Señales del Cigüeñal

La base para diagnosticar muchos problemas de arranque, encendido y motor que se apaga detectados en los vehículos importados del reciente modelo es comprender cómo funcionan los sensores de posición del cigüeñal y del árbol de levas y cuál es su relación mecánica entre ellos. Durante los últimos 30 años, los sistemas de control de encendido han evolucionado de los sistemas de encendido convencional del tipo de distribuidor, a los sistemas de encendido sin distribuidor, hasta los sistemas de bobinas en las bujías. De la manera forma, los sistemas de inyección de combustible han evolucionado desde el carburador, a inyección en el cuerpo del acelerador, luego a la inyección de combustible por bancos, hasta los sistemas multi-puerto secuenciales. Hoy en día, es más importante que nunca entender cómo funcionan los sensores de posición del cigüeñal y del árbol de levas en cada uno de estos sistemas.

Comenzando por lo básico, el motor del ciclo Otto requiere dos revoluciones del cigüeñal para completar un ciclo de combustión. La primera revolución del ciclo de la combustión está compuesta por las carreras de admisión y compresión. La segunda revolución está compuesta por la carrera de explosión y escape. El propósito de los sensores del cigüeñal (CKP) y de la posición del árbol de levas (CMP) es determinar si el cigüeñal está en la primera o segunda revolución del ciclo de combustión, y también determinar qué carrera o ciclo está ocurriendo en cada cilindro.

SISTEMAS DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE MODERNOS

La función del distribuidor en los motores con inyección en el cuerpo del acelerador es determinar cuándo cada cilindro alcanza el punto muerto superior (TDC) en la carrera de compresión. Cuando el cilindro alcanza el TDC, el distribuidor dispara la bobina de encendido para proporcionar la chispa a la mezcla comprimida de aire/combustible.

El problema de determinar la carrera de compresión TDC se vuelve más complejo con la inyección electrónica de combustible multi-puerto. Los primeros sistemas multi-puerto en los bancos utilizaban un sistema de inyección de combustible “por bancos” en el que se activaba la mitad de los inyectores de combustible durante cada revolución del motor. Obviamente, los sistemas de inyección por bancos eran relativamente ineficientes y se descartaron cuando las computadoras del motor se volvieron más sofisticadas como para controlar secuencialmente el ciclo de inyección de combustible de acuerdo con el orden de encendido de los cilindros.

Algunos sistemas de inyección en los bancos utilizan solo un sensor de la posición del cigüeñal para determinar el TDC de cada cilindro. En esencia, el módulo de control del motor (ECM) en un motor de cuatro cilindros podría, por ejemplo, medir la velocidad del cigüeñal al cambiar la sincronización de la inyección de combustible 180 grados de rotación del cigüeñal hasta que “encontraba” la carrera de compresión en TDC. En contraste, los sistemas de inyección secuencial deben incorporar un sensor de posición del árbol de levas para determinar la carrera de compresión TDC de cada cilindro durante las dos primeras revoluciones del cigüeñal.

SISTEMAS DE ENCENDIDO MODERNOS

De igual forma, los sistemas de encendido modernos han evolucionado de los sistemas con distribuidor a los sistemas sin distribuidor hasta los nuevos sistemas de bobinas en las bujías. Los primeros sistemas de inyección electrónica de combustible de los vehículos importados incorporaron los sensores CMP y CKP en el distribuidor, lo que permitió que el distribuidor regulara tanto los eventos de encendido como los de inyección de combustible. Con el advenimiento del sistema de encendido sin distribuidor, en el que se suministraba una chispa a los cilindros pares en las carreras de escape y compresión, la función del CKP evolucionó con la sincronización del tiempo de encendido, mientras que el CMP evolucionó con el evento de inyección de combustible. Esa función básica ha continuado con los más recientes sistemas de encendido de bobinas en las bujías COP.

Tanto en los sistemas de encendido sin distribuidor como en los COP, el CKP se monta en el cigüeñal y el CMP en el árbol de levas. Esta configuración le permite al CMP monitorear la posición del árbol de levas y al CKP monitorear la velocidad del cigüeñal, la posición del pistón y la cantidad de desviación del cigüeñal o la variación de velocidad creada durante un evento de falla de encendido del cilindro.

SENSORES CMP Y CKP DEL TIPO RELUCTOR 

En su sentido más básico, el reluctor variable de dos cables o el sensor de “corriente alterna” consiste en un cable de cobre enrollado alrededor de un imán. El imán se coloca cerca de un reluctor giratorio hecho con proyecciones o “dientes” que generan voltaje en los devanados del sensor cuando el reluctor dentado gira más allá del sensor.

En la foto 1 se muestra una forma de onda de un reluctor variable típico generada por un distribuidor. A medida que el reluctor se acelera, el voltaje aumenta de aproximadamente cuatro voltios a casi seis voltios. Note que el sensor produce un voltaje positivo y negativo que cruza la línea “cero” en un ángulo.

SENSORES CMP Y CKP DE EFECTO HALL  

Como se muestra en la Foto 2, el sensor de efecto Hall produce una forma de onda cuadrada. La forma de onda cuadrada calcula con mayor precisión la chispa debido a que el aumento y la disminución del voltaje son perpendiculares en lugar de en ángulo.

A diferencia de un sensor reluctor variable de dos cables que genera su propio voltaje, un sensor de efecto Hall de tres cables requiere una fuente de voltaje externa para generar una señal. En efecto, el sensor de efecto Hall es un interruptor eléctrico que utiliza una rueda con un obturador que gira a través de un espacio de aire para encender y apagar la corriente que fluye a través del sensor. Debido a que la salida de voltaje es positiva o cero, el sensor de efecto Hall es un sensor más preciso que el tipo reluctor variable, que produce un voltaje variable.

Cuando se usan en aplicaciones de sensores de posición del cigüeñal, ambos sensores indican la carrera de compresión en el cilindro número uno mediante una forma de onda con “firma” o “sincronización”, que se crea al cambiar el tamaño o la forma de un obturador o un diente reluctor. En las aplicaciones que incorporan un módulo de encendido externo, la señal CKP indica la posición del cigüeñal al PCM.

Al dar servicio a los sensores del árbol de levas, es importante diferenciar entre la posición del árbol de levas y el sensor de sincronización del árbol de levas. Tome en cuenta que en los vehículos importados de modelos recientes, como Nissan, también pueden incorporar un sensor del tiempo del árbol de levas para monitorear los cambios en la sincronización del árbol de levas. Es importante no confundir la ubicación y la función de estos dos sensores durante el reemplazo de un sensor CMP.

DIAGNÓSTICO DEL RELUCTOR VARIABLE

Cuando se examina la foto 1, queda claro que la distribución de voltaje positivo y negativo y la duración no son iguales. Los sensores del tipo reluctor son muy sensibles a la fuerza de sus imanes, al espacio de aire entre el sensor y el reluctor, y a la velocidad de rotación del reluctor en sí. Debido a estos factores, un osciloscopio de almacenamiento digital (DSO) proporcionará la medición más precisa de la salida de voltaje del reluctor variable.

DIAGNÓSTICO DEL EFECTO HALL 

Debido a que el sensor de efecto Hall debe producir una forma de onda cuadrada y nítida de la amplitud correcta y que la forma de onda pase de apagado a un voltaje cerca de cero, es necesario usar un osciloscopio de laboratorio para diagnosticar los sensores de efecto Hall. Si la forma de onda no baja a un voltaje cercano a cero, es posible que el PCM no pueda “leer” la señal del sensor de efecto Hall.

Con respecto a las formas de onda “únicas” como las que se encuentran en algunos sistemas de encendido de Ford, tome en cuenta que las variaciones de la forma de onda cuadrada ideal podrían ser exclusivas del diseño de un fabricante específico en lugar de una falla en el sensor. 

La forma de onda inferior representa la señal de efecto Hall generada por un encendido con distribuidor, mientras que la forma de onda superior es la señal de retorno a la PCM.

En la Foto 3, la forma de onda superior es la señal del tiempo generada por el PCM. La señal de “sincronización” es el pulso estrecho en el extremo derecho de la forma de onda de captación del distribuidor. Note también que la señal del distribuidor no está bajando a voltaje cero. En el extremo derecho de la señal de retorno, verá que el PCM ya no está suministrando una señal de efecto Hall válida al módulo de encendido.

Como se ve en la Foto 4, la señal de retorno del PCM no logra bajar a cero, lo que causa una falla de arranque, sin chispa. Si las señales de voltaje “cercanas a cero” son significativas, dependerá de los parámetros incorporados en el software del PCM.

Continuando en la Foto 4, la señal de retorno del PCM está fallando por completo para bajar el voltaje a cero, lo que podría estar causando una falla de arranque sin chispa en este sistema de encendido con distribuidor de Efecto Hall.

DIAGNÓSTICO DE FALLA INTERMITENTE

Debido a que funcionan en un entorno operativo hostil, los sensores CKP y CMP son conocidos por desarrollar fallas intermitentes. Si se almacenara un código de diagnóstico de fallas (DTC) depende de la estrategia operativa y los criterios de activación incorporados en el software del PCM. Si un CKP falla durante el modo de arranque, el PCM no puede “ver” la falla simplemente porque no ha recibido ninguna señal previa del CKP. Si, por otro lado, el CKP falla mientras el motor está funcionando, el PCM puede almacenar un DTC apropiado.

De igual manera, si el CMP falla durante el arranque, algunas estrategias operativas pueden adoptar un modo predeterminado cambiando el tiempo de inyección de combustible hasta que el ciclo de inyección coincida con la carrera de compresión. En otras aplicaciones, la falla del CMP puede causar una falla de encendido, sin arranque. Si el PCM “ve” una señal CKP sin una señal acompañante del CMP, entonces puede almacenar un código de falla del sensor CMP.