Cómo funcionan los sistemas de encendido de automóviles

El motor de combustión interna es una máquina increíble que ha evolucionado durante más de 100 años. Continúa evolucionando a medida que los fabricantes de automóviles logran exprimir un poco más de eficiencia o un poco menos de contaminación con cada año que pasa. El resultado es una máquina increíblemente complicada y sorprendentemente fiable.

Otros artículos de HowStuffWorks explican la mecánica del motor y muchos de sus subsistemas, incluidos el sistema de combustible, el sistema de refrigeración, los árboles de levas, los turbocompresores y los engranajes. Se podría argumentar que el sistema de encendido es donde todo se combina con una chispa perfectamente sincronizada.

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En este artículo, aprenderemos sobre los sistemas de encendido, comenzando con la sincronización de la chispa. Luego, veremos todos los componentes que intervienen en la creación de la chispa, incluidas las bujías, las bobinas y los distribuidores. Y por último, hablaremos de los sistemas que utilizan componentes de estado sólido en lugar del distribuidor.

El sistema de encendido de su automóvil tiene que funcionar en perfecto concierto con el resto del motor. El objetivo es encender el combustible exactamente en el momento adecuado para que los gases en expansión puedan realizar la máxima cantidad de trabajo. Si el sistema de encendido se dispara en el momento equivocado, la energía disminuirá y el consumo de gas y las emisiones pueden aumentar.

Cuando la mezcla de aire y combustible en el cilindro se quema, la temperatura aumenta y el combustible se convierte en gas de escape. Esta transformación hace que la presión en el cilindro aumente dramáticamente y fuerza al pistón hacia abajo.

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Para obtener el máximo par y potencia del motor, el objetivo es maximizar la presión en el cilindro durante la carrera de potencia. Maximizar la presión también producirá la mejor eficiencia del motor, lo que se traduce directamente en un mejor kilometraje. El momento de la chispa es fundamental para el éxito.

Hay un pequeño retraso desde el momento de la chispa hasta el momento en que la mezcla de aire y combustible se está quemando y la presión en el cilindro alcanza su máximo. Si la chispa se produce justo cuando el pistón alcanza la parte superior de la carrera de compresión, el pistón ya se habrá movido hacia abajo en parte de su carrera de potencia antes de que los gases en el cilindro hayan alcanzado sus presiones más altas.

Para hacer el mejor uso del combustible, la chispa debe ocurrir antes de que el pistón alcance la parte superior de la carrera de compresión, de modo que cuando el pistón comience a descender a su carrera de potencia, las presiones sean lo suficientemente altas como para comenzar a producir un trabajo útil.

En un cilindro:

Entonces, cuando hablamos de un cilindro, trabajo = presión × área del pistón × longitud de carrera. Y debido a que la longitud de la carrera y el área del pistón son fijos, la única forma de maximizar el trabajo es aumentando la presión.

La sincronización de la chispa es importante, y la sincronización puede adelantarse o retrasarse según las condiciones.

El tiempo que tarda el combustible en quemarse es aproximadamente constante. Pero la velocidad de los pistones aumenta a medida que aumenta la velocidad del motor. Esto significa que cuanto más rápido vaya el motor, antes debe producirse la chispa. A esto se le llama avance de chispa: Cuanto más rápida sea la velocidad del motor, más avance se requiere.

Otros objetivos, como minimizar las emisiones, tienen prioridad cuando no se requiere la máxima potencia. Por ejemplo, al retardar la sincronización de la chispa (moviendo la chispa más cerca de la parte superior de la carrera de compresión), se pueden reducir las presiones y temperaturas máximas del cilindro. Bajar las temperaturas ayuda a reducir la formación de óxidos de nitrógeno (NOx), que son un contaminante regulado. Retrasar el tiempo también puede eliminar los golpes; algunos autos que tienen sensores de detonación lo harán automáticamente.

A continuación, repasaremos los componentes que hacen la chispa.

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La bujía es bastante simple en teoría: fuerza a la electricidad a formar un arco a través de un espacio, como un relámpago. La electricidad debe tener un voltaje muy alto para atravesar el espacio y crear una buena chispa. El voltaje en la bujía puede oscilar entre 40 000 y 100 000 voltios.

La bujía debe tener un pasaje aislado para que este alto voltaje viaje hasta el electrodo, donde puede saltar el espacio y, desde allí, conducirse al bloque del motor y conectarse a tierra. El tapón también tiene que soportar el calor y la presión extremos dentro del cilindro, y debe diseñarse de modo que no se acumulen depósitos de aditivos de combustible en el tapón.

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Las bujías usan un inserto de cerámica para aislar el alto voltaje en el electrodo, lo que garantiza que la chispa ocurra en la punta del electrodo y no en ningún otro lugar de la bujía; este inserto cumple una doble función al ayudar a quemar los depósitos. La cerámica es un conductor de calor bastante pobre, por lo que sella el calor durante la operación.

Algunos automóviles requieren un enchufe en caliente. Este tipo de tapón está diseñado con un inserto de cerámica que tiene un área de contacto menor con la parte metálica del tapón. Esto reduce la transferencia de calor de la cerámica, lo que hace que se caliente más y, por lo tanto, queme más depósitos. Las bujías frías están diseñadas con más área de contacto, por lo que funcionan más frías.

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La bobina es un dispositivo simple, esencialmente un transformador de alto voltaje compuesto por dos bobinas de alambre. Una bobina de alambre se llama bobina primaria. Envuelto alrededor está la bobina secundaria. La bobina secundaria normalmente tiene cientos de veces más vueltas de cable que la bobina primaria.

La corriente fluye desde la batería a través del devanado primario de la bobina.

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La corriente de la bobina primaria puede verse repentinamente interrumpida por los puntos de ruptura o por un dispositivo de estado sólido en un encendido electrónico.

Si cree que la bobina parece un electroimán, tiene razón, pero también es un inductor. La clave del funcionamiento de la bobina es lo que sucede cuando el circuito se rompe repentinamente por los puntos. El campo magnético de la bobina primaria colapsa rápidamente. La bobina secundaria está envuelta por un campo magnético poderoso y cambiante. Este campo induce una corriente en las bobinas, una corriente de muy alto voltaje (hasta 100 000 voltios) debido a la cantidad de bobinas en el devanado secundario. La bobina secundaria alimenta este voltaje al distribuidor a través de un cable de alto voltaje muy bien aislado.

Finalmente, un sistema de encendido necesita un distribuidor.

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El distribuidor maneja varios trabajos. Su primer trabajo es distribuir el alto voltaje de la bobina al cilindro correcto. Esto lo hacen la tapa y el rotor. La bobina está conectada al rotor, que gira dentro de la tapa. El rotor gira más allá de una serie de contactos, un contacto por cilindro. A medida que la punta del rotor pasa por cada contacto, sale un pulso de alto voltaje de la bobina. El pulso forma un arco a través del pequeño espacio entre el rotor y el contacto (en realidad no se tocan) y luego continúa por el cable de la bujía hasta la bujía en el cilindro apropiado. Cuando realiza una puesta a punto, una de las cosas que reemplaza en su motor es la tapa y el rotor; estos eventualmente se desgastan debido al arco. Además, los cables de las bujías eventualmente se desgastan y pierden parte de su aislamiento eléctrico. Esta puede ser la causa de algunos problemas de motor muy misteriosos.

Los distribuidores más antiguos con puntos de interrupción tienen otra sección en la mitad inferior del distribuidor; esta sección hace el trabajo de interrumpir la corriente a la bobina. El lado de tierra de la bobina está conectado a los puntos de ruptura.

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Una leva en el centro del distribuidor empuja una palanca conectada a uno de los puntos. Cada vez que la leva empuja la palanca, abre los puntos. Esto hace que la bobina pierda repentinamente su suelo, generando un pulso de alto voltaje.

Los puntos también controlan la sincronización de la chispa. Pueden tener un avance por vacío o un avance centrífugo. Estos mecanismos adelantan la sincronización en proporción a la carga del motor o la velocidad del motor.

La sincronización de la chispa es tan crítica para el rendimiento de un motor que la mayoría de los autos no usan puntos. En cambio, usan un sensor que le dice a la unidad de control del motor (ECU) la posición exacta de los pistones. La computadora del motor luego controla un transistor que abre y cierra la corriente a la bobina.

En la siguiente sección, veremos un avance en los sistemas de encendido modernos: el encendido sin distribuidor.

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Los automóviles con encendido sin distribuidor generalmente no necesitan su primera puesta a punto hasta las 100,000 millas. La bobina en este tipo de sistema funciona de la misma manera que las bobinas más grandes ubicadas en el centro. La unidad de control del motor controla los transistores que rompen el lado de tierra del circuito, lo que genera la chispa. Esto le da a la ECU un control total sobre la sincronización de la chispa.

Sistemas como estos tienen algunas ventajas sustanciales. Primero, no hay distribuidor, que es un elemento que eventualmente se desgasta. Además, no hay cables de bujía de alto voltaje, que también se desgastan. Y finalmente, permiten un control más preciso de la sincronización de la chispa, lo que puede mejorar la eficiencia, las emisiones y aumentar la potencia general de un automóvil.

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