Sistemas de Ignición - Departamento de Aeronáutica - Universidad ...

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE AERONÁUTICA
ELECTROTECNIA Y SISTEMAS ELÉCTRICOS DE AERONAVES
SISTEMAS DE IGNICIÓN
AÑO 2006
AUTORES.
Profesor:
Ing. Juan José Molfino
Objetivo:
Se describen a continuación los sistemas de encendido de motores a combustión interna desde el punto de
vista eléctrico de los mismos.
Consideraciones Básicas:
Se requieren aproximadamente alrededor de 22 kV para encender la mezcla de combustible en el interior de
un cilindro de un motor. Además se debe disponer de una energía mínima de alrededor de 20 mJ (mili
Joules) en la chispa para que se produzca la propagación de un frente de llama estable. Los valores
exactos de tensión y energía dependen de muchos factores: temperatura, presión, composición de la
mezcla, luz entre electrodos de la bujía, etc.
La tensión de ionizacion de un gas es función del producto de la presión del gas y de la separación de los
electrodos:
LEY DE PASCHEN:
LA DISTANCIA EXPLOSIVA ENTRE DOS CONDUCTORES SOMETIDOS A UNA TENSIÓN ELÉCTRICA FIJA ES
INVERSAMENTE PROPORCIONAL A LA PRESIÓN DEL GÁS IONIZADO ENTRE ELLOS. -
En cuanto a la energía requerida la misma disminuye a medida que aumenta la presión y aumenta cuando
la mezcla de combustible-aire se aparta de la óptima. Las peores condiciones se tienen cuando se hace
arrancar al motor y durante la aceleración de las RPM.
Desde el punto de vista térmico la temperatura del electrodo central de la bujía es mucho mayor que la del
cuerpo. Esto es así debido a la resistencia térmica del aislador cerámico entre los electrodos. Si se hace
que el electrodo central sea positivo con relación al cuerpo de la bujía se logra que por efecto termoiónico
se reduzca la tensión de ionizacion de la mezcla combustible-aire en un 30% aproximadamente.
También es importante tener en cuenta la forma de onda de la tensión aplicada a la bujía. Para un motor de
cuatro tiempos que gire a 5000 RPM el período de cada giro es de 0,012 mseg, y la precisión de la
sincronización del motor es de 2°, esto implica 67 µseg. Por lo tanto, el tiempo de crecimiento debe ser del
orden 50 µseg para que no sea apreciable. En estas circunstancias el error causado por el tiempo de
crecimiento es comparable a los errores de sincronización normales. A una velocidad de giro del motor de
2000 RPM, un error de sincronización de 2º corresponde a aproximadamente 165 µseg y por lo tanto los
efectos del tiempo de crecimiento son despreciables.
La energía que se entrega a la bujía puede ser almacenada en un campo magnético o en un campo
eléctrico. De aquí surgen dos métodos de encendido: uno por descarga inductiva y otro por descarga
capacitiva. El primero es el más utilizado teniendo como ejemplos los sistemas a magneto y a bobina. En
ambos métodos un tema en común es que una vez que el sistema ha generado una descarga en la bujía
debe recargarse antes que tenga que proveer energía a la siguiente bujía. En un motor de 4 cilindros 4
tiempos el tiempo Tch (en mseg) entre chispas es de 30.000/n(RPM), entonces si el motor gira a 5000 RPM
Tch =30000/5000=6 mseg . El tiempo Tpt en el cual los platinos están cerrados es la mitad el tiempo Tch,
esto es 3 mseg, por tanto la constante de tiempo de carga debe ser tres o cuatro veces menor de tal forma
-1- APUNTE IGNICIÓN

de lograr la carga completa del sistema previamente al inicio de una nueva descarga. Este efecto es el que
provoca que a medida que la velocidad de giro del motor aumenta disminuya la tensión de la chispa.
Figura 1.
Sistemas de encendido.
Sistema de encendido a bobina:
En la figura siguiente se describe el circuito eléctrico de un sistema de encendido básico a bobina:
Figura 2.
Sistema de encendido a bobina.
R S : Resistencia del circuito en Ω ( incluye la resistencia de las N 1 espiras).
N 1 : Numero de espiras del primario.
N 2 : Numero de espiras del secundario.
A = N 1 /N 2 : Relación de transformación.
L: Inductancia del bobinado en H.
Pt: Platino, interruptor accionado por un eje con levas sincronizado con el cigüeñal del motor.
El circuito descripto constituye un circuito de corriente continua con un inductor y un resistor donde una llave
se cierra y se abre provocando transitorios de corriente y tensión. Las ecuaciones que describen este
circuito son:
I
Máx
=
U
R
S
U = I ⋅ R
S
+ L⋅
dI
dt
La constante de tiempo y la corriente resultan:
τ =
L
R S
-2- APUNTE IGNICIÓN

I
− τ
( −
t )
= I Máx
⋅ 1 e
La tensión en el inductor y la energía almacenada en la bobina:
U t
W
= −L⋅
=
1
2
dI
dt
⋅ L⋅
I
2
Cuando los platinos se cierran la corriente comienza a circular según una ley exponencial con una constante
de tiempo τ llegando a I Máx . Posteriormente cuando el platino se abre, se genera una tensión U t a través de
los extremos del primario. Esta tensión se refleja en el secundario multiplicada por la relación de
transformación, en este caso aumentándola, de tal manera de disponer de la tensión U i , tensión de ignición
en las bujías.
Los valores típicos de este circuito son:
I Máx
= 4A
L = 4mH
R
S
= 5Ω
τ = 0,8mseg
W = 32mJ
La corriente máxima se limita a 4 A con el objeto de que no se dañen los platinos. La energía almacenada
en el campo magnético además de aplicarse a las bujías también presenta pérdidas por radiación en los
conductores (lo que provoca interferencias y ruidos en los equipos electrónicos) y además se debe tener en
cuenta los posibles casos de bujías empastadas (presencia de carbón, aceite, combustible entre los
electrodos).
Cuando aumenta la velocidad de giro del motor se presenta una disminución de la corriente en el primario
debido a la constante de tiempo (la corriente no llega a su valor máximo) lo que provoca una disminución en
la tensión en el secundario y una mayor disminución de la energía disponible (depende del cuadrado de la
corriente).
La presencia del capacitor conectado entre los contactos del platino es a los efectos de protegerlos frente a
desgastes provocados por chispas. El capacitor transforma el circuito RL en un circuito RLC donde la
corriente que circula cuando el platino se abre es de forma oscilatoria amortiguada.
Encendido a magneto:
Está compuesto por un alternador formado por un imán permanente que gira entre las expansiones polares
de un circuito magnético de acuerdo a la siguiente figura:
-3- APUNTE IGNICIÓN

Figura 3.
Sistema de encendido a magneto.
La tensión inducida en el primario es:
U
= k ⋅n
⋅ B
Dónde:
K: Constante que depende de parámetros constructivos
N: Número de RPM al cual gira el campo de inducción B.
La tensión en el secundario dependerá de la relación de espiras entre primario y secundario.
La corriente alterna generada en el arrollamiento primario circula a tierra a través de los contactos del
platino. Cuando el platino se abre la corriente se corta creando una brusca variación del campo magnético.
Esta variación hace crecer la tensión del primario a unas centenas de volts. El arrollamiento secundario
funcionando como transformador elevador de tensión lleva la tensión a un valor tal que produce la chispa en
la bujía.
Entre los contactos del platino se agrega un capacitor (C) cuya funcion es proteger los contactos del platino
evitando que la tensión tenga valores tales que provoquen chispas sobre los mismos.
Como el motor posee varios cilindros es necesario tener un dispositivo que distribuya la alta tensión en el
orden correcto (orden de ignición) a cada cilindro, esto lo realiza el distribuidor el cual básicamente es una
llave rotativa que gira a una velocidad tal que provoca una chispa en el punto superior de cada carrera de
compresión del cilindro. En el caso de motores de cuatro tiempos esta velocidad es la mitad de la velocidad
de rotación del motor.
-4- APUNTE IGNICIÓN

Todos los componentes mencionados (magneto, platino, bobina, distribuidor y capacitor) están ubicados
dentro de una misma unidad conocida con el nombre de magneto. El sistema de ignición es duplicado
existiendo dos magnetos. En el caso de un motor de dos cilindros horizontales opuestos cada cilindro tiene
una bujía superior y una inferior. El magneto derecho alimenta las bujías superiores y el magneto izquierdo
alimenta las bujías inferiores
-5- APUNTE IGNICIÓN