El sistema de encendido es un conjunto de todos los instrumentos y dispositivos que brindan la apariencia de una chispa eléctrica que enciende la mezcla aire-combustible en los cilindros de un motor de combustión interna en el momento adecuado. Este sistema es parte del sistema eléctrico general .
En los primeros motores (por ejemplo, el motor Daimler , así como el llamado semidiésel ), la mezcla de combustible y aire se encendía al final de la carrera de compresión desde una cabeza incandescente caliente, una cámara que se comunica con la cámara de combustión. (sinónimo - tubo incandescente). Antes de arrancar, la cabeza incandescente debía calentarse con un soplete , después de lo cual se mantenía su alta temperatura por la combustión del combustible durante el funcionamiento del motor. Actualmente, los motores incandescentes utilizados en varios modelos ( aviones , automóviles , modelos de barcos ) funcionan según este principio. El encendido por incandescencia en este caso gana con su simplicidad y compacidad insuperable.
Los motores diesel tampoco tienen un sistema de encendido; el combustible se enciende al final de la carrera de compresión del aire que está muy caliente en los cilindros.
Los motores de carburador de compresión no necesitan un sistema de encendido , la mezcla aire-combustible se enciende por compresión. Estos motores también se utilizan en el modelado [1] .
Pero realmente echó raíces en los motores de gasolina el sistema de encendido por chispa , es decir, un sistema cuya seña de identidad es el encendido de la mezcla mediante una descarga eléctrica que rompe el entrehierro entre los electrodos de la bujía .
Actualmente existen tres variedades de sistemas de encendido: encendido de batería de automóvil alimentado por batería y basado en magneto y sistemas de encendido sin batería que utilizan un alternador de motocicleta .
Se puede distinguir: circuitos sin el uso de componentes radioelectrónicos ("clásicos") y electrónicos .
Los esquemas con encendido electrónico se dividen en:
Magneto es un alternador especializado que produce electricidad solo para la bujía. El diseño es un imán permanente, que recibe la rotación del cigüeñal de un motor de gasolina y un generador estacionario bobinado con un pequeño número de vueltas de alambre grueso ( inductor ). En un circuito magnético común con un devanado de generador, hay uno de alto voltaje (con una gran cantidad de vueltas de un cable delgado). El voltaje de bajo voltaje generado se transforma en alto voltaje, capaz de "romper" el espacio de chispa de la bujía. Una de las salidas de cada bobina está conectada a la "masa" (carcasa del motor), la otra salida del devanado de alto voltaje está conectada al electrodo central de la bujía. Si el magneto es contacto, un interruptor con un condensador conectado en paralelo se conecta en paralelo a la otra salida del devanado de bajo voltaje a la "tierra" (necesario para reducir las chispas y la quema de los contactos). En el momento adecuado (tiempo de encendido), la leva abre los contactos del interruptor y salta una chispa en la vela . No hay interruptor en los magnetos electrónicos sin contacto, hay una bobina de control, en el momento adecuado se genera un pulso de control en la unidad electrónica. Los transistores o tiristores se abren, la corriente fluye hacia una bobina de alto voltaje. La energía se almacena adicionalmente en condensadores o inductores, lo que aumenta la potencia de la chispa.
La ventaja del magneto es la simplicidad, compacidad y ligereza, bajo costo, sin necesidad de batería . Magneto siempre está listo para funcionar. Se utiliza principalmente en equipos de tamaño pequeño, por ejemplo, en motosierras , cortadoras de césped , generadores de gas portátiles , etc. Magneto también se utilizó en los primeros motores de aviones de pistón.
El segundo sistema, el más común, es el sistema de encendido por batería . En este caso, la fuente de alimentación es de una batería de automóvil, y cuando el motor está en marcha , la electricidad es generada por un generador de automóvil conectado en paralelo con la batería.
El interruptor de encendido, el interruptor y el devanado primario de la bobina de encendido con resistencia adicional están conectados en serie a las fuentes de corriente.
La bobina de encendido es un transformador de impulsos . La función principal de la bobina de encendido es transformar un voltaje bajo (12 voltios) en un pulso de alto voltaje (decenas de miles de voltios) que puede " romper " el espacio de chispa de la vela.
Circuito de alto voltaje: devanado secundario de la bobina de encendido, distribuidor de encendido , cables de alto voltaje y bujías.
Si el motor es monocilíndrico , entonces no hay distribuidor de alto voltaje; tampoco es necesario en motores de dos cilindros cuando se usan bobinas de encendido de dos chispas. Recientemente se ha colocado una bobina en cada cilindro (lo que permite colocar la bobina directamente sobre la vela a modo de punta y abandonar los cables de alta tensión) o una bobina de dos chispas para un par de cilindros.
El principio de funcionamiento se basa en la ley de la inducción electromagnética .
Desde la batería, con el encendido conectado y los contactos del interruptor cerrados, pasa una corriente de bajo voltaje a través del devanado primario de la bobina de encendido, formando un campo magnético a su alrededor . La apertura de los contactos del interruptor conduce a la desaparición de la corriente en el devanado primario y del campo magnético a su alrededor. El campo magnético que desaparece induce un alto voltaje (alrededor de 20-25 kilovoltios ) en el devanado secundario. El distribuidor suministra alternativamente corriente de alto voltaje a cables de alto voltaje y bujías, entre cuyos electrodos salta una carga de chispa, se enciende la mezcla de aire y combustible en los cilindros del motor .
El campo magnético que desaparece cruza no solo las vueltas del devanado secundario, sino también el primario, como resultado de lo cual surge una corriente de autoinducción con un voltaje de aproximadamente 250-300 voltios. Esto conduce a chispas y quemaduras de los contactos, además, la interrupción de la corriente en el devanado primario se ralentiza, lo que conduce a una disminución de la tensión en el devanado secundario. Por tanto, se conecta un condensador en paralelo con los contactos del interruptor (normalmente con una capacidad de 0,25 microfaradios ).
En serie con el devanado primario de la bobina de encendido, se enciende una resistencia adicional (o resistencia adicional). A bajas velocidades, los contactos del interruptor están cerrados la mayor parte del tiempo y fluye más que suficiente corriente a través del devanado para saturar el circuito magnético . El exceso de corriente calienta inútilmente la bobina . Al arrancar el motor, la resistencia adicional es desviada por los contactos del relé de arranque , aumentando así la energía de la chispa eléctrica en la bujía.
En motocicletas ligeras (por ejemplo, motocicletas "Minsk" , " Voskhod "), ciclomotores y motores fuera de borda , se instalan alternadores con autoexcitación (o con un imán permanente giratorio ) . Uno de los devanados del estator genera electricidad para la bujía, el resto, para alimentar el equipo eléctrico del vehículo ( faros , luces de navegación de un bote pequeño , iluminación de la cabina ). El devanado del estator se puede combinar con la bobina de encendido y el generador mismo, con el conjunto del interruptor . La batería del vehículo no es necesaria (pero puede estar presente en la embarcación para iluminar el estacionamiento; el generador la carga sobre la marcha, cuando el motor fuera de borda está en marcha).
Una gran corriente fluye a través de los contactos del interruptor del sistema de encendido "clásico", provocando su rápido desgaste, y la corriente de bajo voltaje depende de la velocidad del motor . Después de la llegada de los elementos semiconductores ( tiristores y transistores ), comenzaron a producirse sistemas de encendido electrónico, primero de contacto, como una adición a los "clásicos", luego sin contacto.
En un sistema de encendido electrónico por contacto, una pequeña corriente pasa a través del interruptor, el interruptor mismo hace que el circuito electrónico del interruptor funcione, lo que genera un pulso en el devanado primario de la bobina de encendido. Gracias a los componentes electrónicos se puede aumentar el voltaje en el devanado primario, al arrancar el motor, el interruptor puede emitir varios pulsos seguidos, facilitando el encendido de la mezcla combustible, el conductor puede ajustar fácilmente el tiempo de encendido desde su asiento.
Entonces, en los automóviles ZIL-130 , ZIL-131 y GAZ-53 , se instaló regularmente un sistema de encendido de transistor de contacto. En la URSS, salieron a la venta unidades de encendido electrónico (Oka, Iskra, Iskra-2, etc.), que los automovilistas instalaron de forma independiente en sus Zaporozhets, Zhiguli y Moskvichs. La unidad de encendido electrónico podría desactivarse fácilmente si no funciona correctamente.
Los sistemas con almacenamiento de energía en inductancia ( transistor ) ocupan una posición dominante en la tecnología. El principio de funcionamiento: cuando una corriente eléctrica fluye desde una fuente externa a través del devanado primario de la bobina de encendido, la bobina almacena energía en su campo magnético, cuando esta corriente se detiene, el EMF de autoinducción genera un pulso poderoso en los devanados de la bobina. , que se retira del devanado secundario (de alto voltaje) y se alimenta a la vela. El voltaje del pulso alcanza 20-40 mil voltios sin carga. En realidad, en un motor en marcha, el voltaje de la parte de alto voltaje está determinado por las condiciones de ruptura del espacio de chispa de la bujía en un modo de funcionamiento específico, y oscila entre 3 y 30 mil voltios en casos típicos. La interrupción de la corriente en el devanado durante muchos años se llevó a cabo mediante contactos mecánicos convencionales, ahora el control de dispositivos electrónicos se ha convertido en el estándar, donde el elemento clave es un poderoso dispositivo semiconductor : un transistor bipolar o de efecto de campo .
Los sistemas con almacenamiento de energía en un tanque (también conocido como " condensador " o " tiristor ") aparecieron a mediados de la década de 1970 debido a la llegada de la base de elementos asequibles y al aumento del interés en los motores de pistón rotativo. Estructuralmente, son prácticamente similares a los sistemas descritos anteriormente con almacenamiento de energía en inductancia , pero se diferencian en que en lugar de pasar corriente continua por el devanado primario de la bobina, se le conecta un capacitor, cargado a un alto voltaje (típicamente de 100 a 400 voltios). Es decir, los elementos obligatorios de dichos sistemas son un convertidor de voltaje de un tipo u otro, cuya tarea es cargar el capacitor de almacenamiento, y un interruptor de alto voltaje que conecta este capacitor a la bobina. Como clave, por regla general, se utilizan tiristores . La desventaja de estos sistemas es la complejidad del diseño y la duración insuficiente del pulso en la mayoría de los diseños, la ventaja es el frente empinado del pulso de alto voltaje, lo que hace que el sistema sea menos sensible a las salpicaduras de las bujías, que es típica de los motores de pistón rotativo.
El parámetro más importante que determina el funcionamiento del sistema de encendido es el llamado momento de encendido , es decir, el momento en que el sistema enciende la mezcla de trabajo comprimida con una descarga de chispa. El momento de ignición se determina como la posición del cigüeñal del motor en el momento en que se aplica el impulso a la vela por delante del punto muerto superior en grados (típicamente de 1 grado a 30).
Esto se debe al hecho de que se requiere algún tiempo para la combustión de la mezcla de trabajo en el cilindro (la velocidad del frente de llama es de aproximadamente 20-30 m/s). Si enciende la mezcla en la posición del pistón en el punto muerto superior (TDC), la mezcla se quemará ya en la carrera de expansión y parcialmente en la salida y no proporcionará una presión efectiva sobre el pistón (en otras palabras, alcanzando el pistón, saldrá volando por el tubo de escape). Por lo tanto, el tiempo de encendido (óptimo) se selecciona de tal manera (antes del PMS) que la presión máxima de los gases quemados cae en el PMS.
El momento óptimo de encendido depende de la velocidad del pistón (velocidad del motor), el grado de enriquecimiento/agotamiento de la mezcla y ligeramente de la composición fraccional del combustible (afecta la velocidad de combustión de la mezcla). Para llevar automáticamente el tiempo de encendido al óptimo, se utilizan reguladores centrífugos y de vacío o una unidad de control electrónico.
En condiciones de carga en motores de gasolina con ángulos de encendido óptimos (en términos de velocidad de combustión de la mezcla), a menudo se produce detonación (combustión explosiva de la mezcla), por lo tanto, para evitarla, el tiempo de encendido real se reduce ligeramente, hasta el umbral de detonación (suministrando el ángulo de avance inicial manualmente, o la electrónica de la unidad de control - automáticamente, en movimiento). En los motores modernos, el programa de control establece constantemente el ángulo de encendido un poco antes, moviendo constantemente el encendido hacia el lado temprano, en pequeños pasos de fracciones de grado, y en el momento en que aparece el criterio de detonación, el programa cambia el encendido unos pocos grados hacia el lado tardío, luego el proceso se repite. Como resultado, el sistema “conduce” el tiempo de encendido al borde de la detonación, lo que contribuye a obtener el máximo rendimiento del motor. Desde la introducción del estándar EURO-3, el tiempo de encendido se ha controlado por separado para cada cilindro.
Tanto el "encendido tardío" como el "encendido temprano" (en relación con el óptimo) conducen a una caída en la potencia del motor y a una eficiencia reducida debido a la reducción de la eficiencia, así como al calor excesivo y la tensión en las piezas del motor. El "encendido temprano", además, conduce a una detonación severa , especialmente cuando presiona bruscamente el pedal del acelerador. El ajuste del tiempo de encendido en los automóviles generalmente consiste en establecer el punto de encendido más temprano que aún no provoca la detonación durante la aceleración.
Los motores más antiguos usaban una leva giratoria y un grupo de contacto (interruptor) que interrumpe el circuito en cierta posición del eje. Esto simplificó el circuito eléctrico de bajo voltaje del sistema de encendido a dos cables: de la batería a la bobina y de la bobina al interruptor. La desventaja de este sistema fue la baja confiabilidad de los contactos del interruptor y el capacitor conectado en paralelo a ellos (quizás el lugar menos confiable en el motor en su conjunto), la vulnerabilidad de los contactos a los depósitos de carbón y la humedad.
Con el desarrollo de la electrónica, se abandonó el interruptor, reemplazándolo con sensores sin contacto: inductivos, ópticos o los sensores Hall más comunes basados en el efecto de cambiar la conductividad de un semiconductor en un campo magnético. La ventaja de los circuitos sin contacto es que no hay necesidad de mantenimiento periódico, con la excepción de reemplazar las bujías. En este caso, para poder emitir una fuerte subida/bajada de voltaje a la bobina, se necesita un circuito electrónico que lo haga en base a la señal del sensor. De ahí viene el nombre de esta opción: “encendido electrónico sin contacto”. El circuito electrónico generalmente se implementa como un nodo único, a menudo no reparable, conocido coloquialmente como "interruptor".
En los motores de barcos [4] y motocicletas [5] soviéticos , el encendido electrónico sin contacto se ha utilizado desde la década de 1970; en automóviles de pasajeros masivos , comenzando con el VAZ-2108 (1984, con un sensor maestro Hall en el distribuidor de encendido), aunque antes en las versiones especiales "norteñas" de los camiones ZIL-130, Ural-375, el encendido sin contacto Iskra con Se usó un interruptor de transistor de silicio, el mismo sistema se usó en una versión completamente blindada en vehículos militares y especiales. El sensor de tiempo de encendido de este sistema era de tipo generador (un imán multipolar gira en el distribuidor de encendido, que induce pulsos en el inductor del sensor ).
En los automóviles modernos, fue reemplazado por un sensor de posición del cigüeñal y un sensor de fase (en los últimos sistemas de inyección, el sensor de fase no se usa, la fase se realiza midiendo la aceleración del cigüeñal cuando cambian los ángulos de encendido para diferentes cilindros, lo que anteriormente era difícil de implementar debido a la potencia informática insuficiente de las unidades de control). La unidad de control electrónico calcula el momento exacto de la chispa en función de las lecturas de muchos otros sensores ( sensor de detonación , sensor de posición del acelerador , etc.) y en función del modo de conducción y el funcionamiento del motor.
Un controlador de tiempo de encendido centrífugo es un dispositivo que cambia la posición del obturador de un sensor sin contacto o leva de contacto (y por lo tanto el tiempo de encendido) dependiendo de la velocidad del motor.
Consiste en pesos (generalmente dos), que, con un aumento en la velocidad del motor, divergen, venciendo la resistencia de los resortes, mientras giran parte del eje con un obturador o leva hacia adelante ( aumentando el tiempo de encendido con el aumento de la velocidad ).
El regulador de vacío es un dispositivo que cambia la posición del sensor con respecto a la inicial ( y, por lo tanto, el tiempo de encendido ) en función del vacío en el colector de admisión , es decir, del grado de apertura de las válvulas de mariposa y la velocidad del motor. . Por lo general, incluye una manguera desde el conjunto del interruptor/sensor hasta el carburador o el colector de admisión. En el interruptor, el vacío actúa sobre la membrana que, venciendo la resistencia del resorte, desplaza el sensor (contactos del interruptor) hacia el movimiento de la leva (cortinas), es decir, aumenta el tiempo de encendido con un gran vacío . en el colector de admisión (en este caso, la mezcla se quema por más tiempo, estos son modos de carga baja a altas velocidades del motor).
Los reguladores centrífugos y de vacío le permiten lograr el tiempo de encendido óptimo en todos los modos de funcionamiento del motor. Ya no se usan en los motores modernos, ya que la tarea de determinar el momento óptimo de encendido se ha trasladado al microprocesador (en la unidad de control electrónico o controlador), que también tiene en cuenta la posición de los aceleradores, la velocidad del motor, golpe señales de sensores, etc
En motores con sistemas electrónicos de inyección de combustible, las funciones del regulador centrífugo y de vacío son realizadas por el programa de la unidad de control del motor.
La bobina de encendido (a menudo denominada "carrete") es un transformador de pulsos que convierte un aumento/caída brusca de voltaje de un disyuntor /interruptor en un pulso de alto voltaje. En los motores monocilíndricos (barco, moto) se utiliza una bobina por cada cilindro, conectada a una bujía con un cable de alta tensión. Los motores de varios cilindros han utilizado tradicionalmente una sola bobina y distribuidor; sin embargo, la mayoría de los motores modernos utilizan varias bobinas de encendido, ya sea combinadas en una sola carcasa con interruptores electrónicos (el llamado "módulo de encendido"), mientras que cada bobina proporciona una chispa en un cilindro específico o en grupos de cilindros, lo que elimina la distribuidor de encendido, o bobinas individuales se instalan directamente en cada vela; al mismo tiempo, las bobinas están hechas en forma de puntas puestas en velas, combinando estructuralmente el propio transformador de alto voltaje y el interruptor de control de potencia, lo que también permite rechazar cables de alto voltaje. La transición al sistema de "una bobina, una vela" se asocia principalmente con un mayor grado de potenciación de los motores de los automóviles, lo que supuso un aumento de la velocidad de funcionamiento del motor. Esto, a su vez, hizo que los sistemas con una sola bobina y un distribuidor de alto voltaje se acercaran a los límites físicos de las capacidades de una sola bobina: para crear una poderosa descarga de chispa en una bobina, es necesario acumular una gran cantidad de energía (alrededor de 50 mJ por descarga), lo que significa que es necesario aumentar la inductancia de la bobina. Aumentar la misma inductancia inevitablemente aumenta el tiempo de acumulación de energía en la bobina. En el caso de los motores de varios cilindros, esto significaba un callejón sin salida. La solución fue primero la aparición de los sistemas DIS (una bobina para dos cilindros), y luego se desarrolló lógicamente en el sistema "una bobina - una vela". A menudo, en el caso de motores de gran cilindrada o motores que funcionan con mezclas pobres , se utiliza el encendido de dos o varios puntos para reducir la fase de combustión de la mezcla o para aumentar la fiabilidad (motores de aeronaves). En este caso, se instalan dos juegos de bobinas de encendido y distribuidores, o se usa un circuito con bobinas individuales (por ejemplo, motores de la serie Honda LxxA). Además, en los motores con un número par de cilindros, a menudo se usa un circuito con una bobina de encendido de dos chispas, que contiene cables de ambos extremos del devanado de alto voltaje y, en consecuencia, alimenta dos bujías ubicadas en los cilindros, los ciclos en que se desplazan entre sí para que una chispa que no se necesita en ese momento golpee por carrera de escape o purga. Ventaja: le permite simplificar el circuito de encendido; además, en el caso de los motores de dos cilindros, dramáticamente. Las bobinas de encendido de doble chispa se utilizan en automóviles Oka , motocicletas Dnepr .
El distribuidor de encendido (comúnmente llamado "distribuidor") es un interruptor de alto voltaje, cuyo control deslizante recibe rotación del árbol de levas del motor , conecta la bobina de encendido a la bujía requerida actualmente. Por lo general, se ejecuta en una carcasa y en un eje con un interruptor/sensor de posición del eje. Consiste en un contacto móvil (deslizador) y una cubierta, a la que se conecta un cable de alto voltaje desde la bobina y varios, más allá de las velas.
Bastante confiable, pero requiere limpieza periódica; Además, las grietas en la cubierta a menudo conducen a la inoperancia del motor, especialmente en climas húmedos. El corredor tiende a quemarse.
En los motores modernos, el distribuidor no se usa, dando paso a módulos de encendido que usan bobinas separadas para grupos separados de bujías, o bobinas montadas directamente sobre las bujías.
Los cables de alto voltaje conectan la bobina de encendido al contacto central de la tapa del distribuidor y los contactos laterales del distribuidor a las bujías. Si el motor es de un solo cilindro o se usa una bobina de encendido de dos chispas, entonces el cable va de la bobina directamente a la bujía. Un cable de alto voltaje es un cable trenzado rodeado por un aislamiento multicapa que puede soportar una diferencia de potencial de hasta 40 kilovoltios. Se caracterizan por una resistencia activa distribuida (del orden de varios kiloohmios por metro), o la llamada "resistencia cero" (del orden de varios ohmios por metro). Recientemente, el aislamiento de silicona se ha utilizado como más confiable y duradero. Los cables blindados (con una trenza de metal) también se utilizan, por ejemplo, en automóviles con estaciones de radio para reducir las interferencias de radio . En los extremos de los cables de alto voltaje hay orejetas para conectar la bobina de encendido, la tapa del distribuidor y las bujías.
En algunos automóviles modernos, las bobinas de encendido se montan directamente en las bujías y no se utilizan cables de alto voltaje.
La bujía se enrosca en la culata (o en la culata), se conecta un cable de alto voltaje al terminal de contacto con una punta. Una chispa eléctrica salta a través del espacio de aire entre los electrodos central y lateral , encendiendo la mezcla de aire y combustible. También existen sistemas de encendido para motores de gasolina con dos velas y, en consecuencia, dos bobinas por cilindro (o dos magnetos , como en los motores de pistón de los aviones). Se usan dos bujías por cilindro para acortar la longitud del frente de combustión en el cilindro, lo que le permite cambiar ligeramente el tiempo de encendido hacia el lado temprano y obtener un poco más de rendimiento del motor. También aumenta la fiabilidad del sistema.
Todos los fallos de funcionamiento de los sistemas de encendido se pueden dividir en categorías:
La mayoría de los componentes del sistema de encendido no son reparables y, en caso de falla, se reemplazan por otros reparables. Los nodos que fallan con más frecuencia:
Además de los fabricantes de componentes originales del sistema de encendido, existen varios fabricantes internacionales que se especializan en el mercado de repuestos de componentes automotrices, por ejemplo: