En un motor de combustión interna con encendido por chispa , el tiempo de encendido es el momento, en relación con la posición actual del pistón y el ángulo del cigüeñal, de la liberación de una chispa en la cámara de combustión cerca del final de la carrera de compresión .
La necesidad de adelantar (o retardar) el momento de la chispa se debe a que el combustible no se quema completamente en el instante en que se enciende la chispa. Los gases de combustión tardan un tiempo en expandirse y la velocidad angular o rotacional del motor puede alargar o acortar el período de tiempo en el que debe ocurrir la combustión y la expansión. En una gran mayoría de los casos, el ángulo se describirá como un cierto ángulo adelantado antes del punto muerto superior (BTDC). Adelantar la chispa BTDC significa que la chispa se energiza antes del punto en el que la cámara de combustión alcanza su tamaño mínimo, ya que el propósito de la carrera de potencia en el motor es forzar la cámara de combustión a expandirse. Las chispas que se producen después del punto muerto superior (ATDC) suelen ser contraproducentes (produciendo chispa desperdiciada , contraexplosiones , golpeteo del motor , etc.) a menos que haya necesidad de una chispa complementaria o continua antes de la carrera de escape .
Establecer el tiempo de encendido correcto es crucial para el rendimiento de un motor. Las chispas que se producen demasiado pronto o demasiado tarde en el ciclo del motor suelen ser responsables de vibraciones excesivas e incluso de daños en el motor. El tiempo de encendido afecta a muchas variables, incluida la longevidad del motor, el ahorro de combustible y la potencia del motor. Muchas variables también afectan a cuál es el "mejor" tiempo de encendido. Los motores modernos que se controlan en tiempo real mediante una unidad de control del motor utilizan una computadora para controlar el tiempo en todo el rango de RPM y carga del motor. Los motores más antiguos que utilizan distribuidores mecánicos dependen de la inercia (mediante el uso de pesos y resortes giratorios) y del vacío del colector para establecer el tiempo de encendido en todo el rango de RPM y carga del motor.
Los primeros automóviles requerían que el conductor ajustara el tiempo mediante controles según las condiciones de conducción, pero ahora esto está automatizado.
Hay muchos factores que influyen en el tiempo de encendido adecuado para un motor determinado. Estos incluyen el tiempo de la (s) válvula(s) de admisión o el(los) inyector(es) de combustible , el tipo de sistema de encendido utilizado, el tipo y el estado de las bujías , el contenido y las impurezas del combustible, la temperatura y la presión del combustible , la velocidad y la carga del motor, la temperatura del aire y del motor, la presión de sobrealimentación del turbo o la presión del aire de admisión, los componentes utilizados en el sistema de encendido y los ajustes de los componentes del sistema de encendido. Por lo general, cualquier cambio o actualización importante del motor requerirá un cambio en los ajustes del tiempo de encendido del motor. [1]
El sistema de encendido por chispa de los motores de combustión interna de gasolina controlados mecánicamente consta de un dispositivo mecánico, conocido como distribuidor , que activa y distribuye la chispa de encendido a cada cilindro en relación con la posición del pistón (en grados del cigüeñal en relación con el punto muerto superior [PMS]).
La sincronización de la chispa, en relación con la posición del pistón, se basa en la sincronización estática (inicial o base) sin avance mecánico. El mecanismo de avance centrífugo de sincronización del distribuidor hace que la chispa se produzca antes a medida que aumenta la velocidad del motor. Muchos de estos motores también utilizan un avance por vacío que adelanta la sincronización durante cargas ligeras y desaceleración, independientemente del avance centrífugo. Esto se aplica normalmente al uso en automóviles; los motores de gasolina marinos suelen utilizar un sistema similar, pero sin avance por vacío.
A mediados de 1963, Ford ofreció encendido transistorizado en su nuevo 427 FE V8 . Este sistema solo pasaba una corriente muy baja a través de los puntos de ignición, utilizando un transistor PNP para realizar una conmutación de alto voltaje de la corriente de ignición, lo que permitía una chispa de ignición de mayor voltaje, además de reducir las variaciones en el tiempo de ignición debido al desgaste del arco de los puntos de interruptor. Los motores equipados con esto llevaban pegatinas especiales en sus tapas de válvulas que decían "427-T". El sistema de encendido de pulso magnético controlado por transistor Delcotron de AC Delco se convirtió en opcional en varios vehículos de General Motors a partir de 1964. El sistema Delco eliminó los puntos mecánicos por completo, utilizando la variación del flujo magnético para la conmutación de corriente, eliminando virtualmente las preocupaciones por el desgaste de los puntos. En 1967, Ferrari y Fiat Dinos vinieron equipados con encendido electrónico Magneti Marelli Dinoplex, y todos los Porsche 911 tenían encendido electrónico a partir de los modelos de la Serie B de 1969. En 1972, Chrysler introdujo un sistema de encendido electrónico sin escobillas activado magnéticamente como equipo estándar en algunos automóviles de producción y lo incluyó como estándar en todos los automóviles en 1973.
El control electrónico del tiempo de encendido se introdujo unos años más tarde, en 1975-76, con la introducción del sistema de avance de chispa electrónico controlado por computadora "Lean-Burn" de Chrysler. En 1979, con el sistema de gestión del motor Bosch Motronic , la tecnología había avanzado para incluir el control simultáneo tanto del tiempo de encendido como del suministro de combustible. Estos sistemas forman la base de los sistemas de gestión del motor modernos .
El "avance de sincronización" se refiere a la cantidad de grados antes del punto muerto superior (BTDC) que la bujía disparará para encender la mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión antes del final de la carrera de compresión . La sincronización retardada se puede definir como cambiar la sincronización de modo que la ignición del combustible se produzca más tarde que el tiempo especificado por el fabricante. Por ejemplo, si la sincronización especificada por el fabricante se estableció inicialmente en 12 grados BTDC y se ajustó a 11 grados BTDC, se denominaría retardada. En un sistema de encendido clásico con puntas de interruptor , la sincronización básica se puede configurar de forma estática utilizando una luz de prueba o de forma dinámica utilizando las marcas de sincronización y una luz de sincronización .
Se requiere un avance de tiempo porque lleva tiempo quemar la mezcla de aire y combustible. Encender la mezcla antes de que el pistón alcance el PMS permitirá que la mezcla se queme por completo poco después de que el pistón alcance el PMS. Si la mezcla se enciende en el momento correcto, la presión máxima en el cilindro se producirá en algún momento después de que el pistón alcance el PMS, lo que permitirá que la mezcla encendida empuje el pistón hacia abajo del cilindro con la mayor fuerza. Idealmente, el momento en el que la mezcla debe quemarse por completo es de unos 20 grados ATDC. [ cita requerida ] Esto maximizará el potencial de producción de potencia del motor. Si la chispa de encendido se produce en una posición demasiado avanzada en relación con la posición del pistón, la mezcla que se quema rápidamente puede empujar contra el pistón que todavía se mueve hacia arriba en su carrera de compresión, lo que provoca un golpeteo (picado o ruido metálico) y posibles daños al motor, esto suele ocurrir a bajas RPM y se conoce como preignición o, en casos graves, detonación. Si la chispa se produce demasiado retrasada en relación con la posición del pistón, la presión máxima del cilindro se producirá después de que el pistón ya esté demasiado abajo en el cilindro en su carrera de potencia. Esto produce pérdida de potencia, tendencia al sobrecalentamiento, altas emisiones y combustible no quemado.
El tiempo de encendido deberá ser cada vez más avanzado (en relación con el PMS) a medida que aumenta la velocidad del motor para que la mezcla de aire y combustible tenga la cantidad correcta de tiempo para quemarse por completo. A medida que aumenta la velocidad del motor (RPM), el tiempo disponible para quemar la mezcla disminuye, pero la combustión en sí misma se produce a la misma velocidad, por lo que debe iniciarse cada vez antes para completarse a tiempo. La baja eficiencia volumétrica a velocidades del motor más altas también requiere un mayor avance del tiempo de encendido. El avance correcto del tiempo para una velocidad del motor determinada permitirá que se alcance la presión máxima del cilindro en la posición angular correcta del cigüeñal . Al configurar el tiempo para un motor de automóvil, el ajuste de tiempo de fábrica generalmente se puede encontrar en una etiqueta en el compartimiento del motor.
El tiempo de encendido también depende de la carga del motor, ya que a mayor carga (mayor apertura del acelerador y, por lo tanto, mayor relación aire-combustible), se requiere menos avance (la mezcla se quema más rápido). También depende de la temperatura del motor, ya que una temperatura más baja permite un mayor avance. La velocidad con la que se quema la mezcla depende del tipo de combustible, la cantidad de turbulencia en el flujo de aire (que está ligada al diseño de la culata y el sistema de tren de válvulas) y de la relación aire-combustible. Es un mito común que la velocidad de combustión está relacionada con el octanaje .
Ajustar el tiempo de encendido mientras se controla la potencia de salida del motor con un dinamómetro es una forma de ajustar correctamente el tiempo de encendido. Después de adelantar o retrasar el tiempo, generalmente se producirá un cambio correspondiente en la potencia de salida. Un dinamómetro de carga es la mejor forma de lograr esto, ya que el motor se puede mantener a una velocidad y carga constantes mientras se ajusta el tiempo para obtener la máxima potencia.
El uso de un sensor de detonación para encontrar la sincronización correcta es un método utilizado para ajustar un motor. En este método, la sincronización se adelanta hasta que se produce la detonación. Luego, la sincronización se retrasa uno o dos grados y se fija en ese punto. Este método es inferior al ajuste con un dinamómetro, ya que a menudo conduce a una sincronización de encendido excesivamente adelantada, particularmente en los motores modernos que no requieren tanto avance para ofrecer el par máximo. Con un avance excesivo, el motor será propenso a hacer ruidos y detonaciones cuando las condiciones cambien (calidad del combustible, temperatura, problemas con los sensores, etc.). Después de lograr las características de potencia deseadas para una carga/rpm del motor determinadas, se deben inspeccionar las bujías para detectar signos de detonación del motor. Si hay alguno de esos signos, se debe retrasar la sincronización del encendido hasta que no haya ninguno.
La mejor manera de ajustar el tiempo de encendido en un dinamómetro de carga es avanzar lentamente el tiempo hasta que se alcance el par máximo de salida. Algunos motores (en particular, los turboalimentados o sobrealimentados) no alcanzarán el par máximo a una velocidad de motor determinada antes de que comiencen a producirse golpes (golpes metálicos o detonaciones menores). En este caso, el tiempo de encendido del motor debe retrasarse ligeramente por debajo de este valor de tiempo (conocido como el "límite de detonación"). La eficiencia de combustión del motor y la eficiencia volumétrica cambiarán a medida que se varíe el tiempo de encendido, lo que significa que la cantidad de combustible también debe cambiarse a medida que se varía el encendido. Después de cada cambio en el tiempo de encendido, el combustible también se ajusta para proporcionar el par máximo.
Los sistemas de encendido mecánico utilizan un distribuidor de chispa mecánico para distribuir una corriente de alto voltaje a la bujía correcta en el momento correcto. Para establecer un avance o un retraso de sincronización inicial para un motor, se deja que el motor funcione en ralentí y se ajusta el distribuidor para lograr la mejor sincronización de encendido para el motor en ralentí. Este proceso se denomina "establecer el avance base". Hay dos métodos para aumentar el avance de sincronización más allá del avance base. Los avances logrados con estos métodos se suman al número de avance base para lograr un número de avance de sincronización total.
Se produce un avance mecánico creciente de la sincronización a medida que aumenta la velocidad del motor. Esto es posible gracias a la ley de inercia . Los pesos y resortes dentro del distribuidor giran y afectan el avance de la sincronización de acuerdo con la velocidad del motor al alterar la posición angular del eje del sensor de sincronización con respecto a la posición real del motor. Este tipo de avance de sincronización también se conoce como avance de sincronización centrífugo . La cantidad de avance mecánico depende únicamente de la velocidad a la que gira el distribuidor. En un motor de 2 tiempos , esto es lo mismo que las RPM del motor. En un motor de 4 tiempos , esto es la mitad de las RPM del motor. La relación entre el avance en grados y las RPM del distribuidor se puede dibujar como un gráfico bidimensional simple .
Se pueden utilizar pesos más livianos o resortes más pesados para reducir el avance de la sincronización a menores RPM del motor. Se pueden utilizar pesos más pesados o resortes más livianos para avanzar la sincronización a menores RPM del motor. Por lo general, en algún punto del rango de RPM del motor, estos pesos entran en contacto con sus límites de recorrido y la cantidad de avance del encendido centrífugo se fija por encima de esas RPM.
El segundo método utilizado para adelantar (o retardar) el tiempo de encendido se denomina avance de tiempo por vacío. Este método casi siempre se utiliza además del avance de tiempo mecánico. Generalmente aumenta el ahorro de combustible y la facilidad de conducción, particularmente en mezclas pobres. También aumenta la vida útil del motor a través de una combustión más completa, dejando menos combustible sin quemar que elimine la lubricación de la pared del cilindro (desgaste del anillo del pistón) y menos dilución del aceite lubricante (cojinetes, vida útil del árbol de levas, etc.). El avance por vacío funciona utilizando una fuente de vacío del colector para adelantar el tiempo en condiciones de carga baja a media del motor girando la placa de montaje del sensor de posición (puntos de contacto, sensor de efecto Hall u óptico, estator reluctor, etc.) en el distribuidor con respecto al eje del distribuidor. El avance por vacío disminuye con el acelerador completamente abierto (WOT), lo que hace que el avance de tiempo regrese al avance base además del avance mecánico.
Una fuente de avance de vacío es una pequeña abertura ubicada en la pared del cuerpo del acelerador o del carburador adyacente pero ligeramente aguas arriba del borde de la placa del acelerador . Esto se llama vacío con puerto. El efecto de tener la abertura aquí es que hay poco o ningún vacío en ralentí, por lo tanto, poco o ningún avance. Otros vehículos usan el vacío directamente del colector de admisión. Esto proporciona un vacío total del motor (y, por lo tanto, un avance de vacío total) en ralentí. Algunas unidades de avance de vacío tienen dos conexiones de vacío, una a cada lado de la membrana del actuador , conectadas tanto al vacío del colector como al vacío con puerto. Estas unidades avanzarán y retrasarán la sincronización del encendido.
En algunos vehículos, un interruptor de detección de temperatura aplicará vacío múltiple al sistema de avance de vacío cuando el motor esté caliente o frío, y vacío portuario a temperatura de funcionamiento normal . Esta es una versión del control de emisiones; el vacío portuario permitió ajustes del carburador para una mezcla de ralentí más pobre. A alta temperatura del motor, el avance aumentado aumentó la velocidad del motor para permitir que el sistema de enfriamiento funcione de manera más eficiente. A baja temperatura, el avance permitió que la mezcla de calentamiento enriquecida se quemara más completamente, lo que proporcionó un mejor funcionamiento del motor en frío.
Se pueden utilizar interruptores eléctricos o mecánicos para impedir o alterar el avance del vacío en determinadas condiciones. Los primeros sistemas electrónicos de control de emisiones se activaban en relación con las señales del sensor de oxígeno o la activación de equipos relacionados con las emisiones. También era común impedir parte o la totalidad del avance del vacío en determinadas marchas para evitar la detonación debido a motores de combustión pobre.
Los motores más nuevos suelen utilizar sistemas de encendido computarizados . La computadora tiene un mapa de sincronización (tabla de búsqueda) con valores de avance de chispa para todas las combinaciones de velocidad y carga del motor. La computadora enviará una señal a la bobina de encendido en el momento indicado en el mapa de sincronización para encender la bujía. La mayoría de las computadoras de los fabricantes de equipos originales (OEM) no se pueden modificar, por lo que no es posible cambiar la curva de avance de sincronización. Los cambios generales de sincronización aún son posibles, según el diseño del motor. Las unidades de control del motor del mercado de accesorios permiten que el afinador realice cambios en el mapa de sincronización. Esto permite que la sincronización se adelante o se retrase según varias aplicaciones del motor. El sistema de encendido puede utilizar un sensor de detonación para permitir la variación de la calidad del combustible.