domingo, 1 de março de 2015

IGNIÇÃO NOS MOTORES A EXPLOSÃO - O DOMÍNIO DA CENTELHA SOBRE A CHAMA


Motor  a gasolina de Gottlieb Daimler de 1883 com ignição por tubo quente - Fonte: Mercedes-Benz Blog

IGNIÇÃO ELÉTRICA JÁ NOS PRIMEIROS MOTORES COMERCIAIS


Os primeiros motores de combustão interna foram os motores a "explosão". Um dos grandes desafios que os inventores tiveram que resolver foi o de como inflamar a mistura ar-combustível confinada dentro do cilindro fechado e de forma controlada. Os dois  primeiros motores a obterem sucesso prático - primeiramente o dos italianos Barsanti e Matteucci e depois o de Lenoir - utilizavam a mesma solução: centelha elétrica.  Entretanto, em motores experimentais o sistema de ignição por centelha já havia sido utilizado pelo menos quase meio século antes. Um dos registros de pioneiros é o do motor movido a hidrogênio de Isaac de Rivaz, desenvolvido a partir de de 1804. Rivaz utilizou uma pilha de Volta para alimentar o circuito elétrico.

O primeiro motor de combustão interna a ser produzido comercialmente foi o de Lenoir, que utilizava ignição por centelha. Mas, durante as primeiras décadas de vida dos motores a "explosão", já como produto comercial, outros sistemas foram propostos com relativo sucesso até que a centelha viesse a se tornar o sistema padrão.

TRANSFERÊNCIA DE CHAMA NO MOTOR ATMOSFÉRICO DE OTTO

O segundo motor de combustão interna a ser produzido comercialmente foi o motor atmosférico, sem compressão, de Otto e Langen de 1882, que funcionava com um ciclo de 3 fases em 2 tempos mecânicos. A opção dos dois inventores alemães para esse motor não foi a ignição por centelha, desenvolveram um sistema de ignição por transferência de chama. O sistema tinha uma chama piloto mantida continuamente por um pequeno maçarico posicionado no lado externo do cilindro  próximo ao cabeçote. Uma válvula de correr permitia a aspiração da chama para o interior do cilindro durante um breve período de tempo de abertura. Esse sistema, apesar de primitivo, funcionou a contento. Uma mostra é que apesar de lançado seis anos após o motor de Lenoir, o superou em sucesso comercial com larga margem de vantagem ( o motor de Barsanti e Matteucci não chegou a ser produzido em escala comercial devido a morte de Barsanti). O que não quer dizer que seu sistema de ignição fosse mais eficiente que o sistema a centelha, mas, apenas que ele não criou problemas de aceitação.  Pois, o sucesso do motor de Otto e Langen é creditado ao seu bom rendimento térmico,  duas vezes superior ao de Lenoir,  alcançado graças a uma refinada configuração mecânica de funcionamento, similar ao dos italianos  Barsanti e Matteucci. A escolha de Otto e Langen pelo sistema de ignição por chama não parece ter sido orientada pela eficiência, se justifica pelo fato de que, na época, serem mais simples e fiáveis,  já que os sistemas elétricos ainda eram pouco desenvolvidos e a ignição por centelha dependia de pilhas para sua alimentação.


CENTELHA ELÉTRICA NO MOTOR DE QUATRO TEMPOS DE OTTO

Quando Otto e Langen começaram a desenvolver o motor de quatro tempos,  a opção por ignição a chama foi substituída pelo sistema de centelha. Um mudança imposta pelo novo ciclo mecânico de quatro tempos, que incluiu uma inédita fase de compressão. Como a ignição nesse tipo de motor deve acontecer com a pressão interna do cilindro bem superior a pressão atmosférica, o sistema de chama não pode ser aplicado, sendo tecnicamente inviável.  Quando os motores atmosféricos de Otto e Langen foram suplantados pelo motor de quatro tempos dos mesmos inventores, o sistema de ignição por centelha voltou a reinar absoluto.  Por outro lado, os sistemas de geração de eletricidade haviam melhorado e ainda prometiam grandes evoluções, o que só reforçava a opção da ignição por centelha.  Ainda assim, um novo sistema de ignição surgiu, o sistema de ignição por tubo quente, se mantendo como concorrente do sistema por centelha por um bom tempo.

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MOTOR "A EXPLOSÃO" UM NOME NÃO TÃO ADEQUADO

Apesar dos motores do ciclo Otto também serem popularmente conhecidos como motores a explosão, a rigor esse termo não é muito apropriado, já que "explosão" é sinônimo de detonação, uma expansão repentina, descontrolada. O que não se identifica muito com a combustão que ocorre nas câmaras dos motores Otto em seu funcionamento normal.  Onde as condições de pressão e ponto de ignição são, projetados, mantidos e ou controlados para a combustão ocorra de forma progressiva com a propagação regular da chama a partir do ponto de ignição que é a vela, ainda que em um tempo bastante curto. Isso garante relativa suavidade no funcionamento e durabilidade de todo o mecanismo.

A visão empírica que temos de explosão se identifica mais com um fenômeno indesejado nos motores de combustão que é a detonação, no qual a queima ocorre quase que simultaneamente em toda a mistura comprimida, logo após o início da inflamação da mistura, como resposta ao incremento da pressão na câmara de combustão, sem que haja  tempo para propagação da chama. Esse fenômeno provoca uma súbita elevação de pressão, gerando uma onda de choque tão forte que sua ocorrência pode ser percebida facilmente pelo ruído estridente que provoca, é a popular batida de pino. A batida de pino pode provocar inúmeros danos ao motor sendo o mais comum os furos nos pistões, quebras de anéis e empenos ou rachaduras no cabeçote. Além disso a detonação traz perda de rendimento do motor. Por esses motivos a detonação é um fenômeno indesejado e que deve ser evitado vigilantemente.

A IGNIÇÃO POR TUBO QUENTE SUCEDE A IGNIÇÃO POR CHAMA


Tubo de ignição quente - Fonte: Mercedes-Benz Blog


Com a rápida difusão dos motores de quatro tempos de ciclo Otto, o sistema de ignição por transferência de chama ficou relegado ao esquecimento, já que não era compatível com o novo ciclo devido a inclusão da fase de compressão. A razão prática era óbvia, a ignição agora teria de ocorrer com a mistura confinada hermeticamente dentro do cilindro para manutenção da pressão. O sistema de ignição por centelha passou a ser a única solução.   Até que surgiu um novo sistema ainda mais simples que o sistema de chama e que se adaptava muito bem ao motores com ciclo de combustão. Foi o sistema de ignição por tubo quente. Nele um tubo que se prolongava da câmara de combustão para o exterior e que era aquecido através de maçarico até ao rubro. Assim não se transferia a chama, mas o calor. Experiências anteriores já haviam demonstrado que a ignição de uma mistura ar-combustível poderia ser desencadeada em função da temperatura de um ponto quente, proporção da mistura ar-combustível e da pressão a qual estava submetida.  Assim, logo foi percebido que o fato da pressão do cilindro crescer com o avanço do pistão na fase de compressão de um motor a "explosão" de quatro tempos tornava a ignição por tubo quente viável, pois o ponto de ignição poderia ser definido em função da taxa de compressão e temperatura do tubo de ignição.

A primeira demonstração prática do uso desse sistema foi o motor construído por Gottlieb Daimler em 1883. Tratando-se de um motor de quatro tempos a gasolina, com válvula de admissão automática. Esse motor também se destacou por trazer, além do sistema de  ignição por tubo quente, um carburador bastante prático e por atingir velocidade de rotações bem superiores aos motores até então construídos, quase todos funcionando a gás de iluminação.

Esquema do motor de Gottlieb Daimler - Fonte: Mercedes-Benz Blog
O sistema de ignição por tubo quente se mostrou bastante prático e bem mais simples que o sistema de ignição por centelha que exigia muitos componentes e agregados como bateria e ou fonte de energia elétrica.  A grande limitação do sistema de ignição por tubo quente era a sensibilidade do ponto de ignição a variação de carga, problema inexistente na ignição por centelha. Entretanto haviam muitas aplicações onde esse problema não era evidenciado, aquelas onde a carga fosse de natureza contínua. Assim a ignição passou a ser a preferida em motores estacionários par aplicações com pouca variação de carga devido a sua maior simplicidade e fiabilidade em relação a ignição por centelha. Nas demais aplicações a ignição por centelha era a escolha natural.

O sistema de ignição chegou a ser utilizado em veículos, um dos que continuam em estado de funcionamento é o triciclo Leon Bollee de 1897 (ver vídeo no final do post), mas, certamente a dirigibilidade não era das melhores, pois esse sistema não permite uma marcha muito regular quando se tem variações de regime e de carga. Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybar, trabalhando juntos, chegaram a desenvolver com uma variante do sistema, que ao invés de utilizar chama para aquecimento do tubo se valia de resistência elétrica, de forma que através do controle da intensidade da corrente era possível controlar o ponto de ignição. Mas o sistema não se popularizou.

A ignição por tubo quente resistiu a concorrência da ignição por centelha por umas três décadas, mas a evolução dos sistemas de ignição por centelha, que avançava eficiência, flexibilidade, confiabilidade e diminuição de custos, acentuava cada vez mais as vantagens em relação ao sistema por tubo quente. Por outro lado, os motores Diesel e os de inflamação por bulbo quente, surgidos depois do motor Otto, se mostraram mais atraentes nas aplicações onde os motores a "explosão" com ignição por tubo quente ainda se mostravam atrativos, as de carga contínua. Assim, depois da década de 1910, praticamente não se fabricaram mais motores com ignição por tubo quente. Uma das únicas exceções são os motores utilizados em modelismo, aplicação onde a simplicidade e leveza tem mais importância que a economia de combustível, ainda assim trata-se de uma variante, pois, utilizam resistências elétricas com fio de níquel cádmio no lugar do tubo quente. Um destaque é que essas velas só precisam de corrente durante a partida e aquecimento do motor. Depois que o motor entra em marcha, o próprio calor das sucessivas combustões faz com que a a vela se mantenha na temperatura de operação. 

EVOLUÇÃO DOS MOTORES DE IGNIÇÃO POR CENTELHA

O SISTEMA UTILIZADO POR LENOIR EM SEU PRIMEIRO MOTOR



Desde os primeiros passos dos motores a "explosão", o sistema de ignição por centelha se manteve-se como a opção predominante, na maior parte do tempo. A evolução desde os motores de Lenoir até os dias atuais é notável, com muitos refinamentos, mas o princípio básico foi mantido. O sistema se baseia na produção de alta voltagem aplicada, no momento propício à  ignição, a eletrodos de centelhamento (eletrodos da vela) posicionados dentro dos cilindros, para produzir uma centelha elétrica e inflamar a mistura ar combustível. A configuração geral que Lenoir utilizou já era conhecida e  sua essência ainda pode ser identificada nos sistemas atuais.  

Em seu motor de 1865, Lenoir utilizou como fonte de energia uma bateria seca, já disponível comercialmente no tempo devido a popularização do telégrafo. Para obter a tensão necessária a produção da centelha, ele aplicou um circuito simples que se vale da capacidade de uma bobina de gerar picos de alta tensão quando  é provocado uma  interrupção brusca da corrente elétrica que circula na mesma. Essa implementação envolve apenas quatro componentes:  pilha seca, bobina indutiva, vela de ignição e o interruptor de corrente acionado por ressalto no eixo do motor.
Esse tipo de configuração já havia sido utilizada por alguns precursores como Isaac de Rivaz, que obteve patente para seu motor em 1807, e continuou sendo utilizada por alguns anos. Apesar de muito simples, tinha o inconveniente de que a corrente elétrica da centelha também circulava diretamente pela bateria.

 A ADOÇÃO DA BOBINA VIBRADORA


Registro de patente de 1886 para sistema de ignição com bobina vibradora requerida por  Lenoir

O esquema utilizado por Lenoir no seu primeiro motor, foi o padrão enquanto os motores giravam a rotações baixas, mas com a evolução dos motores e a forte demanda por motores que atingissem rotações de trabalho mais elevadas - requisito que melhorava a relação peso/potência e favorecia seu uso em automóveis - demonstrou que essa configuração não era a mais indicada devido ao limite de tempo necessário a  recuperação da corrente entre a geração de centelhas consecutivas.

Uma nova solução foi adotada nos motores de Lenoir e no carro de Karl Benz no mesmo ano, 1886. O novo esquema se valia da bobina vibradora que já era utilizada para, a partir de uma fonte de corrente contínua, gerar altas tensões necessárias  para alimentar lâmpadas de arco, transmissores de telegrafia sem fio e alguns poucos equipamentos elétricos, que no tempo tinham as baterias como principal fonte de energia elétrica. 

A bobina vibradora era uma associação de vibrador com um transformador isolador elevador de tensão formando um único conjunto montado num núcleo de ferro doce. O conjunto dispunha ainda, montados numa das extremidades do núcleo, de uma armadura solidária a um contato elétrico normalmente fechado de forma a atuarem como um relé operado pelo campo magnético do enrolamento primário.
 
O efeito de vibração era obtido devido ao enrolamento primário estar ligado a fonte primária através do contato normalmente fechado do conjunto. Devido ao arranjo geral, esse contato era comutado para o estado aberto em resposta ao campo magnético gerado pela energização da bobina. Como a abertura do contato provocava a desenergização da bobina, e seu consequente fechamento, o ciclo se repetia continuamente. Para se ter uma frequência estável de vibração, um capacitor era associado em paralelo ao enrolamento da bobina, formando ao mesmo tempo um filtro de transientes.
A variação cíclica de corrente obtida no enrolamento primário permitia que o conjunto funcionasse como transformador elevador de tensão. Para isso, o enrolamento secundário era feito com um número de muitas vezes superior ao enrolamento primário. Esse arranjo se mostrou bastante eficiente e praticamente se tornou padrão pelas quatro décadas seguintes. Esse sistema ficou por ter sido adotado nos primeiros veículos produzidos pela Ford. Além do seu zumbido característico esse sistema ainda chama a atenção atualmente pelo fato de poder fazer o motor arrancar pelo simples ativação da ignição. Mas, isso acontecia após uma parada do motor com o posicionamento de um dos pistões próximo ao ponto de ignição. A Ford fabricou automóveis com esse sistema até o ano de 1927.



AUTONOMIA EM GERAÇÃO DE ELETRICIDADE NOS MOTORES

Esquema de ignição do Ford modelo T - Fonte: mtfca.com

Durante os primeiros anos, o sistema de ignição por centelha dependeu das pilhas químicas como fonte de energia elétrica, um inconveniente. Nos primeiros veículos, além de combustível o motorista tinha que se preocupar com a substituição das pilhas, ou baterias que eram recarregadas fora do veículos, para poder manter o motor funcionando.  Isso acontecia com os veículos mais populares do início do século XX.  Até que a Ford resolveu adotar a inclusão de magnetos em seus veículos a partir de 1908O primeiro esquema adotado só permitia que o magneto fosse utilizado após o motor ser posto em marcha, a partida continuava dependendo das pilhas, havendo um comutador para ser acionado manualmente. Nesse tempo ainda era comum automóveis serem produzidos com faróis alimentados por acetileno devido as dificuldades de se produzir dínamos e baterias compactos e eficientes, bem como lâmpadas duráveis. O aprimoramento dos circuitos elétricos dos automóveis, impulsionado pela demanda crescente de acessórios fez que a bateria passasse a um componente indispensável, isso tornou obsoleto a utilização das bobinas vibradoras. O sucessor foi o sistema Delco patenteado por Charles Franklin Kettering em 1910 e que se tornou padrão a partir da segunda década do século XX e perdurou até a popularização da ignição eletrônica.


Ilustração do sistema de ignição baseado no modelo de Kettering - Fonte: Wikipedia




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 Leon Bollee - ignição por tubo quente



Réplica do motor de Gottlieb Daimler de 1883



  
Partida em um motor a gás com ignição de tubo quente

Motor a gás de ignição por tubo quente em funcionamento

Motor de aeromodelo - ignição por vela térmica



Ignição tipo Delco - ilustração do funcionamento



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