Plataforma de información y Monitoreo de variables proporcionadas por un motor a combustión interna Fecha de envío: Fecha de recepción: Fecha de aceptación: 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
Plataforma de información y Monitoreo de variables proporcionadas por un motor a combustión interna Fecha de envío: Fecha de recepción: Fecha de aceptación: 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
Plataforma de información y Monitoreo de variables proporcionadas por un motor a combustión interna Fecha de envío: Fecha de recepción: Fecha de aceptación: 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.
Plataforma de información y Monitoreo de variables proporcionadas por un motor a combustión interna Fecha de envío: Fecha de recepción: Fecha de aceptación: 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.
Plataforma de información y Monitoreo de variables proporcionadas por un motor a combustión interna Fecha de envío: Fecha de recepción: Fecha de aceptación: 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]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 4 3 2 1 5 6 7 8 4. PROCESAMIENTO DIGITAL DE LA SEÑAL Plataforma de información y Monitoreo de variables proporcionadas por un motor a combustión interna Fecha de envío: Fecha de recepción: Fecha de aceptación: 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. DSW1(NO4) DSW1(NO3) DSW1(NO2) DSW1(NO1) 1 U6 RV1 OFF ON DSW1 DIPSW_4 55.0 2 VOUT 3 LM35 A0 50% 1k A1 R5 560R A4 U5 B3 B2 U2 U3 U4 B1 B0 S6010R S6010R S6010R S6010R B4 B5 B6 B7 LCD1 LM016L B0 B1 B2 B3 D5 D6 1N4007 D7 1N4007 D8 1N4007 B4 1N4007 B5 B6 B7 U1 13 OSC1/CLKI RC0/T1OSO/T1CKI 1 MCLR/VPP RC1/T1OSI/CCP2A RC2/CCP1 2 A0 RA0/AN0 RC3/SCK/SCL 3 A1 RA1/AN1 RC4/SDI/SDA 4 A2 RA2/AN2/VREF- RC5/SDO 5 A3 RA3/AN3/VREF+ RC6/TX/CK 6 A4 RA4/T0CKI RC7/RX/DT 7 RA5/AN4/SS/LVDIN 14 RA6/OSC2/CLKO RD0/PSP0 RD1/PSP1 33 RB0/INT0 RD2/PSP2 34 RB1/INT1 RD3/PSP3 35 RB2/INT2 RD4/PSP4 36 RB3/CCP2B RD5/PSP5 37 RB4 RD6/PSP6 38 RB5/PGM RD7/PSP7 39 RB6/PGC 40 RB7/PGD RE0/RD/AN5 RE1/WR/AN6 RE2/CS/AN7 R4R3 R2R1 PIC18F452 100R 100R 100R 100R 15 16 17 18 23 24 25 26 19 20 21 22 27 28 29 30 8 9 10 RX TX VSS VDD VEE RS RW E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 10 11 12 13 14 RX TX RXD TXD RTS CTS 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).
Plataforma de información y Monitoreo de variables proporcionadas por un motor a combustión interna Fecha de envío: Fecha de recepción: Fecha de aceptación: 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.
Plataforma de información y Monitoreo de variables proporcionadas por un motor a combustión interna Fecha de envío: Fecha de recepción: Fecha de aceptación: 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]
Plataforma de información y Monitoreo de variables proporcionadas por un motor a combustión interna Fecha de envío: Fecha de recepción: Fecha de aceptación: 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.
Referencias Plataforma de información y Monitoreo de variables proporcionadas por un motor a combustión interna Fecha de envío: Fecha de recepción: Fecha de aceptación: [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_DESEMPE NO_DE_UN_MOTOR_DE_COMBUSTION_INTERNA. [2] CKP "Crankshaft Position Sensor" (Sensor de Posición del Cigüeñal), 2014. [Online]. Available: http://ehtmotors.com/sensores.php?p=ckp [3] Hyundai, SENSOR ASSY-WATER TEMPERATURE - HYUNDAI (39220-3E200), 2016. [Online]. Available: http://www.hyundaioemparts.com/oe-hyundai/392203e200 [4] Indicador del nivel de combustible del automóvil ), 2016. [Online]. Available: http://www.sabelotodo.org/automovil/relojgasolina.html [5] Sensor, presión de aceite para RENAULT 2016. [Online]. Available: https://recambioscoche.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/conteni dos/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. [9] S. Banerjee, D. Sethia, T. Mittal, U. Arora, and A. Chauhan, Secure sensor node with Raspberry Pi, in IMPACT-2013, 2013, pp. 26 30. [10] Arduino + XBee - Primeros Pasos. https://hangar.org/webnou/wpcontent/uploads/2012/01/arduino-xbee-primeros-pasos.pdf. agosto de 2015. [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. [12] Digi International. XBee Multipoint RF Modules. http://www.digi.com/pdf/ds_xbeemultipointmodules.pdf.
[13] KYORITSU. Clamp Meter Operation. [2015]. [Online]. Aviable: www.kewltd.co.jp/en/support/mame_02.html