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Análisis de presión dentro del cilindro

Compresion dentro de cilindro

El estudio de la curva de presión dentro de la cámara de combustión es de gran utilidad, y en los tiempos en que vivimos saber realizar este tipo de pruebas es crucial para poder diagnosticar rápida y eficazmente un vehículo. Mediante una prueba de compresión dentro del cilindro podemos determinar el estado general del mismo; anillos, válvulas, guías de válvulas, así como también problemas de sincronización. A modo de ejemplo, en un cilindro funcionando a ralentí, la presión dentro del mismo debería fluctuar entre 60 y 90 PSI, de modo que obteniendo valores menores a estos ya es un indicativo de un problema de compresión. Observando también los valores de presión en las etapas de admisión y escape, se pueden diagnosticar problemas de vacío o inclusive catalizadores tapados.

En que consiste la prueba de presión dentro del cilindro

En un motor de 4 tiempos, la presión en la cámara de combustión va subiendo y bajando en concordancia con cada una de las etapas del ciclo. La presión máxima en la cámara se da en el momento en que el pistón se encuentra en su punto muerto superior, TDC, y la presión más baja se observa cuando el cilindro alcanza su punto más bajo en la etapa de admisión. Entre estos dos puntos, la curva de presión debe responder a ciertos parámetros de buen funcionamiento. Una curva típica de presión de un motor en buen estado es la que se muestra en la siguiente figura:

Colocando un transductor de presión en el cilindro bajo prueba, podemos relevar la presión dentro del mismo, esperando obtener una curva como la de la figura anterior.

Existen diferentes transductores de presión en el mercado. En la siguiente figura muestro uno de ellos de 100 PSI. El que yo uso en mi taller es muy similar, pero de 300 PSI, ya que la presión dentro de la cámara puede superar fácilmente los 100 PSI en el arranque.

Debemos tener en cuenta que para la realización de esta prueba, debemos retirar la bujía del cilindro que vamos a testear e introducir en su lugar el transductor de presión. Estos transductores se alimentan por lo general de 5 V, por lo que seguramente necesites de una fuente. Puedes hacerte una tú mismo con un LM7805 por ejemplo y alimentarla con los 12 V del auto. Aquí te dejo un esquema sencillo,

Una vez montado el transductor de presión en el cilindro y alimentado correctamente, debes conectarlo a tu osciloscopio y proceder a tomar los datos. Tener en cuenta que el motor funcionará con un cilindro menos. El pistón comenzara a subir y bajar en la cámara y el transductor se encargara de traducir en voltaje estas variaciones de presión y te las mostrara en el osciloscopio.

Interpretación de la curva de presión dentro del cilindro

Reconocer cuando una curva de presión es normal o no, no es tarea trivial, pero veamos al menos los puntos más importantes, analizando cada una de las etapas del cilindro: Expansión, Escape, Admisión y Compresión. Antes que eso cabe aclarar que este tipo de análisis se realiza en el dominio del ángulo del cigüeñal (crank angle). En un motor de 4 tiempos, cada cilindro repite cada una de sus fases cada 2 vueltas del cigüeñal, es decir, cada 720°. Observando la gráfica de arriba, el cilindro comienza su etapa de expansión en el ángulo 0° (hasta 180°), y lo vuelve a repetir en el ángulo 720°, pasando por Escape entre 180° y 360°, Admisión entre los 360° y 540°, y Compresión entre los 540° y 720°.

Expansión

Es la que se muestra en la gráfica de arriba entre 0° y 180°. La presión debe comenzar en su punto más alto y comenzar a bajar hasta llegar al vacío máximo del motor (punto 4), lo que regularmente debería estar entre 15 y 25 pulgadas de mercurio (InHg). Como puedes observar, a partir del punto 4 la presión dentro de la cámara comienza a subir cuando aún el pistón no ha alcanzado su punto muerto inferior o BDC ( de sus siglas en inglés Bottom Dead Center). Esto sucede así ya que la válvula de escape (que hasta ese momento estaba cerrada) comienza a abrirse antes del BDC. Este punto se denomina EVO por sus siglas en inglés Exhaust Valve Open. El EVO debe suceder siempre antes del BDC pero nunca antes de 120° aproximadamente, ya que en dicho caso podríamos sospechar de un problema en dicha válvula.

Escape

Entre los 180° y 360° se transita por la etapa de escape, en donde los gases quemados en la etapa anterior deben ser expulsados por el escape. Aquí también se pueden sacar datos invaluables observando la curva de presión de la figura 1. Pocos grados después de los 180° la válvula de escape estará abierta completamente, y por consiguiente la presión dentro del cilindro se debería igualar con la presión atmosférica. La línea horizontal que ves en la gráfica representa justamente la presión atmosférica. Sin embargo se pueden observar ciertas fluctuaciones en la presión en esta etapa, y esto es debido a que los demás cilindros también están haciendo su contribución a medida que suben y bajan (también van abriendo y cerrando sus válvulas de escape). No obstante, estas fluctuaciones no deberían exceder ciertos límites, dado que si fuere el caso, se podría sospechar de una guía de válvula gastada. Asimismo, si la presión en esta etapa es notoriamente superior a la atmosférica, se podría sospechar del catalizador obstruido, dado que no permite la liberación de los gases correctamente.

Admisión

Entre los 360° y 540° el pistón comienza a bajar nuevamente para aspirar la mezcla aire-combustible. La válvula de admisión comienza a abrir unos 30° antes de los 540°, aun cuando la válvula de escape sigue abierta, la cual se cierra completamente cerca de los 540°. En el punto 10, la válvula de admisión está completamente abierta y  la presión del cilindro corresponde otra vez al vacío del motor, el cual se debe situar entre los 15 y 25 InHg. A su vez, esta presión de vacío debe coincidir con la presión de vacío de la etapa de Expansión.

Compresión

Finalmente, en los 540° se comienza a comprimir la mezcla aire-combustible. El punto 12 de la gráfica es el IVC (Intake Valve Close) y es el punto en donde se cierra completamente la válvula de admisión, permitiendo que la presión dentro de la cámara comience a subir. El IVC debe darse pocos grados después de los 540°. Si se excede mucho es que existe un atasco en la misma.

En análisis que hemos descrito es muy breve. Simplemente quisimos dar una introducción al tema, pero como te habrás dado cuenta este tema es tan interesante como complejo.

Por lo general, llevar a cabo este tipo de análisis de la curva de presión dentro de un cilindro requiere no solo de un osciloscopio, sino de otras herramientas o scripts que vienen incluidos en los software de los equipos más caros, como el Picoscope o el USB AutoScope. Estamos hablando de equipos de más de 1500 dólares.

Pero hoy te traigo una excelente noticia, y es que hemos diseñado una herramienta que te permite realizar este tipo de pruebas, usando tu propio osciloscopio, ese que ya tienes en tu taller.

Análisis de presión dentro del cilindro con Diagnosis-tools

Diagnosis-tools es un programa diseñado por nosotros, que toma los datos adquiridos por tu osciloscopio y lleva a cabo varios tipos de tareas con dichos datos. Entre ellas está el análisis de la curva de presión dentro del cilindro (In Cylinder Pressure).

Lo único que tienes que hacer es tomar los datos con tu osciloscopio y entregárselos a Diagnosis-tools para que realice el análisis. En los siguientes párrafos te explico cómo hacerlo, pero antes que eso bájate el programa.

Herramientas necesarias

  1. Osciloscopio con al menos 1 canal.
  2. Transductor de presión mayor 200 PSI.
  3. Diagnosis-tools.

Preparación. Medir compresión en etapa de arranque (Crank)

Un análisis completo de presión dentro del cilindro se realiza con el motor a ralentí por un lado (Idle), y en etapa de arranque por otro (Crank). Con este último es que se va a medir correctamente la compresión que tiene el cilindro, ya que cuando el motor esta funcionado a ralentí la presión máxima nunca sobrepasa los 80 o 90 PSI. Comencemos entonces con la etapa de arranque. Para ello debes anular la entrada de combustible sacando el fusible de la bomba de combustible o bien su relé, lo que te sea más práctico.

Hecho esto, coloca el transductor de presión en lugar de la bujía, en el cilindro que quieras hacer la prueba. Conecta la alimentación al sensor y la señal al canal n°1 de tu osciloscopio. Es importante además que conectes la bujía a la bobina que retiraste y le des un retorno a masa, como se indica en la foto. En este caso de ejemplo es una bobina COP. Si lo que tienes en tu caso en un sistema DIS, con cable secundario a cada bujía, conecta el cable a la bujía y dale un retorno a masa. La idea es que el circuito secundario de encendido siga operando, para evitar posibles daños a los drivers de la ECU.

Configuración del osciloscopio

Para adquirir los datos vamos a capturar una pantalla completa de la señal de presión, con disparo simple, que contenga al menos 3 ciclos completos (Admisión, Compresión, Expansión y Escape). Dado que un ciclo completo se produce cada 2 vueltas de cigüeñal (720°), configuraremos nuestro osciloscopio para que capture al menos 6 vueltas de cigüeñal.

Hagamos una cuenta simple, si R son las revoluciones por minuto, C son los ciclos por revolución, ΔT son los segundos por división del osciloscopio y M es el total de divisiones de tu pantalla, entonces:

Supongamos que nuestro osciloscopio tiene una pantalla de 10 divisiones, el motor gira a 300 RPM (velocidad aproximada durante el crank) y queremos capturar 3 ciclos completos, entonces la configuración del tiempo debe ser:

Entonces, configurando nuestro osciloscopio a 100 ms/div estaría bien. Recuerda, disparo simple, flanco positivo.

Adquisición de los datos

Datos del arranque (Crank):

Estando todo conectado, dale arranque al motor y espera a que se complete la pantalla del osciloscopio. Una vez finalizado ve a la opción que te permita grabar los datos a un archivo .txt y salva los datos. Debes descargar el archivo con los valores adquiridos.

El nombre del archivo debe ser pressure_crank_cyl_x.txt (donde x es el número de cilindro) y lo debes guardar en la carpeta Input, dentro de Diagnosis-tools. El archivo de texto del ejemplo fue generado con un osciloscopio Hantek 1008C y tiene los 4 cabezales que ves. Estos campos no son utilizados por Diagnosis-tools así que no importa si no están. Solo son necesarios los valores de voltaje del transductor. Listo, ya tienes el archivo del crank, ahora vamos por los datos en ralentí (Idle).

Datos en ralentí (Idle):

Vuelve a conectar el relé de la bomba de combustible. El motor ahora va a girar a unas 800 RPM (velocidad aproximada de ralentí), así que con los 100 ms/div que tenemos seteado vamos a adquirir unos 7 ciclos completos (hacer la cuenta con la ecuación de arriba), más que suficiente para efectuar el análisis.

Dale arranque al motor y deja que se complete la pantalla. Una vez finalizado apaga el motor y salva los datos al igual que hiciste en el paso anterior, pero esta vez el archivo debe llamarse pressure_idle_cyl_x.txt.

Al igual que el paso anterior, los cabezales del archivo son irrelevantes. Guarda el archivo en la carpeta Input bajo Diagnosis-tools.

Efectuar análisis con Diagnosis-tools

Dale doble click al archivo Diagnosis-tools.exe y se te abrirá la siguiente ventana:

Recuerda tener conexión a Internet, de forma de chequear las nuevas actualizaciones de la herramienta.

Oprime Comenzar. Selecciona el número de cilindros y el orden de encendido de tu vehículo. El orden de encendido no es relevante para el análisis de compresión dentro del cilindro, pero si lo es para un análisis de compresión relativa. Marcarlo de todas formas. Oprime ‘Compresión’, y se te abrirá la siguiente ventana:

Compresión cilindros

En este punto podemos realizar el análisis de compresión relativa, si es que le cargaste los datos de corriente como te indicamos en este artículo, así como la señal de sincronismo desde la bobina numero 1.

compresión relativa

Para realizar el análisis de la presión dentro del cilindro oprime el botón ‘Compresión de cilindros’ y se te desplegará el siguiente cuadro para que introduzcas los parámetros de tu sensor de presión.

sensor de presión

Hecho esto, dale OK y el programa despliega el análisis para cada cilindro que hayas introducido datos de presión.

Como ves, se te despliegan los parámetros más relevantes de la curva de presión dentro del cilindro, mediante los cuales podrás realizar tu diagnóstico.

Espero que te haya gustado el artículo. Ahora ve y descarga Diagnosis-tools.