google.com, pub-3521758178363208, DIRECT, f08c47fec0942fa0 DWELL: A EVOLUÇÃO DE UM PRINCÍPIO - AUTOentusiastas Classic (2008-2014)
publicado por André Dantas em julho 05, 2011 18 comentários
Fig. 1 Esquema de um rupor mostrando a variação do dwell com a folga nos contatos. Em vermelho, menos folga, dwell menor
Schliesswinkel = Ângulo de permanência
Öffnungswinkel = Ângulo de abertura
Amboss (verstellbar) = Martelete (ajustável)
Ablenkehöhe = Folga
Unterbrechenocken = Ressalto de interrupção
Dando continuidade à história da ignição, vamos aprofundar a visão em cima de um fator muito pouco compreendido, até mesmo pelos mecânicos mais velhos e experientes. Também vamos ver como a evolução tecnológica ofereceu diferentes soluções técnicas para um fator tão importante para a ignição quanto o ponto de centelhamento.
Vimos no artigo anterior que o engenheiro Charles Franklin Kettering patenteou o sistema Delco de ignição, usando uma bobina de ignição operando como bobina de Rhumkorff. Este é o nosso ponto de partida.
No sistema Delco, o platinado é um interruptor elétrico simples, que abre e fecha sincronizado com a rotação do motor. Ele fecha o contato, a corrente elétrica flui pelo enrolamento primário da bobina e pelo platinado, e esta corrente cria um campo magnético no núcleo de aço da bobina.
Após um determinado tempo, o platinado se abre e corta a corrente elétrica. Sem a corrente elétrica, o campo magnético não pode ser mantido, e, ao colapsar, induz uma alta tensão no enrolamento secundário da bobina, e cria uma corrente elétrica de alta tensão que produz a centelha na vela de ignição.
Fig.2 Sistema Delco convencional
Isso é o que todo entusiasta mais aplicado sabe sobre esses sistemas. Porém, vamos refazer este processo em ordem inversa, acompanhando o caminho da energia.
A centelha da ignição é uma descarga elétrica que forma um plasma no meio da mistura ar-combustível. Esta centelha é animada por um alto patamar energético para atingir temperaturas muito elevadas num intervalo de tempo muito curto.
Esta energia estava acumulada na forma do campo magnético do núcleo da bobina. Ao cortar a corrente do circuito primário, este campo magnético deveria deixar de existir, mas como é uma forma de energia que não pode ser destruída, se transforma em energia elétrica no enrolamento secundário da bobina quando o campo magnético colapsa.
O campo magnético colapsa na abertura do platinado, mas se forma previamente a partir do fechamento anterior do platinado.
O circuito elétrico do platinado chaveando o enrolamento primário da bobina de ignição é muito parecido com o circuito elétrico que controla uma lâmpada, porém esta possui uma diferença que muda tudo.
Uma lâmpada é praticamente uma resistência pura. Ligou, a corrente se estabelece instantaneamente e a lâmpada acende.
A bobina de ignição é um componente elétrico mais complexo, porque a oposição de dois fenômenos eletromagnéticos a torna um elemento reativo.
O primeiro fenômeno é o que estabelece que o campo magnético no interior da bobina é proporcional à corrente que atravessa suas espiras, e a quantidade de energia acumulada nele é proporcional ao quadrado do valor desta corrente.
O segundo fenômeno diz que um campo magnético variável induz em um condutor elétrico uma determinada tensão elétrica que se opõe à passagem da corrente que o gera.
Antes da bobina ser ligada, o campo magnético no núcleo é nulo. No preciso instante em que o platinado se fecha e a corrente começa a fluir, começa a se formar um campo magnético no núcleo. Porém, como a corrente e o campo magnético sairam de valores nulos para valores não nulos num instante posterior, então eles variaram.
O campo magnético variável induz no enrolamento primário da bobina de ignição uma tensão que se opõe à tensão da bateria. Com esta oposição, a corrente não se estabelece instantaneamente, mas cresce desde continuamente desde zero.
Como resultado, ao contrário da lâmpada, a corrente na bobina e o campo magnético no núcleo crescem de forma progressiva, assim como o acúmulo de energia que depois será usada na formação da centelha na vela.
O comportamento da bobina é a de um componente elétrico chamado indutor associado com uma resistência elétrica do condutor da bobina, e a quantidade de energia armazenada no campo magnética deste indutor é calculada pelo valor de usa indutância multiplicada pelo valor da corrente ao quadrado e o resultado dividido por dois.
Fig 3: Curvas de corrente de um circuito puramente resistivo e de um indutivo
Sendo assim, a energia da centelha é dependente do tempo que o platinado permanece fechado antes de abrir e liberar a centelha. Este tempo do platinado fechado, transferindo energia para o núcleo da bobina é chamado de "dwell" ou "permanência".
No sistema Delco convencional, um mesmo circuito de enrolamento primário da bobina e platinado é usado para gerar corrente de alta tensão para todos os cilindros do motor.
Como o platinado é acionado mecanicamente por um sistema de ressalto sincronizado com o virabrequim, o dwell é expresso em termos de ângulo (Fig.1). Isto aparece em medidores de diagnóstico de ignição e em algumas pistolas estroboscópicas de ponto.
Fig. 4 Medidor de diagnóstico de motores, com função de dwell
Apesar de ter sua especificação em ângulo, a forma de regular o dwell no platinado era feita através do ajuste da folga dos contatos do platinado no seu ponto de abertura máxima. Aí vinha outra forma de especificar o dwell, medindo a abertura dos contatos através de um calibre de lâminas. Na maioria dos casos essa abertura é de 0,4 mm ou 0,016 pol.
Fig. 5: Ajuste do dwell ajustando a folga do platinado com uma lâmina de calibre
Estas múltiplas formas de avaliar o dwell gerou muita confusão sobre a real importância do dwell por gerações de mecânicos. Este sistema Delco original, apesar de trabalhar razoavelmente, também estava muito longe da perfeição.
Como o dwell era dependente do ângulo de fechamento do platinado, mas a carga do campo magnético da bobina de ignição continuava dependendo do tempo, quanto maior a rotação, menor era o tempo de carga da bobina de ignição, e a centelha se ressentia da falta de energia nas altas rotações. Como consequência, os motores rendiam uma potência bem abaixo da possível.
Uma das primeiras façanhas dos velhos preparadores de hot rods foi a de usar uma abertura de platinado bem menor, permitindo que a bobina tivesse um maior tempo de carga, mais adequado nas rotações mais altas. Este truque bem simples permitia que os motores ganhassem 1.000 ou 1.500 rpm de rotação máxima, com ganho proporcional de potência.
Por outro lado, quando o carro era usado normalmente, o longo tempo de carga da bobina a sobreaquecia até queimá-la, deixando seu motorista à pé.
O dwell prolongado era um "veneno" para a saúde do motor, assim como outras preparações de época, e o termo se tornou um sinônimo de preparação até os dias atuais.
O dwell prolongado, com o uso de uma folga reduzida do platinado, não era usado só para ganhar potência em altas rotações. Quando a tensão da bateria cai, o tempo para que a bobina de ignição atinja uma corrente mínima no seu primário é ampliado.
Nestes tempos remotos, muitos carros eram equipados com sistemas elétricos de 6 volts, e esta tensão caía bastante no momento da partida.
Aumentar o tempo de dwell, reduzindo a folga dos contatos, era uma forma de obter uma partida mais fácil, especialmente com o motor frio.
As restrições impostas pelo dwell eram severas. Um dwell curto demais dificultava a partida e reduzia a potência em alta rotação; se longo demais, acarretava a queima prematura da bobina e desgaste acelerado do platinado, incapacitando o uso do veículo ou levando-o muito cedo para a oficina.
Em casos extremos, como em carros de corrida, a solução era o uso de múltiplos disbribuidores com bobinas de ignição separadas, como nestes motores Porsche:
Outros fabricantes partiram para soluções ainda mais inusitadas. Os DKW possuíam motores de três cilindros a dois tempos, exigindo uma ignição em tudo similar a de um motor de 6 cilindros de 4 tempos. Se usasse um sistema Delco convencional, o motor perderia potência em alta rotação, onde justamente um motor de dois tempos se dá melhor.
A opção foi usar um sistema direto, sem distribuidor, com três circuitos completamente independentes de bobinas, platinados e capacitores, um para cada cilindro.
A mesa de platinados do DKW, fixada na ponta dianteira do virabrequim é um show à parte, com parafusos de ajuste que facilitam o acerto de dwell e ponto individual para cada cilindro, bem como um ajuste conjunto de ponto girando-se a mesa com um todo.
Por estar fora de um distribuidor, todas as regulagens ficam disponíveis com o motor em funcionamento, facilitando o ajuste preciso por meio de uma pistola estroboscópica.
Fig. 6 Mesa de platinados do motor DKW. Os três capacitores ficam atrás dela
Na época dos DKW, ainda era comum o uso de sistemas elétricos de 6 volts, porém sistemas de tão baixa tensão oferecem uma desvantagem.
Potência elétrica é o produto da tensão pela corrente. Para uma mesma potência, se a tensão é baixa, a corrente deve ser proporcionalmente maior. A corrente maior precisa passar por vários contatos, que oferecem sempre alguma resistência, e a queda de tensão é maior. E como a corrente é mais alta, os fios precisam ser de bitola maior e, sendo eles de cobre, um metal cada vez mais caro, isso levaria a aumentar o custo dos veículos.
No caso da ignição, uma tensão mais baixa impõe uma carga mais lenta para a bobina, e logo o tempo de fechamento do platinado não é suficiente para que o núcleo da bobina se magnetize adequadamente. A ignição perde eficiência rapidamente.
O problema da ignição, além de outros, foi fundamental para a evolução dos sistemas elétricos automobilísticos rumo aos 12 volts que usamos atualmente.
Com o dobro da tensão, a carga da bobina era mais rápida, e o motor poderia atingir uma rotação ainda mais alta sem perda de rendimento e com uma partida mais consistente e mais fácil.
Aqui o sistema de ignição totalmente eletromecânico atingia seu máximo, e prosseguia em sua evolução com a introdução da eletrônica.
O primeiro passo nas ignições eletrônicas ocorreu com a substituição do platinado como elemento interruptor da corrente da bobina de ignição por um transístor. O platinado como elemento de interrupção apresenta centelhamento entre seus contatos, causando uma centelha menos estável e energética no secundário da bobina.
Já o transístor é um elemento que opera sem contato mecânico, podendo realizar o corte da corrente primária da bobina milhares de vezes mais rápido que o platinado e sem produzir centelhas.
O platinado ainda era mantido como elemento de comando, e os ajustes de ponto e folga (dwell) do platinado ainda eram os mesmos da ignição convencional. Sem centelhamento nos contatos, a durabilidade e a regulagem adequada do platinado eram prolongadas em relação ao sistema eletromecânico.
Este sistema de ignição eletrônica logo virou uma febre. Não só foi adotado por fabricantes, como era facilmente construído por qualquer entusiasta por um preço muito baixo, e sua instalação era muito simples, sem modificações.
As revistas de eletrônica, verdadeira coqueluche do fim dos anos 60 e toda década de 70, estavam cheias de diagramas de módulos transistorizados de diferentes configurações, capacidades e propriedades, muitos dos quais também eram vendidos em kits para os praticantes amadores.
Mesmo com todas estas melhorias o sistema ainda estava aquém do seu potencial. Surgem então as chamadas "bobinas de alta energia".
Percebeu-se que o tempo de carga da bobina de ignição dependia da indutância de sua bobina primária. Reduzindo a indutância da bobina, o tempo de dwell seria reduzido.
As bobinas de alta energia são bobinas que possuem um enrolamento primário com menor número de espiras, e exigem mais corrente que as convencionais. Embora esta melhoria fosse até óbvia entre os engenheiros, as bobinas de alta energia nunca haviam sido empregadas antes (a não ser em corridas de curta duração) porque em baixas rotações a corrente seria muito elevada, sobreaquecendo a bobina com facilidade até ela queimar-se.
Com a adoção das bobinas de alta energia em larga escala, foi necessário utilizar um resistor de potência, chamado "ballast resistor" (ou "resistor de lastro") para limitar a corrente sobre a bobina. O Opala era um que tinha resistor, mas na partida a corrente era fornecida diretamente à bobina.
Fig. 7 Sistema Delco com módulo eletrônico e platinado
Em uma época de grande empirismo e pouco conhecimento técnico, muitos mecânicos meramente substituíam bobinas convencionais pelas de alta energia e colhiam excelentes resultados no desempenho do motor. Porém logo os donos desses carros experimentavam o dissabor de ficarem pelo caminho por causa de uma (cara) bobina queimada.
Bobinas de alta energia eram feitas para trabalhar em conjunto com seu resistor ballast e seu módulo de ignição. Ignorar esse fato era (e ainda é) um caminho para ter problemas.
Com a popularização e a redução de custos da eletrônica, os módulos de ignição foram se tornando mais sofisticados, e novas estratégias foram sendo desenvolvidas.
O foco do desenvolvimento foi eliminar o o platinado como elemento de comando e de determinação do dwell, separando as duas funções. O comando do ponto de ignição passou para diferentes tipos de sensores magnéticos ou óticos, enquanto o dwell passava a ser controlado diretamente pelo módulo.
Verificou-se que a melhor condição era aquela em que a bobina sempre fosse chaveada com uma corrente pré-determinada e estável percorrendo o seu enrolamento primário.
Criou-se então um modo de operação em 3 fases cíclicas para o transístor que chaveia a bobina. Na primeira fase, o transístor corta completamente a corrente a partir do pulso de ignição e dura um período de tempo controlado pelo circuito.
Na segunda fase, o transístor liga a bobina, iniciando a carga com crescimento da corrente e termina quando esta corrente atinge um valor pré-determinado.
Na terceira fase, ao atingir um certa intensidade de corrente, o transístor passa a estabilizar esta corrente no valor pré-determinado.
Fig. 8:Segmentação em 3 fases do processo de dwell
Neste sistema de três fases, a estratégia está em controlar o tempo da primeira fase a partir do tempo da terceira fase do ciclo anterior.
O tempo da primeira fase depende do ciclo anterior, e a segunda fase tem um tempo não controlado. Então a diferença de tempo impacta diretamente no tempo da terceira fase. Se o motor acelera, o tempo da terceira fase é reduzido, e o circuito compensa encurtando o tempo da primeira fase do ciclo seguinte. Se o motor desacelera, o contrário.
Se a tensão da bateria sobe, o tempo de carga da bobina encurta, alargando o tempo da terceira fase, o que alarga o tempo da primeira fase do ciclo seguinte. Se a tensão da bateria cai, o contrário.
Fig. 9 Estratégia de correção automática de dwell usando o sistema de 3 fases
No final, em quase todas as situações de rotação e tensão da bateria o conjunto conseguia se adaptar para manter uma centelha de potência adequada nas velas. Este sistema foi largamente empregado com eletrônica analógica ao longo dos anos 70 e 80.
Quando a Bosch lançou o sistema Motronic, que pela primeira vez integrava a ignição ao controlador digital de injeção, em vez de um programa controlador dinâmico passou-se para a simplificação de um mapa de dwell em função da rotação e da tensão da bateria.
Fig. 10:Exemplo de mapa de dwell usado na Bosch Motronic
Esta Motronic ainda integrava um módulo de chaveamento da bobina de ignição com limitador de corrente, operando ainda no sistema de 3 fases.
Injeções posteriores eliminaram o módulo de estabilização de corrente, simplificando o circuito e diminuindo a dissipação de calor no módulo, com a contrapartida de exigir um mapeamento de dwell muito mais preciso, pois o limite entre a boa magnetização da bobina e sua sobrecarga é muito mais tênue.
É preciso considerar que os módulos analógico e digital possuem internamente um valor calibrado de corrente para a bobina. Sendo assim, o módulo e a bobina formam um par casado. Se a bobina for trocada por outra com características elétricas diferentes, mas mantendo o módulo, podem surgir diversos problemas associados à esta mudança.
Uma bobina que use uma corrente menor que a ajustada no módulo pode queimá-la. Uma bobina que precise de uma corrente mais elevada que a do módulo pode gerar uma centelha fraca e com possibilidade de gerar ruído excessivo, interferindo até com o funcionamento do módulo.
Nos sistemas digitais mapeados, os mapas de dwell são rigorosamente levantados em laboratório. Sendo assim, hoje os conjuntos são balanceados. Trocar uma bobina de um carro pela de outro porque ela é de "alta energia" (coisa muito comum no mercado de "especialistas da esquina") vai estar desbalanceando o sistema como todo e as consequências podem ser as mais variadas, de um sistema que tem uma ignição deficiente a até uma bobina ou um módulo de injeção queimados.
É muito comum nos módulos de injeção vendidos no mercado de reposição nacional o ajuste de dwell por tempo fixo e sem a devida estabilização da corrente primária da bobina, em vez do sistema de dwell adaptativo que vimos. Isto pode ocasionar uma série de problemas.
Durante a partida, por exemplo, a tensão da bateria atinge valores tão baixos quanto 9 volts. Com módulos mapeados ou adaptativos, automaticamente o tempo de dwell é alongado para facilitar a partida, recuando esse tempo quando o motor passa a funcionar regularmente.
Já num módulo com tempo fixo de dwell, problemas de funcionamento podem aparecer. Se o tempo de dwell é próximo ao ideal na operação normal, pode ser muito curto para manter uma boa centelha no momento da partida, e o motor pode ter dificuldades para iniciar seu funcionamento. Se o tempo de dwell é ajustado para facilitar a partida, a bobina pode operar com excesso de corrente em operação normal, e queimar-se após um tempo.
Considerando que as diferentes estratégias de dwell, como a de três fases, são amplamente divulgadas em informativos técnicos há décadas e que praticamente todas as bobinas de ignição modernas dos mais renomados fabricantes foram projetadas para o uso com módulos casados com elas, isto só demonstra a falta de conhecimento dos melhores princípios de operação do sistema de ignição por parte do projetista destas injeções de reposição no mercado paralelo. Falta engenharia séria e sobra "achismos" e amadorismo nesses módulos.
Dwell é um assunto cheio de detalhes. Já foi especificado de forma fixa como ângulo e como abertura dos contatos do platinado, porém nenhuma destas formas permaneceu. A visão moderna é a de que dwell é um tempo variável, que se adapta às condições vigentes para oferecer à bobina de ignição as melhores condições de funcionamento.
Esta é uma visão que aproxima a forma de interpretar o funcionamento de um motor a combustão de um organismo vivo.
Pedro Bergamaschi 05/07/2011 10:28
Vou ter que ler isso outra vez.
Perneta 05/07/2011 10:30
Curto muito tudo isso!
Fico fascinado como o pessoal das "antigas" bolava essas coisas geniais.
gaboola 05/07/2011 11:33
Faz muito tempo q. não assisto a uma aula de tão boa qualidade. E,tendo sido professor(Física,Matemática,Química) por muito tempo,fico imaginando se teria sido,algum dia, capaz de tratar um tema(qualquer tema)com tanta propriedade.Alias, o termo certo seria "charme"
Veja só:o "potencial de aridez" dos assuntos técnico-científicos tende a ser imenso à medida em q. nos esquecemos do "como" e do "porquê" das coisas.Por essa razão,acho q.,no fim da estrada,os engenheiros(sou)podem ser melhores professores q. os bacharéis(fui)...
MAS,tem de gostar de ensinar-acho q. é o seu negócio
Abraço p. todos
Caio Cavalcante 05/07/2011 11:39
Assunto fascinante e complexo que o texto muito bem escrito e dinâmico ajuda a compreender fácil, fácil. Parabéns!
Thales SR 05/07/2011 12:07
Post fantástico. Parabéns!
Reynaldo 05/07/2011 12:21
Bela aula AD, fiquei lembrando a decada de 70, minha Suzuki c/ 3 bobinas e 3 platinados, meu Opala 4100 com o resistor do platinado, ah se eu tivesse esse conhecimento que voce nos transmitiu hoje...quanta dor de cabeça teria me poupado!!! Grato pelo post.
Anônimo 05/07/2011 13:37
GRECHEJR - Francisco
Vou ter que ler novamente, com mais tempo e calma.
Foi maravilhosa esta aula.
Unknown 05/07/2011 13:46
Muito bom. Doravante não explico mais o que é Dwell pra ninguém. Mando esse link.
Guilherme 05/07/2011 14:12
Olha só como são as coisas.
A duas semanas atrás eu não entendia bulhufas do sistema de ignição, muito pelo meu "bloqueio mental" à qualquer coisa que envolva eletricidade.
Até que eu decidi que daria um fim nisso: Fui na biblioteca da faculdade e peguei um livro chamado "Motores a combustão interna" que já havia lido todos os capítulos, exeto a parte sobre ignição. Comecei a ler essa parte... li uma vez, duas vezes e comecei a pegar o jeito da coisa!
Se não tivesse lido esse capítulo específico, talvez nem tivesse lido o seu post, AD, mas li e lhe agradeço muito por mais essa aula!
Tenho um carro que possuia platinado como sistema original. Colquei um sistema de ignição eletronica. A bobina esquenta um pouco e é nova. A antiga, mesmo já com ignição eletronica, não esquentava tanto, mas vazava fluido dela. O fluido não é justamente para evitar que a bobina esquente? Achei muito estranho isso que está acontecendo... mas o motor funciona normal por quanto tempo for neessário. Já viagei por 9 horas seguidas com a bobina nova e não deu problema. É normal bobina esquentar um pouco ( pouco quer dizer que quase não dá pra por a mão )?
Marcos Alvarenga 05/07/2011 19:40
Parabéns! Aprendi muito. E olha que o assunto é complexo, e mesmo assim foi escrito de uma forma acessível a todos. Obrigado,
André Dantas 05/07/2011 20:48
Grato a todos pelos elogios.
Guilherme, o aquecimento da bobina é normal até certo ponto.
Não pode ficar quente ao ponto de nos queimarmos nela. Morna, sem problemas.
O óleo que vc viu sair da bobina é um isolante elétrico, serve para evitar que as centelhas saltem dentro da bobina, diretamente entre as espiras dos enrolamentos. Ele serve também para refrigeração, mas essa função não é critica numa bobina de ignição bem dimensionada.
Veja que os transformadores da rede elétrica, desde os do poste perto da sua casa até os enormes, que ficam nas usinas elétricas, tambpem usam óleo isolante, mas neles a função de refrigeração é mais importante.
Bobinas modernas não usam óleo. Elas são mergulhadas em uma resina epoxi de alta rigidez dielétrica no lugar do óleo. Isola mais, mas refrigera pior.
Guilherme 06/07/2011 02:27
Entendi! Obrigado de novo, AD!
Ronaldo Nazário 06/07/2011 11:14
MÉÉÉÉÉÉU DEUS!!!!
Até que enfim algum texto de relevância!!!!!
Estava chato ler lamúrias!!!!
Ai, meu fusca, Ui, minha Belina Ui ui ui meu DKW...
Ai ai ai meu Landau...
Ui Ui Ui meu maverique...
Coisa de velho!!!
E de pé feio!
Anônimo 06/07/2011 16:36
Não quer dar aula no SENAI eles estão precisando .
Road Runner 07/07/2011 08:11
Impressionante! Nunca imaginei que os antigos sistemas de ignição por platinado tinham tamanha complexidade para se obter um bom comportamento desde a marcha-lenta até o limite de giros. E, de quebra, descobri o porquê da palavra veneno para motores preparados.
Cada vez mais admiro o pessoal das antigas, onde não havia tecnologia disponível e tinha-se que ser "artista" para manter um motor funcionando a contento.