David Quispe Cahuina

CONTEXTO AUTOMOTRIZ

En un motor de combustión interna con sistema de encendido por chispa, el proceso de generación de la chispa (encendido) involucra componentes como:

• Bobina de encendido

• Cables de alta tensión

• Bujías

Estos componentes trabajan juntos para generar y transmitir voltajes muy altos, necesarios para ionizar la mezcla aire-combustible y producir una chispa.

En este proceso ocurren fenómenos físicos y químicos que generan interferencias electromagnéticas (EMI) y de radiofrecuencia (RFI). Vamos a desglosarlo por ramas:

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 1. FÍSICA – ELECTROMAGNETISMO

 Ley de Faraday – Inducción electromagnética

La bobina de encendido es un transformador con un primario y un secundario:

$$\mathcal{E} = -N \frac{d\Phi}{dt}$$

Donde:

• $\mathcal{E}$: voltaje inducido

• $N$: número de espiras

• $\frac{d\Phi}{dt}$: variación del flujo magnético

Cuando se abre el circuito primario (por un transistor controlado por la ECU), el cambio rápido en el flujo magnético genera un alto voltaje en el secundario. Esto puede alcanzar hasta 50,000 V.

Ese cambio abrupto ($\frac{d\Phi}{dt}$ alto) genera campos electromagnéticos transitorios que irradian en forma de EMI/RFI.

 Corrientes de Foucault y Ley de Lenz

Estos pulsos de alta energía pueden inducir corrientes parásitas en componentes metálicos cercanos, que a su vez re-emiten radiación electromagnética, generando más EMI.

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 2. FÍSICA – TEORÍA DE CIRCUITOS

El sistema de encendido se puede modelar como un circuito RL con carga no lineal (chispa):

$$V(t) = L \frac{di}{dt} + Ri + V_{\text{chispa}}$$

• El voltaje de chispa $V_{\text{chispa}}$ aparece cuando el dieléctrico del aire se rompe, generando un arco eléctrico.

• La rapidez con la que se abre el circuito genera un "pico" de alta frecuencia que se comporta como una señal transitoria (impulso tipo Dirac).

Esto produce un espectro de frecuencias amplio (de kHz a GHz) → característica de ruido RFI.

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 3. QUÍMICA – IONIZACIÓN Y DESCARGA DE PLASMA

En la bujía, cuando el voltaje supera la rigidez dieléctrica del aire (~30 kV/cm), ocurre ionización del gas:

$$\text{O}_2 + e^- \rightarrow \text{O}_2^+ + 2e^$$Se forma un plasma, que es un conjunto de partículas cargadas (iones y electrones).

• La descarga de plasma es altamente no lineal y produce radiación electromagnética de banda ancha.

• Además, el arco eléctrico oscila por microsegundos y puede generar una serie de picos de corriente que se irradian como RFI.

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 4. MATEMÁTICAS – TRANSFORMADA DE FOURIER Y ESPECTRO DE RUIDO

El evento de encendido (apertura rápida del circuito + chispa) genera una señal en el tiempo como:

$$v(t) = A \cdot e^{-\alpha t} \cdot \cos(\omega t)$$

Este tipo de señal se analiza con la Transformada de Fourier para obtener su contenido frecuencial:

$$V(f) = \int_{-\infty}^{\infty} v(t) e^{-j2\pi ft} dt$$

El resultado es un espectro amplio, que muestra que la señal contiene armónicos y componentes desde frecuencias bajas (EMI) hasta altas (RFI), que pueden interferir con radios, sensores o módulos electrónicos.

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 APLICACIÓN EN INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

 Diseño de sistema de encendido:

• Se deben usar bobinas blindadas para reducir la radiación de campos.

• Las bujías deben ser resistivas (resistencia interna de 5–10 kΩ) para amortiguar las oscilaciones rápidas del arco.

• Los cables de alta tensión deben tener apantallamiento o núcleo de carbono, para reducir la emisión electromagnética (funcionan como una inductancia distribuida).

 Compatibilidad Electromagnética (EMC):

Los ingenieros deben asegurarse de que el sistema cumple con normativas como CISPR 25 (interferencia electromagnética en vehículos). Esto implica:

• Medir la emisión de EMI/RFI.

• Implementar filtros pasivos y diseños de puesta a tierra adecuados.

• Simulaciones con herramientas de campo electromagnético (por ejemplo, método de elementos finitos FEM).

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✅ CONCLUSIÓN

La EMI y RFI en bobinas y bujías es el resultado de una combinación de fenómenos físicos (inducción electromagnética, descargas eléctricas), químicos (ionización de gases y formación de plasma), y eléctricos (transitorios de alta frecuencia), que deben ser entendidos y mitigados en el diseño automotriz moderno.

El análisis matemático (ecuaciones diferenciales, transformadas de Fourier) permite modelar y simular el comportamiento de estos sistemas para optimizar su diseño y compatibilidad electromagnética.

1. Mecanismos de acoplamiento en bobinas y bujías

Cómo exactamente el ruido EMI/RFI se "mete" en estos componentes. Esto incluiría entender los modos de acoplamiento capacitivo (a través de campos eléctricos entre cables), inductivo (campos magnéticos fluctuantes) y conducido (a través de fuentes de alimentación). En bujías específicamente, es fascinante ver cómo los altos voltajes generan campos muy intensos que pueden interferir con sensores cercanos y sistemas de encendido.

2. Diferencia entre EMI conducida vs radiada en sistemas automotrices

La interferencia conducida viene literalmente a través de los cables y líneas de alimentación, mientras que la radiada se propaga por el aire. En un motor con bobinas de encendido y bujías, ambas están presentes pero requieren estrategias de mitigación completamente distintas. Esto abre preguntas interesantes: ¿por qué ciertos cables blindados funcionan mejor? ¿Cómo los filtros y capacitores en puntos específicos pueden "atrapar" el ruido?

3. Técnicas prácticas de supresión y blindaje

Las soluciones reales: cables supresores de resistencia distribuida en bujías, bobinas con núcleos ferríticos, blindajes de Faraday en harnesses, ubicación estratégica de condensadores de desacoplamiento. Y lo más interesante: cómo balancear la supresión del ruido sin sacrificar la eficiencia de encendido o generar pérdidas en el sistema.

¿Cuál de estos tres te atrae más para profundizar? ¿O prefieres que explore algo específico dentro de alguno de ellos?