El encendido por descarga de capacitores ( CDI ) o encendido por tiristores es un tipo de sistema de encendido electrónico automotriz que se usa ampliamente en motores fueraborda , motocicletas , cortadoras de césped , motosierras , motores pequeños, aeronaves con turbinas y algunos automóviles . Originalmente se desarrolló para superar los largos tiempos de carga asociados con las bobinas de alta inductancia utilizadas en los sistemas de encendido por descarga inductiva (IDI), lo que hace que el sistema de encendido sea más adecuado para altas velocidades del motor (para motores pequeños, motores de carreras y motores rotativos). El encendido por descarga capacitiva utiliza un capacitor para descargar corriente a la bobina de encendido para encender las bujías .
La historia del sistema de ignición por descarga de condensador se remonta a la década de 1890, cuando se cree que Nikola Tesla fue el primero en proponer un sistema de ignición de este tipo. En la patente estadounidense 609.250, presentada por primera vez el 17 de febrero de 1897, Tesla escribe: "Se hace que cualquier parte móvil adecuada del aparato controle mecánicamente la carga de un condensador y su descarga a través de un circuito en relación inductiva con un circuito secundario que conduce a los terminales entre los que se producirá la descarga, de modo que en los intervalos deseados el condensador pueda descargarse a través de su circuito e inducir en el otro circuito una corriente de alto potencial que produzca la descarga deseada". La patente también describe de forma muy general con un dibujo, un medio mecánico para lograr su propósito.
El sistema CDI, inventado originalmente para el coche de carreras de seis cilindros de Henry Ford en 1905, se utilizó por primera vez en producción en 1906 como equipamiento estándar en el Ford Modelo K. El Modelo K utilizaba sistemas de encendido dual, uno de los cuales era el Holley-Huff Magneto, o sistema Huff, fabricado por Holley Brothers Company. Fue diseñado por Edward S. Huff con patente estadounidense n.º 882003 presentada el 1 de julio de 1905 y asignada a Henry Ford. El sistema utilizaba un generador de corriente continua accionado por motor que cargaba un condensador y luego lo descargaba a través del devanado primario de la bobina de encendido. Un extracto de 'Motorway' del 11 de enero de 1906 describe su uso en los coches Ford de seis cilindros: 'La eficiencia del Ford Magneto se demuestra por el hecho de que en el instante en que se activa, el coche coge velocidad y, sin cambiar la posición de la palanca de control de encendido, funciona al menos diez millas por hora más rápido'.
La empresa Robert Bosch fue la pionera en el desarrollo de los primeros sistemas de encendido por CD electrónicos (Bosch también es responsable de la invención del magneto de alta tensión ). Durante la Segunda Guerra Mundial, Bosch había instalado sistemas de encendido por CD de tipo tiratrón (tubo) en algunos aviones de combate con motor de pistón. Con un sistema de encendido por CD, el motor de un avión no necesitaba un período de calentamiento para un encendido fiable, por lo que el avión de combate podía despegar más rápidamente. Este sistema alemán primitivo utilizaba un convertidor de CC rotatorio junto con un circuito de tubo frágil, y no era adecuado para la vida en un avión de combate. Los fallos se producían en tan solo unas horas. La búsqueda de un medio electrónico fiable para producir un sistema de encendido por CD comenzó en serio durante la década de 1950. A mediados de esa década, el Instituto de Investigación de Ingeniería de la Universidad de Michigan, en cooperación con Chrysler Corporation en los Estados Unidos, trabajó para encontrar un método que permitiera producir una solución viable.
No tuvieron éxito, pero sí proporcionaron muchos datos sobre las ventajas de un sistema de este tipo, en caso de que se construyera. A saber: un tiempo de subida de voltaje rápido para encender bujías sucias o húmedas , alta energía en todo el rango de RPM que resulta en un mejor arranque, más potencia y economía, y menores emisiones . Algunos ingenieros, científicos y aficionados habían construido igniciones de CD a lo largo de la década de 1950 utilizando tiratrones . Sin embargo, los tiratrones no eran adecuados para su uso en automóviles por dos razones. Requerían un período de calentamiento que era una molestia, y eran vulnerables a la vibración que reducía drásticamente su vida útil. En una aplicación automotriz, el encendido de CD de tiratrón fallaría en semanas o meses. La falta de confiabilidad de esos primeros igniciones de CD de tiratrón los hizo inadecuados para la producción en masa a pesar de proporcionar beneficios a corto plazo. Al menos una empresa, Tung-Sol (un fabricante de válvulas de vacío) comercializó un sistema de encendido por CD con tiratrón, el modelo Tung-Sol EI-4 en 1962, pero era caro. A pesar de los fallos de los sistemas de encendido por CD con tiratrón, el encendido mejorado que proporcionaban los convertía en una incorporación que merecía la pena para algunos conductores. Para el NSU Spider con motor Wankel de 1964, Bosch resucitó su método de encendido por CD con tiratrón y lo utilizó hasta al menos 1966. Sufrió los mismos problemas de fiabilidad que el Tung-Sol EI-4.
Fue el SCR, rectificador controlado por silicio o tiristor inventado a fines de la década de 1950 que reemplazó al problemático tiratrón y allanó el camino para un encendido de CD de estado sólido confiable. Esto fue gracias a Bill Gutzwiller y su equipo en General Electric . El SCR era robusto con una vida útil indefinida, pero muy propenso a impulsos de activación no deseados que encenderían el SCR. Los impulsos de activación no deseados en los primeros intentos de usar SCR para igniciones de CD fueron causados por interferencia eléctrica, pero el principal culpable resultó ser 'rebote de puntos'. El rebote de puntos es una característica de un sistema de activación de puntos. En el sistema estándar con puntos , distribuidor , bobina de encendido , encendido (sistema Kettering), el rebote de puntos evita que la bobina se sature por completo a medida que aumentan las RPM , lo que resulta en una chispa débil, lo que limita el potencial de alta velocidad. En un encendido de CD, al menos en esos primeros intentos, el rebote de las puntas creaba pulsos de activación no deseados en el SCR (tiristor) que resultaban en una serie de chispas débiles y sin tiempo que causaban fallas extremas en el encendido. Había dos posibles soluciones al problema. La primera sería desarrollar otro medio para activar la descarga del condensador a una descarga por carrera de potencia reemplazando las puntas por otra cosa. Esto se podría hacer de forma magnética u óptica, pero eso requeriría más electrónica y un distribuidor costoso. La otra opción era mantener las puntas, ya que ya estaban en uso y eran confiables, y encontrar una forma de superar el problema del "rebote de las puntas". Esto se logró en abril de 1962 por un oficial canadiense de la RCAF , FL Winterburn, que trabajaba en su sótano en Ottawa , Ontario . El diseño utilizó un método económico que reconocería solo la primera apertura de las puntas e ignoraría las aperturas posteriores cuando las puntas rebotaran.
A principios de 1963 se formó en Ottawa una empresa llamada Hyland Electronics que fabricaba sistemas de encendido por compresión utilizando el diseño de Winterburn. El condensador de descarga dentro del sistema de encendido por compresión tenía la capacidad de proporcionar una chispa potente que superaba en 4 veces la potencia de chispa del sistema Kettering utilizando la misma bobina, con la excepción de que la energía de la chispa podía mantenerse a altas revoluciones por minuto, a diferencia del sistema Kettering. La unidad Hyland consumía solo cuatro amperios a 5000 rpm (8 cilindros) o 10 000 rpm (4 cilindros). Las pruebas con dinamómetro durante 1963 y 1964 mostraron un aumento mínimo del 5 % en la potencia con el sistema, siendo el 10 % la norma. Un ejemplo, un Ford Falcon , tuvo un aumento de potencia del 17 %. La vida útil de las bujías se incrementó a al menos 50 000 millas y la vida útil de los puntos se extendió en gran medida de 8000 millas a al menos 60 000 millas. La vida útil de los puntos se convirtió en un factor de desgaste del bloque de fricción (seguidor de leva) y del ciclo de vida del resorte , y algunos duran casi 100,000 millas.
La unidad Hyland toleraba diferentes espacios entre los puntos de contacto. El sistema podía volver a funcionar con el encendido por descarga inductiva estándar intercambiando dos cables. El encendido por CD Hyland fue el primer encendido por CD de estado sólido producido comercialmente y se vendía al por menor por 39,95 dólares canadienses. Winterburn solicitó las patentes el 23 de septiembre de 1963 (patente estadounidense n.º 3.564.581). El diseño se filtró a los Estados Unidos en el verano de 1963, cuando Hyland expuso el diseño a una empresa estadounidense en un esfuerzo por ampliar las ventas. Posteriormente, numerosas empresas comenzaron a construir sus propios circuitos durante los años 60 y 70 sin licencia. Algunas eran copias directas del circuito de Winterburn. En 1971, Bosch compró los derechos de patente europeos (alemanes, franceses y británicos) a Winterburn.
La revista Wireless World del Reino Unido de enero de 1970 publicó un sistema detallado de encendido por descarga de condensador como proyecto de construcción electrónica para aficionados de RM Marston. El circuito de este sistema era similar a la patente de Winterburn en el sentido de que utilizaba un oscilador de modo conmutado convertido en contrafase para la transferencia de energía a un condensador de almacenamiento y descarga e interruptores de contacto convencionales para iniciar una descarga de activación por tiristor del condensador de CD cargado. Se afirmaba que ofrecía varias ventajas sobre el encendido convencional, entre ellas: mejor combustión, arranque más fácil incluso en condiciones bajo cero, inmunidad al rebote del contactor (puntos) y un ahorro de combustible del 2% al 5%. En cartas posteriores a Wireless World (marzo y mayo de 1970), con las respuestas del Sr. Marston, se analizaron más a fondo los aspectos del diseño y la construcción. En julio de 1971, el Sr. AP Harris, estudiante de la City University de Londres, realizó un análisis detallado de ingeniería eléctrica del diseño de Marston, así como pruebas de medición de motores de automóviles para verificar el ahorro de combustible. Estas confirmaron los beneficios del sistema de encendido de CD. Sin embargo, descubrió que el ingrediente central del diseño del CD residía en el cuidadoso bobinado manual del transformador de modo de conmutación y en la selección apropiada de los transistores del oscilador y la elección de la frecuencia del oscilador.
Por diversas razones, probablemente principalmente el costo, la mayoría de los sistemas de encendido posventa disponibles actualmente parecen ser del tipo de descarga inductiva, aunque en las décadas de 1970 y 1980 había una variedad de unidades de descarga capacitiva disponibles, algunas conservando los puntos mientras que otras proporcionaban un tipo alternativo de sensor de sincronización.
La mayoría de los sistemas de encendido que se utilizan en los automóviles son sistemas de encendido por descarga inductiva (IDI), que se basan únicamente en la inductancia eléctrica en la bobina para producir electricidad de alto voltaje para las bujías , ya que el campo magnético colapsa cuando se desconecta la corriente al devanado de la bobina primaria ( descarga disruptiva ). En un sistema CDI, un circuito de carga carga un condensador de alto voltaje y, en el instante del encendido, generalmente determinado por un sensor de posición del cigüeñal, el sistema deja de cargar el condensador, lo que permite que el condensador descargue su salida a la bobina de encendido antes de llegar a la bujía.
Un módulo CDI típico consta de un pequeño transformador , un circuito de carga, un circuito de activación y un condensador principal . En primer lugar, el voltaje del sistema se eleva a 250 a 600 voltios mediante una fuente de alimentación dentro del módulo CDI. Luego, la corriente eléctrica fluye al circuito de carga y carga el condensador. El rectificador dentro del circuito de carga evita la descarga del condensador antes del momento del encendido. Cuando el circuito de activación recibe la señal de activación, el circuito de activación detiene el funcionamiento del circuito de carga, lo que permite que el condensador descargue su salida rápidamente a la bobina de encendido de baja inductancia. En un encendido CD, la bobina de encendido actúa como un transformador de pulso en lugar de un medio de almacenamiento de energía como lo hace en un sistema inductivo. La salida de voltaje a las bujías depende en gran medida del diseño del encendido CD. Los voltajes que exceden las capacidades de aislamiento de los componentes de encendido existentes pueden provocar una falla temprana de esos componentes. La mayoría de los encendidos CD están hechos para dar voltajes de salida muy altos, pero esto no siempre es beneficioso. Cuando no hay señal de activación, el circuito de carga se vuelve a conectar para cargar el condensador.
La cantidad de energía que el sistema CDI puede almacenar para generar una chispa depende del voltaje y la capacitancia de los capacitores utilizados, pero generalmente es de alrededor de 50 mJ o más. El encendido estándar por puntos/bobina/distribuidor, más propiamente llamado sistema de encendido por descarga inductiva o sistema de encendido Kettering , produce 25 mJ a baja velocidad y disminuye rápidamente a medida que aumenta la velocidad.
Un factor que a menudo no se tiene en cuenta cuando se habla de la energía de la chispa del CDI es la energía real proporcionada al espacio de chispa frente a la energía aplicada al lado primario de la bobina. Como ejemplo sencillo, una bobina de encendido típica puede tener una resistencia del devanado secundario de 4000 ohmios y una corriente secundaria de 400 miliamperios. Una vez que se ha producido una chispa, el voltaje a través del espacio de chispa en un motor en marcha cae a un valor relativamente bajo, del orden de 1500-2000 voltios. Esto, combinado con el hecho de que la corriente secundaria de la bobina de 400 miliamperios pierde aproximadamente 1600 voltios a través de la resistencia secundaria de 4000 ohmios, significa que el 50% de la energía se pierde en el calentamiento del secundario de la bobina. Las mediciones reales muestran que la eficiencia en el mundo real es de solo el 35 al 38% cuando se incluyen las pérdidas del devanado primario de la bobina.
La mayoría de los módulos CDI son generalmente de dos tipos:
El módulo AC-CDI obtiene su fuente de electricidad únicamente de la corriente alterna producida por el alternador . El sistema AC-CDI es el sistema CDI más básico y se utiliza ampliamente en motores pequeños.
El módulo DC-CDI se alimenta mediante la batería, por lo que se incluye un circuito inversor DC/AC adicional en el módulo CDI para aumentar la tensión de 12 V CC a 400-600 V CC, lo que hace que el módulo CDI sea un poco más grande. Sin embargo, los vehículos que utilizan sistemas DC-CDI tienen un tiempo de encendido más preciso y el motor se puede poner en marcha más fácilmente cuando está frío.
No todos los sistemas de encendido de motores pequeños son CDI. Algunos motores, como los Briggs y Stratton más antiguos, utilizan encendido por magneto. Todo el sistema de encendido, la bobina y las bujías, se encuentran debajo del volante magnetizado.
Otro tipo de sistema de encendido que se utilizaba habitualmente en las pequeñas motocicletas todoterreno en los años 1960 y 1970 se denominaba transferencia de energía. Una bobina situada debajo del volante generaba un fuerte pulso de corriente continua a medida que el imán del volante se movía sobre ella. (Si se hacía girar el motor mientras se examinaba la salida de forma de onda de la bobina con un osciloscopio, parecería ser corriente alterna. Sin embargo, dado que el tiempo de carga de la bobina corresponde a mucho menos que una revolución completa del cigüeñal, la bobina realmente "ve" solo corriente continua para cargar la bobina de encendido externa). Esta corriente continua fluía a través de un cable hasta una bobina de encendido montada fuera del motor. Los puntos a veces estaban debajo del volante en el caso de los motores de dos tiempos, y comúnmente en el árbol de levas en el caso de los motores de cuatro tiempos. Este sistema funcionaba como todos los sistemas de encendido Kettering (puntos/bobina): los puntos de apertura desencadenaban el colapso del campo magnético en la bobina de encendido, lo que producía un pulso de alto voltaje que fluía a través del cable de la bujía hasta la bujía.
Existen algunos sistemas de encendido electrónico que no son CDI. Estos sistemas utilizan un transistor para activar y desactivar la corriente de carga de la bobina en los momentos adecuados. Esto elimina el problema de los puntos quemados y desgastados, y proporciona una chispa más caliente debido al aumento de voltaje y al tiempo de colapso más rápidos en la bobina de encendido.
Un sistema CDI tiene un tiempo de carga corto, un aumento rápido de voltaje (entre 3 ~ 10 kV/μs) en comparación con los sistemas inductivos típicos (300 ~ 500 V/μs) y una duración de chispa corta limitada a aproximadamente 50-600 μs. [ cita requerida ] El aumento rápido de voltaje hace que los sistemas CDI sean insensibles a la resistencia de derivación, pero la duración limitada de la chispa puede ser demasiado corta para proporcionar un encendido confiable en algunas aplicaciones. La insensibilidad a la resistencia de derivación y la capacidad de disparar múltiples chispas pueden proporcionar una capacidad de arranque en frío mejorada . [ cita requerida ]
Dado que el sistema CDI proporciona solo una chispa de duración reducida, también es posible combinar este sistema de encendido con la medición de ionización. Esto se hace conectando un voltaje bajo (aproximadamente 80 V) a la bujía, excepto cuando se enciende. El flujo de corriente a través de la bujía se puede utilizar para calcular la temperatura y la presión dentro del cilindro. [ cita requerida ]