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COLECCIÓN DE REPORTES – No. 1
Uso del Osciloscopio y
Combustión Interna
-
Señales de Onda de la
Chispa de Ignición
Por Beto Booster
La señal de onda de ignición es una ventana que
nos permite observar lo que está ocurriendo
dentro de la cámara de combustión.
Desde sus humildes inicios, el motor de
combustión interna se ha transformado varias
veces para producir más potencia y ser más
eficiente. El motor de combustión interna de hoy
en día viene en dos presentaciones: ignición por
compresión (diesel) e ignición por chispa.
En este artículo analizaremos el sistema de ignición por chispa. En este
punto, es el sistema de encendido dominante en la mayor parte del
mundo.
Es importante comprender la forma en que la energía es liberada en el
sistema de ignición del motor. En un motor de combustión interna, la
mezcla de aire/combustible es succionada dentro de los cilindros en
donde es comprimida. A medida que la mezcla aire/combustible es
comprimida, las moléculas son forzadas a agruparse en un espacio más
pequeño. Es provoca choques entre unas y otras, lo cual genera un
efecto de “fricción molecular” y ello produce calor.
Sin profundizar en asuntos de química, es preciso señalar que se
requiere de energía para mantener unidos a los diferentes átomos que
forma una cadena molecular en las moléculas combustible de
hidrocarburo.
Entonces, para que el combustible libere la energía que tiene
almacenada, las moléculas deben separarse, o dividirse, con lo que se
convierten en diferentes formas de estructura molecular más
pequeñas, las cuales contienen un estado de menor energía. Una vez
que las moléculas de combustible se han desbaratado, la energía que
mantenía todo junto ya no es requerida. La energía que se libera es
precisamente lo que brinda su potencia al motor de combustión
interna.
En un motor con sistema de ignición por chispa, la compresión por sí
sola no suministra la suficiente energía para separar a las moléculas de
combustible. El calor que se transfiere a las moléculas de combustible
las vuelve más inestables y reactivas, pero debe aplicarse más fuerza
para separar a los átomos contenidos en las moléculas. No sería fácil
separar a dos luchadores trenzados en combate. Para separarlos,
necesitas aplicar una energía mayor y ser más fuertes que para
separarlos.
Una pistola de shock eléctrico de 100,000 voltios sería suficiente. La
energía potencial suministrada por la pistola de shock es mayor que la
energía de los luchadores en plena lucha, así que al dispararles se
separarían. Aunque la compresión de cilindro genera energía calorífica,
se necesita más energía para separar la estructura molecular del
combustible y así, liberar la energía. Esa energía proviene de la chispa
de alto voltaje del sistema de ignición.
Se han utilizado muchos tipos diferentes de sistema de ignición para
proveer chispas de alta energía necesaria para encender la mezcla. El
sistema más popular en uso hoy en día es el transformador, que utiliza
un polo de bajo voltaje y alta corriente para generar un alto voltaje de
baja corriente. Esto se logra con dos embobinados diferentes de
alambre de cobre. El primer embobinado se le conoce como el primario
y al segundo embobinado como el secundario. El primario se embobina
alrededor de un núcleo de hierro, lo cual amplifica el campo magnético.
En transformadores más modernos, este núcleo está formado por
muchas placas de metal ferroso (por lo regular hierro dulce), laminados
uno sobre otro. Esto brinda una mejor amplificación que un centro
sólido de una sola pieza.
El embobinado primario utiliza un diámetro mayor de alambre con
menos embobinados. Esto permite que el primario tenga un valor de
resistencia muy bajo. El secundario usa un alambre de menor diámetro
con muchos más embobinados para producir un valor de resistencia
mucho mayor. La bobina automotriz por lo regular tiene una
proporción de aproximadamente 1:100. En otras palabras, por cada
vuelta del embobinado primario, el secundario tiene 100 vueltas. La
resistencia del embobinado primario por lo regular se encuentra en el
rango de 1 a 4 ohms, mientras que el embobinado secundario tiene
una resistencia típica desde 8 000 hasta 16 000 ohms.
Los embobinados primario y secundario están aislados uno del otro
mediante un aceite dieléctrico o una resina epoxy. El aceite de
transformador puede soportar un voltaje de ruptura de 20kV a 25 kV,
pero en transformadores más modernos de alta energía, el epoxy
sellado al vacío puede tolerar un nivel de 50 kV. El primario y el
secundario están acoplados electromagnéticamente, de modo que
todo lo que le afecte a una embobinado se reflejara en el otro y
viceversa.
El transformador
automotriz
utiliza
la
inducción
electromagnética
para producir la
energía de la
chispa.
Para
comprender
como funciona el transformador, veamos la señal de onda producida
por este dispositivo, comenzando con el segmento A de la figura 2.
(Estaremos refiriéndonos a esta señal de onda). Este es el voltaje de
circuito abierto, o voltaje sin carga, porque el circuito no ha sido
cerrado. No hay corriente eléctrica fluyendo a través del primario en
este punto. Entonces, abruptamente el voltaje cae cuando el módulo
de encendido o la PCM se activa, con lo cual se cierra el circuito
primario a tierra (segmento B de la señal de onda). Este voltaje siempre
estará muy cerca de tierra.
La caída de voltaje inicial depende de que el driver empleado para
controlar la corriente sea un transistor o un MOSFET. Si se utilizara un
transistor, la caída de voltaje sería de 0.7 a 1 volt. Esto se debe a la
resistencia a través del transistor. Un MOSFET tiene menos resistencia,
lo cual produce una caída de voltaje hasta 0.1-0.3 volts. La caída de
voltaje inicial es el voltaje que permanece en el circuito para empujar a
la corriente a través de la resistencia del driver en el módulo (segmento
C de la señal de onda).
Una vez que el módulo cierra al driver, la corriente comienza a fluir a
través del embobinado del circuito primario de la bobina. Cuando la
corriente fluye por el embobinado, toda la corriente se utiliza para
crear un campo magnético alrededor del embobinado. (Fig. 3). Este
campo magnético se conoce como “inductancia”. El campo magnético
es proporcional a la inductancia y la corriente. En otras palabras, entre
mayor sea la corriente, mayor será la inductancia del campo magnético.
A medida que el campo magnético se acumula, se mueve a través de
los embobinados primario y secundario, induciendo voltaje en ambos.
Sin embargo, el efecto producido por esta inducción se manifiesta de
forma diferente en ambos embobinados. Mientas el campo magnético
aumenta y se desplaza en el embobinado secundario, induce una
fuerza electromotriz (fem) y libera electrones. Esto puede apreciarse en
la señal de onda del secundario cuando el driver del módulo se cierra.
Existen oscilaciones de voltaje cuando el circuito se cierra de inicio (Fig.
4). Esto es provocado por el campo magnético ambulante y que induce
voltaje en los embobinados contenidos dentro del circuito secundario.
Existe capacitancia entre los embobinados. Ocurre cuando dos
conductores esta separados por un espacio y hay corriente fluyendo a
través de ellos. El potencial eléctrico se acumula entre ambos
conductores. El tamaño de los conductores y la distancia entre ellos
determina la cantidad de capacitancia.
El efecto “contrafem” se presenta
en el circuito
cuando la energía
cambia
para
convertirse entre
eléctrica
a
magnética. Estas
oscilaciones
contra-fem disminuyen para tomar la forma de una curva que se vuelve
plana cuando la bobina se satura. El punto de saturación variará
dependiendo de la cantidad de corriente a través del primario, la
cantidad de resistencia y el número de vueltas dentro del embobinado.
A medida que el campo magnético se acumula y se desplaza a través
del embobinado primario, el voltaje que se ha inducido en el mismo
circuito primario ha liberado electrones. Sin embargo, dado que la
corriente fluye a través del primario, estos electrones libres impiden el
mismo flujo de corriente. Pongamos un ejemplo para entender e
ilustrar esto un poco mejor.
Imagina unos pocos automóviles circulando a alta velocidad por la
autopista, tan rápido como puedan. Ahora imagina más automóviles
incorporándose al tráfico de la autopista. Los autos que entran a la
autopista no podrían cambiar el flujo vehicular que ya está en la
autopista, sin que aumentara la cercanía entre ellos. Tú mismo puedes
atestiguar este efecto de “tráfico concentrado”: entre más vehículos
entren a la autopista, más y más cerca quedan los vehículos unos de
otros, al grado que la circulación se vuelve lenta. Hay una relación
directa entre mayor presencia vehicular y disminución de la velocidad
de flujo. A veces es tanta la proximidad, que existen colisiones que
frenan aún más el avance. Al igual que el tráfico vehicular concentrado,
la cercanía de los electrones al saturar el embobinado primario por
donde circulan, inducen un voltaje en el mismo primario, y esto
produce una resistencia adicional al cambio de corriente fluyendo en el
primario. Esta resistencia se conoce como fuerza contraelectromotriz,
contra-voltaje, o “contra-fem”.
Siempre que hay
inductancia en un
circuito, una fuerza
contraelectromotriz
se producirá en una
forma que resistirá
el flujo de corriente.
Y
cuando
hay
resistencia en un
circuito, habrá caída
de voltaje que será
proporcional a la
resistencia.
Esta
caída de voltaje
puede
apreciarse
como
el
ligero
aumento en el fondo
de la señal de onda primaria. Si
disminuimos al ajuste de
voltaje para magnificar el fondo
de la señal de onda del
embobinado
primario
de
ignición, la caída de voltaje
puede
apreciarse
más
claramente (segmento D de la
señal de onda en la foto superior de la Fig. 5 y magnificada en la imagen
inferior; en la foto se muestra una típica pinza amperimétrica en uso).
Dado que al corriente que fluye a través del embobinado produce
resistencia para la caída de voltaje, se refleja la señal de onda del
embobinado primario de ignición pero hecha con una pinza
amperimétrica (imagen inferior de la Fig.5). El punto de saturación de la
bobina de encendido se basa en la corriente fluyendo a través de él.
Entre mayor sea al corriente, mayores serán las líneas de fuerza
magnética. De igual manera, entre menor sea la corriente, las líneas de
fuerza magnética serán a su vez más pequeñas.
Entonces el circuito limita la corriente fluyendo a través del
embobinado primario (segmento E de la señal de onda de la Fig. 2). Sin
embargo, el campo magnético aún prevalece a su máxima fuerza. Nota
como cuando la limitación de corriente se ha activado, el voltaje aún
está por debajo del voltaje de circuito abierto (segmento F de la señal
de onda). Para conseguir esto, se incluye un resistor en el circuito para
limitar la corriente. Si el circuito primario tiene resistencia indeseada, el
tiempo para que el límite de corriente se active se verá incrementado.
Si la bobina estuviera en corto o tuviera una resistencia menor de lo
normal, entonces el tiempo de limitación de corriente se verá
disminuido. Si las características de diseño se conocen, variaciones en
el tiempo esperado para limitar la corriente serán un indicativo de un
problema.
A medida que aumentan las RPM del motor, el tiempo entre el disparo
de los cilindros se vuelve más corto; el tiempo para saturar la bobina
disminuye y la limitación de corriente también se detendrá. (No todos
los sistemas de encendido tienen limitación de corriente.) La PCM
entonces envía el comando de apagar el driver del módulo. El campo
magnético comienza entonces a colapsarse a través del embobinado
secundario.
Cuando el campo magnético se desplaza por el alambre del
embobinado, se induce voltaje en ese mismo alambre. Esta inducción
produce fuerza electromotriz, la cual libera electrones y los empuja a
través del circuito. La cantidad de inducción es proporcional al tamaño
del campo magnético y la velocidad con la cual el campo magnético se
colapsa a través del embobinado secundario.
Se utiliza un condensador o capacitor para promover un colapso más
veloz del campo. Ningún componente permitirá que la corriente directa
llegue a tierra; sin embargo, la corriente alterna sí puede pasar. Una
corriente directa que se emite en pulsos muy rápidos se puede
convertir en corriente alterna que pueda pasar a través por un
capacitor. Esto permite que la corriente en el circuito primario pase por
medio de estos componentes.
El capacitor está conectado al circuito primario. Una vez que el flujo de
corriente se detiene, parte del campo magnético se regresa al
embobinado primario para estabilizar la corriente dentro del
embobinado mismo. Entre más veloz sea la disipación en el
condensador de la corriente del embobinado primario, más veloz será
el colapso del campo magnético. El rápido movimiento del campo
magnético incrementa la inducción dentro del embobinado secundario
y la corriente, siendo empujada por un alto voltaje de hasta 50kV,
buscará el camino que halle disponible para llegar a tierra.
La bobina del secundario está conectada a una bujía. Los electrones se
mueven a través de la calibración de la bujía; no obstante, esto es un
circuito abierto. Cuando un voltaje está tratando de empujar electrones
a través de un circuito abierto, formará primero una corona, también
conocido como campo eléctrico de baja energía, entre los electrodos de
la bujía.
Una vez que la corona se ha formado, dará comienzo la ionización. Se
necesita de un voltaje muy alto para comenzar la ionización. El
potencial eléctrico aplicará la fuerza suficiente sobre los átomos entre
los electrodos de la bujía para liberar a los electrones (Fig. 7B). Los
átomos que han liberado electrones se convierten entonces en iones
positivos. (Un ion es un átomo que tiene una carga eléctrica positiva o
negativa y se produce como resultado de que el átomo pierda o gane
uno o más electrones.) Este es un voltaje de ruptura, o el voltaje
requerido para forzar a los electrones a través de la resistencia.
En este caso, la resistencia es la calibración misma de la bujía
(segmento C de la señal de onda en la figura 2). Entre mayor sea el
espacio de separación de la calibración de la bujía o mayor se la
resistencia entre los electrodos de las bujías, mayor será el voltaje de
ruptura. Este voltaje de ruptura se lee como kV y es la cantidad de
energía requerida para superar la resistencia total dentro del circuito.
Una vez que los electrones han cruzado la calibración, la ionización está
completa.
Observa las oscilaciones que ocurren a medida que el flujo de
electrones comienza justo después del voltaje de ruptura (segmento H
de la señal de onda de la figura 2). Estas variaciones, u oscilaciones, son
creadas por la inducción ocurriendo a través de los embobinados y la
capacitancia entre las vueltas. El transformador facilita la tarea de
transformar a la energía eléctrica en energía magnética. El voltaje de
ruptura que inicia el arco es muy rápido (cerca de 2 nanosegundos).
Este pico de rapidísima energía inicia del cambio de energía entre
eléctrica y magnética. Entre más alto sea el pico para iniciar el arco,
serán más las oscilaciones que se presentarán enseguida.
Estas oscilaciones son análogas a tener un niño en el columpio. El chico
comienza en una posición estacionaria en el columpio. Un empujón
fuerte genera que el columpio se mueva. Entre más fuerte el empujón,
el columpio irá más alto. Entonces el columpio oscilará hacia enfrente y
hacia atrás hasta que la energía se haya disipado por completo: hasta
que su inercia se agote. La bobina de encendido convierte energía
eléctrica en energía magnética y viceversa en una forma muy similar. El
columpio, siendo un dispositivo mecánico, necesita un “empujón” o
energía para comenzar su actividad, justo como la descarga de la
bobina o el “empujón” generan un pico de energía. Una vez que los
electrones establecen el flujo, el voltaje se estabiliza y las oscilaciones
disminuirán en una forma de voltaje uniforme (segmento I de la señal
de onda en Fig. 2).
Una vez que la ionización ocurre, los electrones libres y los iones
positivos forman un camino a través de los electrodos de la bujía. Esto
ocurre en un punto donde el número de electrones fluyendo igualan al
número de iones positivos, con lo que se produce el “plasma”
(segmento H en la señal de Fig. 8). El plasma es un gas caliente ionizado
que envuelve a los electrones que fluyen a través de él, con lo cual
disminuye
la
resistencia entre
los electrodos de
bujía (Fig. 7C). La
resistencia
del
plasma se ve
afectada por el
gas y la presión
que lo compone.
El
plasma
disminuirá
el
voltaje requerido
para mantener el
flujo
de
electrones en los
electrodos.
El nivel de voltaje en el cual la ionización se convierte en plasma, no es
solamente cultura general: es un punto muy importante para analizar.
Dado que el voltaje de ruptura no es estable, sino que se mueva hacia
arriba y hacia abajo en varios ciclos de descarga, es necesario revisar el
nivel de voltaje del plasma. El voltaje de plasma es más estable que el
voltaje de ruptura y
mostrará valores de
resistencia que no
pueden ser apreciados
en el kV de ruptura. El
punto en el cual la
ionización se convierte
en
plasma,
será
afectada
solamente
por la resistencia del circuito.
En la figura 9, la traza
amarilla
tiene
un
resistor de 20k colocado
en el cable de ignición.
La traza roja es el
cilindro compañero y el
punto de plasma es
normal. El punto de plasma de la traza amarilla es 2.3 kV más alto, con
lo cual nos indica presencia de resistencia en el circuito.
En la figura 10, la traza amarilla tiene una calibración de .20 in entre el
cable de ignición y la bujía. La traza roja es el cilindro compañero y el
punto de plasma es normal. En la traza amarilla, el punto de plasma
está 1.2 kV más alto de lo normal, indicando también resistencia en el
circuito.
En la figura 11,
el inyector se ha
desconectado,
impidiendo
la
entrega
de
combustible al
cilindro. Observa
que el punto en
la región de
ionización/plasma no difiere casi nada entre la traza amarilla y la roja,
con lo cual se indica una resistencia normal en el circuito. No obstante,
la señal de onda de plasma tiene más resistencia debido a la falta de
hidrocarburos en el gas de plasma. Esto produce un aumento de voltaje
muy pronunciado en el tiempo de quemado que excede los 10 kV.
Estas comparaciones que hemos revisado te dicen muchísimo sobre el
comportamiento y repercusiones sobre la combustión, al presentarse
condiciones de falla en los componentes relacionados con el sistema de
encendido e inyección, por cada cilindro por separado.
Una vez que el flujo de electrones se establece entre en la bujía,
continuará circulando hasta que la energía disponible en el secundario,
se agote. A medida que el transformador se queda sin energía cerca del
final del tiempo de quemado, observamos un pequeño aumento en el
voltaje mientras la chispa se extingue (segmento J en la figura 2). Esto
es debido al plasma consumiéndose. Los electrones del transformador
comienzan a disminuir en número generando un desbalance entre los
iones positivos y los electrones, llevando a que el plasma se agote.
Dado que el plasma suministra un camino de circulación eléctrica que
tiene menos resistencia, este agotamiento del plasma sugiere que la
resistencia se ha incrementado, provocando entonces que el voltaje se
eleve justo al final del tiempo de quemado.
La inducción que puso energía eléctrica en el embobinado secundario,
no es infinita: tiene un límite. Una bobina de encendido que se
encuentra totalmente saturada es como un cubo de agua
completamente lleno. Si se utiliza una bomba para succionar el agua
fuera del cubo bajo presión a través de un orificio fijo, entonces la
presión sería elevada, y el agua se vacaría rápido. Cuando el agua acabe,
la presión caería. En el secundario de la bobina, entre mayor sea el
voltaje el embobinado necesita empujar los electrones a través de la
resistencia del circuito, el “consumo” de electrones será más rápido.
El período cuando los electrones “saltan” la calibración de la bujía es
conocido como “tiempo de quemado” (segmentos G-J de la señal de
onda figura 2). El tiempo de quemado fluctuará de acuerdo con la
presión que se requirió para iniciar el flujo de los electrones a través del
circuito. Si el pico de voltaje es bajo, el tiempo de quemado será más
largo; si el voltaje es mayor, el tiempo de quemado será más corto.
El voltaje de ruptura el tiempo de quemado se ven influenciados por la
presión de la compresión y el contenido del gas que se encuentra
dentro de la cámara de combustión. Bajo condiciones normales, el
cilindro se llena con un gas formado por aire del ambiente (aprox. 21%
oxígeno y 79% nitrógeno) e hidrocarburos C4H8 (gasolina) en una
proporción cercana a 14.7 parte de aire por una de combustible. La
mezcla de gas en el cilindro está conformada de átomos que se
ionizarán permitiendo el salto de chispa a través de los electrodos.
Sabemos que los átomos se ionizarán. Pero si las condiciones cambian,
se capacidad de ionización también cambiará. La cantidad de
compresión modificará la densidad de la mezcla, lo cual tendrá un
efecto directo sobre la ionización. La turbulencia dentro del cilindro
también modificará las características de la señal de onda de ignición.
Si cualquiera de estas variables cambiara –compresión, turbulencia,
contenido de la mezcla, combustible- entonces la ionización que forma
al plasma sufrirá modificaciones que corresponderán a los cambios de
las variables. En consecuencia, dichas modificaciones se ven reflejadas
directamente en la forma de la señal de onda y esto es justo lo que nos
permite realizar el diagnóstico con osciloscopio.
La chispa se detiene cuando la energía eléctrica
no es lo
suficientemente fuerte para mantener a los electrones fluyendo por la
calibración de la bujía (segmento J en la señal de onda Fig. 2). Cualquier
energía sobrante en la bobina debe ser absorbida por los embobinados.
Esta energía absorbida provoca las oscilaciones en la señal de onda al
final de la duración de la chispa (segmento K en la señal de onda).
Estas variaciones pueden utilizarse para ver cuanta energía se utilizó o
no se utilizó durante la descarga de la ignición. Un alto cambio en el
voltaje un alto número de oscilaciones al final de la señal de onda
indican la cantidad de energía
restante en la bobina. Si no hay
oscilaciones, la energía de la
bobina ha sido totalmente disipada.
La forma de la señal de onda es
una ventana que te permite a ti
como técnico, ver lo que está
ocurriendo dentro de la cámara de
combustión. Una vez que aprendes
como analizar la señal de onda
durante el voltaje de ruptura y el
tiempo de quemado, verás como la
señal de onda refleja lo que está
con el cilindro. Ejemplos de las condiciones que pueden identificarse
por medio de las señales de
onda de ignición incluyen la
proporción aire/combustible,
preignición,
turbulencia
causada por válvulas y tiempo
de la cadena de distribución,
turbulencia causada por la
contrapresión del escape, EGR, vapor de agua por una fuga interna de
refrigerante, bujías desgastadas, acumulación de carbonilla, resistencia
dentro del circuito, bobinas en mal estado, etc.
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PREGUNTAS PARA REPASAR CONCEPTOS:
Refiriéndonos a la forma de la señal de onda de la figura 2, mientras
realizamos el diagnóstico del sistema de encendido con un osciloscopio
digital conectado a una laptop:
1. El punto o segmento A nos indica:
a) Tierra b) Baja frecuencia c) Voltaje de batería
2. El punto B nos indica:
a) Activación de circuito
b) Caída de voltaje
c) Corto
3. ¿Qué sucede en el segmento C?
a) Tierra b) Corto c) Activación de circuito
4. ¿Qué ocurre en la sección D?
a) Contra-voltaje b) Saturación
c) Colapso de campo magnético
5. Los segmentos E y F nos indican:
a) Limitación de corriente b) Saturación
6. El punto G nos indica:
a) Voltaje de ruptura b) Colapso
c) Quemado
c) Polarización
7. El segmento H, I y J nos indican:
a) Quemado b) Ionización c) Oscilaciones
8. ¿El punto K qué nos indica?
a) Arco eléctrico
b) Energía sobrante
c) Inestabilidad