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ELECTRICIDAD DEL AUTOMÓVIL

SISTEMA DE ENCENDIDO ELECTRONICO

Un francés llamado Etienne Lenoir inventó la bujía eléctrica en 1860. Las bujías no han cambiado mucho desde entonces. Sin embargo, el " disparo " de la bujía ha tenido una mejor evolución. El Padre de la ignición es Charles Franklin Kettering  . En 1909 , Kettering, en asociación con Edward A. Deeds , organizó la Dayton Engineering Laboratories Company (Delco). Como usted ya ha comenzado a adivinar por el nombre ... se inventó el primer generador del automóvil. Ese camino a la invención del generador les trajo todos los conceptos de diseño que se utilizarían para soñar con motores de arranque, componentes del sistema de encendido , etc . Así , es que en 1910 Kettering comenzó a trabajar en nuevos sistemas eléctricos de automóviles . Notablemente también inventó el primer " auto-arranque " en 1912. En dos años, la mayoría de los coches estaban equipados con este nuevo dispositivo . Kettering se convirtió en jefe de los laboratorios de investigación de la General Motors y Vice Presidente de la Corporación . El "Jefe Ket " eventualmente recibió más de 160 patentes en Estados Unidos para sus ideas.

Es en 1911 que desarrolló el primer sistema eléctrico de ignición  (o al menos los conceptos de diseño que conducen a su invención). Estas primeras patentes son difíciles de rastrear, pero un poco de investigación muestra que Kettering inventó el " sistema de arranque de motor, iluminación y encendido"

Hoy hay muchos tipos diferentes de sistemas de encendido. La mayoría de estos sistemas se pueden colocar en uno de tres grupos distintos: los convencionales sistemas de encendido de tipo  interruptor de punto (en uso desde la década de 1900), los sistemas de encendido electrónico (popular desde mediados de los 70), y el sistema de encendido sin distribuidor (introducido en mediados de los 80).

 

El del automóvil tiene dos funciones básicas: debe controlar la chispa y el momento de disparo de la bujía para que coincida con los diferentes requisitos de los motores, y se debe aumentar la tensión de la batería a un punto en el que pueda superar la resistencia ofrecida por la distancia de aire entre los electrodos y disparar la bujía.

La necesidad de un mayor kilometraje, emisiones reducidas y una mayor fiabilidad han llevado al desarrollo de los sistemas de encendido electrónico. Estos sistemas generan una chispa mucho más fuerte que la necesaria para encender mezclas de combustible más pobres. Los sistemas de platino necesitaban de una resistencia para reducir el voltaje de funcionamiento del circuito primario con el fin de prolongar la vida de los contactos. El circuito primario de los sistemas de encendido electrónico opera con el voltaje de la batería completa lo que ayuda a desarrollar una chispa más fuerte. La separación de electrodos de las bujías se ha ampliado debido a la capacidad de una mayor tensión para saltar un espacio de aire más grande. Una combustión más limpia y menos depósitos han llevado a una mayor vida útil de  las bujías.

La diferencia básica entre el sistema de punto de contacto y el encendido electrónico se encuentra en el circuito primario. El circuito primario en un sistema de ignición de punto contacto es abierto y cerrado por los puntos de contacto o platino. En el sistema electrónico, el circuito primario es abierto y cerrado por la .

Los circuitos secundarios son prácticamente los mismos para los dos sistemas. La diferencia es que el distribuidor, bobina de ignición, y el cableado se alteran para manejar la alta tensión producida por el electrónico.

Una ventaja de esta tensión más alta (hasta 60.000 voltios) es que se pueden utilizar bujías con mayores separaciones de electrodos. Esto resulta en una chispa más larga, que puede encender mezclas de aire-combustible más pobres de combustible. Como resultado, los motores pueden funcionar con mezclas mas pobres para mejor economía de combustible y menos emisiones.

Figura: Sistema electrónico de ignición típico. Véase su similaridad con el sistema convencional básico.

En algunos sistemas, la bobina de encendido se ha movido dentro de la tapa del distribuidor. Este sistema se dice que tiene un serpentín interno en lugar del externo convencional.

Los sistemas de encendido electrónico no son tan complicados como puede parecer al principio. De hecho, sólo se diferencian ligeramente de los sistemas convencionales de punto de ignición. Al igual que los sistemas de encendido convencionales, los sistemas electrónicos tienen dos circuitos: un circuito primario y un circuito secundario. El circuito secundario completo es el mismo que en un sistema de encendido convencional. Además, la sección del circuito primario de la batería al terminal de la batería en la bobina es la misma que en un sistema de encendido convencional.

Los sistemas de encendido electrónico difieren de los sistemas de encendido convencionales en el área del componente distribuidor. En lugar de una leva de distribuidor, platinos, contactos, y un condensador, un electrónico tiene una armadura (llamada por varios nombres, tales como, una rueda gatillo, reluctor, etc), una bobina de captación (estator, sensor, etc), y un módulo de control electrónico.

Componentes electrónicos del sistema de encendido

Todos los componentes de un sistema de encendido electrónico,  independientemente del fabricante, realizan las mismas funciones. Cada fabricante tiene su propia terminología preferida y ubicación de los componentes. Los componentes básicos de un sistema de encendido electrónico son las siguientes:

Rueda gatillo: La rueda gatillo, también conocida como un reluctor, pieza polar, o armadura, está conectada al extremo superior del eje del distribuidor. La rueda gatillo reemplaza a la leva de distribuidor. Como los lóbulos de leva de distribución, la cantidad de dientes de la rueda gatillo iguala al número de cilindros del motor.

Bobina de captación: La bobina de captación, también conocida como conjunto sensor, bobina  sensor, o conjunto de sensor magnético, produce sobretensiones de voltaje pequeño para la unidad de encendido de los sistemas de control electrónico. La bobina de captación es un pequeño conjunto de devanados que forman una bobina.

Unidad amplificadora de sistema de control de encendido electrónico: La unidad amplificadora de sistema de control de encendido electrónico o módulo de control es un "interruptor electrónico" que conecta y desconecta la corriente principal de la bobina de encendido. La ECU realiza la misma función que los puntos de contacto. La ECU de encendido es una red de transistores, condensadores, resistencias, y otros componentes electrónicos sellados en una caja de metal o plástico. La ECU puede estar situada (1) en el compartimiento del motor, (2) a un lado del distribuidor, (3) en el interior del distribuidor, o (4) bajo el tablero del vehículo. El tiempo de reposo de ECU (el número de grados que el circuito conduce la corriente a la bobina de encendido) está grabado en el circuito electrónico de la ECU y no es ajustable.

Operación del sistema de encendido electrónico

Con el motor en marcha, la rueda de gatillo gira dentro del distribuidor. A medida que un diente de la rueda de disparo pasa frente a la bobina de captación, el campo magnético se refuerza alrededor de dicha bobina. Esta acción cambia el voltaje de salida o el flujo de corriente a través de la bobina. Como resultado, una carga eléctrica se envía a la unidad de control electrónico, a medida que los dientes de la rueda de disparo o reluctor pasan por la bobina de captación.

La unidad de control electrónico amplifica las sobretensiones eléctricas de los ciclos de encendido /apagado a la bobina de encendido. Cuando la ECU está encendida, pasa corriente a través de los devanados primarios de la bobina de encendido, desarrollando así un campo magnético. A continuación, cuando la rueda de disparo y la bobina de captación desconectan la ECU, el campo magnético dentro de la bobina de encendido colapsa y se dispara una bujía.

Solución de problemas de los sistemas electrónicos de ignición normalmente requiere el uso de un voltímetro y / o un óhmetro. Algunas veces el uso de un amperímetro también es necesario. Debido a las diferencias en el diseño y la construcción, la solución de problemas es específica para cada sistema.

Sistema de encendido sin distribuidor

El tercer tipo de sistema de encendido es el encendido sin distribuidor. Las bujías son disparadas directamente desde las bobinas. La sincronización de la chispa es controlada por una unidad de control de ignición (UCI) y la Unidad de Control del Motor (ECU). El sistema de encendido sin distribuidor puede tener una bobina por cilindro, o una bobina para cada par de cilindros.

Algunos sistemas populares utilizan una bobina de encendido por cada dos cilindros. Este tipo de sistema se conoce a menudo como el método de distribución de chispa residual. En este sistema, cada cilindro está emparejado con el cilindro opuesto en el orden de encendido (normalmente 1-4, 2-3 en motores de 4 cilindros o 1-4, 2-5, 3-6 en los motores V6). Los extremos de cables de cada bobina secundaria están unidos a las para los opuestos apareados. Estas dos bujías están en cilindros compañeros, cilindros que están en punto muerto superior al mismo tiempo. Pero, que son opuestos apareados, porque siempre están en los extremos opuestos del ciclo del motor de 4 tiempos. Cuando uno está en el punto muerto superior de la carrera de compresión, el otro está en el punto muerto superior de la carrera de escape. El que está en compresión se dice que es el cilindro de eventos y otro en la carrera de escape, el cilindro residual. Cuando la bobina se descarga, ambas se encienden al mismo tiempo para completar el circuito en serie.

Puesto que la polaridad de los devanados primario y secundario están fijos, una bujía se dispara siempre en una dirección hacia adelante y la otra en sentido inverso. Esto es diferente a un sistema convencional de disparo que dispara todas en la misma dirección cada vez. Debido a la demanda de energía adicional, el diseño de la bobina, el tiempo de saturación y el flujo de corriente principal son también diferentes. Este nuevo diseño del sistema permite entregar una mayor energía, que esta disponible a partir de las bobinas sin distribuidor mayor a 40 kilovoltios en todos los rangos de revoluciones.

El Sistema de encendido directo (DIS) utiliza ya sea un sensor magnético de cigüeñal, sensor de posición del árbol de levas, o ambos, para determinar la posición del cigüeñal y la velocidad del motor. Esta señal se envía al módulo de control de ignición o el módulo de control del motor, que entonces activa la bobina correspondiente.

Las ventajas de ningún distribuidor, en teoría, son:

  • No hay ajustes de tiempo
  • No hay tapa del distribuidor y ni rotor
  • No hay partes móviles que se desgasten
  • Ningún distribuidor que acumule humedad y cause problemas de arranque
  • Ningún distribuidor que mover proporcionando así menos fricción del motor

Los principales componentes de un sistema de encendido sin distribuidor son:

  • o Centralita de motor
  • Dispositivo Magnético de disparo, tales como el sensor de posición del cigüeñal y el sensor de posición del árbol de levas
  • Conjuntos de

Figura: Esquema de un sistema de encendido sin distribuidor típico.

Figura: Componentes de un sistema de encendido sin distribuidor típico.

Sensor de efecto Hall

Algunos distribuidores electrónicos tienen un sensor magnético de efecto Hall. Cuando un obturador de acero se mueve entre los dos polos de un imán, el mismo corta el magnetismo entre los dos polos. El distribuidor de efecto Hall tiene un rotor con placas curvas, llamadas obturadores. Estos obturadores están curvados para que puedan pasar a través del espacio de aire entre los dos polos del sensor magnético, a medida que el rotor gira. Al igual que la rueda de gatillo, tiene el mismo número de obturadores como cilindros del motor.

Cada vez que un obturador se mueve a través del espacio de aire entre los dos polos del sensor magnético, el mismo corta el campo magnético entre los polos. Esta acción proporciona una señal a la ECU. Cuando un obturador no está en interponiéndose, el sensor magnético está produciendo una tensión. Esta tensión está indicando a  la ECU que permita que la corriente fluya a través del devanado primario de la bobina de encendido. Sin embargo, cuando el obturador se mueve para cortar el campo magnético, la tensión de la señal cae a cero. La ECU entonces corta la corriente al devanado primario de las bobinas de encendido. El campo magnético colapsa, haciendo que el devanado de bobina secundaria produzca una sobretensión. Este alto voltaje es enviado por el rotor a la bujía correspondiente.

Dispositivos de sincronización de ignición

El tiempo de ignición se refiere a cuánto tiempo antes o después las se encienden en relación con la posición de los pistones del motor. La regulación del encendido debe variar con la velocidad del motor, carga y temperatura.

El encendido es la medida, en grados de rotación del cigüeñal, del punto en el que las bujías se encienden en cada uno de los cilindros. Se mide en grados antes o después del punto muerto superior (PMS) de la carrera de compresión. La medición de tiempo se da en grados de rotación del cigüeñal antes de que el pistón alcance el punto muerto superior (PMS). Entonces, si el ajuste del tiempo de encendido es de 5 ° antes del punto muerto superior, la bujía debe disparar 5 ° antes de que cada pistón alcance dicho punto. Esto sólo es cierto, sin embargo, cuando el motor está al ralentí o marcha en vacío

Debido a que toma una fracción de un segundo para que la bujía encienda la mezcla en el cilindro, la bujía debe disparar la chispa un poco antes de que el pistón alcance el punto muerto superior. De lo contrario, la mezcla no será completamente encendida a medida que el pistón pase dicho punto y la potencia de la explosión no será utilizada por el motor.

A medida que aumenta la velocidad del motor, los pistones van más rápido. Las bujías deben encender el combustible incluso antes, si es que el mismo va a ser completamente encendido cuando el pistón alcance el PMS. Para hacer esto, los distribuidores tienen diversos medios de avance de la sincronización de la chispa a medida que aumenta la velocidad del motor. En vehículos antiguos, esto fue logrado por pesos centrífugos en el distribuidor junto con un diafragma de vacío montado en el lado del mismo. Los vehículos posteriores están equipados con un sistema electrónico de sincronización de la chispa en la que no se utiliza ningún vacío o de avance mecánico, en su lugar toda la sincronización cambia en forma electrónica según los cambios de señales provenientes de varios sensores.

La sincronización del encendido en muchos de los vehículos de hoy en día es controlado por la electrónica de control del motor y no es ajustable. Sin embargo, la temporización se puede leer usando una herramienta de análisis conectado a la ficha de salida  de enlace de datos.

El encendido antes de tiempo sucede cuando las bujías de encienden antes del fin de la carrera de compresión del motor. El temporizado o sincronización está ajustado varios grados antes del punto muerto superior (PMS). Más tiempo de avance se requiere a velocidades más altas para dar a la combustión tiempo suficiente para desarrollar la presión sobre la carrera del pistón. O sea, si el encendido se ajusta demasiado avanzado, el encendido y la expansión del combustible en el cilindro se produce demasiado pronto y tienden a forzar el pistón hacia abajo, mientras que todavía hace su  recorrido hacia arriba. Esto provoca detonaciones en el motor. 

Si la chispa de encendido está demasiado retrasada, después de PMS, el pistón ya ha pasado el  PMS  y comenzado  su camino hacia abajo cuando el combustible se enciende. Esto hará que el pistón sea forzado hacia abajo por sólo una parte de su recorrido. Esto resultará en un pobe rendimiento del motor y falta de potencia.

El retardo de tiempo ocurre cuando las bujías encienden mucho después de las carreras de compresión. Esto es lo contrario al encendido antes de tiempo. Un retardo de chispa se requiere a velocidades más bajas y en condiciones de carga alta. El retardo de tiempo evita que el combustible se queme demasiado en la carrera de compresión, lo que causaría detonación o  “pistoneo”.

Figura: Combustión normal en el motor

Figura: La preignición es justo lo que su nombre implica: la ignición del combustible antes del tiempo de la chispa. Cualquier punto caliente dentro de la cámara de combustión, como depósitos calientes de carbón, bordes metálicos agudos o chispas de bujía recalentadas causan la preignición.

Los métodos básicos para controlar el tiempo de encendido del sistema son los siguientes:

  • Avance centrífugo (controlado por la velocidad del motor)
  • Avance al vacio (controlado por el vacío del múltiple de admisión y la carga del motor)
  • Avance computarizado (controlado por diversos sensores: de velocidad, temperatura, consumo, vacío,   posición del acelerador, etc.)

Avance centrífugo

El avance centrífugo hace que la bobina de encendido y las bujías enciendan antes a medida que aumenta la velocidad del motor, utilizando pesos a resorte, fuerza centrífuga, y la acción de palanca para rotar la leva del distribuidor o de la rueda gatillo. La sincronización de la chispa se hace avanzar mediante la rotación de la leva de distribuidor o rueda gatillo contra la rotación del eje del distribuidor. Esta acción ayuda a la sincronización correcta del encendido para máxima  potencia del motor. Básicamente el avance centrífugo consta de dos pesos anticipados, dos resortes, y una palanca de avance.

Durante los períodos de baja velocidad del motor, los resortes  mantienen los pesos de avance hacia adentro, hacia la leva del distribuidor o la rueda de gatillo. En este momento no hay suficiente fuerza centrífuga para empujar el peso hacia afuera. El tiempo se mantiene en su configuración inicial normal.

Conforme aumenta la velocidad, la fuerza centrífuga sobre los pesos los mueve hacia fuera contra la tensión del resorte. Este movimiento hace que la leva del distribuidor o de la rueda de gatillo se muevan hacia adelante. Con este diseño, cuanto mayor es la velocidad del motor, más rápido girará  el eje del distribuidor, más lejos se moverán los pesos de avance, y más lejos por delante la leva o rueda de gatillo se moverá hacia delante o avanzada. A una velocidad de motor preestablecida, la palanca golpea un tope y avance centrífugo alcanza el máximo.

La acción del avance centrífugo hace que los puntos de contacto se abran más pronto, o la rueda de gatillo y la bobina de captación apaguen antes la ECU. Esto hace que la bobina de encendido se active con los pistones del motor no tan arriba en los cilindros.

Avance de vacío

El avance de vacío proporciona avance adicional de la chispa cuando la carga del motor es baja en la posición de media aceleración. Es un método de hacer coincidir el tiempo de encendido con la carga del motor. El avance de vacío aumenta el ahorro de combustible, ya que ayuda a mantener el avance de chispa de combustible con marcha de parada (al ralentí) en todo momento. Un avance de vacío consta de un diafragma de vacío, enlace, placa distribuidora móvil, y una manguera de suministro de vacío.

En marcha de parada, el orificio de vacío del carburador o cuerpo del acelerador para el avance del distribuidor está cubierto, por lo que NO se aplica vacío a la membrana de vacío, y la sincronización de la chispa NO es avanzada. A aceleración parcial, la válvula de mariposa abre el puerto de vacío y el puerto está expuesto a vacío del motor. El vacío tira de la membrana hacia el exterior contra la fuerza del resorte. El diafragma está vinculado a una placa de distribuidor móvil, que se hace girar contra la rotación del eje del distribuidor y sincronización de la chispa es avanzada.

El avance de vacío no produce ningún avance a toda marcha. Cuando la válvula de mariposa está completamente abierta, el vacío es casi cero. Por lo tanto NO hay vacío aplicado al diafragma distribuidor y el avance de vacío NO funciona.

Avance computarizado

El avance computarizado, también conocido como sistema de avance electrónico de chispa, utiliza diversos sensores del motor y un circuito computarizado para controlar el tiempo de encendido. Los sensores del motor comprueban varias condiciones de operación y envían los datos eléctricos a la computadora. El ordenador puede cambiar el tiempo de encendido para eficiencia máxima del motor.

Los sensores del sistema de encendido del motor son los siguientes:

  • Sensor de velocidad del motor (informa de la velocidad del motor a la computadora)
  • Sensor de posición del cigüeñal (reporta posición del pistón)
  • Interruptor de posición de acelerador (informa la posición del acelerador)
  • Sensor de temperatura del aire de entrada (comprueba la temperatura del aire que entra en el motor)
  • Sensor de temperatura de refrigerante del motor (mide la temperatura de funcionamiento del motor)
  • Sensor de detonación (permite a la computadora  retardar la sincronización cuando el motor pistonea )
  • Sensor  de entrada de vacio  (mide el vacío del motor, un indicador de carga)

El ordenador recibe diferentes niveles de corriente o de tensión (señales de entrada) desde estos sensores. Está programado para ajustar el tiempo de encendido sobre la base de las condiciones del motor. El equipo puede ser montado sobre el filtro de aire, debajo del tablero, en un panel de defensa, o debajo de un asiento.

El siguiente es un ejemplo de la operación de un avance computarizado. Un vehículo circula por la carretera a 80 km/h, y el sensor de velocidad detecta una velocidad del motor moderada. El sensor de posición del acelerador detecta aceleración parcial y los sensores de entrada de aire y de temperatura del refrigerante reportan temperaturas normales de operación. El sensor de vacío de entrada envía señales de alto vacío a la computadora.

El ordenador recibe todos los datos y calcula que el motor requiere máximo avance de chispa. La sincronización se producirá varios grados antes del PMS en la carrera de compresión. Esta acción asegura que se alcanza alta economía de combustible en la carretera.

Si el operador comienza a pasar a otro vehículo, el sensor de vacío detecta una caída de vacío a cerca de cero y se envía una señal al ordenador. El sensor de posición del acelerador detecta una mariposa totalmente abierta y otros sensores de salida dicen lo mismo. El ordenador recibe y calcula los datos, y luego, si es necesario, retarda el tiempo de encendido para evitar detonaciones o pistoneo.

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