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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 “contra-

fem” 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 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