Automóvil, Mecatrónica

Ejemplo de Mecatrónica – Sistema de control de un motor de combustión interna.

La Mecatrónica representa la fusión entre la electrónica, los sistemas de control y la ingeniería mecánica. En esencia, se trata de sistemas dinámicos inteligentes y conectados, cuya estructura se ilustra en la Figura 1:

Figura 1. Sistema Físico inteligente y conectado.

Como se puede observar en la Figura 1, la Mecatrónica reúne áreas de la tecnología que involucran sensores y sistemas de medición, sistemas de manejo y actuación así como sistemas de microprocesador, junto con el análisis del comportamiento de sistemas y sistemas de control. El flujo de la información a través de estos subsistemas en un sistema mecatrónico se muestra en la Figura 2:

Figura 2. Elementos básicos de un sistema mecatrónico. 

El control de encendido y abastecimiento de combustible del motor de un automóvil es un buen ejemplo de un sistema mecatrónico. En el caso de un motor de combustión interna de cuatro tiempos, cada uno de los cilindros tiene un pistón conectado a un eje de cigüeñal común y cada uno cumple con un proceso secuencial denominado ciclo de cuatro tiempos o ciclo de Otto, mostrado en la Figura 3:

Figura 3. Secuencia del ciclo de cuatro tiempos de un motor de combustión interna.

Cuando el pistón desciende, se abre una válvula y entra al cilindro la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón sube, la válvula se cierra y se comprime la mezcla de aire-combustible. Cuando el pistón está cerca de la parte superior del cilindro, una bujía enciende la mezcla y se produce la expansión de los gases calientes. Esta expansión da lugar a que el pistón baje otra vez y el ciclo se repita. Los pistones de cada cilindro están unidos a un eje de cigüeñal común y sus tiempos de trabajo son distintos, de manera que siempre hay energía para hacer girar el eje del cigüeñal.

La potencia y la velocidad del motor se controlan variando el tiempo de encendido y la mezcla aire-combustible. En los motores modernos este control es ejecutado por un Sistema de Mando, el cual se ilustra en la Figura 4:

Figura 4. Sistema de mando de un motor de combustión interna.

En el tiempo de encendido, el eje del cigüeñal acciona un distribuidor que hace contactos eléctricos para cada bujía, por turno y en una rueda de temporización. Ésta genera pulsos que indican la posición del eje del cigüeñal. Después, el microprocesador ajusta el tiempo en el que los pulsos de alto voltaje se envían al distribuidor para que se produzcan en los momentos ‘correctos’. Para controlar la cantidad de la mezcla de aire-combustible que entra a un cilindro durante los tiempos de admisión, el microprocesador varía el tiempo de la activación con una válvula solenoide para que abra la válvula de admisión con base en las entradas recibidas de la temperatura del motor y la posición de la válvula reguladora. La cantidad de combustible que se debe inyectar a la corriente de aire se determina por la entrada de un sensor que mide el gasto másico del flujo de aire, o bien se calcula a partir de otras mediciones; a continuación, el microprocesador produce una salida que controla una válvula de inyección de combustible.

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En el diseño de sistemas mecatrónicos, uno de los pasos incluidos es crear un modelo del sistema. El término modelado se usa para representar el  comportamiento de un sistema real con ecuaciones matemáticas; tales ecuaciones representan la relación entre las entradas y las salidas del sistema. Esta relación permite predecir el comportamiento del sistema cuando es sometido a diferentes entradas. La siguiente es una lista de conocimientos básicos para modelar, analizar y diseñar sistemas mecatrónicos:

Fuente: Mecatrónica Sistemas de Control Electrónico en la Ingeniería Mecánica y Eléctrica, 5ta Edición – W. BOLTON –

Revisión literaria hecha por:

Prof. Larry Francis Obando – Technical Specialist – Educational Content Writer

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