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Estudio y optimizaci�n del efecto del mapeado de una ECU sobre el desempe�o y emisiones generadas por un veh�culo liviano evaluado en el Ciclo de Conducci�n de Riobamba

 

Study and optimization of the mapping effect of an ECU on the performance and emissions generated by a light vehicle evaluated in the Riobamba Driving Cycle

 

Estudo e otimiza��o do efeito de mapeamento de uma ECU sobre o desempenho e as emiss�es geradas por um ve�culo leve avaliado no Ciclo de Condu��o Riobamba

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: paul.montufar@espoch.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de mayo de 2022 *Aceptado: 12 de junio de 2022 * Publicado: 24 de julio de 2022

 

1. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo (ESPOCH), Riobamba, Ecuador.
2. Investigador independiente, Ecuador.
3. Investigador independiente, Ecuador.
4. Instituto Superior Tecnol�gico Tungurahua, Ambato, Ecuador.

Resumen

El presente� estudio� busca� dar� soluci�n al problema al que se enfrentan los� veh�culos� cuando� son� enviados� con� una� progra- maci�n� est�ndar de la ECU a lugares� cuya topograf�a� y dem�s aspectos� ambientales� son diferentes� fuertemente al sitio bajo� el cu�l se realiz� el mapeado� original� de la computadora, en vista de� que� esto� puede� ocasionar� un� incremento� innecesario� sobre el consumo� y emisiones� generadas al ambiente,� lo �ptimo� ser� siempre� considerar� un� ciclo� de� conducci�n� apropiado,� de� tal manera que� se� ajuste� lo� m�s� fielmente� posible� a� la� geograf�a de� aplicaci�n.�� El� objetivo�� de� la� investigaci�n�� fue� modificar los par�metros de la inyecci�n de combustible� en el motor implementando una� unidad� de control� programable, con el fin de� evitar� el� consumo� excesivo de� combustible,�� bas�ndonos�� en que� los� fabricantes de� autom�viles� no� realizan� estudios� de� la zona� en� la� cual� va� a� funcionar el veh�culo.� Est� modificaci�n tuvo como soporte� los datos� recopilados del funcionamiento del motor� en� rutas�� previamente� establecidas�� dentro�� de� la� ciudad de Riobamba, dentro� de dicha� trayectoria se recopilo los datos obtenidos� mediante� un� analizador de gases tomando� en cuenta diferentes estados del motor para de esta forma determinar cu�les etapas son eficientes y cu�les no, de esta manera se obtuvo curvas de� torque� y potencia� tanto� antes� y despu�s� de� la� modificaci�n de los mapas� de funcionamiento de la inyecci�n electr�nica� del motor,� para� de� esta� manera analizar los resultados� obtenidos. La� unidad� de control� electr�nica� programable seleccionada� fue Megasquirt 2 Pro, misma que se acoplo a los diferentes� sensores y actuadores del sistema� de inyecci�n del veh�culo,� se utiliz� el software� TunerStudio MS para� la modificaci�n de los diferentes par�metros de� funcionamiento para�� lograr�� el objetivo� de� una optimizaci�n� del combustible. Como resultado se obtuvo la disminuci�n de consumo de combustible de 0,265 a 0,1786 galones en el trascurso de la ruta� y una reducci�n del 8 % en la potencia del motor, los datos que se obtuvieron permitieron realizar nuevos mapas� para� disminuir el consumo de combustible� y emisiones de gases contaminantes.

Palabras Clave: Unidad� de control� programable; tunerstu- dio ms (sofware);� gesti�n electr�nica;� an�lisis� de gases; tacogen- eradores;� tr�fico� vehicular;� emisiones contaminantes.

 

Abstract

The present study seeks to solve the problem that vehicles face when they are sent with a standard ECU programming to places whose topography and other environmental aspects are strongly different from the site under which the original computer mapping was carried out. Given that this can cause an unnecessary increase in consumption and emissions generated into the environment, the optimal thing will always be to consider an appropriate driving cycle, in such a way that it adjusts as closely as possible to the geography of application. The objective of the research was to modify the parameters of fuel injection in the engine by implementing a programmable control unit, in order to avoid excessive fuel consumption, based on the fact that car manufacturers do not carry out studies of the area in which which vehicle will run. This modification was supported by the data collected from the operation of the engine on routes previously established within the city of Riobamba, within said trajectory the data obtained was collected by means of a gas analyzer taking into account different states of the engine in order to determine which stages are efficient and which are not, in this way torque and power curves were obtained both before and after the modification of the operation maps of the electronic injection of the engine, in order to analyze the results obtained. The selected programmable electronic control unit was Megasquirt 2 Pro, which was coupled to the different sensors and actuators of the vehicle's injection system, the TunerStudio MS software was used to modify the different operating parameters to achieve the objective of a fuel optimization. As a result, a decrease in fuel consumption was obtained from 0.265 to 0.1786 gallons in the course of the route and an 8% reduction in engine power, the data obtained allowed new maps to be made to reduce fuel consumption. and polluting gas emissions.

Keywords: Programmable control unit; tunerstudio ms (software); electronic management; gas analysis; tachogenerators; Vehicular traffic; polluting emissions.

 

Resumo

O presente estudo busca solucionar o problema que os ve�culos enfrentam quando s�o enviados com uma programa��o padr�o da ECU para locais cuja topografia e outros aspectos ambientais s�o muito diferentes do local em que foi realizado o mapeamento computadorizado original, visto que isso pode causar um aumento desnecess�rio de consumos e emiss�es geradas no meio ambiente, o ideal ser� sempre considerar um ciclo de condu��o adequado, de forma que se ajuste o mais pr�ximo poss�vel � geografia de aplica��o. O objetivo da pesquisa foi modificar os par�metros de inje��o de combust�vel no motor implementando uma unidade de controle program�vel, a fim de evitar o consumo excessivo de combust�vel, baseado no fato de que as montadoras n�o realizam estudos da �rea em que o ve�culo correr�. Esta modifica��o foi suportada pelos dados coletados a partir do funcionamento do motor em rotas previamente estabelecidas dentro da cidade de Riobamba, dentro da referida trajet�ria os dados obtidos foram coletados por meio de um analisador de gases levando em considera��o diferentes estados do motor a fim de determinar quais etapas s�o eficientes e quais n�o s�o, desta forma foram obtidas curvas de torque e pot�ncia antes e depois da modifica��o dos mapas de funcionamento da inje��o eletr�nica do motor, a fim de analisar os resultados obtidos. A unidade de controle eletr�nico program�vel selecionada foi o Megasquirt 2 Pro, que foi acoplado aos diferentes sensores e atuadores do sistema de inje��o do ve�culo, o software TunerStudio MS foi usado para modificar os diferentes par�metros operacionais para atingir o objetivo de otimiza��o de combust�vel. Como resultado, obteve-se uma diminui��o no consumo de combust�vel de 0,265 para 0,1786 gal�es no decorrer do percurso e uma redu��o de 8% na pot�ncia do motor, os dados obtidos permitiram que novos mapas fossem feitos para reduzir o consumo de combust�vel e as emiss�es de gases poluentes.

Palavras-chave: Unidade de controle program�vel; tunerstudio ms (software); gest�o eletr�nica; an�lise de gases; tacogeradores; Tr�fego de ve�culos; emiss�es poluentes.

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Introducci�n

�En el patio automotor se encuentran veh�culos cuyos sis- temas no permiten llevar a cabo variaciones en el software de �la �computadora. Esto� con �el �prop�sito de �optimizar el rendimiento del veh�culo, ya sea en el �rea de la potenciaci�n o �en� situaciones en� donde la� gasolina es� reemplazada por combustibles alternos. Los responsables en dise�ar y alma- cenar las programaciones en la ECU de un veh�culo toman datos generales de �una� regi�n teniendo en �cuenta diversas condiciones �ambientales,� desde �altas �temperaturas� situadas en zonas costeras a temperaturas de congelaci�n, presi�n atmosf�rica sobre el nivel del mar o ciudades situadas a considerables alturas. El actual proyecto t�cnico se orienta a la reprogramaci�n de ECUs para la creaci�n de un mapa que per- mita obtener par�metros m�s eficientes para el funcionamiento de un veh�culo en la ciudad de Riobamba. Este estudio tiene como objetivo sustituir la programaci�n de f�brica incorporada en �la �unidad de �control programable del� veh�culo para de esta manera incorporar un mapa que nos permita optimizar las acciones del motor en un lugar en espec�fico.

 

Metodolog�a

Materiales y m�todos

La etapa previa de la investigaci�n consisti� en realizar la b�squeda de informaci�n acerca de estudios previos relaciona- dos con el tema de emisiones de gases vehiculares y repro- gramaci�n de centralitas de veh�culos, t�cnicas, estrategias y herramientas para realizar la medici�n de gases y conseguir los factores de emisi�n de los veh�culos.

 

Prueba din�mica bordo

Para la realizaci�n del proyecto se emple� el m�todo de ensayo de la prueba din�mica transitoria a bordo, para conocer las emisiones contaminantes del veh�culo implementado en la investigaci�n mientras se encuentra en condiciones reales de funcionamiento dentro de la topograf�a designada. Cabe recalcar que� este tipo de �prueba es �la �que� nos� brinda los mejores resultados en cuanto a la cuantificaci�n de emisiones contaminantes vehiculares.

 

Figura 1. �Representaci�n de la prueba de an�lisis de gases din�mica a bordo.

 

Prueba en dinam�metro de rodillos

Para la obtenci�n de datos de potencia y torque del veh�culo tanto antes como despu�s de la modificaci�n de los mapas de la centralita del motor sin tener que desmontar el motor es por medio de un rodillo dinamom�trico ya que nos permite obtener datos de torque y potencia colocando el veh�culo sobre dichos rodillos y midiendo sobre la rueda, dichas pruebas son necesarias para verificar si hay un beneficio o no despu�s del cambio.

 

Figura 2. �Veh�culo prueba sobre rodillo dinamom�trico.

 

 

Instrumentaci�n

Para la obtenci�n de datos fue necesario implementar difer- entes �instrumentos de �recolecci�n , �mismos que �describir� a continuaci�n: Analizador de Gases compacto, dicho in- strumento nos permite analizar de manera muy precisa los porcentajes de compuestos que expulsa un veh�culo despu�s del proceso de combusti�n por parte del motor (CO, CO2, HC, �NO), �el �dispositivo� ELM327 �es �un �conector �OBD2 con el� cual se� puede realizar un diagn�stico completo del veh�culo , verificar errores grabados en la centralita, registrar y �monitorear� ciertos �par�metros� de �funcionamiento de �los diferentes sensores y actuadores del veh�culo, mediante el uso de KEES se realiz� la extracci�n tanto del mapa de encendido como de inyecci�n de la centralita de la ECU. Para suministrar energ�a a los diferentes instrumentos mientras se realiza las pruebas din�micas veh�culo se utiliz� un conversor de voltaje, por �ltimo, se utiliz� una computadora port�til debido a la necesidad de una interfaz para visualizar y almacenar la informaci�n que va obteniendo el analizador de gases.

 

Veh�culo de prueba

Despu�s de hacer un estudio del patio automotor del pa�s se tom� para el estudio un veh�culo que cuente con caracter�sticas mec�nicas utilizadas en la mayor�a de veh�culos, mismas que detallaremos a continuaci�n: se tom� un veh�culo que posea 4 cilindros, 8 v�lvulas, tracci�n delantera y caja de cambios manual, dicho veh�culo debe poseer red can y que cuente con los protocolos de comunicaci�n necesarios para conectarse con el dispositivo OBDII.

 

Tabla 1. ESPECIFICACIONES T�CNICAS

 

Selecci�n de la ruta de prueba

Un problema evidente es el considerable aumento del parque automotor ya� que se� estima que por las calles y �avenidas de �la �ciudad �transitan 50.000� veh�culos diarios,� generando caos �y �congesti�n en �varias� zonas,� para �definir la �ruta �se incluy� lugares de mayor afluencia y pendientes pronunciadas, la �ruta �establecida circula� por �dependencias municipales y centros comerciales, centros educativos, entidades financieras, mercados, templos religiosos.

 

Figura 3. �Ruta de prueba en ciudad.

 

 

 

Selecci�n de la unidad de control programable

Una vez que se obtienen los datos de los veh�culos, de una �amplia �gama �de �unidades �de �control �programable� se tom� la decisi�n de adquirir una de marca Megasquirt por la factibilidad que esta tiene para el trabajo con los sensores y actuadores de los veh�culos.

 

Protocolo de medici�n

Para �realizar �la �conexi�n� de �equipos� se �necesit� seguir un protocolo para que los mismos tengan un correcto fun- cionamiento durante el transcurso de la prueba y as� evitar interrupciones en la medici�n. La instalaci�n de los equipos se la realiza con el motor apagado para evitar problemas el�ctricos, se conecta el inversor de voltaje a la bater�a y se lo ubica en un lugar adecuado dentro del veh�culo, luego se conecta a la fuente de energ�a los diferentes equipos, como tambi�n se conecta la sonda del analizador de gases en el tubo de escape. Antes de realizar la medici�n se inspecciona el estado de los diferentes sistemas del veh�culo, verificando que no existan fugas en el sistema de escape, fugas de lubricante, l�quidos, conductos, etc. Adem�s, se verifica que se cumplan con las condiciones clim�ticas aceptables. Una vez realizado este proceso se enciende el motor y se verifica el �funcionamiento correcto� de �los �equipos.� Para �iniciar �la medici�n se pone a� cero los equipos y dispositivos, luego se ubica con el veh�culo en el punto de inicio del recorrido, y mientras el analizador de gases se encuentra en fase de calentamiento se realiza la conexi�n del dispositivo OBD2, y se inicia el registro de datos, tomando en cuenta de realizar correctamente los cambios de marcha y detenerse �nicamente cuando el tr�fico y las se�ales de tr�nsito lo ameriten [3].

 

Sincronizaci�n de datos

Una vez realizado los ensayos se procedi� a sincronizar los �datos� del �analizador de �gases� y �el �dispositivo OBDII. La informaci�n almacenada de ambos dispositivos se puede visualizar en el programa Excel de Windows. Cabe resaltar que ambos dispositivos utilizados no cuentan con el mismo tiempo de respuesta para registrar los datos. El dispositivo OBDII �toma �los �datos �de �funcionamiento del �veh�culo� de forma casi instant�nea, a diferencia del analizador de gases que se tarda en tomar los gases de escape con la sonda, para luego conducirlos por una manguera y llevarlos hacia el interior del equipo para que sean evaluados los niveles de cada uno de los componentes emitidos por el tubo de escape. Es por ello que existe un peque�o desfase de tiempo y para ello de los archivos de ambos dispositivos se tomaron los datos de CO2 del analizador de gases y los datos de RPM del dispositivo OBDII y se los lleva al programa minitab para realizar una correlaci�n de datos.

 

Figura 4. �Diagrama del proceso de obten-ci�n y procesamiento de datos.

 

Una vez realizado este proceso se verifico que existe un desfase �de �tiempo �de �aproximadamente �7 �segundos �entre ambos archivos, se muestra en la figura 5 Y se procedi� a emparejar los datos de ambos dispositivos tomando en cuenta este desfase de tiempo, finalmente se realiz� un filtrado de las dos bases de datos con el fin de eliminar celdas vac�as o valores at�picos e inconsistentes que se producen cuando el analizador de gases se restablece o existe alguna interrupci�n en �la �medici�n o �el �manejo del� veh�culo. y �finalmente se selecciona los datos necesarios para el an�lisis.

 

Figura 5. �Diagrama ilustrativo del desfase de tiempo que existe entre ambos dispositivos.

 

 

 

 

Procedimiento y an�lisis de informaci�n

Como se puede apreciar en la Tabla 3 el analizador de gases presenta los niveles de CO y CO2 en porcentaje de volumen (%vol) y los niveles de HC y NOx en part�culas por mill�n (ppm). Es por eso que para el procesamiento y an�lisis de datos se debi� transformar todos los valores de emisiones en g/km que es un factor de emisi�n importante para evaluar emisiones con lo que se puede hacer un correcto an�lisis,

esto se lo realizo mediante un m�todo de balance de carbonos que, a partir de un modelo simplificado de la combusti�n, se han determinado unas formulas con las que nos ayud� a la transformaci�n de datos en factores de emisi�n de los veh�culos sometidos a prueba. El mecanismo de balance de carbono se obtiene realizando el balance de la ecuaci�n de 1, que es el balance de masa para la combusti�n, para determinar

la relaci�n estequiom�trica que se encuentra presente de forma instant�nea en la mezcla. Los coeficientes (B, D, E, F, G, I, J, L) se los obtiene del analizador de gases, a partir de estos datos se realiza el balance qu�mico de la ecuaci�n para la relaci�n aire combustible de la mezcla, utilizando el valor de consumo de combustible instant�neo es posible determinar los factores de emisi�n de cada uno de los gases [5]. A.C8H18 + K.(O2 + 3.76N2) → B.CO2 + D.H2O + E.N2 + F.CO + G.C3H6 + I.O2 + J.NO + L.NO2 (1)

 

Resultados

Ya concluido los ensayos realizados en un veh�culo con una ECU de serie y despu�s remplazar por una Ecu programable en un circuito de la ciudad de Riobamba, se precede a realizar el an�lisis de los datos obtenidos del analizador de gases y del esc�ner automotriz ELM327, para lo cual es necesario unir los datos de una manera sincronizada. El formato en el cual se almacena los datos es CSV, para visualizar dichos datos nos apoyamos en el software de Office Excel. En la siguiente tabla podemos observar los valores promedio obtenidos mediante el uso del esc�ner ELM327 en el ciclo de conducci�n de Riobamba como ejemplo tenemos las revoluciones por minuto de motor durante el trayecto, la temperatura de funcionamiento del motor en el ciclo de conducci�n, as� como tambi�n la distancia de trayecto y el tiempo durante el ciclo de conducci�n.

 

 

 

 

En la tabla a continuaci�n observamos los valores que se obtuvo con el analizador de gases a los cuales se le realizo los c�lculos de promedio para comparar el comportamiento del motor del auto antes de instalar la ECU programable y despu�s de haber instalado la ECU programable.

 

 

Otro factor a analizar es la concentraci�n que existe de hidrocarburos con respecto a la velocidad del veh�culo en la prueba antes de la instalaci�n de la ECU programable.

 

El comportamiento del di�xido de �carbono al �igual que de los hidrocarburos es muy importante ya que podemos visualizar el cambio en el comportamiento al aumentar las rev- oluciones del motor, claramente observamos que al aumentar las revoluciones el porcentaje de di�xido de carbono aumenta y al contrario el de hidrocarburos tiende a disminuir.

 

A. An�lisis de torque potencia

En lo que respecta a potencia de motor, potencia de trans- misi�n, �torque �y �potencia �obtenidas, �observamos� que �con la centralita original del autom�vil obtuvimos una potencia

Figura 6. �Concentraci�n de emisiones de CO.

 

Figura 7.�� �Concentraci�n de� emisiones de� CO2 y �HC con respecto a �la velocidad vehicular antes de la instalaci�n de la ECU.

 

M�xima de 83 hp y una potencia motora de 98,1 a una altura de 2800 metros sobre el nivel del mar, mientras que despu�s de la implementaci�n de la Centralita programable se obtuvo una potencia m�xima de 79 hp y una potencia motora m�xima de 95,2 hp.

 

Figura 8.� �Torque y potencia antes de la implementaci�n de la ECU pro- gramable.

 

En el siguiente grafico comparativo se observa de mejor manera el desempe�o del veh�culo analizando principalmente los par�metros �de �potencia, �potencia �motora, �potencia �en la trasmisi�n y torque teniendo como resultados un de- crecimiento en potencia, pero un aumento en potencia de trasmisi�n y torque.

Se puede observar el porcentaje de va-riaci�n con las dos.

 

Figura 9. �Torque y potencia despu�s de la implementaci�n de la ECU pro- gramable.

 

Figura 10. �Comparaci�n de par�metros.

 

ECU�s, nos de-muestra que en el par�metro de potencia hp la ECU original tiene 6% m�s hp que la ECU programable, el par�metro de potencia motor la ECU original tiene 8% m�s de hp mientras que la ECU programable tiene 4% m�s potencia en la trasmisi�n y 5% m�s torque que la ECU original.

 

Figura 11. �Comparaci�n de gr�ficas.

 

 

Conclusiones

� Los datos obtenidos usando el equipo adecuado en este caso un kees v2 con el software desarrollado por Alientech Ksuite nos permiti� obtener los datos de los mapas originales de la ECU para poder tener referencia y mediante la instalaci�n de una ECU programable pudimos realizar un nuevo mapa para disminuir el consumo de combustible y la emisi�n de gases contaminantes.

� El an�lisis realizado de los par�metros del motor mediante el uso de un dinam�metro despreciando el factor que correc- ci�n de altura para obtener los datos adecuados del veh�culo a la altura deseada para los an�lisis obtuvimos que al momento de �instalar� la �ECU �programable tiene �una �disminuci�n de potencia motor del 8% y un aumento de potencia de trasmisi�n del 4%.

� Al obtener una informaci�n adecuada de los par�metros que influyen en el funcionamiento del motor verificamos que existe la posibilidad de generar un mapa tridimensional para disminuir tanto el consumo de combustible y la emanaci�n de gases contaminantes.

� Con el presente trabajo cumplimos la meta de optimizar el mapa original de gesti�n electr�nica del motor, estos par�met- ros se pueden utilizar como base para la implementaci�n en veh�culos que prestan servicio p�blico ya que estos veh�culos tienen una mayor trayectoria a lo largo del d�a y por lo tan-to son los veh�culos que m�s contaminan.

 

 

 

 

Referencias

1. Moral,����� J.����� (2019).����� Autopista.es.���� [En��� ��l�-nea]����� 2019. https://www.autopista.es/noticias-motor/todos-los-����������� coches-diesel- y-gasolina-que-no-fallaran-ya-cumplen-las-emisiones-euro-6d-de-2020_154237_102.html.
2. Llanes-Cede�o,�� E.,�� y�� otros.�� (2018).�� Evaluaci�n�� de�� emisiones de�� gases�� en�� un�� veh�culo�� liviano�� a�� gasolina�� en�� condiciones de altura. Caso de estudio Quito, Ecuador. Scielo. Vol. 9. https://doi.org/10.29019/enfoqueute.v9n2.201
3. Alban,�� E.,�� &�� L�pez,�� J.�� (2010).�� Desarrollo�� y�� validaci�n�� de m�todo� para� la�� determinacion� de�� factores� de�� emisi�n� vehicular mediante� pruebas� a�� bordo�� en�� la�� ciudad� de�� Quito�� (Tesis).� Escuela Polit�cnica Nacional. Quito, Ecuador. 2010. Disponible en: http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/2514.
4. Rocha-Hoyos,�� J.,�� Zambrano,�� D.,�� &�� Portilla,�� A.(2018).�� An�lisis de� Gases� del� Motor� de� un� Veh�culo� a� trav�s� de� Prue-bas� Est�ticas y Din�micas. Ciencia UNEMI. (Vol. 11, pp. 97-108). https://doi.org/10.29076/issn.2528-7737vol11iss28.2018pp97-108p
5. Mont�far-Paz, P., Palmay, P., & Freire, R. (2020). Caracterizaci�n de los �xidos de nitr�geno emitido por motores de combuscombusti�n interna en condiciones reales de trabajo. Polo del Conocimiento. (Vol. 5, pp. 254-270)

 

 

 

 

 

� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).