VALOR: $ 15.99 USD COLECCIÓN DE REPORTES – No. 1
Uso del Osciloscopio y Combustión Interna -
Señales de Onda de la Chispa de Ignición
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
chispa.
la 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 vehícul os
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
inductancia
hay
en
un
circuito, una fuerza contraelectromotriz se producirá en una forma que resistirá el flujo de corriente. Y
cuando
resistencia
hay en
un
circuito, habrá caída de voltaje que será proporcional resistencia. caída puede como
a
la Esta
de
voltaje
apreciarse 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
embobinado
de
onda
primario
del 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 plasma
del
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 resistencia
valores
de
que
no
pueden ser apreciados en el kV de ruptura. El punto en el cual la ionización se convierte en
plasma,
afectada
será
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 entrega combustible
la de 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 C 4H8 (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. No dudes en ordenar tu curso de Diagnóstico Automotriz con Osciloscopio y también tu Osciloscopio Automotriz EECom2108. Para realizar este trabajo especial, necesitas tanto el curso como el instrumento. Ordénalos HOY y no lo olvides...
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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
c) Quemado
6. El punto G nos indica: a) Voltaje de ruptura
b) Colapso
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
