Los problemas de conexión a tierra son, sin duda, la causa más común de fallos eléctricos en el mundo del automovilismo. A primera vista, parece algo muy sencillo: basta con conectar todo a tierra al chasis del vehículo. Cuantas más conexiones a tierra, mejor, ¿verdad? Pues no exactamente. Una vez que te adentras en el tema y empiezas a analizar los requisitos de conexión a tierra de un sistema EFI , la cosa se complica bastante. Es fundamental hacerlo bien, o acabarás dando vueltas sin rumbo hasta que te frustres lo suficiente como para gastar dinero y pagar a alguien para que lo haga por ti.
En este artículo: Fallo de encendido | Problema supuesto | Problema real | Determinación de la causa | Realización de la reparación | Comprobación de la solución
Hace poco nos topamos con un coche con un problema de conexión a tierra muy interesante. Fue la oportunidad perfecta para documentar el proceso de diagnóstico que seguimos para que puedan acompañarnos. El tema es un poco árido, pero intentaremos hacerlo más ameno, y les aseguramos que aprenderán mucho si nos acompañan.
Fallo de encendido
El coche en cuestión es un Nissan Silvia K's S14 de 1994, con el motor SR20DET instalado de fábrica todavía en su lugar. El motor tiene algunas modificaciones leves atornillables, con una ECU Link G4+ plug-in. Nos llegó para que lo ajustáramos para las modificaciones, y al principio el proceso iba muy bien. El ajuste de estado estable de RPM bajas a medias fue pan comido, ya que las modificaciones realizadas son un camino bastante trillado. Sin embargo, al realizar el ajuste de potencia máxima, el motor se negaba a subir de 6400 RPM, en su lugar daba tirones y fallaba. Los petardeos y explosiones pueden ser geniales cuando se piden, pero si los obtienes cuando no lo esperas, tienes un problema. Al mirar los registros de datos, mostraron una señal de velocidad del motor muy errática a medida que el motor se acercaba al punto de 6400 RPM. Podría decirse que la señal de velocidad del motor es la entrada más importante para la ECU; Si no puede controlar la velocidad del motor, no puede activar los inyectores de combustible ni las bobinas de encendido en el momento adecuado y, por lo tanto, no puede hacer funcionar el motor correctamente.
Crédito de la foto: www.datsun1200.com
Problema supuesto
Aquí cometimos el pecado capital del diagnóstico automotriz: partimos de una suposición. Es bien sabido que el patrón de activación que Nissan eligió para sus motores de esa época puede causar problemas con las ECU de posventa a altas velocidades. Sin entrar en los detalles del funcionamiento de estos sensores de activación de Nissan, emiten una señal de muy alta frecuencia, que aumenta a medida que sube la velocidad del motor. Es práctica común, al ajustar una ECU de posventa instalada en un motor Nissan de esa época, modificar el sensor de velocidad del motor para que emita una señal de menor frecuencia, lo que parece funcionar mejor con las ECU de posventa. Los mecanismos exactos detrás de los problemas que se presentan al usar el patrón de señal original de Nissan suelen ser objeto de debate. Como asumimos erróneamente que se trataba del mismo problema, pensamos que era una gran oportunidad para obtener datos detallados y analizar qué estaba sucediendo realmente. Conectamos un osciloscopio a las señales de activación para observarlas bien, pero incluso con el motor al ralentí, las alarmas comenzaron a sonar.
Problema real
No se asusten por las gráficas del osciloscopio; las líneas onduladas pueden resultar un poco confusas si no están familiarizados con ellas, pero cuentan una historia fascinante y, si nos acompañan, la explicaremos en detalle. ¿Una breve explicación de los osciloscopios? Son simplemente voltímetros. Nos muestran una imagen del nivel de voltaje actual, así como su evolución a lo largo del tiempo. Lo que requiere cierta experiencia es interpretar esta imagen para comprender su significado.
Las señales que hemos analizado aquí son la señal de velocidad del motor de alta frecuencia (Traza A, Azul) y la señal de fase del motor de baja frecuencia (Traza B, Roja). Idealmente, lo que buscamos en una traza de este tipo es una regularidad limpia y bordes definidos, y las trazas aquí no cumplen con estas características. Sin embargo, existen algunos términos para describirlas: "Desordenadas", "Feas" y "Problemáticas" son solo algunos ejemplos. En particular, lo que hizo sonar las alarmas fue cuando los límites inferiores de las señales cayeron por debajo de cero, llegando a valores negativos, y cuando volvieron a subir bruscamente, se produjo un gran pulso de ruido de alta frecuencia.
Aquí hay dos problemas principales. Primero, veremos los límites inferiores de la señal que caen por debajo de cero. Cuando se mide un voltaje, se mide la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. En el 99% de los casos, elegimos uno de estos puntos como referencia de tierra del vehículo, esencialmente el negativo de la batería. El trazado del osciloscopio nos muestra entonces la diferencia entre tierra y nuestra señal. Aquí vemos que el límite inferior de nuestra señal cae a valores negativos... Si bien hay situaciones en las que se esperan niveles de voltaje negativos en la electrónica automotriz , la salida de un sensor de sincronización de Nissan no es una de ellas; es un dispositivo de conmutación digital y la señal de voltaje que emite siempre debe ser igual o superior a la referencia de tierra del vehículo.
El segundo problema es un pico importante de ruido de alta frecuencia que se inyecta en la señal cuando el límite inferior de la señal vuelve a cero. Este pico tiene una amplitud de casi la mitad de la amplitud total de la señal, lo cual es sin duda significativo. Sin embargo, lo más preocupante es la duración del ruido, ya que permanece visible en la señal durante bastante tiempo. Si la amplitud y la duración del ruido inyectado son lo suficientemente altas, la ECU ya no podrá distinguirlo de la señal real del sensor y perderá el control de la velocidad y la fase del motor. Esto es muy grave.
Determinación de la causa
Bueno, ya tenemos una idea bastante clara del problema, pero lamentablemente, eso no es ni la mitad del trabajo. Necesitamos determinar qué lo está causando realmente para poder realizar una reparación segura. Una vez más, la experiencia es fundamental para determinar qué podría estar provocando que veamos este tipo de trazas en el osciloscopio, pero sigamos el razonamiento.
Cuando se observan desfases de voltaje extraños como este, es una clara señal de que hay corrientes eléctricas fluyendo donde no deberían. Los cables de un arnés de cableado EFI están dimensionados para el nivel de corriente que se espera que circule a través de ellos. Los cables son básicamente resistencias de bajo valor; ofrecen muy poca resistencia al flujo de corriente, pero "muy poca" no es lo mismo que "ninguna". Cuando una corriente fluye a través de un cable, crea un desfase de voltaje en ambos extremos. Si la corriente que fluye a través del cable es demasiado grande para el calibre del cable, este desfase de voltaje se vuelve grande, como lo que estamos observando aquí.
Hasta ahora hemos usado nuestro osciloscopio para medir voltajes directamente, pero ahora estamos bastante seguros de que lo que realmente necesitamos buscar son corrientes parásitas. La herramienta ideal para esta búsqueda es una pinza amperimétrica. Pertenece a la clase de instrumentos que llamamos "transductores" y mide la corriente que fluye por un cable (tanto amplitud como dirección), para luego convertir esta medición en una señal de voltaje que podemos visualizar y almacenar en nuestro osciloscopio. Esta herramienta puede ser realmente reveladora, ya que podemos obtener imágenes de la corriente que fluye por cada cable conectado a la ECU, que es exactamente lo que hicimos, y el resultado más destacado se muestra a continuación.
Esta imagen muestra la amplitud y la dirección de la corriente que fluye por el cable conectado al pin 107 de nuestra ECU Link G4+ Plug-In. Este pin es una de las tomas de tierra de la ECU, y el calibre del cable es bastante grande en comparación con otros cables: 18 AWG. Cabría esperar un nivel de corriente razonable fluyendo por este cable, que es exactamente lo que estamos observando. La escala de conversión que realiza la pinza amperimétrica es de 100 mV por cada 1 A de corriente, por lo que tenemos casi 2 A de corriente fluyendo por nuestro cable a intervalos regulares. La naturaleza periódica de nuestra señal también es bastante normal. Los motores de combustión interna son periódicos, se basan en un ciclo repetitivo. Así que todo esto parece bastante normal, ¿verdad? Bueno, después de comprobar dos (tres y cuatro) veces la dirección a la que apuntaba la pinza amperimétrica, nos dimos cuenta de que esta corriente repetitiva estaba fluyendo hacia la ECU. Esto no tiene sentido, ya que las ECU funcionan como interruptores de baja tensión; la corriente que reciben de componentes como los inyectores de combustible y las bobinas de encendido se desvía a través de sus cables de tierra hacia el borne negativo de la batería. Por lo tanto, no debería haber corriente fluyendo hacia los cables de tierra de nuestra ECU.
Medimos esta corriente con el motor al ralentí a una velocidad de 1000 RPM. El período de la señal es de aproximadamente 30 ms, y si hacemos los cálculos a la inversa, esto equivale a un pulso de corriente cada 180 grados de rotación del cigüeñal. Esta es una información clave, ya que para un motor de cuatro cilindros y cuatro tiempos, esta es la misma sincronización que los eventos de combustión. Para nuestro motor SR20DET de chispa directa e inyección secuencial, los principales actuadores instalados en el motor que son activados por la ECU en cada evento de combustión son los inyectores de combustible y las bobinas de encendido. El nivel de corriente que estamos viendo aquí descarta a los inyectores de combustible como el culpable, por lo que podemos acotar la fuente de nuestra corriente parásita a las bobinas de encendido, pero ¿por qué está fluyendo hacia los cables de tierra de nuestra ECU?
Tenemos un poco de suerte en esta situación, ya que el S14 Silvia es un coche muy popular, por lo que es fácil obtener documentación OEM fiable sobre el esquema del cableado de la inyección electrónica . Al revisar esta documentación, podemos ver que el cable de salida de corriente de la unidad de transistor de potencia (comúnmente llamada módulo de encendido o ignitor) está engarzado a los cables que se conectan a los pines 10, 20, 107, 108 y 115 de nuestra ECU. Hay otro cable que sale de este engarce y que se dirige al punto de puesta a tierra principal del sistema de inyección electrónica en el colector de admisión. La intención es que la corriente del devanado primario de la bobina de encendido salga de la unidad de transistor de potencia y fluya hacia este punto de puesta a tierra sin impedimentos. Sin embargo, si la sección de cable después del engarce que conecta todo estuviera dañada de alguna manera, la corriente podría encontrar otro camino, uno que no queremos que tome, como a través de nuestra ECU.
El siguiente paso lógico sería usar un multímetro para medir la resistencia entre este punto de engaste y el punto de tierra de la EFI, ¿verdad? Sí y no. Vale la pena hacerlo por si acaso, pero lo que realmente se mide es la resistencia de la combinación de todos los posibles caminos que la corriente podría tomar entre estos dos puntos. Si volvemos a revisar la información del cableado OEM, podemos eliminar cualquier camino alternativo si desconectamos la ECU, aislando solo el camino que queremos medir. Sin embargo, observamos que esto no produce ningún cambio; seguimos obteniendo una lectura de casi ninguna resistencia entre el punto de empalme y la tierra del sistema. Si tomamos estos resultados al pie de la letra, determinamos que la corriente de la bobina que sale del módulo del transistor de potencia tiene un camino libre, despejado y sin obstrucciones directamente a la tierra del sistema EFI, pero elige fluir a través de la ECU en su lugar. Confuso.
Lo que nuestra prueba con multímetro no tiene en cuenta es la carga. Un multímetro determina la resistencia haciendo pasar una corriente muy pequeña entre las dos puntas de prueba, midiendo la diferencia de voltaje que esto genera y, a partir de ahí, calculando la resistencia que detecta dicha corriente. Esta corriente tan pequeña no somete ninguna parte del circuito medido a una carga significativa, y si el problema solo se presenta cuando hay carga, un multímetro no le ayudará a detectarlo. Para una precisión del 100%, un multímetro con una resolución mucho mayor permitiría encontrar el problema con el sistema sin carga, pero un equipo lo suficientemente sensible cuesta miles de dólares y no suele estar disponible en los talleres.
Así pues, hemos reducido nuestra área de búsqueda al tramo de cable que conecta este punto de empalme con la toma de tierra principal del sistema EFI. Buscamos una conexión defectuosa en cualquiera de los extremos o algún tipo de daño físico en el cable a lo largo de su longitud. En este punto, es muy probable que tengamos que desmontar el arnés de cableado EFI del vehículo para repararlo; sin embargo, es una inversión de tiempo razonable y queremos estar completamente seguros de que nuestro plan de acción resolverá el problema. La posibilidad de una conexión defectuosa al punto de puesta a tierra del sistema EFI se puede comprobar y descartar fácilmente, ya que es accesible con el arnés de cableado instalado. Acceder al punto de empalme o examinar la longitud del cable en sí es mucho más complicado y sin duda requerirá desmontar el arnés de cableado del vehículo.
Sin embargo, podemos demostrar que una investigación más exhaustiva dará buenos resultados antes de dar este paso. Podemos desconectar la conexión a tierra del conector del módulo del transistor de potencia y volver a conectarla con un cable temporal externo al arnés que se conecte directamente al punto de tierra del sistema EFI . Con nuestra conexión a tierra temporal instalada, comprobamos que proporcionaba la ruta de baja resistencia necesaria para evitar que la corriente del devanado primario de la bobina llegara a la ECU. Excelente.
Realizando la reparación
Ahora que sabemos más o menos qué buscamos y dónde esperamos encontrarlo, podemos empezar a trabajar y retirar el arnés de cableado EFI del vehículo. Por suerte, Nissan diseñó esta parte de su sistema de forma bastante modular, y solo hay un punto de conexión entre el sistema EFI y el resto del sistema eléctrico del vehículo, lo que facilita relativamente la extracción del arnés completo. Con el arnés sobre la mesa de trabajo, podemos empezar a retirar las cubiertas.
Como suele ocurrir con coches de esta antigüedad, el revestimiento del arnés está en muy mal estado y retirarlo lleva mucho tiempo. Sin embargo, gracias a nuestra investigación y a algunas pruebas lógicas, hemos localizado una zona específica donde buscar, por lo que no es necesario desmontarlo todo.
Nos encanta cuando un plan sale bien. O, en este caso, cuando se confirma una hipótesis. Justo debajo de una sección del mazo de cables que recorre el cortafuegos, encontramos una rotura parcial en el cable que identificamos como el probable causante del problema. Todos los hilos de cobre, excepto uno, se habían cortado, dejando lo suficiente para confundir nuestra prueba con el multímetro, pero no lo suficiente para que la corriente de la bobina pasara sin obstáculos a tierra. En este punto, el mazo de cables mostraba algunos signos de haber sido aplastado, probablemente durante la extracción o instalación del motor.
La reparación podría ser tan simple como cortar la sección dañada del cable, volver a unir los dos extremos y sellarlos con termorretráctil. Pero ya que tenemos el arnés abierto en el banco de trabajo, ¿por qué no aprovechar para mejorarlo? Si has leído este artículo hasta aquí, mereces aprender la valiosa lección sobre sistemas de puesta a tierra: la técnica de "puesta a tierra en estrella". Esta técnica garantiza que las corrientes de tierra se limiten a un solo camino. Si algo falla en ese camino, no puede encontrar una alternativa.
Para mejorar este arnés para su aplicación actual, además de reparar la sección dañada del cable, retiramos el cable original que conectaba el módulo del transistor de potencia al punto de empalme y lo reemplazamos con el cable externo que usamos para probar nuestra hipótesis, solo que esta vez lo integramos al arnés, convirtiéndolo en una solución permanente. Si este cable se dañara nuevamente en el mismo punto, ya no habría una ruta alternativa para la corriente de la bobina, ya que el terminal de tierra del transistor de potencia ya no está conectado al punto de empalme. Claro, probablemente el motor no arrancaría, ¡pero el diagnóstico sería mucho más sencillo! Lo que realmente estamos logrando aquí es forzar un modo de falla que podemos controlar. Si hay una falla, el sistema se apagará, en lugar de continuar operando de manera indefinida.
Demostrando la solución
Tras volver a envolver e instalar el arnés reparado, la imagen del osciloscopio de las señales de activación se ve mucho más nítida. La prueba definitiva es que el motor ahora alcanza las 7500 RPM sin problemas, con una gráfica de velocidad constante en todo momento, lo que permite completar el ajuste.
Los problemas de conexión a tierra como este son muy comunes y a menudo se solucionan mediante el método de ensayo y error. Se reemplazan partes del sistema una por una, con la esperanza de que la nueva pieza resuelva el problema, lo que a su vez demuestra que la pieza reemplazada era la defectuosa. Si bien este enfoque generalmente funciona, puede ser muy lento y costoso para el cliente. Podría terminar pagando por piezas que en realidad funcionaban correctamente. El análisis de la causa raíz que realizamos aquí nos permitió acotar el problema en cada paso a medida que obteníamos nueva información, hasta identificar la causa definitiva. Con el método de ensayo y error, solo se tendría una idea vaga de la parte del sistema que fallaba. La satisfacción de identificar el problema, demostrar la hipótesis y saber que la reparación será confiable no tiene precio.
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