ENCENDIDO - Definición - Significado

El fenómeno fisicoquímico • Los sistemas de encendido en el siglo pasado • Los diversos tipos de magneto • El año 1925: aparición del distribuidor • El transistor en ayuda de los platinos • La electrónica substituye al ruptor • Un nuevo sistema: el encendido piezoeléctrico

El encendido representa la fase de inicio de la combustión en los motores de combustión interna. La combustión es una reacción química entre el carbono contenido en el hidrocarburo gasolina o gas-oil) y el oxígeno del aire. Con el fin de que esta reacción tenga lugar, no basta con poner simplemente en contacto los 2 elementos, sino que es necesario dosificarlos y mezclarlos en un cierto modo (carburación) y someterlos a una temperatura elevada, en cualquier caso superior a 600-700 °C. Tal temperatura puede conseguirse por una chispa o por compresión. Con ello se tienen 2 categorías distintas de motores:

— motores de encendido por chispa, llamados también de ciclo de Otto (o bien, comúnmente, de explosión o de gasolina);

— motores de encendido por compresión, o sea de ciclo de Diesel.

En el primer caso el encendido es provocado por una chispa que se hace saltar, en el momento más oportuno, en la cámara de combustión entre los electrodos de la bujía. En el segundo, el encendido se consigue como consecuencia de la elevada compresión del aire en la cámara de combustión: la presión alcanza valores tan elevados (30-40 atm), que lleva la temperatura del aire a un valor superior a 600 °C. Las características del combustible usado en estos motores (gas-oil) provocan el encendido de las partículas provenientes del inyector, apenas éstas entran en contacto con el aire' caliente.

En ambos casos (ciclo de Otto y de Diesel) el encendido constituye sólo la fase inicial de la reacción química: la combustión continúa con su velocidad característica, empleando un cierto tiempo en completarse y en desarrollar la máxima presión sobre el pistón. Como es necesario que la presión máxima sobrevenga apenas el pistón ha superado el punto muerto superior, para obtener la máxima potencia el encendido ha de tener lugar un poco antes. El intervalo en grados, referido al cigüeñal, entre el instante en que salta la chispa y el punto muerto superior se llama avance del encendido. El equivalente en los motores Diesel es el avance de la inyección.

Como se ha indicado, en los Diesel no existe dispositivo alguno para iniciar la combustión. Alguno de ellos vienen todavía provistos de dispositivos para facilitar la puesta en marcha en frío: se trata de unas espiras (la bujía de incandescencia y el «cigarro» de encendido), que se ponen incandescentes por medio de una corriente eléctrica, cuya acción de calentamiento cesa en el momento que el motor ha alcanzado un régimen normal.

En los motores con ciclo de Otto el sistema de encendido representa quizá la parte más vulnerable y delicada de todo el motor. Se han estudiado centenares de sistemas, los progresos han sido grandes, pero todavía siguen en curso continuas investigaciones. En el pasado los principales problemas provenían de la dificultad de puesta en marcha, cuando la mezcla está en las condiciones menos favorables para su encendido regular y cuando el bajo número de revoluciones disminuye la potencia de la chispa. En la actualidad los estudios se orientan hacia la búsqueda de sistemas que garanticen un buen encendido incluso a regímenes muy elevados.

Del brüleur a la chispa

Los primeros sistemas adoptados en el siglo pasado fueron anteriores a la diferenciación entre motores de ciclo de Otto y de ciclo de Diesel; el encendido se obtenía mediante una llama, una substancia catalizadora o un hilo de platino incandescente por la corriente eléctrica, o bien finalmente con unos tubos, también de platino, llamados «brüleurs» o inflamadores, colocados en la cámara de combustión y llevados al color blanco con la llama de un mechero Bunsen. Entre los automóviles dotados con este último sistema cabe citar el Daimler, el Peugeot, y el Panhard & Levassor, todos construidos alrededor de 1890. Con tales sistemas el encendido era incierto y la combustión irregular.

La introducción de la chispa eléctrica como elemento de inicio de la combustión demostró ser enseguida la solución más eficaz y sencilla. Esa introducción señaló el inicio de un capítulo que todavía dura y no parece tener alternativa.

Los sistemas ideados y los principales utilizados para producir la chispa han sido numerosos y dispares: eléctricos (de corriente continua o alterna), electromagnéticos, electrostáticos, electrónicos, capacitivos, piezoeléctricos y, sin duda, la solución está destinada a enriquecerse todavía.

A principios de siglo los sistemas en vigor fueron los de encendido eléctrico con vibrador y magnetoeléctrico con disyuntor. El primer sistema utilizaba un carrete de Ruhmkorff (la actual bobina) alimentado por pilas y accionado por un vibrador, el «trembleur», independiente de la rotación del motor, que generaba una serie de chispas a una tensión de unos 1.000 V. Las chispas saltaban entre los polos de un dispositivo encendedor, precursor de la bujía moderna. El bajo número de revoluciones permitía utilizar, entre las diversas chispas, la que en el momento oportuno producía el encendido. Este sistema fue abandonado rápidamente por su limitada duración y las frecuentes averías a que estaban sometidas las pilas.

El segundo sistema consistía en una bobina con núcleo de hierro dulce y que se hacía oscilar alternativamente o girar entre los polos de un imán. Se generaba asi por inducción, una corriente alterna, de pocos voltios: en el interior de la cámara de combustión un pequeño martillo llamado disyuntor, al abrir el circuito, provocaba una extracorriente de unos centenares de voltios dando lugar a una chispa. Esta corriente de apertura es un efecto transitorio que se manifiesta siempre en los circuitos formados por arrollamientos y consiste en un aumento instantáneo y violento de la tensión. Puede ser comparado a la sobrepresión que se produce en una larga conducción, donde pasa mucha agua, cuando de golpe se interrumpe el paso mediante una válvula.

El mayor defecto de este sistema consistía en la complicación de la construcción para el accionamiento de la apertura de los contactos y en la baja tensión; en cambio, era autosuficiente y no necesitaba baterías.

La falta de acumuladores de larga duración y la exigencia de hacer independiente el sistema de encendido de la batería condujeron al éxito y la larga existencia de la magneto, dispositivo inventado antes de 1905 y de actualidad aún en los motores monocilíndricos y en la mayor parte de los de motocicleta. Los pioneros de la magneto fueron Robert Bosch en Alemania y Prederick Richard Simms en Gran Bretaña.

La magneto y el delco

Se distinguen 2 tipos de magnetos: de baja tensión y de alta tensión. La primera es la evolución del sistema de extracorriente visto anteriormente, acoplado a un transformador o bobina de alta tensión externa. La extracorriente que se genera en el momento de la apertura de los contactos, a los cuales se conecta en paralelo un condensador por los motivos que se indicarán más adelante, se envía a la bobina externa, que la transforma a alta tensión. Uno de los primeros coches dotados con este sistema le encendido fue el Ford T de 1907. A pesar de que la bobina externa tenía la ventaja de poder ser refrigerada y la magneto era relativamente simple, este sistema dejó muy pronto (hacia 1910) el sitio a la magneto de alta tensión; finalmente, de la propia magneto de baja tensión derivó el plato magnético con bobina de alta tensión externa, usado en las motocicletas.

El segundo sistema, o sea la magneto de alta tensión, es el más extendido en los automóviles. El esquema eléctrico es el representado en la figura 2. Sobre el mismo núcleo de hierro están enrollados el primario, de pocas espiras en serie con el ruptor, y un circuito secundario formado por muchas espiras y conectado por una parte al primario y por otra a la bujía (o al distribuidor de alta tensión en el caso de más bujías). Los arrollamientos son 2, en vez de los 3 del precedente caso. La interrupción de la corriente alterna del primario, llevada a cabo por los contactos del ruptor en los momentos de máxima intensidad, genera una variación brusca del flujo magnético en el hierro dulce. Tal flujo, atravesando el secundario, provoca una tensión de más de 10.000 V.

Como todos los tipos de magnetos, también este sistema funciona bien a altas velocidades; en cambio, en la puesta en marcha la tensión, que se relaciona con el régimen de rotación, puede ser insuficiente. Algunas magnetos de alta tensión estaban dotadas de un dispositivo de arranque que actuaba, además, retrasando la fase durante la puesta en marcha.

De la magneto de alta tensión deriva directamente el plato magnético, muy usado en el pasado y en algunos casos, en la actualidad, en los motores de motocicletas de pequeña cilin1 drada.

El encendido por delco es el sistema adoptado en la actualidad para los automóviles. En su actual estructura, se remonta a 1925. Está formado por el ruptor, por un dispositivo de avance automático, por el condensador y por el distribuidor de alta tensión. A diferencia de la magneto, funciona con corriente continua y necesita ser alimentado por una batería. El esquema eléctrico es el de la figura 3. Mientras los contactos están cerrados, en la bobina circula corriente continua, que no provoca flujo variable y, por tanto, carece de efecto sobre el secundario. En el acto de apertura de los contactos, la llamada extracorriente de apertura, de más de 200 V, se transforma en la bobina (cuya relación de transformación es normalmente 1:80

hasta alcanzar 18.000-20.000 V en el secundario y es enviada a las bujías a través del distribuidor, en el orden establecido y en el instante determinado de la apertura de los platinos. El retraso en saltar la chispa es de 40 ¡xs, equivalentes (a 6.000 rpm) a 3o.

La presencia del condensador en paralelo con ambos contactos y con el primario de la bobina, aumenta la reactancia del circuito, lo cual permite obtener extracorrientes más elevadas; por otro lado, absorbe parte de esta extracorriente, que de otro modo provocaría una arco entre los contactos. Un chisporreteo entre los contactos, además de estropearlos en poco tiempo, supondría el paso de carga incluso cuando los contactos están abiertos (es decir, separados), cuando la corriente tiene que ser interrumpida completamente de manera instantánea.

Una variante del sistema con delco está constituida por el doble encendido, es decir por 2 instalaciones de encendido idénticas (por tanto, con 2 platinos, 2 distribuidores, 2 bobinas y 2 bujías por cilindro) que trabajan simultáneamente provocando 2 chispas. La combustión se inicia en 2 puntos de la cámara de combustión. El tiempo empleado por la mezcla para quemarse es notablemente inferior. El sistema de doble encendido resulta indispensable cuando se tienen grandes cámaras de combustión y elevados regímenes de rotación.

El sistema de delco no es perfecto: alcanza una frecuencia máxima de 300 chispas/s (equivalentes a 9.000 rpm en un 4 cilindros) y presenta una disminución de la tensión y de la duración de la chispa a medida que el número de vueltas aumenta. La duración de la chispa no debe ser inferior a 15 is; de lo contrario, no se garantiza la unión de los átomos de carbono con los de oxígeno. Por. otra parte, no es conveniente aumentar la tensión de la chispa recurriendo a bobinas con relación de transformación más elevada, llamadas superbobinas, ya que, a pocas revoluciones, estas tensiones podrían provocar un corto circuito a través de la tapa del delco o de los cables. Además, no es posible aumentar la intensidad de la corriente que alimenta la bobina, más allá de los límites de 4-5 A, pues se quemarían rápidamente los contactos. Estos problemas, particularmente observados en los motores de 6, 8 y 12 cilindros, con alta relación de compresión y elevado régimen de revoluciones, han sido resueltos recurriendo a la electrónica.

El encendido transistorizado

La primera tentativa de aplicar la electrónica al encendido la constituyó el empleo de un transistor con funciones de interruptor rápido para abrir y cerrar el circuito primario de la bobina. El transistor era controlado a su vez por los platinos del ruptor con una corriente muy baja. El esquema eléctrico se representa en la figura 4. El principio de funcionamiento se basa en la capacidad del transistor para amplificar la corriente. Cuando se cierran los contactos del ruptor, colocado en el interior del distribuidor de encendido, una pequeña corriente (de cerca de 0,5 A) fluye en el circuito base-emisor del transistor, permitiendo que una corriente más intensa (de unos 6 A) recorra el circuito colector-emisor. Al separarse los contactos del ruptor, la corriente emisor-base se interrumpe y el transistor ya no es conductor. Como se ve, la pequeña corriente que atraviesa el ruptor actúa sobre una corriente de mayor intensidad que circula por el arrollamiento de la bobina de encendido.

Las ventajas del encendido transistorizado son, sobre todo:

- arranque en frío muy fácil, gracias a la ausencia de arcos eléctricos entre los contactos;

- mejores prestaciones a altas velocidades, ya que el transistor puede utilizar una corriente primaria de bobina más elevada que la permitida para los platinos y en consecuencia suministrar a las bujías una corriente de intensidad constante incluso a altas revoluciones;

- mayor duración de los contactos, dado que a través de los platinos pasa una corriente muy débil.

El encendido por descarga de condensador es un método más elaborado que el precedente, y sin duda el más utilizado entre los sistemas electrónicos. Utiliza la descarga de un condensador sobre el primario de la bobina, así como la extracorriente de apertura. El circuito se representa en la figura 5.

El funcionamiento puede ser descrito así: en el período en el que los contactos del ruptor están cerrados, se carga el condensador por medio de un transformador-elevador de la tensión de la batería. En el instante de separación de los contactos del ruptor tiene lugar la descarga del condensador, a través de un diodo controlado, sobre el arrollamiento primario de la bobina de encendido. En el arrollamiento secundario se manifiesta la alta tensión que permite que salte la chispa entre los electrodos de la bujía. En estas condiciones se obtiene una descarga creciente que permite evitar la dispersión de energía antes de que se genere la chispa y asegura, por tanto, el encendido incluso con bujías sucias.

Las ventajas más evidentes de este sistema son las siguientes:

- chispas absolutamente regulares, incluso con tensión de batería reducida de 12 a 6 V, en fase de arranque, con temperaturas ambientales hasta-30 °C.

— tensión constante en las bujías en todas las condiciones de uso del coche;

- reducción de la corriente en el ruptor;

- absorción de corriente de acuerdo con la producción de la misma en el generador.

La pieza más delicada de los sistemas electrónicos descritos es el ruptor mecánico, que debe aseguran el desfase angular del instante del encendido e interrumpir la corriente con frecuencias cada vez más elevadas. El primero de estos cometidos no está garantizado en el tiempo, a causa del desgaste de la leva de fibra; el segundo tiene un límite en las 300 interrupciones/s, mientras que en la actualidad se necesitan hasta 1.200-1.300.

Sistema breakerless

La solución ha sido encontrada en los sistemas electrónicos sin ruptor, denominados «breakerless», empleando captadores (pick-ups) que transmiten la señal de accionamiento del encendido, oportunamente amplificada, al grupo electrónico. Estos captadores substituyen a los platinos y permiten obtener frecuencias muy elevadas. Se ha experimentado con captadores ópticos, de reluctancia variable, de frecuencias variables, de capacidad variable y, finalmente, con captadores magnéticos. Estos últimos han dado el mejor resultado desde el punto de vista de la fiabilidad. Su principio de funcionamiento es muy simple: en el distribuidor, en vez de la leva con el martillo, hay un pequeño alternador con tantos polos como cilindros existan. La corriente suministrada por este captador es pulsante y con la misma fase que el cigüeñal. Los impulsos son amplificados y modificados convenientemente hasta obtener una señal capaz de accionar un sistema de descarga de condensador análogo al descrito anteriormente.

Existe un sistema revolucionario, piezoeléctrico, que aún no está definitivamente a punto, pero muy interesante por la completa carencia de ruptor, bobina, condensador y batería. El principio de funcionamiento es muy simple; en cambio, por el momento no lo es tanto su realización práctica. Se basa en la propiedad de ciertos cristales, llamados piezoeléctricos, para desarrollar una tensión bajo el efecto de una presión mecánica. El principio era ya utilizado desde hace tiempo en los pick-ups de los tocadiscos y, desde 1966, para generar la chispa en los encendedores. El funcionamiento es elemental: basta actuar con un golpe o un disparo de resorte sobre 2 cristales contrapuestos para obtener seguidamente, entre 2 puntos unidos a los extremos de los cristales, chispas de 10.000-20.000 V. Son indiscutibles las ventajas que se obtendrían en la técnica automovilística adoptando este sistema. Se han conseguido ya dispositivos de encendido completos, pero el circotitanato de plomo, cristal usado hasta ahora, suministra 18.000 V solamente si se somete a cargas muy elevadas (540 kg), lo que complica bastante el percutor y sus correspondientes levas. No obstante, con sistemas hidráulicos, este problema parece que puede ser superado. Además, es necesario aumentar la potencia y la duración de la chispa, que debe ser al menos de 15 ¡J.S, mientras que el circotitanato no suministra tal energía. En cambio, el encendido pie-zoeléctrico puede suministrar la chispa incluso con bujías sucias y, por ser independiente de la instalación eléctrica, puede funcionar con la batería descargada.

La investigación, las nuevas técnicas y los nuevos materiales abrirán en el futuro otros caminos a los sistemas de encendido.