Como funciona o sistema de ignição de um automóvel

Autor: 
Karim Nice

O motor de combustão interna é uma máquina impressionante, que vem evoluindo nos últimos 100 anos à medida que fabricantes de veículos aumentam a sua eficiência e diminuem a poluição gerada. Toda esta evolução resultou em uma máquina incrivelmente complicada e surpreendentemente confiável.

Outros artigos deste site explicam a mecânica do motor e vários de seus subsistemas, incluindo o sistema de alimentação, sistema de arrefecimento, árvore de comando de válvulas, turbocompressores e engrenagens. Poderíamos dizer que o sistema de ignição é onde tudo isso se junta, com uma centelha no tempo certo.

Neste artigo, conheceremos os sistemas de ignição, começando pelo ponto de ignição. Depois analisaremos todos os componentes que criam a centelha, incluindo as velas, bobinas e distribuidores. Finalmente, falaremos sobre alguns dos novos sistemas que utilizam componentes estado-sólido em vez de distribuidor.

O sistema de ignição de seu veículo deve trabalhar em perfeita harmonia com o resto do motor. O objetivo é que o combustível seja queimado exatamente no momento certo, de modo que os gases em expansão possam produzir o maior trabalho possível. Se o sistema de ignição gerar a centelha no momento errado, a potência diminuirá e o consumo de combustível e as emissões de gases poderão aumentar.

A centelha é disparada pela vela antes que o pistão atinja o ponto-morto superior

Quando a mistura ar-combustível queima dentro do cilindro, a temperatura aumenta e o combustível é transformado em gases queimados. Essa transformação faz com que a pressão no cilindro aumente muito e o pistão seja forçado para baixo.

Para obter melhor torque e potência do motor, deve-se maximizar a pressão no cilindro durante o curso útil. A maximização da pressão também aumenta a eficiência do motor, o que significa que se obterá o menor consumo de combustível. O ponto de ignição é crítico para que tudo funcione como planejado.

Existe um pequeno retardo em relação ao tempo em que ocorre a centelha e o tempo em que toda a mistura ar-combustível é queimada e a pressão no cilindro atinge o nível máximo. Se a centelha ocorre exatamente quando o pistão atinge o final do curso de compressão, o pistão já vai ter se movido um pouco para baixo no sentido do curso de potência antes que os gases no cilindro atinjam o pico de pressão.

Para utilizar o combustível da melhor maneira, a centelha deve ocorrer antes que o pistão atinja o final do curso de compressão, de modo que no momento em que o pistão comece a descer em direção ao curso de potência, a pressão esteja alta o suficiente para começar a produzir trabalho útil.

Trabalho = Força x Distância

Em um cilindro:

  • Força = pressão x área do pistão
  • Distância = curso do pistão

Então, quando nos referimos a cilindros, trabalho = pressão x área do pistão x curso do pistão. Como o curso e a área do pistão são fixos, a única maneira de maximizar o trabalho é aumentando a pressão.

O momento da ignição é importante e pode ser adiantado ou atrasado, dependendo das condições.

O tempo que a mistura ar-combustível leva para queimar é mais ou menos constante. A velocidade dos pistões é diretamente proporcional à rotação do motor. Isto significa que, quanto mais rápido o motor gira, mais cedo deve ocorrer a centelha. Isto é chamado de avanço de ignição: quanto maior a rotação do motor, maior o avanço necessário.

Outros objetivos, como minimizar as emissões, tornam-se prioridade quando não é necessária potência máxima. Isto pode ser acançado, por exemplo, atrasando a ignição (movendo a centelha para mais perto do fim do curso de compressão), reduzindo a pressão máxima no cilindro e a temperatura. A diminuição da temperatura ajuda a reduzir a formação de óxidos de nitrogênio (NOx), que são poluentes de emissões regulamentadas. Atrasando a ignição pode-se evitar também a detonação. Alguns carros possuem um sensor de detonação que faz isto automaticamente.

Vejamos agora os componentes que produzem a centelha.

A vela é bem simples em teoria: ela força o arco elétrico por uma abertura, como um raio. A eletricidade deve ter uma tensão muito alta para atravessar a abertura e criar uma boa centelha. A tensão em uma vela pode estar entre 40 mil e 100 mil volts.


A vela fica no centro das quatro válvulas em cada cilindro

A vela deve possuir uma passagem isolada para que essa tensão atravesse o eletrodo, onde poderá saltar entre a folga e, a partir daí, ser conduzida para o bloco do motor e aterrada. Ela também deve ser capaz de suportar altas temperaturas e pressões dentro do cilindro e deve ser projetada de modo que não se acumulem depósitos de aditivos do combustível.

As velas utilizam um inserto cerâmico para isolar a alta tensão no eletrodo, assegurando que a centelha ocorra na ponta do eletrodo e não em outro lugar da vela. Esse inserto ajuda também a queimar os depósitos. A cerâmica não é boa condutora de calor, de modo que o material fica muito quente durante a operação. Este calor ajuda a queimar os depósitos no eletrodo.

Alguns carros necessitam de uma vela quente. Esse tipo de vela é projetado com inserto cerâmico que possui uma área de contato ainda menor com a parte metálica da vela. Isto reduz a transferência de calor da cerâmica, fazendo-a funcionar ainda mais quente e queimar ainda mais os depósitos. As velas frias são projetadas com uma área de contato maior e, portanto, funcionam mais frias.


A diferença entre as velas quentes e frias está  no formato da ponta de cerâmica

A fábrica selecionará a vela com a temperatura correta para cada carro. Alguns carros com alto desempenho naturalmente geram mais calor, de modo que necessitam de velas mais frias. Se a vela ficar muito quente, poderá inflamar o combustível antes que a centelha ocorra, portanto é importante manter o tipo correto de vela para seu carro.

Agora vamos ver como é a bobina que gera as altas voltagens requeridas para criar uma centelha.

A bobina

A bobina é um dispositivo simples - essencialmente um transformador de alta tensão formado por dois enrolamentos de fios. Um dos enrolamentos constitui a bobina principal. A bobina secundária fica enrolada em volta desta. Normalmente, a bobina secundária possui centenas de voltas a mais que a bobina principal.

A corrente flui da bateria pelo enrolamento principal da bobina.

A corrente da bobina principal pode ser subitamente interrompida pelos platinados, ou por um dispositivo de estado sólido na ignição eletrônica.

Se você acha que a bobina se parece com um eletroímã, você está certo. Porém ela é também um indutor. A chave para o que ocorre na operação da bobina está naquilo que acontece quando o circuito é interrompido abruptamente pelo platinado. O campo magnético da bobina principal cessa rapidamente. A bobina secundária é engolfada por um campo magnético potente e em alteração. Este campo induz uma corrente nas bobinas - uma corrente de alta tensão (de até 100.000 volts) devido ao número de voltas no enrolamento secundário. A bobina secundária fornece essa tensão para o distribuidor por meio de um cabo de alta tensão muito bem isolado.

Finalmente, o sistema de ignição precisa de um distribuidor.

O distribuidor

O distribuidor é responsável por diversas tarefas. A principal é distribuir a alta tensão da bobina para o cilindro correto. Isto é feito pela tampa e pelo rotor. A bobina é conectada ao rotor, que gira dentro da tampa. O rotor passa por uma série de contatos, um por cilindro. Quando a ponta do rotor passa pelo contato, um pulso de alta tensão vem da bobina. O pulso atravessa o pequeno espaço entre o rotor e o contato (na verdade eles não se tocam) e então continua pelo cabo da vela até chegar à vela do cilindro certo. Quando se faz a regulagem do motor, a tampa e o rotor são substituídos, pois eles geralmente se desgastam por causa da formação de arcos voltaicos. Os cabos das velas também se desgastam e perdem um pouco de seu isolamento elétrico. Esta pode ser a causa de alguns problemas bem misteriosos no motor.

Os distribuidores com platinado mais antigos possuem outra seção na metade inferior do distribuidor - esta seção é responsável por interromper a corrente para a bobina. O terminal negativo da bobina é conectado ao platinado.

 

Um ressalto na parte central do distribuidor movimenta um martelete onde fica um dos contatos do platinado. Sempre que o ressalto movimenta o martelete, ele separa os contatos. Isto faz com que a bobina perca subitamente o aterramento, gerando um pulso de alta tensão.

Esses contatos controlam também o momento de disparo da centelha. Eles podem ter um avanço a vácuo ou um avanço centrífugo. Estes mecanismos avançam a ignição de acordo com a carga (posição do acelerador) ou com a rotação do motor.

O momento do disparo da centelha é tão crítico para o desempenho do motor que a maioria dos carros não utiliza platinados. Em vez disso, utilizam um sensor que informa à unidade de controle do motor (ECU) a posição exata dos pistões. O computador do motor controla então um transistor que fornece e interrompe a corrente para a bobina.

Ignição sem distribuidor
Nos últimos anos, você deve ter ouvido falar de carros que precisam de sua primeira regulagem somente quando está com 150 mil quilômetros. Uma das tecnologias que permitem esse longo intervalo de manutenção é a ignição sem distribuidor.


Em vez de uma bobina principal, as ignições sem distribuidor possuem uma bobina para cada vela, localizada sobre ela própria

A bobina neste tipo de sistema trabalha da mesma maneira que as bobinas maiores. A unidade de controle do motor controla os transistores que interrompem o lado de aterramento do circuito, o que gera a centelha. Isto fornece à ECU o controle total sobre o avanço de ignição.

Sistemas como estes possuem vantagens significativas: não existe distribuidor, que é um item que eventualmente se desgasta, e não existem cabos de alta tensão para as velas, que também se desgastam. Além disso, permitem o controle mais preciso do momento de disparo da centelha, o que pode melhorar a eficiência, reduzir as emissões e aumentar o desempenho geral do veículo.

Para mais informações sobre os sistemas de ignição e assuntos relacionados, confira os links na próxima página.