A HISTÓRIA DA IGNIÇÃO

Fonte
Hoje os motores de ciclo Otto estão largamente desenvolvidos, bem como seus subsistemas. Um dos mais importantes é o de ignição por centelha elétrica. Embora hajam outras alternativas, o sistema de ignição por centelha elétrica se firmou ao longo dos anos pela praticidade e conveniência aliadas à precisão, à eficiência e ao baixo custo deste sistema. Entretanto, este não é um sistema elementar.

O princípio ocorreu meio que por acaso. Iniciava-se o século 19.. A Europa fervilhava em novas descobertas científicas. Entretanto, nenhuma chamava mais a atenção do que os fenômenos da eletricidade. Muitos cientistas daquela época, além de experimentadores, eram verdadeiros apresentadores de espetáculos, exibindo experimentos com a eletricidade para um público nobre nas principais cidades européias. Eram a versão da época para os documentários científicos de hoje.

Estas experiências-show, além de angariar fundos para os pesquisadores-apresentadores, também motivavam jovens mentes curiosas a experimentarem por conta própria. Hans Christian Oersted, então um jovem estudante dinamarquês, recebera uma bolsa de estudos que lhe permitiria viajar e estudar pela Europa, sendo atraído pela ciência por influência de seu pai farmacêutico.

Na Alemanha, ele conhece um físico, Johann Wilhelm Ritter, que acreditava fortemente numa ligação entre a eletricidade e o misteriosos magnetismo. Oersted é fortemente influenciado pelo pensamento de Ritter. E a sorte sorri para os afortunados. Na época, era intenso o estudo das correntes elétricas, e que Oersted tentava reproduzir em seu laboratório particular. Um dia, por puro acaso, Oersted havia deixado sobre a mesa de experimentos sua bússola, ao lado do condutor elétrico principal. Oersted viu-se surpreendido no meio de um experimento ao perceber que ao ligar o circuito elétrico, sua bússola apontava para outra direção.

Fig.1: Experiência de Oersted; circuito desligado e bússola paralela ao fio
Fig. 2: Experiência de Oersted; circuito ligado e bússola com desvio na agulha
Ao ser publicado, o experimento de Oersted causou imenso furor em toda comunidade científica européia, sendo realizado à exaustão em laboratórios e apresentações públicas. Este experimento, pela primeira vez, conectava dois grandes mistérios da ciência: a eletricidade e o magnetismo.

Muitos dos pensamentos de Ritter e de Oersted ajudariam não só a convergir o estudo do eletromagnetismo, mas também a criar uma visão unificada da energia sob as mais variadas formas (mecânica, térmica, eletromagnética etc).

Embora vários cientistas de renome tenham estudado o fenômeno, poucos deles conseguiram ir além do experimento em si. Em uma mente muito especial este fenômeno encontraria terreno fértil para o experimento de Oersted se desenvolver e mostrar seus segredos, a mente de um mero ajudante de laboratório, sem formação acadêmica: Michael Faraday.

O estudo da eletricidade e do magnetismo, mas suas mais variadas formas tomaria toda vida de Faraday, tornando-o num dos mais brilhantes e bem sucedidos pesquisadores experimentais de todos os tempos. Seu pupilo e grande amigo, James Clerk Maxwell, iria dar embasamento teórico a todo trabalho de Faraday ao criar a teoria eletromagnética, lançando as bases para as futuras teorias relativista e quântica.

Outros pesquisadores importantes, como André Marie Ampère e Joseph Henry completariam seu trabalho. Foi Faraday quem observou a maioria dos fenômenos eletromagnéticos sobre os quais os mais modernos aparelhos funcionam. Ele demonstrou que não existe diferença entre o campo magnético de um imã e o gerado por uma corrente elétrica. É dele também a ideia de enrolar um condutor elétrico várias vezes, a fim de somar os diversos campos magnéticos de cada segmento, criando assim as primeiras bobinas elétricas. Também criou o primeiro motor elétrico.

Joseph Henry estudou profundamente os efeitos de indutância, inclusive o efeito de indutância mútua. Um outro pesquisador, Heinrich Daniel Ruhmkorff, estava interessado em estudar efeitos da alta tensão sobre materiais isolantes, mas havia um problema. A fonte básica de tensão nesta época eram as baterias, e seria preciso milhares delas para atingir a tensão necessária para os experimentos que Rhunlkorff desejava fazer, o que inviabilizava o projeto de Runkorff. Baseado nos estudos de Faraday e Henry, Ruhmkorff percebeu uma conexão que ninguém havia explorado antes. Rhunkorff sabia que uma corrente elétrica criava um campo magnético, assim como um campo magnético variável era capaz de induzir uma tensão elétrica em um condutor.

Ele pensou que se pudesse unir as duas coisas em um equipamento único, poderia conseguir as elevadas tensões que precisava. Ele então imaginou um equipamento com duas bobinas enroladas sobre um mesmo núcleo de aço.

Fig. 3: Esquema da bobina de Ruhmkorff
O equipamento, posteriormente chamado de “Bobina de Rhumkorff “ opera em ciclos de dois passos. Primeiro uma corrente percorre a bobina primária, criando o campo magnético no núcleo. Num segundo passo, a corrente da bobina primária é cortada subitamente, e o campo magnético que colapsa induz alta tensão na bobina secundária.

Fig. 4: Bobina de Ruhmkorff
Fig. 5: Bobina de Ruhmkorff em operação
Não só Ruhmkorff foi bem sucedido em suas experiências, como ofereceu à comunidade científica um equipamento compacto capaz de gerar elevadas tensões com facilidade, e que receberia o nome de Bobina de Ruhmkorff. Este equipamento seria fundamental nos anos seguintes para os estudos sobre descargas elétricas gasosas que conduziria às nossas lâmpadas fluorescentes, na descoberta dos Raios X e na invenção do rádio.

Anos mais tarde, Nikola Tesla faria uma importante revisão na bobina de Ruhmkorff. Criador da teoria da corrente alternada e do motor de indução entre centenas de invenções patenteadas, Tesla vislumbrou uma outra forma de funcionamento, porém usando a mesma estrutura básica. Através da variação da corrente na bobina primária, a potência do circuito primário seria diretamente transferida para o circuito secundário. Este equipamento, hoje fundamental, chama-se “transformador”.

No transformador, a corrente alternada aplicada na bobina primária gera diretamente uma tensão alternada na bobina secundária por efeito de indutância mútua. O núcleo do tranformador é usado apenas para acoplamento magnético entre as duas bobinas, podendo ser muito menor que o núcleo da Bobina de Ruhmkorff.

Esta forma de operar permite que o transformador opere em frequências mais altas e com maior eficiência que a Bobina de Ruhmkorff. As características inovadoras do transformador e sem paralelo na corrente contínua foram decisivas para que o padrão de distribuição de energia elétrica no mundo inteiro seja em corrente alternada, entre tantas outras aplicações.

Em paralelo a estes avanços do eletromagnetismo, ocorre o desenvolvimento dos motores de combustão interna e do automóvel. Otto usou em seu motor experimental uma ignição baseada em uma barra metálica incandescente no interior da câmara de combustão. Quem já praticou aeromodelismo conhece bem este sistema. Uma “vela” (glow plug) possui um filamento de platina que é aquecido inicialmente através de uma bateria, e permanece incandescente pelo próprio funcionamento do motor.

Gottlieb Daimer, um ex-ajudante de Otto, construiu para seu automóvel um motor com um uma ignição baseada em um tubo de platina aquecido externamente, exatamente como Otto fizera nos seus protótipos. Karl Benz, seu compatriota, competidor, e futuro sócio, inovou já no primeiro automóvel, ao utilizar um sistema de centelha de alta tensão e vela de ignição. A alta tensão era gerada pelo martelar de um percussor sobre uma pastilha de cerâmica piezoelétrica, da mesma forma como ainda se faz em alguns acendedores de fogão.

Georges Bouton, construtor de carros de alta precisão para a época, associado ao playboy Conde Albert De Dion (que passaria à história do automóvel pelo sistema de suspensão que criara e seria usado por muitos anos, sendo-o até hoje, por exemplo no Smart), foi o primeiro a imaginar um sistema de ignição baseado em um interruptor elétrico e uma bobina para produzir um motor eficiente a alta rotação. Entre os primeiros automóveis foi o sistema de ignição por magneto que proliferou.

Fig. 6: Sistema de magneto
Existem diversos sistemas de magneto, mas o mais comum também usa um interruptor elétrico para comandar a produção de centelha em um ponto preciso do curso do pistão. Entretanto, ao contrário do sistema de bateria, onde a bobina de ignição opera como uma bobina de Ruhmkorff, no sistema de magneto a bobina opera pelo princípio do transformador.

Em 1910, Charles Franklin Kettering patenteia o sistema Delco (também chamado de sistema Kettering, que pouco antes constituíra a Dayton Engineering Laboratories Co., daí o nome Delco) de ignição, lançando-o no Cadillac de 1910, e que dominaria os automóveis por várias décadas. No sistema Delco, uma bobina de Ruhmkorff era alimentada pela bateria, e a corrente de magnetização era controlada pelo platinado, um interruptor que abre e fecha em sincronismo com o movimento do motor.A alta tensão na saída da bobina é direcionada para a vela correta por um distribuidor, um seletor sem contato de alta tensão.

Fig. 7: Sistema Delco
Anos depois, o sistema Delco seria aperfeiçoado através de um sistema de avanço centrífugo e avanço a vácuo, oferecendo um ajuste automático mais preciso que o avanço fixo ou de ajuste manual oferecido nos primeiros veículos.

Fig. 8: Sistemas de avanço centrífugo e a vácuo.
Kettering e a Delco voltariam a revolucionar o automóvel no ano seguinte, ao lançar um Cadillac equipado com iluminação e partida elétricas alimentadas por um sistema de dínamo e bateria. Após o susesso do sistema Delco, o sistema de magneto logo se estabelece em três aplicações: motores motociclísticos, aeronáuticos e de competição.

Nas motos e nos motores de corrida (tanto em automóveis como em lanchas), o projeto compacto e o ganho de eficiência em altas rotações o tornavam mais adequado que o sistema de bateria.

Fig. 9: Sistema de magneto com bobina de alta tensão integrado
Fig. 10: Sistema de magneto com bobina de alta tensão externa
Nos motores aeronáuticos, além das características anteriores, o funcionamento autônomo do resto do sistema elétrico da aeronave permitia que a o motor seguisse funcionando mesmo sob completa pane elétrica da aeronave, o que é considerado um fator primordial de segurança de voo.

Fig. 11: Sistema de magneto aeronáutico
Estes sistemas continuaram evoluindo em ritmo lento por décadas, até que na década de 60, uma revolução tecnológica que afetou quase todos os setores que lidavam com eletricidade e eletrônica de baixa e média potências tomou o sistema de ignição de assalto: o transístor.

Fig. 12: Sistema Delco eletromecânico de última geração
Inicialmente usado apenas como elemento chaveador, o transístor era muito mais eficiente para ligar e desligar a bobina de ignição do que o velho platinado. Neste primeiro sistema, o platinado ainda era o elemento de comando, mas com a ausência de centelhamento nos seus contatos, a precisão do ponto de ignição melhorou significativamente, e a vida útil do platinado e a o tempo entre ajustes de ignição melhoraram de sobremaneira.

A facilidade de construir circuitos elétricos reguladores a baixo custo com a adição de mais transístores, capazes de regular mais funções complexas, conduziu o sistema Delco ao sistema totalmente eletrônico, sem platinado.

Fig. 13: Sistema Delco com módulo eletrônico comandado por platinado
Com o uso de um módulo eletrônico e um sensor magnético (bobina de impulso ou sensor Hall, dependendo da versão), a bobina passou a receber uma potência elétrica estabilizada nas mais variadas situações e permitindo que o motor operasse com uma centelha de qualidade mesmo em altas rotações, algo impraticável com o platinado.

Fig. 14: Sistema Delco eletrônico elementar, comandado por bobina impulsora
Ao mesmo tempo, a eletrônica permitiu que um novo tipo de ignição surgisse, o sistema de ignição por descarga capacitiva, ou CDI (Capacitve Discharge Igntion).

Fig. 15: O inventor do módulo de ignição CDI
A ignição CDI funciona carregando um capacitor até uma tensão elevada (algo em torno de 400 volts), e chaveando esta carga sobre a bobina no ponto de ignição.

Fig 16: Esquema básico de um módulo de ignição CDI. O componente SCR é a chave de disparo da centelha
Diferente do sistema Delco, a ignição CDI armazena energia no capacitor, e a bobina opera como transformador e não como bobina de Ruhmkorff. Os sistemas de módulo eletrônico e ignição CDI resolveram os problemas de qualidade da centelha, mas não atacavam algo primordial: o ponto de ignição ideal para cada situação. Nos anos 70, com a Crise do Pertróleo e o surgimento das primeiras regulamentações de emissões de poluentes, era necessário que os motores aproveitassem ao máximo a energia contida no combustível, e este problema passava por uma ignição que se adaptasse precisamente a cada situação de rotação e carga, algo que a composição entre os avanços centrífugo e a vácuo apenas gerava uma aproximação.

Eis que, no final desta década, a Bosch lança o sistema Motronic. O sistema Motronic foi revolucionário em diversos sentidos. Pela primeira vez, um módulo eletrônico controlava de forma integrada a injeção de combustível e a ignição, com a vantagem que os mesmos sensores eram aproveitados para as duas funções, que sempre operavam em conjunto. O sistema Motronic também era mapeado, podendo adotar valores de avanço precisos para cada situação.

Fig 17: Mapas de avanço de ignição mapeada e eletromecânica convencional
Ele também tirava proveito do uso de uma roda dentada, ou roda fônica, como referência mecânica da posição do virabrequim. Esta roda fônica opera como um transferidor sobre o qual o módulo da Motronic pode se basear para determinar com precisão o instante de liberar a centelha.


Fig. 18: Roda fônica
Assim, o sistema Motronic foi o primeiro a oferecer um sistema de ignição de alta precisão, obedecendo da forma mais fiel possível às necessidades do motor e operando em perfeita sincronia com o sistema de alimentação de combustível.

Nos anos seguintes, vários sistemas alternativos à ignição por centelha foram propostos, incluindo sistemas de ignição a laser e por micro-ondas, porém nenhum deles sequer saiu do laboratório, e o sistema de ignição por bobina e vela continua tão onipresente hoje, como foi no princípio da história do automóvel.

AAD

Obs.: Este artigo é apenas o ponto de partida para muitas outras dicussões sobre o sistema de ignição.

28 comentários :

  1. Sou professor de Fisica,estupendo seu artigo , perfeito! parabens , vou utiliza-lo em minhas aulas

    ResponderExcluir
  2. Sou engenho de autos, vivo vendo isso em meus projetos.
    Realmente é incrivel o modo em que trabalha e perfeiçao que funciona.

    ResponderExcluir
  3. Paulo Ferreira23/03/11 16:36

    Completíssimo, ótimo artigo!

    ResponderExcluir
  4. Que aula, hein! Parabens, AAD.

    Abraço

    Lucas crf

    ResponderExcluir
  5. Parabéns pelo ótimo texto!
    Sou engenheiro eletrônico, fazendo mestrado em automação, e atualmente estou dando monitoria em laboratório de conversão de energia, e no começo do mês falamos sobre exatamente esse assunto para os alunos (mas sem aprofundar tanto na ignição dos veículos).

    ResponderExcluir
  6. Sou um idiota completo. E não é que finalmente eu pude entender este troço! Barbaridade...

    ResponderExcluir
  7. Como de costume, mais uma bela aula, acessível mesmo para aqueles não especialistas no assunto.

    ResponderExcluir
  8. Belo post André, resume bem uma coisa importante que é o funcionamento da bobina de Ruhmkorff versus trafo na ignição de automóveis.

    Obs.: Este artigo é apenas o ponto de partida para muitas outras dicussões sobre o sistema de ignição. -> hehe, lembrei do CM Racing - a ignição mais forte do mundo :)

    ResponderExcluir
  9. Vou chover no molhado mas vamos lá... que baita aula André!
    Finalmente entendi o que é a roda fônica.

    ResponderExcluir
  10. Thales, também sou engenheiro eletrônico :)

    Belíssimo texto André.

    ResponderExcluir
  11. Rômulo Rostand23/03/11 20:18

    André,
    Excelente post, consegue transformar um assunto que poderia ser chato em uma leitura muito agradável, acessível e esclarededora. Valeu!

    ResponderExcluir
  12. Como engenheiro e antes de mais nada entusiasta, sinto gosto de ver um post como esse.
    Parabéns André!

    ResponderExcluir
  13. Já falaram mais vou repetir:Excelente post,simplismente um assunto completo e um texto de fácil entendimento...

    Se não for pedir demais,continue falando sobre o tema,é uma área muito interessante.

    ResponderExcluir
  14. Papai Papudo!23/03/11 21:26

    Como leitor, engenheiro, leigo e quem mais pagar, digo e repito:

    Legal esse texto hein!

    Tão bom quanto o da máquina de antiquitera não me lembro como se escreve...

    ResponderExcluir
  15. Que coisa, se fosse semana passada esse post seria material de consulta sobre ignição, porque hoje montei de volta o motor de um fusca que eu estou monitorando a manutenção, enfim o carro é de um tio meu, ele é segundo dono do carro e anda muito pouco devido a avançada idade, me deu carta branca para dar um trato no carro dele, primeira coisa foi correr atrás de um alternador e um sistema de ignição completo, daí tive que estudar como funciona e tals pra aprender e por em prática, fora toda manutenção geral do carro. Enfim ótimo post.

    ResponderExcluir
  16. Obrigado a todos pelos elogios.

    Este artigo foi, como deixo claro no final, apenas o ponto de partida para uma discussão muito mais ampla sobre a ignição, em aspectos sombrios e difíceis.

    A discussão sobre a bobina de Ruhmkorff versus o transformador de Tesla é muito importante.

    Muita gente, por exemplo, usa uma bobina tipo Ruhmkorff junto com um módulo tipo CDI.
    Funcionar, funciona. Entretanto, o CDI funciona melhor com um transformador.
    Ao usar uma bobina de Ruhmkorff com um módulo CDI, o rendimento é menor, e até mesmo o módulo pode ser afetado.

    Sem deixar bem claro a diferença de uma bobina de Ruhmkorff e um transformador, não seria possível explicar essa dificuldade.

    Há outros itens desta natureza que este artigo preparou terreno.

    Joel Gayeski, você ainda não entendeu o que é uma roda fônica!!!

    Tenho um artigo especial só pra ela, e que mostra a matemática elementar, porém poderosíssima, sobre como a controladora de injeção usa os pulsos da roda fônica.
    É mais um artigo que mostra o poder e a beleza da simplicidade.

    Aguardem. Vou entremear estes artigos de ignição com outros.

    Mas façam sugestões de novos artigos!!! Não parem nisso!!!

    Como o BS já disse aqui uma vez, muitos assuntos que tratamos surgem da oportunidade, não da existência de uma pauta.
    Escrevo muito em função disso.

    Através das sugestões, posso organizar uma pauta que pode ser entremeada com assuntos de oportunidade.

    Sintam-se à vontade para sugerir.
    Tenho o maior prazer em atendê-los.

    ResponderExcluir
  17. POr ora, nem me atrevo a sugerir uma pauta; qualquer pauta.
    Seus posts, dão aula compreensível a quem não tem formação acadêmica específica. O tema é complexo mas sua didática permite a compreensão.
    Parabéns pela simplicidade ?!?! do argumento .
    Para ler e reler.

    ResponderExcluir
  18. SergioCJr.24/03/11 08:47

    Parabéns André, uma bela aula, pois mesmo sendo um completo ignorante quanto a "parte elétrica" do carro, consegui entender o funcionamento da ignição.

    ResponderExcluir
  19. Oi André.

    E sobre aquela questão de que o clímax da combustão deve ocorrer em 14º do APMS? Isso varia em função do tamanho da biela ou não?

    ResponderExcluir
  20. Andre,

    Parabens pelo post, realmente uma aula que não se acha em lugar nenhum.

    Agora uma dúvida: não vale a pena usar um CDI com uma ignição eletrônica convencional? porque?

    abs

    ResponderExcluir
  21. Fábio Alexandre, 14 graus APMS é lenda.

    O que existe é a regra de Upton.
    Já falei dela aqui:
    http://autoentusiastas.blogspot.com/2009/03/flex-o-mito.html

    Mas voltarei ao assunto.

    ResponderExcluir
  22. Leonardo Cardoso, antes de te explicar isso, espere os próximos artigos, onde vou mostrar a intimidade do Delco convencional e do CDI, e depois uma comparação entre ambos.

    Esses artigos irão responder essa sua pergunta na totalidade.

    ResponderExcluir
  23. Só espero que a galera do CM não encontre este artigo, porque se isso ocorrer o AE ficará cheio de fanáticos religiosos que acabarão com o blog.

    ResponderExcluir
  24. Por outro lado, há a chamada Regra de Upton, que afirma que o melhor ponto de avanço de ignição é tal que a metade da mistura esteja queimada quando o pistão atingir o ponto morto superior.


    Mas se seguir o conceito do trecho acma em quantos graus APMS que ocorrerá o pico de pressão sobre o cilindro?

    ResponderExcluir
  25. Fabio Alexandre, seguindo a regra de Upton, existe uma aproximação que te dá essa essa noção.

    O pico de pressão ocorre ao término da queima da mistura.

    Há uma aproximação, respeitando a regra de Upton, segundo a qual, o pistão atinge o ponto morto superior entre 2/3 e 3/4 do tempo de queima da mistura.

    Agora, veja que o avanço de ignição é uma função que compatibiliza as diferenças entre a rotação do motor com a velocidade da queima da mistura.

    Digamos que entre o ponto de ignição e o ponto morto superior ocorra 2/3 da queima, e o avanço ocorra aos 20 graus antes do ponto morto superior. Isto significa que o pico de pressão deve ocorrer aos 10 graus após o ponto morto superior.

    Veja que esta regra faz todo sentido.
    A reação de queima acelera com com a liberação do calor.

    O crescimento da pressão no interior da câmara é proporcional à quantidade de mistura queimada, de forma que no PMS o pistão experimenta metade da pressão adicional causada pela queima da mistura, e enfrentará a outra metade adicional apenas após ela.

    Em termos de pressão, a regra de Upton balanceia o crescimento da pressão com a compressão causada pelo pistão.

    ResponderExcluir
  26. Putz, André, agora que reparei que escrevi errado o termo e acho que fui mal interpretado. O que queria dizer é se é real a ideia de que o pico máximo de pressão ocorra em 14º DPMS, independentemente, lógico, em qual tempo APMS se dê a ignição já que isso varia em função do combustível, rpm, temperatura, pressão e taxa de compressão.

    ResponderExcluir
  27. jmvieira (marcelo)23/06/12 22:00

    eu deveria ter visto esse post antes. eu uso cdi (não é cm, techrace) com a bobina original dos carros, e aguardo pelo post da cdi... mesmo sabendo ser uma adaptação, estou satisfeito com consumo e funcionamento em geral. já vou no terceiro carro usando isso...

    ResponderExcluir

Pedimos desculpas mas os comentários deste site estão desativados.
Por favor consulte www.autoentusiastas.com.br ou clique na aba contato da barra superior deste site.
Atenciosamente, Autoentusiastas.

Observação: somente um membro deste blog pode postar um comentário.