ES2996849B2 - Dispositivo de diagnostico no intrusivo para sistemas de encendido por chispa en motores de combustion y proceso de diagnostico mediante el mismo - Google Patents

Description

d e s c r ip c ió n

Dispositivo de diagnóstico no intrusivo para sistemas de encendido por chispa en motores de combustión y proceso de diagnóstico mediante el mismo

Campo técnico de la invención

La presente invención corresponde al campo técnico de los motores de combustión, en concreto a un dispositivo no intrusivo de diagnóstico de los sistemas de encendido por chispa en estos motores y un proceso de diagnóstico.

Antecedentes de la Invención

La bujía es un componente eléctrico que se encuentra en el sistema de encendido de un motor de combustión interna y<su>principal función es la de proporcionar la chispa necesaria para encender la mezcla de aire y combustible dentro de la cámara de combustión, generando de este modo la energía suficiente para que el motor funcione.

El sistema de encendido de un motor de combustión interna con encendido provocado básicamente consta de un circuito eléctrico de baja tensión (circuito primario), un circuito eléctrico de alta tensión (circuito secundario) que incluye la bujía en la que se produce el salto de la chispa, y un circuito de control cuya señal procede de la unidad de control electrónico del motor.

Puede ocurrir que la bujía presente algún defecto de fábrica y ello va a repercutir en un comportamiento del motor defectuoso, por lo que es muy importante poder detectarlo lo antes posible.

También puede ocurrir que exista una separación errónea entre los electrodos de la bujía, con un valor fuera de la tolerancia dimensional admitida entre ellos, lo que provocaría una chispa anómala,<o>incluso la ausencia de la misma, derivando en un malfuncionamiento de la bujía y, por tanto, del motor.

Este fallo en el valor de la distancia entre electrodos puede deberse a alguna circunstancia ocurrida durante el propio montaje, pues las bujías se montan a mano y puede ocurrir, por ejemplo, que el montador le dé un golpe a la bujía sin querer, ocasionando que los electrodos se acerquen entre<sí>.

En el estado de la técnica existen tecnologías que permiten conocer si los electrodos están en contacto, pero no pueden conocer la distancia entre electrodos si éstos no están en contacto, por lo que en caso de ser una distancia incorrecta que seguramente vaya a provocar un mal funcionamiento del motor, es un error que no es posible detectar con los sistemas actuales.

Como ejemplo del estado de la técnica pueden mencionarse los documentos de referencia GB2416853, DE4116642, WO8909333, GB2257533, US6216678 y WO9825124.

El documento de referencia GB2416853 determina un sistema para diagnosticar el rendimiento del sistema de encendido de un motor de combustión interna que actúa generando unos pulsos sobre el circuito secundario de la bobina. La medición de la señal de retorno del devanado primario de la bobina de encendido, así como la transferencia de datos se realizan por completo internamente en la unidad de control del motor y se analiza la duración de la chispa de cada cilindro, comparándola con otras duraciones (lectura relativa) para cada ciclo completo del motor a través de una herramienta de escaneo conectada a un conector de enlace de datos.

Esto permite diagnosticar el estado defectuoso<o>no de la bujía, pero no se aporta un valor cuantitativo de la separación entre electrodos. Además, al actuar sobre el circuito secundario este sistema requiere desmontar el cableado del motor.

Por<su>parte, el documento de referencia DE4116642 define un método de control de un sistema de encendido de un motor de combustión interna mediante la medición en el devanado primario de una<o>más bobinas de encendido, no sólo la duración de la chispa de encendido, sino también la tensión de chispa de encendido transformada ascendentemente de eventos<o>intentos de encendido individuales.

Tampoco es capaz de determinar el valor concreto de la separación entre los electrodos de la bujía. Este método se centra en comprobar el sistema de encendido, pero no tienen capacidad de cuantificar el estado de la bujía.

En el documento de referencia WO8909333 se expone un método y dispositivo para la observación de la combustión en un motor de combustión interna que funciona con encendido por chispa, en el que se utiliza el sistema de descarga del motor y se controla la tensión de encendido para determinar si se ha producido la combustión en la cámara de combustión del motor.

Con este sistema tampoco es posible obtener un valor cuantitativo de la separación entre electrodos de la bujía y, al igual que el método anterior, se centran en comprobar el sistema de encendido, añadiendo en este caso un control de la combustión, pero no tienen modo de cuantificar el estado de la bujía.

El documento de referencia GB2257533 define un método para detectar un cortocircuito de baja impedancia en un circuito de devanado secundario de una bobina de encendido de un motor de combustión interna que tiene un sistema de encendido sin distribuidor.

Este sistema busca la detección de un cortocircuito<o>baja impedancia en un circuito secundario comparando los tiempos de descarga de la chispa con un valor de umbral determinado. Para ello se generan dos chispas simultáneas en dos de los cilindros del motor y el objetivo es adaptar la inyección de combustible en aquellos cilindros en los que no salte la chispa.

N<o>es un método que tenga como objetivo el diagnóstico de sistemas de encendido para encontrar el posible error y mucho menos la valoración cuantitativa de la separación entre electrodos de la bujía.

El documento US6216678 expone un método y un aparato para conectar con un sistema de encendido de motor para determinar un fallo de encendido en un cilindro, controlando el flujo de corriente en el circuito primario.

Este método trata de identificar cilindros de un motor con carencia de combustión por fallo en el sistema de encendido, pero esto no permite determinar otros posibles problemas del sistema de encendido y mucho menos obtener el valor numérico de la separación entre electrodos de la bujía.

En referencia al documento W09825124, éste determina un método para inspeccionar una bujía instalada en un motor mediante la aplicación de un voltaje suficientemente alto para provocar que dicha bujía genere una chispa, con el motor en reposo y sin suministrarle un combustible.

Este modo de proceder no es evidente ni inmediato de realizar pues hay que inhabilitar el suministro de combustible al motor, que con los sistemas actuales de control puede provocar posiblemente avisos de fallos en la unidad de control electrónico (ECU) del motor.

Además, tampoco es un sistema capaz de determinar el valor cuantitativo de separación entre electrodos de la bujía.

Resulta por tanto necesario encontrar un método y dispositivo que sea capaz de determinar el problema existente en un sistema de encendido, aportando el valor cuantitativo de la separación entre electrodos de la bujía, de la manera menos invasiva para el motor, aplicable tanto a la operación normal del motor, como a las pruebas de calidad realizadas en las fábricas de montaje, sin tener que provocar ningún tipo de operación especial al motor ni modificar<su>cableado.

Descripción de la invención

El dispositivo (1) de diagnóstico no intrusivo para sistemas de encendido por chispa en motores de combustión que comprenden un circuito primario de baja tensión, un circuito secundario de alta tensión que comprende una bujía, ambos acoplados electromagnéticamente mediante una bobina inteligente, y un circuito de control cuya señal procede de la unidad de control electrónico del motor, que aquí se presenta, comprende unos medios de conexión al circuito de control del motor a través de un conector de dicho circuito de control.

Este dispositivo comprende además una primera fuente de alimentación del dispositivo, unos medios de adquisición y control de ensayo, y un dispositivo de medición de la intensidad en el circuito primario.

Por<su>parte, estos medios de adquisición y control comprenden un controlador con un software adecuado para el control y procesado de I<os>datos obtenidos, que comprende al menos una primera unidad configurada para generar una serie de pulsos de carga sobre un circuito lógico de la bobina inteligente de encendido y, una segunda unidad que permite una lectura de la tensión interna de la bujía y la corriente inducida en el primario, así como un control de la actuación sobre el circuito secundario.

En esta memoria se propone además un proceso no intrusivo de diagnóstico para sistemas de encendido por chispa en motores de combustión mediante un dispositivo de diagnóstico tal como el definido previamente.

Este proceso presenta una primera fase consistente en una conexión del dispositivo al conector del circuito de control del motor y a una primera fuente de alimentación.

A continuación, se realiza una segunda fase consistente en una alimentación del circuito lógico de la bobina inteligente del sistema mediante una secuencia de pulsos de carga, realizando una pluralidad de repeticiones para determinados valores de tiempo de energización (ET) de la bujía. Estos valores de tiempo de energización están comprendidos entre un valor ETmín correspondiente a un valor de ET que no produce chispa en una bujía para un valor nominal de separación entre electrodos, y un valor ETmáx correspondiente al ET capaz de producir chispa en el 100% de I<os>casos con un valor de separación entre electrodos superior al valor nominal. Ambos valores ETmáx y ETmín son parámetros del ensayo que se definen en base al rango esperado de separación entre electrodos.

La tercera fase está formada por un análisis de la respuesta de corriente en el circuito primario para cada uno de I<os>pulsos, donde la aparición de un pico en la señal de corriente en el circuito primario determina la existencia de chispa en la bujía.

Seguidamente tiene lugar la cuarta fase de obtención del porcentaje de pulsos que generan chispa para cada valor de ET y comparación de este valor con unas curvas de calibración.

La quinta fase consiste en la valoración del estado de la bujía en función del efecto que causa la existencia<o>ausencia de chispa y/o la determinación del valor concreto de la distancia de separación entre I<os>electrodos de la bujía.

Con el dispositivo de diagnóstico no intrusivo para sistemas de encendido por chispa en motores de combustión y el proceso para dicho diagnóstico que aquí se propone se obtiene una mejora significativa del estado de la técnica.

Esto es así pues se consigue un método completamente automatizado en el que la actuación del técnico se limita a realizar la conexión inicial del dispositivo al conector del circuito de control del motor, y el resto del proceso ya se realiza de forma totalmente automatizada sin intervención humana.

Como ambos circuitos de baja y alta tensión del sistema de encendido están acoplados electromagnéticamente, la modificación de las características del circuito de alta tensión, como puede ser por ejemplo la distancia entre los electrodos de la bujía, tiene un efecto también en el comportamiento eléctrico del circuito primario. De este modo, analizando lo que ocurre en el circuito primario es posible deducir el tipo de fallo del sistema, sin necesidad de acceder al circuito secundario, ni para aplicar ningún tipo de tensión sobre él ni para realizar mediciones, por lo que se logra un proceso no intrusivo que aprovecha la instrumentación ya instalada en los motores y en los vehículos para detectar posibles fallos en el montaje de las bujías de los motores.

A<sí>pues, el proceso de monitorizado y diagnóstico se realiza de forma automática y sin interferencia con el motor, y está en principio diseñado para<su uso>en las cadenas de ensamblaje de los motores en las fábricas de automóviles, en el montaje de las bujías en el motor.

Otra ventaja de este dispositivo es que, además de indicar la existencia de un fallo en la bujía, basándose en la observación del distinto reflejo<o>respuesta que se genera en el circuito primario, es capaz de determinar qué tipo de fallo está ocurriendo en el circuito secundario, que puede ser, desde la existencia de una bujía defectuosa, un contacto total entre electrodos de la bujía,<o>incluso una bobina defectuosa<o>un problema en el cableado.

Pero además de estas patologías, este dispositivo puede determinar la distancia concreta entre electrodos, lo que resulta muy favorable porque con ello se consigue obtener una medida directa del funcionamiento de la bujía in situ, permitiendo evaluar y cuantificar la dispersión de fabricación y de instalación de la bujía, para establecer criterios cuantitativos de aceptación y rechazo durante las pruebas de calidad en las líneas de fabricación de motores.

Este diagnóstico se puede realizar bien en el propio proceso de ensamblaje de las bujías en el motor en el propio proceso de producción, evitando de este modo que el motor defectuoso avance en la línea de fabricación, en talleres a la hora de realizar inspecciones de mantenimiento<o>en pruebas periódicas realizadas por el vehículo antes

<o>después de<su>conducción.

Resulta por tanto un dispositivo y un proceso de diagnóstico muy eficaces con los que es posible analizar el estado de la bujía de un motor, pudiendo determinar si es defectuosa<o>si presenta una distancia anómala entre<sus>electrodos.

En el presente documento, la palabra "comprende" y<sus>variantes han de interpretarse como expresiones de tipo abierto que no pretenden excluir la posibilidad de otras características técnicas<o>componentes adicionales a los citados explícitamente. Además, la palabra "comprende” incluye el caso "consiste en”, interpretándose como una expresión de tipo cerrado que se limita únicamente a las características técnicas<o>componentes citados explícitamente. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones aquí indicadas.

Breve descripción de Ios dibujos

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se aporta como parte integrante de dicha descripción, una serie de dibujos donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La Figura 1.- Muestra una vista esquemática del montaje de un dispositivo de diagnóstico no intrusivo de un sistema de encendido por chispa en motores de combustión, según una realización preferida de la invención.

La Figura 2.- Muestra una vista esquemática de una secuencia de pulsos de carga del proceso de diagnóstico no intrusivo de un sistema de encendido por chispa en motores de combustión, según una realización preferida de la invención.

La Figura 3.- Muestra una vista esquemática de la respuesta recibida de la corriente en el circuito primario para cada uno de los pulsos del proceso de diagnóstico no intrusivo de un sistema de encendido por chispa en motores de combustión, según una realización preferida de la invención.

Las Figuras 4.1 y 4.2.- Muestran unas gráficas de unas curvas de calibración y de una curva característica para diferente separación entre electrodos del proceso de diagnóstico no intrusivo de un sistema de encendido por chispa en motores de combustión, según una realización preferida de la invención.

La Figura 5.- Muestra un diagrama de bloques del proceso de diagnóstico no intrusivo de un sistema de encendido por chispa en motores de combustión, según una realización preferida de la invención.

La Figura 6.- Muestra una imagen de las muestras preparadas para estudio del efecto de la separación entre los electrodos de la bujía, según una realización preferida de la invención.

Las Figuras 7.1 y 7.2.- Muestran unas imágenes de tres gráficas obtenidas en los ensayos del comportamiento de las bujías en condiciones de laboratorio.

Las Figuras 8.1 a 8.4.- Muestran unas imágenes de formas de onda para diferentes tiempos de carga con una bujía nominal.

La Figura 9.- Muestra el efecto de la duración de la carga sobre la intensidad y el retraso de la chispa para una bujía nominal.

La Figura 10.- Muestra la ratio de eventos con chispa exitosa para diferentes distancias entre electrodos y tiempos de carga.

La Figura 11.- Muestra la señal de un encendido con 5000 qs de tiempo de carga de la bobina.

Las Figuras 12.1 y 12.2.- Muestran la ratio de éxito en la chispa para bujías nominales y para diferentes bujías con separaciones modificadas, respectivamente.

Las Figuras 13.1, 13.2 y 13.3.- Muestran el efecto de fallos totales por fallo de conexión, por problema de continuidad entre la bobina y la bujía<o>bujía ausente<o>defectuosa, y por cortocircuito en la bujía, respectivamente.

Descripción detallada de un modo de realización preferente de la invención

A la vista de las figuras aportadas, puede observarse cómo en un modo de realización preferente de la invención, el dispositivo (1) de diagnóstico no intrusivo para sistemas de encendido por chispa en motores de combustión que aquí se propone, se refiere a sistemas que comprenden un circuito primario de baja tensión y un circuito secundario de alta tensión que comprende una bujía, ambos acoplados electromagnéticamente mediante una bobina inteligente (2), y un circuito de control cuya señal procede de la unidad de control electrónico del motor (3).

En la Figura 1 se representa un motor (3) con varias bobinas inteligentes (2).

Este dispositivo (1) de diagnóstico comprende unos medios de conexión al circuito de control del motor a través de un conector (4) en dicho circuito de control.

Como se muestra en la Figura 1, el dispositivo (1) cuenta además con una primera fuente (5) de alimentación del dispositivo, unos medios de adquisición y control (6) y, un dispositivo de medición (7) de la intensidad en el circuito primario.

La fuente de alimentación puede alimentar al equipo a 12 V (automoción)<o>a 24 V (industrial). También se utiliza un módulo de alimentación a 5 V para la etapa lógica, para poder amplificar la señal obtenida en tiempo real para actuar sobre el controlador de la bujía.

Por<su>parte, los medios de adquisición y control (6) de ensayo comprenden un controlador con un software adecuado para el control y procesado de los datos obtenidos, que presenta una primera unidad (6.1) y una segunda unidad (6.2).

El control del dispositivo se realiza mediante una instrumentación con capacidad de control en tiempo real y comunicaciones mediante alta frecuencia. Esta etapa del equipo genera una salida digital de actuación con una frecuencia de al menos 20MS/<s>que debe provocar la chispa en la bujía.

A<sí>pues, la primera unidad (6.1) está configurada para generar una serie de pulsos (8) de carga sobre el circuito lógico de la bobina inteligente (2), y comprende un controlador de potencia cuya función es amplificar el tren de pulsos (8), mientras que la segunda unidad (6.2) comprende en este caso una primera y una segunda entrada analógica que permiten una lectura de la tensión interna de la bujía y la corriente inducida en el primario, respectivamente, y unas salidas analógicas y digitales para control de la actuación sobre el circuito secundario.

El software permite, mediante pantallas de diálogo con el operario, introducir la configuración particular del sistema a diagnosticar.

Como se muestra en la Figura 1, en este modo de realización preferente de la invención, el dispositivo de diagnóstico comprende además una segunda fuente (9) de alimentación susceptible de conexión al circuito primario a través del conector (4) del circuito de control del motor (3), para aquellos casos en que se pretenda obtener el diagnóstico de un motor (3) que no cuenta con una batería conectada. A<sí>pues, este dispositivo (1), al contar con esta segunda fuente (9) de actuación, puede testear bujías en motores que no están aún conectados a una batería y, por tanto, debe alimentarse la bobina inteligente (2) del sistema de encendido además del dispositivo (1) de diagnóstico.

En este modo de realización, el controlador es adecuado para el procesado de los datos en tiempo real. Además, el dispositivo (1) comprende una interfaz (10) que permite<su>conexión a un software externo, para recopilación de los datos y<su>procesado al terminar los ensayos.

En este modo de realización preferente de la invención, el dispositivo de medición (7) de la intensidad del circuito primario está formado por unas pinzas amperimétricas. En otros modos de realización, dicho dispositivo de medición de la intensidad puede estar formado por una<o>más resistencias de shunt.

En esta memoria se propone así mismo un proceso no intrusivo de diagnóstico para sistemas de encendido por chispa en motores (3) de combustión mediante un dispositivo de diagnóstico como el definido previamente.

Como se muestra en la Figura 5, este proceso comprende una primera fase consistente en una conexión (14) del dispositivo (1) al conector (4) del circuito de control del motor (3) y a una primera fuente (5) de alimentación.

La segunda fase está formada por una alimentación del circuito lógico de la bobina inteligente (15) del sistema mediante una secuencia de pulsos (8) de carga, como se muestra en la Figura 2, en la que se representa la actuación sobre la bobina inteligente (2) mediante una serie de pulsos (8) a lo largo del tiempo.

Se realizan una pluralidad de repeticiones (R) para determinados valores de tiempo de energización (ET) de la bujía. Estos valores de tiempo de energización están comprendidos entre un valor ETmín correspondiente a un valor que no produce chispa en una bujía para un valor nominal de separación entre electrodos, y un valor ETmáx correspondiente al ET capaz de producir chispa en el 100% de los casos con un valor de separación entre electrodos superior al valor nominal. En este caso, se inicia la alimentación con una primera repetición (R1) de pulsos (8) para un valor ETmín de 40 qs, y se continua con la secuencia de repeticiones (R) para distintos valores de ET, buscando la duración para la cual la chispa salta de forma estocástica, hasta finalizar con una última repetición (R2) correspondiente al valor de ETmáx, que en este modo de realización se considera de valor 600 qs. Por otra parte, en otros modos de realización puede iniciarse la alimentación en sentido contrario, es decir, con una primera repetición para el valor ETmáx y finalizar con una última repetición para el valor ETmín.

Respecto a la separación entre los pulsos, hay que dejar tiempo suficiente para evitar el sobrecalentamiento de la bobina y para dar tiempo al sistema a responder. A<sí>, por ejemplo, si se separan 10 ms, es posible realizar 200 pulsos en 2<s>, lo que permite testear 10 niveles de tiempo de energización con 20 pulsos para cada nivel.

En función de la separación entre electrodos, la chispa empieza a ser inestable a un cierto valor de tiempo de energización. Por ejemplo, para una separación nominal entre electrodos la chispa empieza a ser inestable con un ET menor de 200<js>, mientras que una separación anormalmente baja de los electrodos permite establecer chispa con 150 |<js>.

A continuación, tiene lugar una tercera fase en la que se realiza un análisis (16) de la respuesta (11) de corriente en el circuito primario para cada uno de los pulsos (8). La respuesta (11) aparece representada en la Figura 3 y en ella se aprecia la aparición de un pico (12) en la señal de corriente en el circuito primario en algunos pulsos (8), donde este pico (12) determina la existencia de chispa en la bujía.

La detección se hace posible debido a los efectos oscilatorios que se producen durante la descarga del pulso (8) de corriente en el circuito lógico de la bobina inteligente (2). Dado que la separación entre los electrodos de la bujía está fuertemente relacionada con las inestabilidades en la corriente de descarga de la bobina, mediante el análisis de la corriente "reflejada” en el circuito primario, se puede deducir variaciones en el circuito secundario respecto de unas condiciones iniciales de funcionamiento<o>condiciones de referencia como, por ejemplo: separación anómala de los electrodos de las bujías.

La cuarta fase consiste en la obtención del porcentaje (17) de pulsos (8) que generan chispa para cada valor de ET, así como la comparación de este valor con unas curvas de calibración (13) determinadas para cada valor de separación entre los electrodos de la bujía, como las que se muestran en las Figuras 4.1 y 4.2.

En la Figura 4.1 se representa el porcentaje de eventos con chispa (Eje Y) en función del valor de ET (Eje X) y las curvas se obtienen para distintos valores de separación entre electrodos. Concretamente, se muestra de forma esquemática una primera curva de calibración (C1) correspondiente a una separación insuficiente de los electrodos de la bujía, una segunda curva de calibración (C2) correspondiente a una separación nominal entre los electrodos, y una tercera curva de calibración (C3) para una separación entre electrodos excesiva.

En la Figura 4.2 se representa la variación del valor del ET con el que se logra el 50% de eventos con chispa (Eje X) en función de la distancia entre los electrodos (Eje Y).

Seguidamente tiene lugar la quinta fase que consiste en una valoración del estado de la bujía (19) en función del efecto que causa la existencia<o>ausencia de chispa y, en función del resultado se determina igualmente el valor concreto de la distancia de separación (18) entre los electrodos de la bujía.

Este valor concreto es posible obtenerlo encontrando el valor del tiempo de energización a partir del cual la chispa de la bujía empieza a fallar, teniendo como dato conocido el valor del tiempo de energización para el que la chispa de la bujía empieza a ser inestable para una separación nominal entre los electrodos, y para otros valores de separación entre electrodos, como por ejemplo, las mencionadas curvas de calibración (13).

En otros modos de realización, cuando se conecta el dispositivo a un motor (3) sin una batería conectada, el proceso presenta una fase adicional de conexión del circuito primario (14.1) a una segunda fuente (9) de alimentación con la que ya cuenta este dispositivo (1). Esta fase adicional tiene lugar tras la fase de conexión del dispositivo (1) al conector (4) del circuito de control del motor y a una primera fuente (5) de alimentación.

Como se muestra en la Figura 5, en este modo de realización aquí propuesto, en la quinta fase de valoración del estado de la bujía (19) se analiza en primer lugar la existencia<o>no de corriente (20) en el circuito primario. Si se determina ausencia de corriente (20.1), esto determina la existencia de problemas en el circuito secundario por una bobina no conectada<o>defectuosa (21).

A<sí>mismo, si se detecta presencia de corriente (20.2) se debe analizar (22) el valor de esta corriente para determinar si es un valor diferente al valor nominal (22.1) de corriente en dicho circuito primario, en cuyo caso la valoración del estado de la bujía también determina una bobina no conectada<o>defectuosa (21).

S<í>, por el contrario,<sí>que existe corriente (20.2) pero<su>valor se corresponde con el nominal (22.2), debe estudiarse la ausencia<o>presencia de chispa (23) en la bujía.

En caso de que exista presencia de chispa (23.2) se determina del valor concreto de la distancia de separación (18) entre I<os>electrodos de la bujía, obteniendo el valor del tiempo de energización desde el que la chispa de la bujía empieza a fallar, como ya se ha indicado previamente.

Por otra parte, en el caso de que exista una ausencia de chispa (23.1), debe analizarse si existe<o>no un retroceso (24) de energía en el circuito primario, es decir, una descarga de energía magnética de vuelta al circuito primario. En caso de que<sí>exista un retroceso de la energía (24.1) a través del circuito primario, la valoración del estado de la bujía establece un defecto en dicha bujía (25)<o>ausencia de la misma.

Finalmente, si la obtención del porcentaje (17) de pulsos (8) que generan chispa determina la ausencia de chispa (23.1) en la bujía y se determina además una ausencia de retroceso (24.2) de la energía hacia el circuito primario, la valoración del estado de la bujía establece un cortocircuito (26) en ella por contacto entre<sus>electrodos. En este caso con contacto total entre electrodos de la bujía, se evita la generación de pulsos en todos I<os>casos, pero la descarga se produce directamente a través de la bujía.

Se aporta así mismo, en la tabla 1, un ejemplo de la lógica de diagnóstico en la detección de patologías a partir de la medida de la corriente en el primario, la capacidad de generar chispas con altos y bajos ET, y la existencia de descargas de energía magnética de vuelta al primario.

Tabla 1

Como puede observarse en la tabla 1, además de detectar la distancia anormal entre electrodos, se pueden detectar otros modos de fallo.

A<sí>, por ejemplo, cuando<sí>existe intensidad de carga, pero se detecta una ausencia total de chispa, incluso con ET elevados, se determina un cortocircuito en la bujía por contacto total entre los electrodos.

Si, por el contrario, existiendo intensidad de carga se detecta ausencia de chispa pero al subir de forma suficiente el tiempo de carga<o>de energización (ET),<sí>aparece una descarga inducida en el primario, entonces se determina bujía defectuosa<o>ausente, significando esto último que existe un mal contacto entre la bujía y la bobina inteligente.

Finalmente, como se muestra en la tabla 1, si no existe consumo de carga se determina una defectuosa<o>no conectada, normalmente por un problema en el cableado.

En un ejemplo práctico de realización de este proceso, se realizó una primera preparación de muestras.

A<sí>pues, para el estudio de fallos en el sistema de encendido se estudiaron diversos casos de fallo.

En primer lugar, para el estudio del efecto de la separación entre los electrodos de la bujía, se prepararon muestras en las que se modificó la distancia entre electrodos mediante deformación mecánica de los mismos. En la Figura 6 se muestra una imagen de las muestras preparadas a tal fin.

Estas muestras están preparadas de manera que cada una presenta una distinta separación entre los electrodos.

Además, se estudió el efecto de fallos totales: fallos de conexión, bobinas no funcionales, cortocircuito de los electrodos de la bujía y bujía no presente<o>incapaz de realizar la chispa (extremo abierto).

A continuación, se realizaron los prototipos del dispositivo. En este modo de realización se implementaron dos versiones del dispositivo.

Tabla 2

El prototipo 1 se utilizó en las pruebas iniciales y en él, las señales de los ensayos se procesaron offline una vez finalizados los ensayos.

El prototipo 2, por<su>parte, ofrece una automatización completa del ensayo, y los diferentes pulsos son procesados en tiempo real de forma que es posible detectar la distancia entre electrodos en tiempo real durante la ejecución del ensayo. En la tabla 2 se muestran los componentes empleados en cada prototipo de dispositivo.

El siguiente paso es la obtención de los resultados experimentales.

Prototipo 1:

Se realizó inicialmente con pruebas fuera de motor. En el estudio en laboratorio se ha empleado un punto de medida con el motor puesto a tierra para identificar si la chispa puede detectarse indirectamente a partir de la corriente del primario. L<os>datos adquiridos se transfirieron automáticamente a un PC, de forma que se pudo automatizar la toma de datos para hacer varios miles de eventos de encendido, hasta las 22369 medidas individuales que se resumen en la Tabla 3.

Tabla 3

En la tabla 3 se reflejan los ensayos realizados en laboratorio. En esta tabla se aportan los datos de las bujías 1 a 8 que se muestran en la Figura 6. El número en la tabla entre 0 y 1 hace referencia a la distancia entre electrodos, siendo 1 el valor nominal y 0 el contacto total.

Prototipo 2:

En una fase posterior del estudio se realizaron las pruebas en el banco de ensayos desarrollado, con las bujías implantadas en el motor, estudiándose más de 4500 puntos en total.

Las principales conclusiones de los estudios son las que se detallan a continuación:

1- Comportamiento de las bujías nominales, en condiciones de laboratorio.

La intensidad medida a través de la resistencia de shunt en el primario permite la detección de la chispa si la señal se mide a alta frecuencia (de al menos 20 MS/<s>). Aunque una adquisición a 1 MH<z>es capaz de detectar adecuadamente la forma de onda, falla en la detección de los eventos de encendido, tal y como muestra las Figuras 7.1 y 7.2.

Puede apreciarse en la gráfica superior de la Figura 7.1 la señal bruta (en color gris), y filtrada a 1 MH<z>, mientras que en la gráfica inferior de dicha Figura 7.1 se muestra la firma espectral de la señal. En la Figura 7.2 se representa el sistema automático de segmentación y ajuste del modelo de respuesta.

A<sí>pues, puede apreciarse que, en el momento de cortarse la alimentación del primario (punto A de la Figura 7.2) aparece una oscilación y tras un tiempo de retraso tiene lugar la chispa (punto B1 de la Figura 7.2). Una parte de la energía es devuelta al primario provocando una segunda oscilación del sistema.

La magnitud de este reflujo energético y el retraso medido dependen de la intensidad, es decir, del tiempo de carga del primario, tal y como muestran las Figuras 8.1 a 8.4, en las que las bujías se designan con los números 1 a 4.

Además, se desarrollaron unas rutinas de segmentación y ajuste automático de un modelo de respuesta, como se muestra en la Figura 7.2.

Para valores muy cortos de tiempos de carga, la bujía presenta problemas de estabilidad en la generación de la chispa, como muestran los ensayos con menos de 500<us>de tiempo de energización de la Figura 9. En las gráficas de la izquierda y de la derecha de esta Figura 9 se muestra el efecto de la duración de la carga sobre la intensidad y el retraso de la chispa para el caso de delay (d), medido en qs, respectivamente. Como se mostrará más adelante, esta inestabilidad depende fuertemente de la distancia entre los electrodos de la bujía, lo que es aprovechado para el diagnóstico.

2- Comportamiento de las bujías fuera de especificación, en condiciones de laboratorio.

Se modificó la distancia entre electrodos de varias bujías según lo mostrado en la Figura 6 y se volvieron a estudiar las curvas de comportamiento de las bujías. Aunque en los casos de tiempo de carga largo no pudieron encontrarse diferencias significativas,<sí>se pudo constatar que para tiempos de carga reducidos el porcentaje de éxito en la generación de la chispa es inversamente proporcional a la distancia entre electrodos, tal y como puede observarse en la Figura 10.

En esta Figura 10, se representa la ratio de eventos con chispa exitosa para diferentes distancias entre electrodos (gap), representadas en el eje de abscisas y los tiempos de carga de la bujía, indicados sobre cada gráfica en qs. En ordenadas se dispone la frecuencia de la bujía.

Esto es la base del método para el diagnóstico de la distancia entre electrodos: una bujía nominal debe tener un éxito en la generación de la chispa para tiempos de carga largos pero, a la vez, debe no ser capaz de producir la chispa para tiempos de carga reducidos.

3- Estudio en motor

En una fase posterior, se estudió el comportamiento del sistema de encendido con las bujías instaladas en el motor. Las condiciones de implantación difieren significativamente de los trabajos en laboratorio, pues el entorno metálico que proporciona la culata y el bloque tiene influencia sobre la inductancia de la bujía, y la capacidad del motor como tierra del sistema es diferente al dispositivo de laboratorio. Aunque las características generales de la señal se mantienen, el retraso encontrado en la generación de la chispa es muy inferior al de los casos anteriores, tal y como se muestra en la Figura 11.

A pesar de esta diferencia en el comportamiento, sigue siendo posible el diagnóstico de la distancia entre electrodos a partir del porcentaje de éxito de la chispa para tiempos de energización bajos. A<sí>, en las Figuras 12.1 y 12.2 se muestra que las bujías con distancia entre electrodos reducidos son capaces de generar la chispa adecuadamente para tiempos inferiores a 150 qs, mientras que aquellas con la separación nominal no pueden.

Finalmente se estudiaron fallos extremos, como errores en conexiones y bujía mal conectada, ausente<o>defectuosa. Las Figuras 13.1 a 13.3 ilustran algunos de los ensayos realizados con distintos tiempos de carga y fallos significativos en el sistema de encendido.

La Figura 13.1 muestra un fallo en la conexión de la bujía, la Figura 13.2 muestra un problema de continuidad entre la bobina y la bujía<o>bien una bujía ausente<o>defectuosa, mientras que la Figura 13.3 muestra un caso de cortocircuito en la bujía. En esta última figura se reflejan algunas saturaciones en la medida del osciloscopio.

Del estudio se puede concluir que es posible diagnosticar el estado de la bujía y el sistema de encendido mediante la medida de la corriente del primario. La tabla 1 resume las diferencias entre los casos estudiados. Un aspecto a considerar es que el diagnóstico del caso de cortocircuito y la distancia entre electrodos fuera de especificaciones precisa la detección de la chispa, por lo que se requieren velocidades de medida en el entorno de 20 MH<z>.

4- Integración en tiempo real y validación del tiempo de ciclo.

En base a los resultados anteriores, se desarrolló el prototipo 2. El objetivo de dicho prototipo es integrar todas las funcionalidades en un dispositivo compacto e industrializable. Para ello se realizaron los siguientes cambios:

- Se sustituyó la primera unidad para generación de pulsos por una con corriente nominal suficiente para actuar directamente sobre la bobina inteligente (para ello se empleó la tarjeta NI-9477).

- Se empleó una tarjeta de adquisición capaz de adquirir a 20 MS/<s>para medir directamente las señales analógicas en el sistema en tiempo real (tarjeta Nl-9775).

- Se emplearon pinzas amperimétricas como alternativa a las resistencias de shunt para no afectar el nivel de tensión de referencia.

El proceso de ensayo, tal y como se muestra en las Figuras 2 y 3, consiste en la ejecución de un tren de pulsos y el análisis de la corriente resultante. El tiempo del ensayo viene condicionado por la capacidad del sistema para adquirir y tratar esta información en tiempo real. A diferencia de lo que sucedía en el prototipo 1, en el caso del prototipo 2 los datos son analizados en tiempo real. L<os>ensayos en laboratorio han determinado la factibilidad de realizar el ciclo ‘carga-disparo-medidaanálisis de la señal’ en 5 ms por chispa, lo que permite la ejecución de 200<pu>I<sos>/<s>. De esta forma, es posible probar 10 niveles de ET con 50 pulsos por nivel en 2.5<s>, I<o>que permite verificar un motor de 4 cilindros en 10<s>.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1- Dispositivo (1) de diagnóstico no intrusivo para sistemas de encendido por chispa en motores de combustión, donde este sistema comprende un circuito primario de baja tensión y un circuito secundario de alta tensión que comprende una bujía, ambos acoplados electromagnéticamente mediante una bobina inteligente (2), y un circuito de control cuya señal procede de la unidad de control electrónico del motor (3), caracterizado por que comprende:

   - unos medios de conexión al circuito de control del motor (3) a través de un conector (4) en dicho circuito de control;

   - una primera fuente (5) de alimentación del dispositivo (1);

   - unos medios de adquisición y control (6) de ensayo que comprenden un controlador con un software adecuado para el control y procesado de los datos obtenidos, que comprende al menos una primera unidad (6.1) configurada para generar una serie de pulsos de carga sobre un circuito lógico de la bobina inteligente (2) y, una segunda unidad (6.2) que permite una lectura de la tensión interna de la bujía y la corriente inducida en el primario y un control de la actuación sobre el circuito secundario; y

   - un dispositivo de medición (7) de la intensidad en el circuito primario.

   2- Dispositivo según la reivindicación 1, que comprende una segunda fuente (9) de alimentación susceptible de conexión al circuito primario a través del conector (4) del circuito de control del motor (3) para un motor (3) sin batería conectada.

   3- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, donde el controlador es adecuado para el procesado de los datos en tiempo real.

   4- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una interfaz (10) que permite su conexión a un software externo, para recopilación de los datos y su procesado al terminar los ensayos.

   5- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el dispositivo de medición (7) de la intensidad del circuito primario está formado por una o más resistencias de shunt.

   Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde el dispositivo de medición (7) de la intensidad del circuito primario está formado por unas pinzas amperimétricas.

   Proceso no intrusivo de diagnóstico para sistemas de encendido por chispa en motores de combustión mediante un dispositivo (1) de diagnóstico como el definido en las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que comprende:

   - una conexión (14) del dispositivo (1) al conector (4) del circuito de control del motor (3) y a una primera fuente (5) de alimentación;

   - una alimentación del circuito lógico de la bobina inteligente (15) del sistema mediante una secuencia de pulsos (8) de carga, realizando una pluralidad de repeticiones (R) para determinados valores de tiempo de energización (ET) de la bujía, donde estos valores de tiempo de energización están comprendidos entre un valor ETmín correspondiente a un valor que no produce chispa en una bujía para un valor nominal de separación entre electrodos, y un valor ETmáx correspondiente al ET capaz de producir chispa en el 100% de los casos con un valor de separación entre electrodos superior al valor nominal;

   - un análisis (16) de la respuesta (11) de corriente en el circuito primario para cada uno de los pulsos (8), donde la aparición de un pico (12) en la señal de corriente en el circuito primario determina la existencia de chispa en la bujía;

   - una obtención del porcentaje (17) de pulsos (8) que generan chispa para cada valor de ET, y una comparación de este valor con unas curvas de calibración (13);

   - una valoración del estado de la bujía (19) en función del efecto que causa la existencia o ausencia de chispa, y/o una determinación del valor concreto de la distancia de separación (18) entre los electrodos de la bujía.

   Proceso según la reivindicación 7, que comprende una fase adicional de conexión del circuito primario (14.1) a una segunda fuente (9) de alimentación, tras la fase de conexión (14) del dispositivo (1) al conector (4) del circuito de control del motor (3) y a una primera fuente (5) de alimentación, para un motor (3) sin batería conectada.

   Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, donde si la obtención del porcentaje (17) de pulsos (8) que generan chispa determina en el circuito primario una ausencia de corriente (20.1) o una presencia de corriente (20.2) con un valor diferente al valor nominal (22.1), la valoración del estado de la bujía (19) establece problemas en el circuito secundario por una bobina no conectada o defectuosa (21).

   10- Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, donde si la obtención del porcentaje (17) de pulsos (8) que generan chispa determina presencia de corriente con un valor nominal (22.2), ausencia de chispa (23.1) en la bujía y presencia de retroceso de la energía (24.1) a través del circuito primario, la valoración del estado de la bujía (19) establece un defecto en dicha bujía (25) o ausencia de la misma.

   11- Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, donde si la obtención del porcentaje (17) de pulsos (8) que generan chispa determina presencia de corriente con un valor nominal (22.2), ausencia de chispa (23.1) en la bujía y ausencia de retroceso de la energía (24.2) hacia el circuito primario, la valoración del estado de la bujía (19) establece un cortocircuito (26) en ella por contacto entre sus electrodos.