A Evolução da Ignição Automotiva: Da Centelha ao Avanço Tecnológico

A alta tensão necessária à formação da centelha pode variar entre 8000 volts e 15.000 volts, ou mais, dependendo da bobina utilizada e do estado das velas e cabos de alta tensão. No entanto, há na atualidade, sistemas que podem fornecer até 40.000 volts. 

Para motores de ciclo Otto, existem, basicamente, dois métodos para gerar a alta tensão necessária, a partir da tensão fornecida pela bateria: 

- Geração por descarga capacitiva: Praticamente não é mais utilizado. Foi aplicado no passado, em veículos de alto desempenho.

- Geração por descarga indutiva

Geração por Descarga Indutiva 

É o tipo de sistema atualmente utilizado em praticamente todos os motores de ciclo Otto. Nestes sistemas, o primário da bobina de ignição, alimentado pela tensão de bateria, se carrega durante o ângulo de permanência(tempo em que o interruptor permanece fechado).  

No instante apropriado, o interruptor abre, e a energia armazenada no primário, é transferida para o secundário, onde é gerada a alta tensão. A bobina é, na realidade, um transformador que eleva a tensão primária aos níveis necessários à geração da centelha. O sistema de ignição por descarga indutiva se originou numa patente do ano 1908. 

Como mostrado na figura, os componentes são: 

- Mecanismo de disparo: platinado. 

- Bobina: eleva a tensão de 12V a 10.000V ou mais. 

- Distribuidor: determina o ponto de ignição abrindo o platinado e distribui a alta tensão através do rotor. 

Seguindo o avanço da tecnologia, o mecanismo de disparo passoudo "platinado", na ignição convencional,ao uso de dispositivos semicondutores, presentes nos "módulos de ignição" dos sistemas atuais. 

Características Básicas dos Sistemas de Ignição 

Avanço do Ponto de Ignição 

Para que a combustão seja eficaz, o máximo de pressão na câmara deve acontecer pouco depois do ponto morto superior (PMS). Devido a que a combustão (e consequente aumento de pressão) necessita de certo tempo (de 1 a 3 ms), a ignição da mistura deve acontecer antes do PMS. O tempo de combustão ou queima da mistura independe da velocidade de rotação do motor. Portanto, o momento da ignição (início de combustão), avaliado em graus de giro do virabrequim, deve ser modificado, adiantado ou atrasado, com relação ao ponto morto superior (PMS) e em função da rotação do motor. Esta variação do ângulo de início da combustão denomina-se “avanço do ponto de ignição”, que é determinado pelo instante em que o interruptor ou chave eletrônica abre, provocando a transferência de energia para o secundário.  

Nos modernos sistemas de ignição eletrônica, o avanço aplicado depende: 

- Da rotação do motor; 

- Da carga a que está submetido o motor; 

- Da temperatura; 

- Do tipo de mistura admitida (rica, pobre, ideal); 

- Do tipo de combustível utilizado.

Para evidenciar a influência do avanço no funcionamento do motor, a figura apresenta a evolução da pressão no cilindro em função do momento da centelha ou início da combustão, para três avanços diferentes do ponto de ignição:  

Os valores apresentados são a título de exemplo já que eles variam de motor para motor e dependem sensivelmente do estado de carga e rotação. 

- Para a curva A, o avanço do ponto de ignição aplicado é de 50 graus [1]. A pressão no cilindro atinge o máximo antes do PMS, pelo que se opõe ao movimento ascendente do pistão,e é suficientemente elevada como para provocar oscilações em torno do PMS, resultantes do fenômeno de detonação. Nesse caso, há perda de eficiência e possibilidade de danos mecânicos. 

- A curva B representa a evolução da pressão para um avanço de 30 graus [2]. A pressão máxima é menor e aumenta de forma gradual até o máximo, 15 graus após PMS. No caso do exemplo, este avanço seria o que propicia o melhor rendimento da força expansiva dos gases. 

- A curva C representa a variação da pressão para um avanço de 10 graus [3]. Neste caso, o pico de pressão ocorre com bastante atraso, já no ciclo de expansão e com a consequente perda de energia. 

- A curva D representa o caso em que não há centelha. 

Ângulo de Permanência 

Uma característica própria aos sistemas de descarga indutiva é a necessidade de que pelo primário deve circular a corrente de carga, durante certo tempo, antes do instante da descarga. Esse tempo, de circulação da corrente primária, é necessário para permitir a carga da bobina. É denominado “Ângulo de Permanência”. 

Para ilustrar o conceito, a figura apresenta o exemplo de um motor de 4 cilindros com platinado. O ângulo de giro durante o qual o interruptor permanece fechado (entre os pontos A e B) representa o ângulo de permanência dos diversos cilindros.  

-Os pontos indicados com A representam os momentos em que o platinado fecha. Indicam o início do ângulo de permanência e da circulação de corrente no primário.   

-Os pontos indicados com B representam os momentos em que o interruptor abre, marcando o início da centelha. Nesse instante, a corrente no primário se interrompe e no secundário aparece a alta tensão que provoca a centelha.   

O oscilograma mostra as formas de onda da tensão secundária (kilovolts) e da corrente primária.

Nota: O avanço do ponto de ignição é expresso em graus de giro de virabrequim, antes do ponto morto superior (APMS) ou depois do ponto morto superior (DPMS). O ângulo de permanência é expresso em graus de giro do virabrequim.  

Evolução dos Sistemas de Ignição Eletrônica 

A ignição eletrônica trouxe duas modificações importantes: 

- É eliminado o platinado; a sua função é assumida por dispositivos geradores de impulsos elétricos (os dispositivos de disparo). 

- O transistor de potência que controla a corrente do primário (associado a outros elementos eletrônicos) fica alojado no denominado “módulo de ignição eletrônica”. 

O transistor de potência é controlado em função do sinal recebido do dispositivo de disparo. O transistor somente é acionado quando existe sinal de rotação do motor enviado pelo dispositivo de disparo. Com ignição ligada e motor não funcionando, o transistor está aberto e não circula corrente pelo primário.  

Dispositivos de Disparo para Ignição Eletrônica (sistemas com distribuidor) 

Estão alojados no distribuidor e podem ser de três tipos: 

-Relutância magnética variável; 

-Efeito Hall; 

-Interruptor ótico. 

Os dispositivos de disparo cumprem a mesma função que o platinado desempenhava no sistema de ignição convencional, ou seja, indicam ao módulo de ignição eletrônica o momento de comandar o transistor de potência aberto. 

Ignição Eletrônica Mapeada 

Nestes sistemas o módulo de ignição tem a funcionalidade de um microcomputador. As características principais são: 

- O módulo de ignição incorpora a funcionalidade de um microcomputador, com estrutura similar àquela de uma unidade de comando digital. 

- O dispositivo de disparo é substituído pelo sensor de rotação e fase. É o módulo, e não o sensor de rotação, que determina o momento da ignição (ponto de ignição). Lembrar que, nos sistemas convencionais, é o dispositivo de disparo que determina o momento da centelha. 

- O sensor de rotação serve, também, para o cálculo da velocidade de rotação e como referência da posição do virabrequim.

- Os mecanismos de ajuste mecânico do avanço são substituídos por cálculos realizados, internamente, pelo módulo, a partir de informações recebidas dos sensores. 

- O valor do avanço básico é determinado, como nos sistemas convencionais, em função da rotação do motor (sensor de rotação) e da carga dele (sensor de pressão do coletor ou do sensor de posição da borboleta). 

Esse avanço básico é corrigido em função da informação de outros sensores: 

- Temperatura do motor; 

- Temperatura do ar admitido; 

- Sonda lambda; 

- Sensor de detonação ou sensor de octanagem. 

A figura mostra um exemplo típico de ignição mapeada; o sistema EZK da Bosch que funciona associado ao estágio de potência TSZ. 

Estrutura da Ignição Mapeada 

Todo sistema de ignição mapeada possui uma estrutura de controle composta de duas partes: 

- Módulo de processamento, para cálculo do avanço e do ângulo de permanência; 

- Circuito de potência para acionamento da bobina de ignição. 

Estas duas partes podem encontrar-se integradas dentro da unidade de comando eletrônico de controle do motor, ou, o circuito de potência ser externo àquela.

Funcionamento 

Na memória do módulo existem tabelas, ou “mapas”, programados com os valores do avanço para as diversas faixas de carga e rotação. 

A partir dessas informações, a tabela fornece o valor do avanço básico. Este valor é corrigido em função das condições de funcionamento do motor, como a sua temperatura, a temperatura do ar admitido, estado de aceleração do motor etc. 

Ignição Estática(sistemas sem distribuidor) 

É caracterizada pela ausência do distribuidor; como consequência, aumenta o número de bobinas de ignição. 

Como vimos até aqui, o distribuidor (rotor e tampa) é responsável pela distribuição da alta tensão às velas; ou seja, determina qual o cilindro que recebe a alta tensão. 

Nos sistemas estáticos, pelo contrário, é a unidade de comando que assume tal função, comandando as bobinas presentes, na sequência da ordem de ignição. 

Em princípio, os sistemas estáticos precisam de uma bobina para cada cilindro, como mostra a figura.

Ignição Estática de Faísca Perdida(sistemas sem distribuidor) 

Para diminuir custo e complexidade (número de componentes do sistema), foram desenvolvidos os sistemas de ignição estática de faísca perdida. Estes sistemas se caracterizam pelo fato que uma mesma bobina gera a alta tensão para as velas de dois cilindros; a condição fundamental é que sejam cilindros gêmeos (sobem e descem juntos). Desta forma o número de bobinas necessárias diminui para a metade.

O funcionamento se baseia no fato que, quando um pistão está na fase final do ciclo de compressão, o pistão do cilindro gêmeo está no fim do ciclo de exaustão. 

Assim, a alta tensão é consumida principalmente pela vela do cilindro em compressão. Lembrar que a vela do cilindro em exaustão não precisa mais do que 1000 volts para gerar centelha. O resto da alta tensão fica disponível para a vela do cilindro em compressão. 

Resumindo, a bobina de ignição fornece alta tensão para as velas de dois cilindros gêmeos; cada uma das velas utiliza a alta tensão necessária.