Caracterização de um Motor de Combustão Interna através do Bus CAN

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INSTITUT,O TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS 
SUPERIORES DE MONTERREY 
CARft.CTERIZAClóN DE LOS PARÁMETROS DE UN MOTOR 
DE COMBUSTIÓN INTERNA MEDIANTE LA COMUNICACIÓN 
CON EL BUS CAN 
TESIS QUE PARA OPTAR EL GRADO DE 
MAESTRO EN SISTEMAS DE MANUFACTURA 
PRESENTA 
JAIME RAMíREZ GARDUÑO 
ASESOR: DR. VIRGILIO VÁZQUEZ LóPEZ 
ATIZAPAN DE ZARAGOZA, ESTADO DE MÉXICO, MAYO 2016. 
4 
ÍNDICE 
Abreviaturas ..................................................................................................................................... 2 
Índice ............................................................................................................................................... 4 
Lista de Figuras ............................................................................................................................... 7 
Lista de Tablas ..................... ..................................... .... ............. .... .................................................. 9 
Lista de ecuaciones ........................................................................................................................ 1 O 
Agradecimientos ............................................................................................................................ 11 
Capítulo 1: Introducción .............. ........ ................. .... ................. .................... .................... ..... ....... 12 
1.1 Estado del Arte .................................................................................................................... 12 
1.1.1 Principales componentes de los motores de combustión interna ................................. 13 
1.1.2 Ciclos de tiempo del motor de combustión interna ...................................................... 18 
1.1.2.1 Admisión ............................................................................................................... 18 
1.1.2.2 Compresión ............................................................................................ ......... ....... 18 
1.1.2.3 Explosión ............................................................................................................... 19 
1 .1.2.4 Escape .................................................................................................................... 19 
1.1.3 Rendimiento del ciclo de Otto ideal ............................................................. ................ 19 
1.1.3.1 Admisión 0-1 (Isobara) ............................ ........ ................. ........ ........ ..................... 20 
1.1.3.2 Compresión 1-2 (Adiabática) ................................................................................ 20 
1.1.3.3 Combustión 2-3 (lsócara) ...................................................................................... 20 
1.1.3 .4 Trabajo 3-4 (Adiabática) ....................................................................................... 20 
1.1.3.5 Primera fase del escape 4-1 (lsócara) ...................... ......................... ....... .............. 20 
1.1.3.6 Segunda fase del escape 1-0 (Isobara) ................................................................... 20 
1.1.4 Ciclo de Orto real. ......................................................................................................... 20 
1.1.5 Modelado de sistemas automotrices ............................................................................. 22 
1.1.5.1 Modelado con UML .............................................................................................. 22 
1.1.5.2 Simuladores HIL ................................................................................................... 27 
1.2 Hipótesis .............................................................................................................................. 28 
1.3 Objetivos .............................................................................................................................. 29 
1.3.1 Objetivos generales ....................................................................................................... 29 
1.3.2 Objetivos particulares ................................................................................................... 29 
5 
1.3.3 Alcances y Limitaciones ............................................................................................... 29 
Capítulo 2: Marco Teórico ............................................................................................................ 30 
2.1 Metodología de diseño ........................................................................................................ 30 
2.2 Antecedentes del bus CAN ................ .................................................................................. 31 
2.3 Topología del bus ................................................................................................................ 32 
2.4 Características de CAN ..................... ................ ..................................................... ............. 32 
2.5 Errores ................................................................................................................................. 34 
2.5.1 Estado de error activo ................................................................................................... 34 
2.5.2 Estado de error pasivo .................................................................................................. 34 
2.5.3 Estado de bus apagado .................................................................................................. 34 
2.6 Protocolo CAN .................................................................................................................... 36 
2.7 Tipos de tramas ............................................................................... ................. .................... 37 
2.7.1 Trama de datos .............................................................................................................. 38 
2. 7.2 Trama remota ............................................................... ................................................. 40 
2.7.3 Trama de error .............................................................................................................. 41 
2.7.4 Trama de sobrecarga .............................................................................................. ....... 41 
2.8 Espacio entre tramas ............................................................................................................ 42 
2. 9 Prioridad por arbitraje ............................................................. .... ............ ............................. 43 
2.1 O Relleno de bits ................................................................................................................... 44 
2.11 Tipos de errores ...... ........................................................................................................... 44 
2.12 OBD 11 ............................................................................................................................... 45 
Capítulo 3: Instrumentación e Implementación de la Comunicación en el Bus CAN .................. 47 
3.1 Componentes de Hardware utilizado ................................................................................... 47 
3.1.1 Chasis NI CompactDAQ USB de 4 Ranuras ................................................................ 4 7 
3. I .2 Tarjeta de comunicación de High Speed CAN ............................................................. 48 
3.1.3 Cable OBDII ................................................................................................................. 49 
3 .2 Herramientas de Software utilizadas ................................................................................... 50 
3.2.1 Labview 2012 32 bits ...................................................................................................50 
3 .3 Configuracion de la interfaz CAN ................. ...................................................................... 50 
Capítulo 4: Implementación y Experimentación ...................................................................... ..... 53 
4.1 Arquitectura eléctrica del vehículo ...................................................................................... 53 
4.2 Etapa de adquisición de datos .............................................................................................. 57 
6 
4.3 Modelado del motor de combustion interna ........................................................................ 60 
4.3.1 Procesamiento de los datos de entrada ........ .... ........................ .... .................. ............... 61 
4.3.2 Admisión del flujo de masa de aire .............................................................................. 63 
4.4 Presión en el múltiple de admisión ........ .... ............. .... .... .... ................ .......................... ....... 65 
4.5 Bombeo del flujo másico ..................................................................................................... 67 
4.6 Cálculo de la carga de aire en un cilindro ........................................................................... 68 
4.7 Cálculo del torque del motor ............................................................................................... 68 
4.8 Cálculo de la velocidad angular. .......................................................................................... 70 
4.9 Cálculo de las revoluciones por minuto ................................................................. ............. 71 
4.1 O Análisis de resultados ........................................................................................................ 72 
Capítulo 5: Conclusiones y Trabajo a Futuro ................................................................................ 79 
5.1 Conclusiones ........................................................................................................................ 79 
5.2 Trabajo a futuro ................................................................................................................... 80 
Referencias ...................................................................................................... .............................. 82 
Anexos ........................................................................................................................................... 85 
Anexo 1. Tabla de PIDs del OBDII soportados en el modo de operación 1. [22] .................... 85 
Anexo 2. Resultados de la simulación del modelo del motor ................................................. 100 
7 
LISTA DE FIGURAS 
Fig. 1 Culata del motor .............................................................................................. .. .. .. ...... .. ...... 13 
Fig. 2 Bloque del motor ................................................................................................................. 13 
Fig. 3 Pistón de un motor .............................................................................................................. 14 
Fig. 4 Biela .................................................................................................................................... 14 
Fig. 5 Cigüeñal del motor ...... .. ...... .. .................. .. .......................................................................... I 5 
Fig. 6 Árbol de levas .......................................................... .. ...... .. ...... .. ............ .. .......... .. ...... .. .. .. ... I 5 
Fig. 7 Sensor de velocidad del motor ............................................................................................ 15 
Fig. 8 Sensor de flujo másico de aire ............................................................................................. 16 
Fig. 9 Bujía del motor .................................................................................................................... 16 
Fig. 1 O Múltiple de admisión ......................................................................................................... 17 
Fig. 11 Múltiple de escape .......................................... .. .. .. .. .. .. .. .................. .. .. .. .......... .. ................. 17 
Fig. 12 Sensor de temperatura del aire de entrada ......................................................................... 18 
Fig. 13 Diagrama del ciclo Otto ideal ............................................................................................ 19 
Fig. 14 Comparación entre el ciclo Otto ideal y real.. ................................................................... 22 
Fig. 15 Diagrama de flujo del modelo del motor. ......................................................................... 23 
Fig. 16 Relación entre Crank clock y Cam clock ............................... .. ...... .. .. .. ...... .. .. .. .. .. ............. 23 
Fig. 17 Relación entre Crank clock y Cam clock .......................................................................... 24 
Fig. 18 Diagrama de Simulink del cálculo del flujo de aire de entrada del motor ........................ 25 
Fig. 19 Diagrama de Simulink de la presión en el múltiple de admisión ...................................... 26 
Fig. 20 Diagrama de Simulink cálculo del torque ......................................................................... 27 
Fig. 21 Modelo V de ingeniería de sistemas [30] .......................................................................... 31 
Fig. 22 Diagrama de conexiones típico ......................................................................................... 32 
Fig. 23 Estados de error de una unidad ......................................................................................... 35 
Fig. 24 Campos de la trama de datos para CAN Estándar ............................................................ 38 
Fig. 25 Campos de la trama de datos para CAN extendido .................. .. ....... .. ... .. ...... .. .. .. ............. 38 
Fig. 26 Campos de la trama remota para CAN estándar ............................................................... 40 
Fig. 27 Campos de la trama remota para CAN extendido ............................................................. 40 
Fig. 28 Campos de la trama de error ....................................... .. ...... .. ............ .. ........... .. .... .. .. .... ..... 41 
Fig. 29 Campos de la trama de sobrecarga .......... .. .......... .. ... .. ..... .. ................................................ 42 
Fig. 30 Espacio entre tramas .......................................................................................................... 42 
Fig. 3 1 Arbitraje entre nodos ......................................................................................................... 44 
Fig. 32 Diagrama de comunicación con el vehículo ..................................................................... 47 
Fig. 33 Chasis NI ........................................................................................................................... 47 
Fig. 34 Tarjeta de Comunicación NI 9862 .................................................................................... 48 
Fig. 35 Cable de conexión DB-9 a 08011 .................................................................................... 49 
Fig. 36 Diagrama de conexión DB-9 a 08011 .................... .. .. .. .. .. .. .. .. .. ...... .. .. .. ............... .. ........... 50 
Fig. 37 Configuración de la interfaz CAN2 .................................................................................. 51 
Fig. 38 Características de la interfaz CAN2 .................................................................................. 52 
8 
Fig. 39 Diagrama de entradas y salidas del modelo ...................................................................... 53 
Fig.40 Arquitectura eléctrica del vehículo ................................................................................... 54 
Fig. 41 Lista de mensajes de High Speed CAN del vehículo ........................................................ 56 
Fig. 42 Bloque 080 ...................................................................................................................... 58 
Fig. 43 Interfaz del proyecto de adquisición de datos ............. ..... ........ ...................... .... ............... 58 
Fig. 44 Acceso y conversión del PID de MAF del motor ....... .... ......... ......................................... 59 
Fig. 45 Acceso y conversión del PID de RPM del motor ............................................................. 59 
Fig. 46 Acceso y conversión del PID de la posición de la válvula mariposa ................................ 60 
Fig. 47 Acceso y conversión del PID del avance de la chispa ...................................................... 60 
Fig. 48 Acceso y conversión del PID del tiempo que lleva encendido el motor ........................... 60 
Fig. 49 Diagrama de bloques del modelo ...................................................................................... 61 
Fig. 50 Código de importación del archivo csv a Labview Parte 1 ..... .... ......................... .... ......... 62 
Fig. 51 Código de importación del archivo csv a Labview Parte 2 ............................................... 62 
Fig. 52 Variables individuales de entrada al ciclo ......................................................................... 63 
Fig. 53 Ciclo While del modelo .................................................................................................... 63 
Fig. 54 Cálculo del flujo de aire a la entrada ................................................................................. 64 
Fig. 55 Cálculo del flujo másico de aire a la entrada del motor en Lab View ............................... 64 
Fig. 56 Cálculo de la presión en el múltiple de admisión (35] ........................ ............. .... .... ......... 66 
Fig. 57 Cálculo de la presión en el múltiple de admisión en LabView ......................................... 66 
Fig. 58 Integración para obtener Pm en LabView ......................................................................... 66 
Fig. 59 Cálculo del flujo de aire bombeado a los cilindros ........................................................... 67 
Fig. 60 Cálculo de la carga de aire bombeado a cada cilindro ...................................................... 68 
Fig. 61 Cálculo del torque generado por el motor ......................................................................... 70 
Fig. 62 Cálculo de la velocidad angular en Lab View ..................... ........ ............. ........ ............. ..... 71 
Fig. 63 Cálculo de la revoluciones por minuto en Lab View ......................................................... 71 
Fig. 64 Interfaz de usuario del modelo en LabView ..................................................................... 72 
Fig. 65 Comparación entre velocidad del motor Calculada vs Real ................................ .... .... ..... 73 
Fig. 66 Comparación entre velocidad del motor Calculada vs Real. (Acercamiento) .................. 73 
Fig. 67 Gráfico del torque generado por el motor ......................................................................... 74 
Fig. 68 Gráfico del torque generado por el motor. (Acercamiento) .............................................. 74 
Fig. 69 Gráfico de la presión en el múltiple de admisión .............................................................. 75 
Fig. 70 Tabla de valores típicos medidos por el sensor del múltiple de admisión ........................ 75 
Fig. 71 Gráfico de las curvas típicas del motor del Ford Fiesta 2012 1.6 Litros ........ .... ..... ......... 76 
Fig. 72 Gráfico de la potencia del motor obtenida por el modelo ................................................. 77 
Fig. 73 Pasos experimentales del modelo ...................................................................................... 78 
9 
LISTA DE TABLAS 
Tabla 1. Valores de los contadores de errores de transmisión/recepción ...................................... 3 5 
Tabla 2. Condiciones de cambio los contadores de errores de transmisión/recepción .................. 36 
Tabla 3. Velocidad de transmisión de acuerdo a la longitud del bus ............................................ 37 
Tabla 4. Número de bits de datos para el campo de control... ....................................................... 39 
Tabla 5. Tipo de operación del OBDII ........................................... ............. .. ................................ 46 
Tabla 6. Ficha técnica de la tarjeta NI 9862 .................................................................................. 49 
Tabla 7. Lista de módulos del vehículo ......................................................................................... 56 
Tabla 8. Tabla P!Ds 08011 ........................................................................................................... 57 
10 
LISTA DE ECUACIONES 
( 1) Flujo de aire en la válvula reguladora .................................................................... .. ...... .... ...... 24 
(2) Ecuaciones para el cálculo del flujo de aire .............................................................. 25 
(3) Flujo de aire en cilindro ......................................................................................................... 25 
( 4) Integral de flujo de aire en cilindro ........................................................................................ 25 
(5) Presión en el múltiple de admisión .......................................................................................... 26 
(6) Velocidad del motor. ................................................................................................. 26 
(7) Flujo másico en el múltiple de admisión ..................................................................... ..... ....... 64 
(8) Cálculo de la presión en el múltiple de admisión .................................................................... 65 
(9) Cálculo del flujo másico de aire bombeado a la entrada de los cilindros (Crossley) .............. 67 
(1 O) Cálculo del flujo másico de aire bombeado a la entrada de los cilindros ............................. 67 
( 11) Cálculo de la carga de aire bombeado a cada cilindro ........................................................... 68 
( 12) Cálculo del torque generado por el motor (Crossley) ............................................. ....... 69 
(13) Cálculo del torque generado por el motor ................................................................. 69 
( 14) Mezcla estiqueométrica de aire combustible ......................................................................... 69 
( 15) Reacción química del combustible ............................................................................ 69 
( 16) Cálculo molar de la relación aire combustible ......................................................... 69 
( 17) Torque respecto a los momentos de inercia ............. .............................................................. 70 
( 18) Cálculo de la velocidad angular ............................................................................................. 70 
( 19) Relación rad/s a RPM ............................................................................................................ 71 
(20) Potencia generada por el motor .............................................................................................. 77 
(21) Equivalencia potencia ............................................................................................................ 77 
12 
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN 
Esta investigación tiene como principal propósito de estudio la comunicación entre las unidades decontrol electrónicas de los automóviles mediante el uso del bus CAN y las distintas aplicaciones 
que se pueden llevar a cabo a partir de la información que estas intercambian en el bus. En concreto. 
esta investigación presenta una propuesta para el modelado del motor de combustión interna de un 
vehículo. este modelo es obtenido utilizando los parámetros de control básico del auto y las salidas 
obtenidas de las distintas señales que las unidades electrónicas de control del vehículo intercambian 
durante su funcionamiento normal. 
Al mismo tiempo. es de vital importancia para esta investigación buscar el abrir camino para el 
desarrollo de más investigaciones enfocadas al uso del bus CAN en nuestra institución. con el fin 
de posicionarla como un centro de excelencia en la generación de conocimiento aplicado a la 
industria automotriz. 
1.1 ESTADO DEL ARTE 
La invención y el desarrollo de los motores de combustión interna han representado uno de los 
avances tecnológicos más importantes de los últimos 100 años al grado que al día de hoy son la 
fuente de propulsión más común en los vehículos de pasajeros. Todo esto es debido a la alta 
densidad de energía que poseen los combustibles de hidrocarburos líquidos. es por eso que 
podemos definir a los motores de combustión interna como máquinas que a través de la energía 
química proporcionada son capaces de convertirla y obtener energía mecánica directamente 
utilizable. 
La energía química transformada es proveniente de una combustión que se lleva a cabo en su 
interior. la cual es producida por el fluido activo o mezcla de combustibles [l ]. El movimiento de 
los elementos que componen a un motor se efectúa a partir del efecto que se produce de la 
combustión del fluido activo en combinación con aire proveniente de la atmósfera. La cámara 
interna donde sucede la combustión, forma parte de un cilindro dentro del cual se posiciona el 
pistón de un mecanismo biela-manivela, lo que permite que el cilindro se mueva de manera 
rectilínea. Al momento de la ignición el pistón realiza su carrera y transmite el movimiento a la 
biela. lo cual resulta en el movimiento rotativo del cigüeñal. 
13 
1.1.1 PRINCIPALES COMPONENTES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN 
INTERNA 
Para poder comprender el funcionamiento de un motor de combustión interna. es importante 
primero conocer cada uno de los componentes que lo conforman y la forma en que interactúan 
entre ellos para desempeñar las funciones previamente descritas. 
• Culata del motor 
Este elemento es la parte superior del motor y sirve para cerrar las cámaras de combustión 
por su sección superior. Usualmente también alojan a las válvulas de admisión y escape. 
las bujías y el árbol de levas. 
Fig. 1 Culata del motor 
• Bloque del motor 
Este componente representa la estructura básica del motor y es el componente más grande 
del motor. En su interior contiene a cada uno de los cilindros donde los pistones se mueven 
y los apoyos del cigüeñal. Además cuenta con otros conductos por los cuales circulan 
lubricantes y refrigerantes. Este componente se manufactura por fundición de hierro o 
aluminio. 
Fig. 2 Bloque del molor 
• Pistón 
El pistón desempeña la función de cerrar y obturar la cámara de combustión interna con 
respecto al cárter. Además, este componente se encarga de recibir las fuerzas causadas en 
la combustión a través de la biela y de transmitirla al cigüeñal. Durante su movimiento se 
ejercen dos fuerzas principalmente: una paralela al movimiento del pistón y otra lateral a 
14 
esté la cual provoca que el pistón se impacte contra las paredes del cilindro. esta fuerza en 
particular causa desgaste en éste después de un uso prolongado. 
Usualmente este componente se manufactura utilizando aleaciones de aluminio sintetizado. 
lo que otorga una buena resistencia a las altas temperaturas a las cuales opera, buenas 
propiedades de deslizamiento y una alta resistencia al desgaste. 
Fig. 3 Pistón de un motor 
• Biela 
Este elemento mecánico se encarga de transmitir el movimiento del pistón hacia el cigüeñal. 
Cuando el pistón se encuentra comprimiendo la mezcla. aproximadamente I Oº antes de 
llegar al punto superior muerto, se genera la chispa y cuando se alcanza el punto muerto 
superior la fuerza explosiva que se está liberando se comprime. 
Fig. 4 Biela 
• Cigüeñal 
El cigüeñal es el componente mecánico que se conforma de codos y contrapesos y que se 
conecta a las bielas y al monobloque del motor por medio de cojinetes. Su principal función 
consiste en transformar la fuerza del pistón en un par de fuerzas creando un momento de 
giro que transfiere al embrague. Además de esto se encarga de poner en fase cada uno de 
los impulsos de fuerza de los cilindros. 
La geometría de este componente depende del número de cilindros. y apoyos que tenga el 
motor así como la longitud de carrera y la disposición de los cilindros. 
15 
Fig. 5 Cigüeñal del motor 
• Árbol de levas 
Este mecanismo está conformado por un eje sobre el cual se posicionan distintas levas de 
distintas formas y tamaños. Su función consiste en abrir y cerrar las válvulas de admisión 
y escape de manera cíclica. de forma sincronizada con los tiempos del motor. El número de 
levas que posee depende directamente del número de cilindros que tenga el motor en una 
relación 2: l. 
Fig. 6 Árbol <le levas 
• Sensor de velocidad 
Este sensor de efecto Hall se encarga de monitorear la posición del cigüeñal para determinar 
la velocidad del motor. En el engranaje del cigüeñal se establece un punto que sirve de 
referencia para realizar los cálculos. Cada vez que un borde del diente establecido como 
punto de referencia se acerca al sensor se genera una señal. la cual será alta durante el 
tiempo que el diente este cercano al sensor y será baja cuando el diente se aleja. El PCM 
determina la velocidad de acuerdo al número de pulsos registrados en un tiempo establecido 
[34]. 
Fig. 7 Sensor de velocidad del motor 
16 
• Bobina 
La bobina es el componente eléctrico que se encarga de generar una carga de alto voltaje 
mediante inducción magnética, elevando el voltaje de la batería de 12 volts a 15000 volts. 
• Sensor de tlujo másico 
Este componente se encuentra ubicado entre el filtro de aire y el múltiple de admisión del 
vehículo. Su función es medir el tlujo másico que se introduce al motor. Se componen de 
un cable calentado eléctricamente y de un sensor de temperatura situado cerca del cable. 
Conforme el tlujo de aire aumenta al presionar el acelerador. el aire enfría el cable. por lo 
que más corriente debe ser aplicada para mantener caliente al cable. La cantidad de corriente 
necesaria para realizar esto es proporcional al flujo de aire [32]. 
Fig. R Sensor de llujo másico de aire 
• Bujía 
La función de las bujías es generar una chispa eléctrica en la cámara de combustión del 
cilindro cuando recibe la carga del voltaje proveniente del distribuidor. Esta chispa provoca 
la explosión de la mezcla de aire combustible que permite el movimiento de los pistones. 
Es importante mencionar que cada uno de los cilindros del motor cuenta con su propia bujía. 
Usualmente la sincronización del momento en que las bujías inician la ignición es 
controlada por la unidad de control electrónico del módulo del tren motriz. 
Fig. 9 Bujía del motor 
• Múltiple de admisión 
Es el conducto por el cual llega la mezcla de aire que se inserta en los cilindros y su función 
consiste en distribuir la cantidad de aire de manera equitativa hacia cada uno de ellos. 
17 
(· ig. 1 O Múltiple Je admisión 
• Múltiple de escape 
Por este conducto se liheran los gases de escape que se producen durante la combustión 
hacia la atmósfera. Anterior a este paso los gases pasan a través de un catalizador con el 
objetivo de disminuir las emisiones dañinas hacia el medio ambiente. Este componente es 
además altamente resistente a la corrosión y a las altas temperaturas debido a las elevadastemperaturas a las cuales se expulsan los gases. 
Fig. 11 Múltiple Je escape 
• Sensor de temperatura del aire de entrada 
Este sensor se encarga de monitorear la temperatura del aire que entra en el motor. Los 
datos que mide este sensor son utilizados por el PCM para estimar la densidad del aire y 
balancear la mezcla de aire combustible. Cuando el aire de entrada es más frío se requiere 
más combustible para mantener la misma relación aire combustible. por lo que el PCM 
aumenta el tiempo que los inyectores se mantienen abiertos [33]. 
• 
• 
• 
• 
18 
Fig. 12 Sensor de temperatura del aire de entrada 
1.1.2 CICLOS DE TIEMPO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA 
Los motores de combustión interna pueden ser de dos tiempos o de cuatro tiempos. siendo los 
motores de gasolina de cuatro tiempos los más comúnmente utilizados en los coches o automóviles 
y para muchas otras funciones en las que se emplean como motor estacionario. 
Una vez que ya conocemos las partes. piezas y dispositivos que conforman un motor de combustión 
interna. pasamos a explicar cómo funciona un motor típico de gasolina. 
Como el funcionamiento es igual para todos los cilindros que contiene el motor. tomaremos como 
referencia uno sólo. con el objetivo de analizar qué ocurre en su interior en cada uno de los cuatro 
tiempos: 
1.1.2.1 ADMISIÓN 
Al inicio de este tiempo el pistón se encuentra en el PMS (Punto Muerto Superior). En este 
momento la válvula de admisión se encuentra abierta y el pistón. en su carrera o movimiento hacia 
abajo va creando un vacío dentro de la cámara de combustión a medida que alcanza el PMI (Punto 
Muerto Inferior). ya sea ayudado por el motor de arranque cuando ponemos en marcha el motor, o 
debido al propio movimiento que por inercia le proporciona el volante una vez que ya se encuentra 
funcionando . El vacío que crea el pistón en este tiempo, provoca que la mezcla aire-combustible 
que se envía el al múltiple de admisión penetre en la cámara de combustión del cilindro a través de 
la válvula de admisión abierta. 
1.1.2.2 COMPRESIÓN 
Una vez que el pistón alcanza el PMI. el árbol de leva. que gira sincrónicamente con el cigüeñal y 
que ha mantenido abierta hasta este momento la válvula de admisión para permitir que la mezcla 
aire-combustible penetre en el cilindro. la cierra. En ese preciso momento el pistón comienza a 
subir comprimiendo la mezcla de aire y gasolina que se encuentra dentro del cilindro . 
19 
1.1.2.3 EXPLOSIÓN 
Una vez que el cilindro alcanza el PMS y la mezcla aire-combustible ha alcanzado el máximo de 
compresión. salta una chispa eléctrica en el electrodo de la bujía, que inflama dicha mezcla y hace 
que explote. La fuerza de la explosión obliga al pistón a bajar bruscamente y ese movimiento 
rectilíneo se transmite por medio de la biela al cigüeñal, donde se convierte en movimiento giratorio 
y trabajo útil. 
1.1.2.-1 ESCAPE 
El pistón, que se encuentra ahora de nuevo en el PMI después de ocurrido el tiempo de explosión. 
comienza a subir. El árbol de leva, que se mantiene girando sincrónicamente con el cigüeñal abre 
en ese momento la válvula de escape y los gases acumulados dentro del cilindro. producidos por la 
explosión. son arrastrados por el movimiento hacia arriba del pistón, atraviesan la válvula de escape 
y salen hacia la atmósfera por un tubo conectado al múltiple de escape. 
1.1.3 RENDIMIENTO DEL CICLO DE OTTO IDEAL 
El rendimiento del ciclo de Ono, como el de cualquier otra máquina térmica, viene dado por la 
relación entre el trabajo total realizado durante el ciclo y el calor suministrado al fluido de trabajo. 
Visto de una manera gráfica en un diagrama P-V se puede considerar ejecutado según las siguientes 
transformaciones termodinámicas: 
p 
3 
P, 
P.'.\I.S P.:\1.1. \" 
Fig. 13 Diagrama dL:I ciclo Otto ideal 
20 
1.1.3.1 ADMISIÓN 0-1 (ISOBARA) 
Se supone que la circulación de los gases atmosféricos hacia el interior de los cilindros se realiza 
sin rozamiento. por lo cual puede asumirse que no hay pérdida de carga, y por lo tanto la presión 
interior permanece constante y de igual magnitud a la atmosférica. 
1.1.3.2 COMPRESIÓN 1-2 (ADIABÁTICA) 
Al realizarse la compresión de manera muy rápida. podemos asumir que la mezcla aire-combustible 
no intercambia calor con el medio, por lo cual éste permanece constante. 
1.1.3.3 COMBUSTIÓN 2-3 (ISÓCARA) 
Al producirse la chispa. se genera una combustión instantánea que produce una cantidad de calor 
Q l. en ese instante se puede asumir que el pistón aún no comienza su movimiento. por lo cual el 
volumen permanece constante. 
1.1.3.4 TRABAJO 3-4 (ADIABÁTICA) 
Debido a la rapidez de giro del motor. los gases quemados no tienen tiempo para intercambiar calor 
con el medio exterior por lo cual se considera que éste permanece constante durante esta etapa. 
1.1.3.5 PRIMERA FASE DEL ESCAPE 4-1 (ISÓCARA) 
En esta etapa se asume que la válvula de escape se abre de manera instantánea. por lo que la salida 
de los gases del interior del cilindro se hace a volumen constante. Al mismo tiempo que esto ocurre 
sucede una pérdida de calor Q2. 
1.1.3.6 SEGUNDA FASE DEL ESCAPE 1-0 (ISOBARA) 
Cuando el pistón se desplaza hacia el punto muerto superior expulsa los gases remanentes en el 
interior del cilindro. Al asumirse que no hay resistencia alguna para que estos gases sean 
expulsados a la atmósfera. la presión en el interior se mantiene constante y de igual magnitud a la 
atmosférica. 
1.1.4 CICLO DE OTTO REAL 
El ciclo real se diferencia del teórico en que el primero se considera para máquinas hipotéticas, las 
cuales no cuentan con problemas mecánicos. ni pérdidas energéticas, además de los gases con los 
que trabajan se consideran ideales. En la práctica, ni las transformaciones adiabáticas del ciclo de 
Ono son adiabáticas. ni las transformaciones isocoras del diagrama presentado en la figura 13 
?·L' ~ lt 
BlBLIOT-ECA 
~(.STUDlos 
'~ • J'~ " 4":~-=- '°~\ f' e A M r u s 'ó\ 
21 
tienen lugar a volumen constante. Las principales diferencias que existen entre el ciclo ideal o 
teórico y el real se describen a continuación. 
En primer lugar podemos mencionar que los gases que forman parte del ciclo no son en realidad 
gases ideales. sino una mezcla de gases y vapores. Por esto los gases que se utilizan en los motores 
de combustión interna no siguen las leyes de comportamiento de los gases ideales; estas leyes en 
su mayoría sólo aplican a gases sometidos a muy bajas presiones y temperaturas. mientras que en 
ciclo real las presiones y temperaturas son considerablemente más elevadas. Otra diferencia se 
encuentra en que en el ciclo ideal no se toman en cuenta las pérdidas de calor y en comparación 
con las que suceden en el ciclo real cuando una cierta parte del calor del fluido se transmite a las 
paredes del motor. este efecto causa que las líneas de compresión y expansión no sean adiabáticas 
sino politrópicas. 
El tiempo de abertura y cierre de las válvulas de admisión y escape es también diferente. ya que en 
el modelo ideal éstas se asumen que operan de manera instantánea. mientras que en el modelo real 
esto es fisicamente imposible. Es por esta razón que para poder sincronizar el ciclo las válvulas 
estas se abren con un tiempo de anticipación controlado por el módulo de control del motor aunque 
esto provoca finalmente una pérdida en el trabajo útil generado. 
Existen también pérdidas asociadas al bombeo de combustible ya que en la realidad existe un 
rozamiento en los conductos de admisión y escape del fluido activo, mientras que en el modelo real 
ambas etapas se realizan a presión constante. 
Para poder lograr que el rendimiento del ciclo ideal se asemeje lo más posible al ciclo real se 
controla el comienzo y la finalización de la entrada y salida del fluido activo con el propósito de 
alcanzar un mejor llenado y evacuación de los gases. Además de esto. también se ejecuta un 
adelanto del encendido de lachispa y de la inyección con el fin de compensar el tiempo necesario 
para lograr la combustión de la mezcla aire/combustible. 
En la figura 14 podemos observar de manera gráfica la diferencia en cuanto a eficiencia que existe 
entre el ciclo Otto teórico contra el real; en la figura el trabajo generado por el ciclo ideal se marca 
por la zona coloreada en rojo. mientras que el trabajo real generado en el ciclo se observa por la 
zona marcada en color azul (29]. 
V1 
PMS 
\ ¡ V 
PMI 
Fig. 14 Comparación entre el ciclo 0110 ideal y real 
1.1.5 MODELADO DE SISTEMAS AUTOMOTRICES 
1.1.5.1 MODELADO CON UML 
22 
La complejidad de sistemas en tiempo real embebidos se incrementa sin cesar, mientras el tiempo 
necesario para desarrollar los productos y llevarlos al mercado se vuelve cada vez menor. Es por 
eso que la ingeniería de modelado ha comenzado a ser utilizada como una propuesta para poder 
agilizar el diseño de aplicaciones en tiempo real. Actualmente existe una gran demanda en la 
generación de modelos ejecutables que cubren desde las etapas de diseño de las especificaciones 
hasta la implementación, soportando también las etapas de validación. Para el modelado de este 
tipo de sistemas existen lenguajes como UML y SysML que debido a que son lenguajes 
estandarizados y a que utilizan elementos gráficos para describir el comportamiento de un sistema 
facilitan la visualización de cada una de las acciones del sistema y la interpretación de los resultados 
[9]. 
Un ejemplo de esta aplicación es el modelo propuesto por C. André y F. Malletpara [9] que describe 
el control de ignición y corrección de un motor de 4 tiempos. Utilizando UML y aplicando 
específicamente el estándar MARTE (Modeling and Analysis ofReal Time and Embedded systems 
por sus siglas en inglés) que permite introducir extensiones de UML para conceptos de tiempo, los 
autores proponen un modelo tomando en cuenta el ángulo de rotación del árbol de levas como 
variable para hacer las transiciones tal y como se muestra en la figura 15. Es importante mencionar 
que en el motor real la sucesión de las fases está dada por la posición del árbol de levas mientras 
que en este modelo las distintas posiciones angulares del árbol de levas se consideran instantes 
23 
lógicos de un reloj denominado camClk cuyas unidades son por lo tanto ºCAM y tiene un rango 
de valores definidos de Oº a 360º con una resolución de 0.5. De acuerdo a esta primera máquina de 
estados cada una de las transiciones se activa después de 90ºCAM 
stm <<timedProcessing>> 4StrokeEngineCycle 
{ on :::: camClk} 
• > lntake 
after 90 r 
E,haust 
after90 1>-----------¿ Comprn1ion '·1 1 .~., 
~--afterg()-- · Combuation I 
Fig. 15 Diagrama de flujo del modelo del motor. 
Posteriormente, en ese mismo trabajo, definieron una nueva variable de tiempo crkClk (crank 
clock) con unidades ºCRK y dado que un ciclo completo del motor de combustión interna requiere 
dos revoluciones del cigüeñal el valor máximo de esta variable es 720. 
Dado que el cigüeñal y el árbol de levas se encuentran mecánicamente relacionados es posible 
entonces definir una relación entre ambas variables que miden el tiempo (crkClk y camClk) siendo 
que esta relación que el cigüeñal gira dos veces más rápido que el árbol de levas. 
1 
Instan! values i 
(º CRK) ¡------ (O.O) (0.5) (1.0) (1.5) (2.0) (2.5) 
1 1 2 3 4 5 6 
Coincidence 
relation : . 
1 2 3 
Instan! values __ (O.O) (0.5) (1.0) 
(° CAM) ,------~- --- - --------- ------------~ 
1 <<clockConstra,nt>> 
j ( camClk = crkClk filteredBy Ob(10)} 
Fig. 16 Relación entre Crank clock y Cam clock. 
crkClk 
camClk 
En la figura 17 podemos observar el diagrama que describe el comportamiento de la ignición. La 
primera acción determina el ángulo de la chispa que provoca la ignición mediante la búsqueda en 
una tabla basado en dos parámetros de entrada, el primero siendo la relación aire combustible y el 
segundo la velocidad actual del motor. Posteriormente la información es usada por el módulo de 
correcciones que toma en cuenta factores como la intensidad del golpeteo del cilindro. El valor 
corregido finalmente entra al módulo de adaptación que genera como respuesta el avance de la 
chispa real. 
<<limedOuralionConstraint>> 
{ dMIC1r1 < i'm } 
Af: Alr/Fual Ratio RPM: Eng1n& 1peed /llYV: Aavance 
l(J Knock lntenmry KAW Kr-.ici< Aa:µoillOn lflnlow + 
crt<Clk cnnk,haft Clod< IIICtrt Mal tgmaon Canlrol 
8IAA: Bao,c lgno11on Advance Arq,e CLM: CaTeded lgniion Advanc:e Azqe 
Fig. 17 Relación entre Crank clock y Cam clock. 
24 
El modelado de motores de combustión interna tiene diversas áreas de aplicación, principalmente 
en el área de consumo de combustible y control de emisiones contaminantes, además de 
aplicaciones de seguridad, confort y mejoras al manejo de los automóviles. 
La mayoría de los vehículos modernos están equipados actualmente con motores de inyección 
indirecta de gasolina. En este tipo de motores el torque es controlado por la cantidad de mezcla aire 
/ combustible que se introduce en cada cilindro en cada ciclo. Típicamente esta cantidad se controla 
modificando la presión de entrada y cambiando por ende la densidad de la mezcla aire / 
combustible. Es por este motivo que se utiliza una válvula mariposa para controlar la cantidad de 
aire que entra en el motor. Sin embargo, a pesar de que esta solución es bastante confiable y simple 
produce pérdidas de bombeo que se han descrito anteriormente en la sección 1.1.4 Ciclo Otto real. 
Por otro lado. en el ramo del modelado de motores de combustión interna existen ya varias 
publicaciones y libros que buscan describir el comportamiento de este tipo de motores para distintas 
aplicaciones. Un ejemplo de esto es el modelo propuesto por Jie y Wung [ 17], el cual es utilizado 
principalmente para realizar pruebas del tipo HIL (Hardware in the Loop) utilizando Matlab y 
Simulink. La aplicación propuesta por estos autores, tiene el objetivo principal de generar un 
modelo cuya simulación pueda ser utilizada para realizar pruebas de validación de los ECUs. 
El modelo propuesto consta de tres etapas y está basado en el modelo del valor medio con el fin de 
reducir la complejidad y la carga computacional. La primera etapa del modelo propuesto representa 
el flujo del aire a través de la válvula reguladora, este flujo de aire se asume como el mínimo 
calculado entre el flujo de masa de aire en la válvula mariposa de acuerdo al ángulo (a) de la válvula 
(ni 1 ) y el flujo de aire calculado de acuerdo a la velocidad del motor (m.2 ). 
25 
Donde las constantes Cau, Catz, Cat3 y Cat4 se han calculado mediante ajustes experimentales en el 
modelo. ~1 (a) es una función dependiente del ángulo de la mariposa mientras que ~2 (pr) es una 
función dependiente de la presión Pr . Esta presión es a su vez una relación entre la presión en el 
múltiple de admisión y la presión ambiental. ~3 (n) es un parámetro de corrección de la velocidad 
del motor. 
TPS_a(deg) 
~05 011 Pr 
P•mb(l<p•) 
f(u) 
Fcn 
Pr>Pc 
G.1in 
beta1 
X 
Produd 
X 
Gain1 
Product1 
bela3 
Englne Throttl• Model 
c.11,c.12 
0.002"u-3.5C, 
Cal31C•~ 
Fig. 18 Diagrama de Simulink del cálculo del !lujo de aire de entrada del motor 
m,n 1 
IIA"d'.gls) 
Posteriormente en este modelo, se realiza el cálculo del flujo de aire de cada uno de los cilindros 
utilizando las ecuaciones 3 y 4, en la cual V5 representa el desplazamiento del motor, T¡ representa 
la temperatura en el múltiple de admisión. r la constante de los gases, s¡ es una constante 
dependiente de la estructura del motor, iO e ic representan el tiempo en que la válvula de entrada 
se encuentra cerrada y abierta respectivamente, p¡ es la presión en el múltiple de admisión y p0 es 
la pérdida de presión que existe por la presión de escape del ciclo Otto. 
. V 5 ns¡ ( ) 
map = 12orT; p¡ - Po (3) 
. fic . d V5 s¡ ( ) 
mai = ·0 ffiap t = - Pi - Po 1 4rT¡ (4) 
Para obtener el valor de lapresión en el múltiple de admisión se sabe que el flujo de aire en el 
múltiple es la diferencia entre el flujo de aire que existe en la válvula mariposa y el flujo de aire en 
26 
el puerto de entrada debido al principio de conservación de flujo en el motor. Utilizando la ecuación 
de los gases ideales la presión en el múltiple se obtiene de la siguiente expresión (5): 
. rT¡ ( . . ) 
P1 = y. ffivalv - ffiap 
1 
(5) 
Lookup T able_yi 
F cn1 M~i 
Ai1 Chaige lo Cylmde!(g) 
Lookup T able_S, 
lnt.:ike Port Air M.iss Flow And Pressure 
Fig. 19 Diagrama de Simulink de la presión en el múltiple de admisión 
Finalmente en la última etapa de este modelo, se realiza el cálculo de la velocidad angular del motor 
utilizando para ello el bloque de generación de torque que se muestra a continuación en la figura 
20. La expresión que se utiliza para el cálculo de la velocidad está dada por la ec. (6), donde n es 
la velocidad del motor, 1 es la inercia efectiva del motor, Hu es una constante del combustible 
(43000kJ/kg), n¡ es la expresión de eficiencia térmica en función de la velocidad del motor, la 
presión del múltiple de admisión y el ángulo de la chispa, Lth es la relación teórica de aire 
combustible (14.67), Pr son las pérdidas por fricción, Pp las pérdidas por bombeo, Pp las cargas 
externas, y Td es el retraso de tiempo que pasa desde la inyección a la generación del torque. 
. Hu ( S) m,;alv(t-Tct) Pr(n)+Pp(n,p)+Pb(n) 
n = - n¡ n, p, - ( 6) 
ni Lth ni 
Engine Torque 
Fig. 20 Diagrama de Simulink cálculo d.:I torque 
1.1.5.2 SIMULADORES HIL 
rpm/1000 
to rad 
Lo.ads 
3 
Spark Advance 
27 
Un simulador de HIL es en esencia un sistema de control cuyos componentes virtuales mandan a 
sus componentes físicos para el seguimiento de un sistema hipotético totalmente físico. Esto 
implica que las herramientas clave, tanto para la simulación HIL y control embebido son bastante 
similares. Los avances en el desarrollo de la simulación HIL han llevado a ampliar las aplicaciones 
en el diseño de control embebido debido a que permiten realizar simulaciones de sistemas antes de 
poseer los componentes físicos. En consecuencia. la simulación HIL puede ser un excelente marco 
para la creación de prototipos de control, calibración y validación. Actualmente el papel de la 
simulación HIL se ha ampliado en respuesta a una necesidad de estudiar los dispositivos físicos 
inmersos en los sistemas complejos, tales como los de aplicaciones médicas, automotrices, 
aeronáuticas y militares. La síntesis de sistemas avanzados incluye importantes piezas de hardware, 
como un motor de combustión interna, la transmisión de un automóvil, un misil o un torpedo. y 
apoya tanto el diseño y validación de componentes y sistemas completos. 
Como se ha mencionado anteriormente. los sistemas automotrices modernos son cada vez más 
complejo y las nuevas tecnologías ofrecen oportunidades sin precedentes para mejorar los atributos 
del vehículo, pero los beneficios dependen de la integración de nuevos componentes de una manera 
que maximiza las sinergias a nivel del sistema. Por lo tanto, la evaluación del potencial de las 
tecnologías aplicadas a estos sistemas y la optimización de sus diseños requiere de herramientas de 
análisis de sistemas eficaces. El estudio de nuevos conceptos depende en gran medida en las 
herramientas de simulación predictiva, ya que las decisiones a menudo tienen que hacerse antes de 
que los prototipos físicos estén disponibles. 
28 
El modelado de sistemas de motores se utiliza en el ámbito académico y de la industria pero 
principalmente en el diseiio y la calibración de controladores de transmisión y motor. Las 
investigaciones recientes en las Universidades de Bath y Wisconsin [14] por ejemplo. se han 
centrado en el desarrollo de dinamómetros hidráulicos con altos anchos de banda propicios para el 
trabajo del sistema de control. Del mismo modo. Fleming et al. [ 19] describe el desarrollo de una 
configuración de sistema de propulsión-in-the-Loop que permite el diseiio de control y la 
aplicación específicamente para los vehículos eléctricos híbridos. Por último. el Laboratorio 
Nacional de Argonne (ANL) está invirtiendo fuertemente en las capacidades HIL, y sirve como el 
sitio primario para la validación de la tecnología para el Departamento de Energía de Estados 
Unidos [20]. El enfoque de ANL es el que permite la comprobación de los distintos componentes 
del sistema de propulsión en un entorno simulado. Un trabajo reciente en el ANL también ha 
utilizado la simulación HIL para investigar soluciones para optimizar la relación entre la eficiencia 
del combustible y las emisiones de Nüx en un vehículo híbrido. Investigaciones en el Centro de 
Investigación Automotriz han producido un conjunto completo de herramientas de simulación de 
vehículos para el diseño y análisis de sistemas de vehículos avanzados. La plataforma de modelado 
del sistema resultante. denominado VESIM para la simulación del motor del vehículo. se ejecuta 
en SIMULINK con énfasis en la alta fidelidad de simulaciones de sistemas totalmente integrados. 
Esta plataforma ha sido posteriormente extendida y utilizada para la investigación de una serie de 
temas relacionados con la propulsión híbrida para camiones, como la evaluación de economía de 
combustible potencial para vehículos híbrido eléctricos. 
Como se ha podido observar en los trabajos anteriormente mencionados, la aplicación de diseño 
de sistemas basados en modelos y aplicaciones HIL tienen un amplio rango de aplicación en la 
industria automotriz debido a que permiten reducir el tiempo de desarrollo y la inversión que tienen 
que realizar las empresas automotrices en prototipos físicos ya que permiten la simulación y 
validación de los sistemas sin que muchas veces sean necesarios estos elementos durante las etapas 
tempranas del diseño. Es por esto que el modelo presentado en esta investigación resulta útil ya 
que permite realizar una simulación del comportamiento real de un motor de combustión interna 
utilizando únicamente las señales transmitidas por los distintos componentes del vehículo a través 
del bus CAN. 
1.2 HIPÓTESIS 
Es posible generar el modelo que describe adecuadamente el comportamiento del motor de 
combustión interna de un Ford Fiesta 2012 (14 1.6 Litros 120 HP) utilizando como parámetros de 
control las señales enviadas por las unidades de control electrónicas que operan en el bus CAN. 
29 
1.3 OBJETIVOS 
1.3.1 OBJETIVOS GENERALES 
• Desarrollar un modelo de un motor de combustión interna que permita evaluar y 
caracterizar el comportamiento de la velocidad angular del motor obteniendo los datos del 
vehículo por medio del bus CAN. 
El vehículo que se utiliza en este trabajo de Tesis es un Ford Fiesta SES 2012 ( l 20HP 1.6 
Litros) 
1.3.2 OBJETIVOS PARTICULARES 
• Instrumentación e implementación del sistema que permita establecer la comunicación por 
medio del bus CAN con la computadora del auto por medio del software LabView. 
• Obtener los parámetros del motor que permitirá la modelación y validación del motor. Los 
parámetros a leer son: 
o Porcentaje de apertura de la válvula mariposa 
o Revoluciones por minuto del motor 
o A vanee de la chispa 
o Lectura del sensor MAF 
• Validación del sistema ingresando datos reales del comportamiento del motor al modelo 
generado en LabView. 
1.3.3 ALCANCES Y LIMITACIONES 
• En la implementación del sistema se empleará la conexión por el puerto 08011 del vehículo 
para la comunicación con CAN. 
• La adquisición de datos se realizará utilizando una tarjeta de High Speed CAN. 
• Los parámetros que no se puedan medir por limitaciones del vehículo (sensores y señales 
no disponibles) serán estimados y aproximados durante la modelación. 
30 
CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO 
En este capítulo se describen ampliamente los principios de funcionamiento del protocolo CAN el 
cual es fundamental para la implementación del modelo delmotor de combustión interna debido a 
que la arquitectura eléctrica del vehículo utilizado (Ford Fiesta SES 2012) se basa en este protocolo. 
A lo largo de este capítulo se enumeran los distintos tipos de tramas que se han definido en el 
protocolo CAN para el envío y recepción de datos además de los distintos mecanismos de detección 
de error que permiten que este protocolo sea ampliamente utilizado en aplicaciones de sistemas 
embebidos. 
2.1 METODOLOGÍA DE DISEÑO 
Al ser este trabajo un esfuerzo de diseño, es importante primero definir el tipo de metodología 
apropiada para desarrollar en sistema que cumpla con todos los requisitos que sean definidos. Una 
vez dicho esto. resulta fundamental primero definir qué es un sistema. De acuerdo a Draper 
Kaufmann, "un sistema consiste en una colección de partes las cuales interactúan entre ellas para 
funcionar como un todo". Otra definición más completa sobre lo que un sistema es la del Dr. W 
Edwards Deming: ''Un sistema es una red de componentes interdependientes que operan juntos 
con el fin de alcanzar el objetivo de este". Un elemento fundamental tocados por esta definición es 
que un sistema debe poseer un objetivo, sin él no existe un sistema. 
Para el desarrollo de este sistema se utilizará un enfoque basado en ingeniería de sistemas, el cual 
es definido por el Consejo Internacional de Ingeniería de Sistemas (INCOSE) por sus siglas en 
inglés) como un "enfoque interdisciplinario que permite la realización de sistemas exitosos''. 
Ahora bien. una vez que hemos definido el tipo de enfoque que se utilizará es necesario seleccionar 
el tipo de metodología o modelo que se utilizará para desarrollar el sistema. Debido a este enfoque. 
el modelo V presenta ventajas significativas al momento de diseñar sistemas robustos que cumplan 
finalmente con los requisitos que se plantean. un ejemplo de esto es el diseño de sistemas de freno 
ABS propuesto por Kumar en el cual se define primero la especificación del módulo ABS [23]. 
para posteriormente definir la lógica de operación de los componentes utilizados (llantas, sensores, 
bombas hidráulicas) y finalmente se diseña un modelo en Simulink que describa el comportamiento 
que el módulo debe de seguir. Posteriormente. utilizando también Simulink. se realizan las etapas 
de validación y calibración de los parámetros del modelo. Una de estas ventajas es que este modelo 
presenta iteraciones en varios niveles, lo que permite asegurar que cada uno de los requisitos 
definidos a alto nivel sea cumplido. 
En la figura 21 se muestra la representación gráfica del modelo V generalizado. En la parte 
izquierda de este modelo se representan los distintos niveles de entradas que se tienen para el diseño 
del sistema. Las principales características de este lado del modelo son que las entradas se van 
31 
describiendo en cada uno de los niveles; cada uno de los requisitos del sistema es analizado primero 
a nivel sistema, posteriormente a nivel subsistema y finalmente a nivel componente, siguiendo la 
línea izquierda de la .. V" del modelo. Haciendo esto se asegura que ningún requisito sea omitido 
en cada nivel de implementación. Al dividir el sistema en elementos más pequeños o subsistemas 
se logra también que se puedan desarrollar los planes de verificación que se utilizarán en la parte 
derecha del modelo. 
Por otro lado, el lado derecho del modelo se centra en la integración desde los elementos más 
pequeños o componentes en subsistemas y posteriormente la integración de estos a un nivel 
superior o de sistemas y la respectiva validación de cada una de esas etapas. Es importante 
mencionar que al igual que la parte izquierda del modelo se realiza de manera iterativa por lo que 
no es posible avanzar a un nivel superior hasta que todos los requisitos cumplen con los criterios 
de verificación que se han definido. 
Systems Engineering V 
• Underetand Unr Roquiremenb, 
Oevelop System Concept and 
Villidallon Plan 
Develop Syslem Pe!formance 
Speclflcatlon and Syslem 
\l;llidallon Plan 
Systems 
Engineering 
Demonstrale and VaJidate 
Syslem to User Villdatlon Plan 
// 
lntegrate System and Pertom, 
Syslem Verfficallon to 
Perforl!lílnce Spe<:s 
// 
Expand System Perfonnance 
SpetJ lnto SUbsystem Deslgn 
Spec;s and 0..lgn Verification Plan 
Auemble Subsyslems and 
Perfonn Subsysllem Vetfflcallon 
t0Spec1 
Evolve Deslgn Specs into 
Produttion Doc;umefltallon 
and lnspedion Plan 
lnsped ID Produdlon 
Documenbltion 
Design ~ // 
Engineering ~---~-~ 
Fabric:ate, Aasemble, and Cocle 
ID Production Documentation 
Fig. 21 Modelo V de ingeniería de sistemas [ 30] 
2.2 ANTECEDENTES DEL BUS CAN 
CAN (Control Area Network) por sus siglas en inglés es un protocolo de comunicación aplicado 
principalmente en la industria automotriz y el cual se encuentra estandarizado por la norma ISO 
11898 [37). 
La industria automotriz ha presenciado el desarrollo de diversos sistemas electrónicos de control 
para aplicaciones de seguridad, confort y control de emisiones. Sin embargo en muchas ocasiones 
estos sistemas han presentado desventajas debido a las diferencias entre los tipos de datos de 
comunicación que varios sistemas pueden llegar a soportar, y también debido a la confiabilidad 
32 
que los sistemas de seguridad requieren. Estas diferencias inclusive llegaron a causar que cada 
sistema fuera configurado en diferentes líneas del bus de comunicación resultando finalmente en 
más cantidad de arneses. 
Lo mencionado anteriormente causó la necesidad de reducir el número de arneses, transfiriendo 
grandes cantidades de información a alta velocidad vía múltiples LA Ns. Para poder satisfacer esta 
necesidad, BOSCH, una compañía de manufactura de equipo eléctrico alemana desarrollo en 1986 
el protocolo de comunicación para la industria automotriz CAN. Posterionnente el bus CAN fue 
estandarizado por el organismo internacional ISO en las normas ISO 11898 e ISO 11519, 
estableciéndolo como el protocolo de redes en los vehículos en Europa. 
Actualmente CAN es ampliamente utilizado por su desempeño y confiabilidad a altas velocidades, 
además de que es utilizado en diversos campos como la industria aeroespacial. la médica y para la 
comunicación de equipo industrial. 
2.3 TOPOLOGÍA DEL BUS 
Existen dos diferentes niveles en los cuales el bus puede operar: nivel dominante (O lógico) y nivel 
recesivo ( 1 lógico), cualquiera de los cuales es asumido en determinado momento dependiendo de 
la información transmitida en el mensaje de CAN. El controlador de CAN determina el nivel del 
bus por la diferencia de potencial que existe entre las dos terminales que componen el bus. La 
unidad de transmisión puede mandar un mensaje a la unidad de recepción cambiando el nivel del 
bus. 
Unidad de 
Control 
Transceptor Elec trón ica 
Fig. 22 Diagrama de conexiones típico 
2.4 CARACTERÍSTICAS DE CAN 
El protocolo CAN cuenta principalmente con las siguientes características: 
1) Multi-maestro 
Cuando el bus se encuentra en estado libre, todas las unidades que se encuentran conectadas 
pueden comenzar a mandar mensajes. La primera unidad que comienza la transmisión de 
un mensaje al bus tiene la prioridad de mandar el mensaje, en cambio cuando múltiples 
33 
unidades comienzan la transmisión de mensajes al mismo tiempo, la unidad cuyo 
identificador (ID) posea la mayor prioridad le es asignada el derecho de transmisión. 
2) Transmisión de mensajes 
En el protocolo CAN. todos los mensajes que contienen información son transmitidos en 
un formato predefinido. Cuando el bus no está ocupado, todas las unidades conectadas al 
bus pueden comenzar con la transmisión de mensajes. Sin embargo si dos o más unidades 
comienzan la transmisión al mismo tiempo, el derecho de transmisión se otorga 
dependiendo del identificador o ID. El identificador no indica el destino del mensaje. sino 
la prioridad de mensajes en cuyo orden el bus es accedido. El arbitrajese efectúa haciendo 
la comparación de los bits del ID que se describirá más adelante. La unidad que gana el 
proceso de arbitraje puede continuar mandando el mensaje, mientras que las demás 
unidades detienen el proceso de envío y pasan a un estado de recepción. 
3) Sistema flexible 
Las unidades conectadas al bus no poseen una dirección lógica que los identifique. Gracias 
a esto, cuando una unidad es removida o añadida al bus, no existe la necesidad de modificar 
el software, el hardware o la capa de aplicación de ninguna unidad conectada al bus. 
4) Velocidad de comunicación 
La velocidad de comunicación puede ser fijada de manera que pueda soportar el tamaño de 
la red. Dentro de una red, todas las unidades deberán tener la misma velocidad de 
comunicación configurada, de lo contrario se generará un error afectando la comunicación 
dentro de la red. 
5) Solicitud de datos remota 
Es capaz de solicitar remotamente datos o información de otras unidades enviando una 
trama remota a esas unidades. 
6) Detección, notificación y recuperación de errores 
Todas las unidades pueden detectar un error, cuando esto sucede la unidad que lo detecta 
inmediatamente notifica a las demás unidades sobre un error simultáneo. Si una unidad 
detecta el error mientras transmite un mensaje, automáticamente detiene la transmisión y 
notifica a las demás unidades. posteriormente se repite el proceso de transmisión hasta que 
el mensaje es transmitido correctamente. 
7) Confinamiento de errores 
Existen dos tipos de errores dentro del bus. El primero se refiere a un error temporal donde 
la información dentro del bus se vuelve errática debido a ruido o a factores externos al bus, 
mientras que el segundo se refiere a un error continuo donde la información se vuelve 
errática debido a fallas internas de la unidad, del ''driver'', o debido a desconexiones. CAN 
posee una función que permite discriminar entre estos tipos de errores, esto permite 
34 
disminuir la prioridad de comunicación de una unidad propensa a fallas con el fin de 
prevenir dificultades de comunicación con las unidades que operan normalmente. y en caso 
de errores continuos permite separar a la unidad que causa la falla del bus. 
8) Conexión 
El bus CAN permite conectar múltiples unidades al mismo tiempo de manera que no hay 
un límite lógico al número de unidades que pueden estar conectadas. Sin embargo este 
número se ve limitada debido al tiempo de retraso y a la carga eléctrica del bus. De esta 
manera existe una relación directa entre el número de unidades conectadas y la velocidad 
de comunicación que puede utilizar el bus. 
2.SERRORES 
Una unidad conectada al bus siempre se encuentra en alguno de los siguientes estados descritos a 
continuación. Estos estados también pueden observarse en la figura 23. 
2.5.1 ESTADO DE ERROR ACTIVO. 
En este estado la unidad puede participar en el proceso de comunicación dentro del bus de manera 
normal. Si la unidad en este estado detecta un error, transmite una bandera de error activo. 
2.5.2 ESTADO DE ERROR PASIVO. 
Este estado es aquel donde la unidad en cuestión tiende a causar un error. Aunque la unidad en 
este estado puede participar en la comunicación dentro del bus, no puede notificar a las demás 
unidades de un error durante la operación de recepción con el fin de evitar dificultar la 
comunicación. Incluso. cuando la unidad en este estado ha detectado un error, se asumirá que no 
han ocurrido errores en el bus siempre y cuando las demás unidades en estado de error activo no 
lo detecten. 
2.5.3 ESTADO DE BUS APAGADO. 
Este estado es aquel en el cual la unidad no puede participar en la comunicación con el bus ya que 
las operaciones de transmisión / recepción han sido desactivadas. 
TEC>l27 
OR 
11 bits recesivos 
Fig. 23 Estados de error de una unidad. 
35 
Cada uno de estos estados de error es manejado por el contador de transmisión de error y el 
contador de recepción de error gracias a la combinación de estos valores de acuerdo a como se 
muestran en la Tabla 1. 
Estado de error Contador de error de transmisión (TEC) Contador de error de recepción (REC) 
Error activo 0-127 AND 0-127 
Error pasivo 128-255 OR 128-255 
Bus apagado :::256 -.. 
Tabla 1. Valores de los contadores de errores de transm1s1ón/recepc1ón 
Los valores de los contadores de error de transmisión y de recepción, se calculan de acuerdo a las 
condiciones que se describen en la Tabla 2. Es posible que múltiples condiciones sucedan en una 
sola operación de transmisión y recepción. El tiempo en el cual el contador de error aumenta su 
valor coincide con el primer bit de posición de la bandera de error. 
e d . · d b' d I d d e d d Contador de 
N 
on 1cmnes e cam 10 e os con ta ores e error onta or e error d 
o. d .. , 1 . , d t .. , error e e transm1s1on recepcmn e ransnusmn . , 
Cuando la unidad de recepción detecta un error. 
(Exceptuando el caso en que la unidad detecta un error 
cuando se encontraba mandando una bandera de error 
activo o de sobrecarga) 
recepc1on 
+ I 
36 
Cuando la unidad de recepción ha detectado un nivel 
2 dominante en el primer bit que recibió después de - +8 
enviar una bandera de error 
3 
Cuando la unidad de transmisión detecta una bandera 
+ 8 
de error -
Cuando la unidad de transmisión detecta un bit de 
4 error mientras envía una bandera de error activo o + 8 -
sobrecarga 
Cuando la unidad de recepción detecta un bit de error 
5 mientras envía una bandera de error activo o - + 8 
sobrecarga 
Cuando cualquier unidad de recepción ha detectado un 
nivel dominante en 14 bits consecutivos desde el inicio 
6 
de una bandera de error activo o sobrecarga y que 
+ 8 + 8 
además cada vez que la unidad ha detectado un nivel 
dominante en 8 bits consecutivos después de la 
primera condición. 
Cuando cualquier unidad de recepción ha detectado un 
nivel dominante en después de una bandera de error 
7 pasivo y que además cada vez que la unidad ha + 8 + 8 
detectado un nivel dominante en 8 bits consecutivos 
después de la primera condición 
Cuando la unidad de transmisión envía un mensaje de 
-1 
8 manera normal (ACK recibido y no errores detectados 
O cuando TEC=O 
-
hasta la que se completa EOF) 
- 1 cuando 1 :::; 
REC :::; 127 
Cuando la unidad de recepción envía un mensaje de O cuando REC = O 
9 manera normal (no errores detectados hasta la unidad - Cuando REC > 
puede regresar el ACK de manera satisfactoria) 127 un valor entre 
119 y 127 se 
acumula en REC 
Cuando la unidad en estado de bus apagado ha 
Limpia su valor Limpia su valor 
10 detectado un nive l reces ivo en 11 bits consecutivos 
128 veces 
cuando TEC=O cuando TEC=O 
.. . . 
Tabla 2. Cond1c1om:s de cambio los contadores de errores de transm1s1ón/recepc1ón 
2.6 PROTOCOLO CAN 
El protocolo CAN es un protocolo de comunicaciones que utiliza una arquitectura de bus para la 
transferencia de mensajes. Este protocolo está estructurado de acuerdo a lo establecido en el 
modelo OSI en una arquitectura de dos capas. Las dos capas incluidas son la capa física y la capa 
de enlace de datos del modelo OSI [21]. 
La capa de enlace se divide en las subcapas MAC y LLC. La función de esta capa es unir las señales 
recibidas de la capa fisica en un mensaje que contenga el procedimiento para el control de 
transmisión de información. Esto incluye ensamblar los mensajes en una trama, arbitrando la 
colisión de datos, detectar y notificar errores y regresar el ACK. 
37 
Para la capa física, el protocolo define la forma en la que las sefiales son transmitidas, además del 
bit de temporización, la codificación de los bits y los procesos de sincronización entre las unidades 
del bus. De acuerdo a lo establecido por el estándar ISO 11898, los nodos conectados al bus operan 
bajo dos niveles lógicos denominados dominante y recesivo. Para el primero de ellos la tensión 
diferencial que existe entre las terminales del conector CAN_H y CAN_L es del orden de 2.0 V 
(CAN_H=3.5Vy CAN_L=I.5V); para el caso del nivel recesivo la diferencia de voltajes es del 
orden de OV donde ambas terminales tienen un valor de 2.5V 
Las características de los niveles de las sefiales, las velocidades de comunicación, los tiempos de 
muestreo y las características eléctricas del bus y del driver además de las formas de los conectores 
están definidas en los estándares ISO del protocolo CAN ISOl 1898 e ISO 11519-2. En la Tabla 3 
se pueden observar los valores de velocidad de transmisión en función de la longitud del bus. 
1 Mbps 1 µS 30m 
800 Kbps 1,25 µS 50 m 
500 Kbps 2 µS 100 m 
250 Kbps 4 µS 250 m 
125 Kbps 8 µS 500 m 
50 Kbps 20 µS 1000 m 
20 Kbps 50 µS 2500 m 
I O Kbps 100 ~LS 5000 m 
Tabla 3. Velocidad de transmisión de acuerdo a la longitud del bus 
2.7 TIPOS DE TRAMAS 
La comunicación a través de CAN se realiza de manera predefinida utilizando los siguientes 5 tipos 
de tramas para entablar comunicación entre los distintos nodos. De acuerdo al tipo de variante de 
CAN que se utilice, las tramas pueden tener una longitud de hasta 130 bits en CAN estándar o 154 
en CAN extendido. 
• Trama de datos 
• Trama remota 
• Trama de error 
• Trama de sobrecarga 
• Espacio inter-trama 
38 
Las tramas de datos y la trama remota necesitan ser configuradas por el usuario. Las otras tramas 
son configuradas por la parte de hardware de CAN. La trama de datos y remotas pueden ser 
utilizadas en dos formatos diferentes, los cuales son estándar y extendido. El formato estándar está 
conformado por 11 bits de identificación mientras que el formato extendido tiene 29 bits de 
identificación. 
2. 7.1 TRAMA DE DA TOS 
La trama de datos (véase las figuras 24 y 25) es utilizada por la unidad de transmisión para enviar 
un mensaje a la unidad de recepción. Esta trama es la más empleada por los usuarios de este 
protocolo. 
La trama de datos se conforma por siete campos, los cuales serán descritos brevemente a 
continuación. 
DLC Datos 
4 o- 64 
Delimitador ACK Delimitador 
CRC Slot ACK 
Secuencia CRC .J, .J, .J, EDF 
15 1 1 
Fig. 24 Campos de la trama de datos para CAN Estándar 
1. Inicio de la trama: Este campo indica el inicio de una trama de datos y es la encargada 
de indicar el inicio de la comunicación. Es común para los dos tipos de fonnato y 
consiste únicamente de un bit dominante. 
Delimitador ACK Delimitador 
CRC Slot ACK 
ldentlllcador RR IDE ldenrHicador DLC Datos Secoencia CRC + + + EOF 
11 1 1 18 4 O- 64 15 1 1 
Fig. 25 Campos de la trama de datos para CAN extendido 
39 
2. Campo de arbitraje: Este campo indica la prioridad de una trama. La estructura de este 
campo difiere entre el formato estándar y el formato extendido. En el formato estándar 
consta de 11 bits de identificación, los cuales son transmitidos secuencialmente 
comenzando con el más significativo. Los 7 bits de orden mayor no pueden ser todos 
recesivos 
3. Campo de control: Este campo se conforma por dos bits reservados, los cuales deben 
ser transmitidos con un nivel dominante, sin embargo del lado del receptor pueden ser 
recibidos en cualquier combinación de niveles dominantes y recesivos. Este campo 
además se conforma por el sub-campo de código de longitud de datos, el cual indica el 
número de bytes de datos desde O hasta 8 bytes como se muestra la Tabla 4. La 
estructura de este campo difiere entre el formato estándar y el formato extendido tal y 
como se muestra en las figuras 24 y 25. 
Número de 
bytes de datos DLC3 DLC2 DLCI DLCO 
o o o D o 
1 o o o R 
2 o o R o 
3 o o R R 
4 D R o o 
5 o R o R 
6 o R R o 
7 o R R R 
8 R DORR DORR DORR 
Tabla 4. Número de bits de datos para el campo de control 
4. Campo de datos o información: En este campo está contenida la información de la 
trama. Los datos incluidos en el rango de O a 8 bytes puede ser transmitida. La 
información contenida es transmitida comenzando con el lado del bit más significativo. 
5. Campo CRC: Este campo es utilizado para checar la trama por un error de transmisión. 
La secuencia CRC consiste en un valor generado por el siguiente polinomio P(X)=X 15+ 
X 14 + X 1º' xs- x1- X4 ' X3+ I donde X es el bit en estado alto (1) o en estado bajo (0). El 
rango de cálculo incluye el inicio de la trama, el campo de arbitraje, el campo de control 
y el campo de datos. En la unidad de recepción también se calcula un valor de CRC 
utilizando el mismo rango. Posteriormente ambos valores son comparados y se asume 
un error en caso de ser diferentes. 
6. Campo de reconocimiento (ACK): Este campo indica una señal para confirmar que la 
trama se ha recibido exitosamente. La unidad de transmisión envía los sub-campos de 
40 
ACK slot y el delimitador de ACK como bits recesivos. Por otro lado la unidad de 
recepción envía un bit dominante en el sub-campo ACK slot de la trama recibida para 
notificar a la unidad transmisora que la recepción ocurrió de forma correcta. 
De todas las unidades de recepción que no se encuentran en estado de bus apagado o en 
estado dormido. la única unidad que recibió el mensaje correctamente envía el ACK. 
Para que la comunicación pueda ser establecida se requiere que al menos una unidad 
pueda recibir el mensaje. En caso de que existan dos o más unidades que puedan recibir 
el mensaje. sólo se enviará un ACK si alguna de ellas recibió el mensaje correctamente. 
7. Final de la trama: Este campo indica el final de una trama de datos y está compuesto de 
7 bits recesivos. 
2.7.2 TRAMA REMOTA 
Esta trama es usada por la unidad receptora con el fin de solicitar transmisión de un mensaje 
de la unidad transmisora. Esta trama está conformada por 6 campos diferentes. de hecho es 
igual a la trama de datos excepto que esta trama en particular no contiene el campo de datos 
y que el bit RTR en el campo de arbitraje es de nivel recesivo. Además es importante 
mencionar que el valor de DLC de esta trama indica el DLC de la trama de datos 
correspondiente. 
Ident ificador RTR DlC 
l l 4 
Delimitador ~(I( Delimitador 
CRC Slot ~CK 
EOF 
Fig. 26 Campos de la trama remota para CAN estándar 
CRC Slot AO: 
Identificador SRR IDE Identificador D~C Secuencia CRC -!, i + 
11 1 1 11 4 18 1 1 1 
Fig. 27 Campos de la trama remota para CAN extendido 
EOF 
41 
2.7.3 TRAMA DE ERROR 
Este tipo de trama es utilizado para notificar que ha ocurrido un error durante la transmisión. 
La trama de error está conformada de una bandera de error y un delimitador de error. Este 
tipo de tramas son transmitidas por la parte de Hardware de CAN. 
Bindera de Delimitador de 
error 
E ) 
Bandera de :s.uperpo:s.ici6n 
de error 
error 
8 
Fig. 28 Campos de la trama de error 
1. Bandera de error 
Existen dos tipos de banderas de error, la primera conocida como la bandera de error 
activo y se conforma de 6 bits dominantes. Al enviarse esta secuencia se generará 
tramas de error en los demás nodos y se interrumpe la comunicación. La segunda es 
la bandera de error pasivo y se conforma de 6 bits recesivos. Estos errores han sido 
descritos anteriormente. 
2. Delimitador de error 
Este campo se conforma por 8 bits recesivos consecutivos. La función principal de 
este campo es reiniciar la comunicación después de haber sido identificado un error. 
2.7.4 TRAMA DE SOBRECARGA 
La trama de sobrecarga es utilizada por la unidad de recepción para notificar que aún no 
está preparada para recibir tramas, es por esto que su generación ocurre únicamente durante 
el espacio entre tramas. El máximo de este tipo de tramas que pueden generarse para retrasar 
la comunicación es de dos. Esta trama consiste en una bandera de sobrecarga y un 
delimitador de sobrecarga. 
Bandera de 
s.obre-carga .. , 
6 0-6 
Delimitador de 
sobrecarsa 
8 
Bandera de superpostei6n 
de sobrecarga 
Fig. 29 Campos de la trama de sobrecarga 
1. Bandera de sobrecarga 
42 
Se conforma de 6 bits dominantes y está estructurada de la misma forma que la 
bandera de error activo de la trama de error.