitos de potencia interna para que los cientos de componentes internos funcionen correctamente. Además de esto, para que muchos sensores y actuadores funcionen, la ECU tiene que suministrar el voltaje correcto a los componentes alrededor del coche. Esto podría ser sólo un constante 5 voltios para los sensores, o más de 200 voltios para los circuitos del inyector de combustible.
Función básica de la ECU
La primera etapa del funcionamiento de la ECU es, de hecho, la gestión de la energía. Aquí es donde se regulan varios voltajes y se gestiona el encendido de la ECU. La mayoría de las ECUs tienen una sofisticada gestión de la energía debido a la variedad de componentes en su interior, regulando con precisión 1,8V, 2,6V, 3,3V, 5V, 30V y hasta 250V, todo ello desde el suministro de 10-15V del coche. El sistema de gestión de la energía también permite a la ECU tener un control total sobre cuándo se apaga, es decir, no necesariamente cuando se apaga el interruptor de encendido.
Una vez que se suministran los voltajes correctos, los microprocesadores pueden comenzar a arrancar. Aquí el microprocesador principal lee el software de la memoria y realiza una autocomprobación. A continuación, lee los datos de los numerosos sensores del motor y los convierte en información útil. Esta información suele transmitirse a través del CANbus -la red informática interna de su coche- a otros módulos electrónicos.
Una vez que el microprocesador principal ha interpretado esta información, se remite a las tablas numéricas o fórmulas dentro del software y activa las salidas según sea necesario.
Ejemplo. Si el sensor de posición del cigüeñal muestra que el motor está a punto de alcanzar la máxima compresión en uno de los cilindros, activará un transistor para la bobina de encendido correspondiente. La fórmula y las tablas mencionadas anteriormente dentro del software harán que la activación de este transistor se retrase o se adelante en función de la posición del acelerador, la temperatura del refrigerante, la temperatura del aire, la apertura de la EGR, la relación de la mezcla y las mediciones anteriores que muestren una combustión incorrecta.
El funcionamiento del procesador principal dentro de la ECU y la activación de muchas salidas es supervisado por un microprocesador de monitorización – esencialmente un segundo ordenador que se asegura de que el ordenador principal está haciendo todo correctamente. Si el microprocesador de control no está satisfecho con algún aspecto de la ECU, tiene el poder de reiniciar todo el sistema o apagarlo por completo. El uso del procesador de monitorización se hizo imperativo con la aplicación del control del acelerador drive-by-wire debido a las preocupaciones de seguridad en caso de que el microprocesador principal desarrollara un fallo.
Diagnóstico de una ECU y periféricos
La complejidad de implementar todo este control, todas estas entradas y todas estas salidas requiere una capacidad de autodiagnóstico relativamente avanzada – el diagnóstico tradicional del motor se vuelve obsoleto. Las entradas y salidas de una ECU son supervisadas individualmente por el procesador, a menudo docenas de veces por segundo, para asegurar que están dentro de las tolerancias establecidas en el software. Si la lectura de un sensor queda fuera de estas tolerancias durante el periodo de tiempo predeterminado, se registra un fallo y se almacena un código de fallo para que el técnico lo recupere.
Códigos de fallo
Cuando se almacena un código de fallo en la memoria, normalmente se produce una derivación de parte de la lógica dentro del software con una reducción de la eficiencia del motor, aunque éste sigue siendo capaz de funcionar a un nivel básico. En algunas circunstancias, la rutina de autodiagnóstico descubre un fallo grave que impide fundamentalmente que el motor funcione, o apaga el motor en aras de la seguridad.
Con la gestión moderna del motor, el primer paso de diagnóstico de fallos para un técnico del vehículo es acceder a los códigos de fallo de la memoria de la ECU. Éstos suelen almacenarse como códigos alfanuméricos de 5 dígitos que comienzan con una P, B, C o una U, seguidos de 4 números. Los detalles de estos códigos y sus descripciones se pueden encontrar aquí: Códigos de Falla OBDII
Además de estos códigos, el técnico también puede ver los datos de los sensores en vivo a través de la herramienta de diagnóstico mientras el vehículo está funcionando. Esto les permite ver una lectura del sensor que es incorrecta, pero no fuera de la tolerancia por un margen suficiente para marcar un código de fallo.
Control electrónico del acelerador
Mucha gente cuestiona la necesidad del control del acelerador drive-by-wire. Introducido en los años 90, ahora se instala en casi todos los motores producidos hoy en día, pero ¿cuáles son las ventajas sobre un cable tradicional?
Hasta los años 80, la mayoría del control del acelerador/acelerador se gestionaba con un cable desde el pedal hasta el carburador. La velocidad de ralentí se ajustaba simplemente ajustando un tornillo para mantener la aleta del acelerador ligeramente abierta hasta que el motor rugía correctamente. Este sencillo método requería un ajuste regular de la velocidad de ralentí y era propenso a desviarse cuando un motor estaba frío o cuando varias piezas se desgastaban.
En la década de 1980, con la introducción generalizada de las ECU, se introdujeron las válvulas electrónicas de control del aire de ralentí, que resolvieron muchos de estos problemas, sin embargo, la ECU ahora controlaba parte del flujo de aire y, sin embargo, todos los demás componentes permanecían.
Con la eficiencia del funcionamiento del motor y la eficiencia en el ensamblaje del coche avanzando, se introdujo el control electrónico del acelerador. Esto aceleró la fabricación de un coche (no hay cables rígidos del acelerador que pasan a través del cortafuegos), eliminó la necesidad de una válvula de control del aire de ralentí y permitió a la ECU del motor un control adicional sobre el motor para mejorar la función EGR, mejorar el control sobre el apagado del motor y mejorar el arranque.
Una ventaja importante del control electrónico del acelerador es que la ECU puede ajustar el ángulo del acelerador durante la aceleración para complementar el flujo de aire real a través del motor. Esto mejora la velocidad a la que el aire pasa a través de la admisión y proporciona ganancias en el par motor y la conducción. Esto se conoce como torque-mapping y sólo es posible con el control electrónico del acelerador.
Adaptaciones
Los vehículos modernos se construyen con tolerancias mucho más estrictas que los del pasado, sin embargo, siguen siendo susceptibles a las variaciones de fabricación, el desgaste mecánico y los aspectos ambientales. Por ello, son capaces de adaptarse a cambios graduales en el funcionamiento del motor.
Ejemplo. Cuando un filtro de aire se bloquea por el polvo, la ECU puede poner en marcha el motor con una cantidad de inyección de combustible ligeramente reducida para compensar. Esto permite que funcione con la máxima eficiencia desde el arranque del motor, en lugar de empezar con los niveles de fábrica y trabajar hacia la mezcla óptima en cada viaje. Para ello, almacena los valores Lambda de los viajes anteriores.
Estas adaptaciones se aplican no sólo a los filtros de aire bloqueados, sino a muchos sistemas de un motor o transmisión. A medida que los componentes de los sistemas hidráulicos se desgastan, requieren cambios en la sincronización de la activación de los solenoides para compensar. Del mismo modo, a medida que el motor se desgasta en su totalidad, la capacidad de ser una bomba de aire se deteriora ligeramente y el ángulo de apertura de la aleta del acelerador tendrá que cambiar para mantener la velocidad de ralentí correcta.
La línea de tiempo de la ECU
1970
Los ECUs comenzaron simplemente controlando un par de solenoides en los carburadores para hacerlos funcionar más eficazmente. Algunos empezaron a controlar la mezcla al ralentí.
1980s
Con la introducción de la inyección de combustible, la ECU asumió un nuevo papel de ser completamente responsable de la gestión del combustible y el encendido de los motores de gasolina.
Pronto se incluyó el control Lambda de bucle cerrado y la ECU comenzó rápidamente una nueva era en la eficiencia del motor.
1990s
La ECU estaba ahora manejando la seguridad del vehículo. También empezaba a aparecer en los motores diésel, lo que contribuyó en gran medida al éxito del motor turbodiésel durante las dos décadas siguientes.
Década de 2000
La adopción del control del acelerador Drive-by-Wire, el control del turbocompresor y numerosos sistemas de emisiones, todo ello bajo el estricto control de la ECU.
Década de 2010 y posteriores
La ECU tiene ahora un control total sobre la combustión de la mezcla, la apertura del acelerador, el sistema de refrigeración y los sistemas de emisiones. Puede tener más de cien entradas y salidas y forma parte de una red de docenas de otras unidades de control electrónico dentro del vehículo. Los sistemas híbridos dependen de la comunicación con la ECU para funcionar, mientras que las funciones de asistencia a la conducción se comunican para tomar el control de la demanda del motor cuando es necesario.