Cuando se habla de sistema de encendido generalmente nos referimos al
sistema necesario e independiente capaz de producir el encendido de la mezcla de combustible y
aire dentro del cilindro en los motores de gasolina o LPG, conocidos
también como motores de encendido por
chispa, ya que en el motor Diesel
la propia naturaleza de la formación
de
la
mezcla produce su auto-encendido.
En los motores de gasolina resulta necesario producir una chispa entre
dos electrodos separados en el
interior del cilindro en el momento justo y con la potencia necesaria
para iniciar la combustión.
Generación de la chispa
En conocido el hecho de que la electricidad puede saltar el espacio
entre dos electrodos aislados si el voltaje sube lo suficiente
produciéndose lo que se conoce como arco eléctrico. Este
fenómeno del salto de la electricidad entre dos electrodos
depende de la naturaleza y temperatura de los electrodos y de la
presión reinante en la zona del arco. Así tenemos que una
chispa puede saltar con mucho menos voltaje en el vacío que
cuando hay presión y que a su vez, el voltaje requerido
será mayor a medida que aumente la presión reinante. De
esto surge la primera condición que debe cumplir el sistema de
encendido:
- Condición 1:
El sistema de encendido debe elevar el
voltaje del sistema eléctrico del automóvil hasta valores
capaces de hacer saltar la electricidad entre dos electrodos separados
colocados dentro del cilindro a la presión alta de la
compresión.
Momento del encendido
Durante la carrera de
admisión la mezcla que ha entrado al
cilindro, bien desde el carburador,
o
bien
mediante
la inyección
de
gasolina en el conducto de admisión se calienta, el
combustible se evapora y se mezcla íntimamente con el aire. Esta
mezcla
está preparada para el encendido, en ese momento una chispa
producida dentro de la masa de la mezcla comienza la combustión.
Esta combustión produce un notable incremento de la
presión dentro del
cilindro que empuja el pistón con fuerza para producir trabajo
útil.
Para que el rendimiento del motor sea bueno, este incremento de
presión
debe comenzar a producirse en un punto muy próximo
después del punto
muerto superior del pistón y continuar durante una parte de la
carrera de fuerza.
Cuando se produce la chispa se inicia el encendido primero alrededor
de la zona de la chispa, esta luego avanza hacia el resto de la
cámara
como un frente de llama, hasta alcanzar toda la masa de la mezcla. Este
proceso aunque rápido no es instantáneo, demora cierto
tiempo, por lo que nuestro sistema debe producir la chispa un tiempo
antes de que sea necesario el incremento brusco de la presión,
es decir antes del punto muerto superior, a
fin de dar tiempo a que la llama avance lo suficiente en la
cámara de combustión, y lograr las presiones en el
momento
adecuado, recuerde que el pistón está en constante
movimiento.
A
este tiempo de adelanto de la chispa con respecto al punto muerto
superior se le llama avance al encendido.
Si consideramos ahora la velocidad de avance de la llama como
constante,
resulta evidente que con el aumento de la velocidad de rotación
del motor,
el pistón se moverá mas rápido, por lo que si
queremos que nuestro incremento de presión se haga siempre en la
posición adecuada del pistón en la carrera de fuerza,
tendremos necesariamente, que adelantar el inicio del salto de la
chispa a medida que aumenta la velocidad de rotación del motor.
De este asunto surge la segunda condición que debe cumplir el
sistema de encendido:
- Condición2:
El sistema de encendido debe ir
adelantando el
momento del salto de la chispa con respecto a la posición del
pistón gradualmente a medida que aumenta la velocidad de
rotación del motor.
La consideración hecha de que la velocidad de avance de la llama
es constante no es estrictamente cierta, además en dependencia
del nivel de llenado del
cilindro con mezcla durante la carrera de admisión y de la
riqueza de esta, la presión dentro del cilindro se
incrementará a mayor o menor velocidad a medida que se quema,
por lo que durante el avance de la llama en un cilindro lleno y rico la
presión crecerá rápidamente y puede que la mezcla
de las partes mas lejanas a la bujía no resistan el crecimiento
de la
presión y detonen
antes de que
llegue a ellas el frente de llama, con la consecuente pérdida de
rendimiento y perjuicio al motor. De aquí surge la tercera
condición que debe
cumplir el sistema de encendido:
- Condición 3:
El sistema de encendido debe ir
atrasando el momento del salto de la chispa a medida que el cilindro
se llena mejor en la carrera de admisión.
Distribución del encendido
Cuando el motor tiene múltiples cilindros de trabajo
resultará necesario producir la chispa cumpliendo con los
requisitos tratados hasta aquí, para cada uno de los cilindros
por cada vuelta del cigüeñal en el motor de dos tiempos, y
por cada dos vueltas en el de cuatro tiempos. De aquí la cuarta
condición:
- Condición 4:
El sistema de encendido debe producir
en el momento exacto una chispa en cada uno de los cilindros del motor.
Veamos ahora como se cumplen estas exigencias para el sistema de
encendido.
El diagrama básico
En la figura de la derecha
se muestra un diagrama de bloques de los componentes del sistema de
encendido.
Resulta imprescindible una fuente de suministro de energía
eléctrica para abastecer al sistema, este puede ser una batería
de
acumuladores o un generador.
Luego será necesario un elemento que sea capaz de subir el bajo
voltaje de la batería, a un valor elevado para el salto de la
chispa (varios miles de voltios). Este generador de alto voltaje
tendrá en cuenta las señales recibidas de los sensores de
llenado del cilindro y de la velocidad de rotación del motor
para determinar el momento exacto de la elevación de voltaje.
Para la elevación del voltaje se usa un transformador elevador
de altísima relación de elevación que se le llama
bobina de encendido en trabajo conjunto con un generador de pulsos que
lo alimenta.
Será necesario también un dispositivo que distribuya el
alto voltaje a los diferentes cables de cada uno de los productores de
la chispa dentro de los cilindros (bujías)
en
concordancia
con
las
posiciones
respectivas de sus pistones para el
caso del motor policilíndrico.
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Figura 1
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Descripción de los componentes
Dada la diversidad y de formas en que pueden cumplimentarse en la
actualidad las exigencias del sistema de encendido y a su larga
historia de adaptación a las tecnologías existentes se
hace difícil abarcar todas las posibilidades, no obstante,
haremos un recorrido por los mas representativos.
La aparición en la década de los 60s del siglo pasado de
los dispositivos
semiconductores
y en especial los transistores, y luego los circuitos integrados,
sentó
pauta
en
la
composición
y
estructura de los sistemas de encendido, de manera que para hablar de
ellos habrá un antes, y un después, que son decisivos a
la hora de
describir un sistema de estos. Utilizaremos para la descripción
del sistema uno de tipo clásico, de los utilizados antes de que
los dispositivos electrónicos formaran parte del sistema.
Fuente de alimentación
La fuente de alimentación del sistema de encendido depende en
muchos casos de la futura utilización a que se destine el motor,
así tenemos que normalmente para el motor del automóvil
que incluye, porque es requerido, una batería de acumuladores,
se utiliza esta fuente para la alimentación del sistema, pero
para los motores estacionarios, especialmente los pequeños,
donde la batería no es necesaria para otro fin, se acude a los
generadores de pulsos eléctricos conocidos como magnetos. Estos
magnetos son pequeños generadores del tipo de rotor a
imanes permanentes de corriente alterna movidos
por el propio motor y sincronizados con él que producen
electricidad para alimentar el sistema
de encendido durante el tiempo necesario para generar la chispa.
En ocasiones y para la mayoría de los motores
mono cilíndricos pequeños de arranque manual, la
electricidad la induce
un imán permanente empotrado en el volante en el lugar apropiado
al pasar frente a una bobina fija en el cuerpo del motor.
Generación del alto voltaje
El voltaje de alimentación del sistema de encendido, por
ejemplo, alimentado con una batería suele ser de 6, 12, o 24
volts, mucho mas bajo de los 18,000 a 25,000 voltios necesarios para
generar la chispa entre los electrodos de la bujía, separados
hasta 2mm, y bajo la presión de la compresión. Para
lograr este incremento se acude a un transformador elevador con muy
alta relación entre el número de vueltas del primario y
del secundario, conocido como bobina de encendido. Usted se
preguntará ¿Cómo un transformador, si es
corriente
directa? pues sí, veamos como:
En la figura de la derecha
se muestra un esquema del modo de convertir el voltaje de la
batería al necesario para la chispa en el motor
mono cilíndrico.
Note como la corriente de la batería está conectada al
primario del transformador a través de un interruptor y que la
salida del secundario se conecta al electrodo central de la
bujía. Todos los circuitos se cierran a tierra.
El interruptor está representado como un contacto, que era lo
usual antes de la utilización de los dispositivos
semiconductores. Hoy en día ese contacto es del tipo
electrónico de diversos tipos.
Mientras el contacto está cerrado, circula una corriente
eléctrica por el primario del transformador, en el momento de
abrirse el contacto, esta corriente se interrumpe por lo que se produce
un cambio muy rápido del valor del campo magnético
generado en el núcleo del transformador, y por lo tanto la
generación de un voltaje por breve tiempo en el secundario. Como
la relación entre el número de vueltas del primario y del
secundario es muy alta y además el cambio del campo
magnético ha sido violento, el voltaje del secundario
será extremadamente mas alto, capaz de hacer saltar la chispa en
la bujía.
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Figura 2
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Sincronizando el momento de apertura y cierre del contacto con el
movimiento del motor y la posición del pistón, se puede
generar la chispa en el momento adecuado al trabajo del motor en cada
carrera de fuerza.
Si en lugar de una batería se utiliza un magneto, el esquema es
esencialmente el mismo, con la diferencia de que el magneto
estará generando la corriente del primario en el momento de
apertura del contacto, aunque en el resto del ciclo no genere nada.
Utilizando el sincronismo adecuado, magneto-contacto-posición
del pistón el encendido estará garantizado.
Distribución
Cuando el motor tiene mas de un cilindro se necesita un chispa para
cada uno, puede optarse por elaborar un sistema completo independiente
por cilindro y de hecho se hace, pero lo mas común es que solo
haya un sistema generador del alto voltaje que produzca la
elevación tantas veces como haga falta (una vez por cilindro) y
otro aparato que distribuya la electricidad a la bujía del
cilindro correspondiente. Este dispositivo se llama distribuidor.
A la derecha se muestra un
esquema que sirve para entender como funciona el distribuidor.
Hemos supuesto el sistema de encendido para un motor de seis cilindros.
Como se explicó anteriormente, un contacto eléctrico
interrumpe el circuito primario de la bobina de encendido y genera en
el secundario el voltaje suficiente. En este caso una leva exagonal
sincronizada con el motor a través de engranajes gira, y abre el
contacto en seis ocasiones por cada vuelta, el voltaje generado por la
bobina de encendido se conecta a un puntero que gira también
sincronizado con el motor, de manera que cada vez que la leva abre el
contacto, uno de los terminales que conduce a una bujía
está frente al puntero y recibe la corriente. Colocando
adecuadamente los cables a las bujías correspondientes se
consigue que con un solo circuito generador de alto voltaje se
alimenten todas las bujías en el momento propicio.
En el esquema de abajo se ilustra el trabajo del distribuidor con un
animado, considerando media vuelta del puntero del distribuidor.
Figura 4
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Figura 3
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Adelanto al encendido con la velocidad del motor
Ya sabemos como se genera el alto voltaje y además como se
distribuye a las diferentes bujías del motor, ahora veremos como
se puede adelantar el encendido con el aumento de la velocidad de
rotación del motor.
Consideremos el esquema de la figura 3, en él una leva determina
el momento de la apertura del contacto y con esto el momento en que se
produce la chispa en la bujía. Hemos visto que esta leva
está montada en un eje que a su vez se mueve desde el motor
a través de un engranaje para garantizar el debido
sincronismo. Si montamos la leva en su eje de manera que pueda
girar sobre él y determinamos su posición exacta con
respecto al eje a través de un mecanismo centrífugo
podremos modificar la posición de la leva con respecto al eje en
dependencia de la magnitud de la velocidad de su giro. De esta forma
podremos ir adelantando el encendido cuando la velocidad aumenta y
disminuyéndolo cuando esta velocidad baja. Como se altera la
posición, la punta de la
leva alcanzará a abrir el contacto con mas o menos atraso.
Este simple procedimiento es el que se usa con mucha frecuencia en los
sistemas de encendido de los motores de automóvil. Unos
contrapesos adelantan la posición de la leva con respecto a su
eje debido a la fuerza centrífuga cuando la velocidad sube, y
los muelles de recuperación del mecanismo la hacen retornar
cuando baja.
Atraso al encendido cuando se llena mejor el cilindro.
Cuando se aprieta el acelerador se abre la mariposa del carburador o
del sistema de inyección de gasolina y se llena mejor el
cilindro del motor, esta apertura hace que la magnitud del vacío
dentro del conducto de admisión entre el cilindro y la mariposa
se reduzca, es decir la presión absoluta en este conducto
aumenta al haber mejor acceso a la presión atmosférica
exterior.
Figura 4
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De esta forma, la magnitud
de la presión absoluta dentro del
conducto de admisión sirve para conocer de manera indirecta como
se ha llenado el cilindro del motor, el valor de esta presión
absoluta es la que se utiliza para adelantar o atrasar el momento del
encendido. Para ello la base donde está montado el contacto
descrito en
la figura 3 se construye de manera tal que pueda girar con respecto al
eje de la leva. Observe el animado de la figura 4. Un diafragma
flexible al que se le aplica la
presión del conducto de admisión vence la fuerza de un
resorte (no representado), haciendo girar la base del
contacto en mayor o menor proporción de acuerdo a la
presión y por lo tanto mueve el contacto con respecto a la leva
con lo que la apertura de este se logra mas temprano o mas tarde de
acuerdo al llenado del cilindro. Resulta ser el mismo efecto del
mecanismo centrífugo del punto anterior, pero en este caso
teniendo en cuenta el valor absoluto de la presión en el
conducto de admisión.
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Pongamos todo junto
Tratemos ahora de poner todo junto como un conjunto, para ello
utilizaremos el esquema de la figura 5 correspondiente al sistema de
encendido típico por contacto, tal y como se usaba antes
de la introducción de los dispositivos semiconductores.
Observe que el cable
procedente de la batería pasando por el interruptor de arranque
alimenta el primario de la bobina de encendido. El circuito del
primario se completa a tierra con el contacto dentro del dispositivo
llamado como Conjunto distribuidor.
Note también como la leva y el rotor que distribuye la corriente
de alto voltaje a las diferentes bujías, están montados
en el
eje que se conecta al motor.
Un elemento nuevo es el condensador, está conectado en paralelo
con el elemento móvil del contacto, este condensador ayuda a
reducir las chispas en el contacto y aumenta la potencia de la chispa.
El mecanismo centrífugo y el diafragma que sirven para acomodar
el avance al encendido no están representados.
El cable de alto voltaje que sale de la bobina de encendido entra al
centro del rotor por medio de un contacto deslizante y este lo
transmite a la bujía correspondiente al girar.
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Figura 5
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Un distribuidor real luce
así como se muestra en la figura 6, en el costado izquierdo
está el diafragma de avance al que se conecta una manguera
procedente del carburador. La tapa de color negro donde se conectan los
cables de alta tensión está construida de un material
plástico resistente al calor y aislante de la electricidad que
se acopla al cuerpo con la ayuda de unas presillas metálicas
fácilmente desmontables. Observe el tornillo lateral, ahí
se conecta el cable procedente de la bobina de encendido, el cable
exterior que se muestra, es el del condensador, que en este caso
está en el exterior detrás del diafragma.
La pieza dorada mas inferior es el acoplamiento al engranaje del motor.
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Figura 6
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Entendido como funciona un sistema de encendido clásico (sin
electrónica) veamos ahora el encendido electrónico.
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