Como o Motor Passou a Funcionar? A História Esquecida da Vela de Ignição e do Magneto

O sistema de ignição é o subsistema encarregado de inflamar a mistura ar-combustível no cilindro do motor de combustão interna, após a admissão ser fechada e a compressão realizada; sem esse mecanismo, que cria uma faísca controlada na vela, o ciclo de quatro tempos não pode ser completado. A linha de mais de 150 anos que vai do motor de Étienne Lenoir em 1860 aos sistemas coil-on-plug de hoje é, na verdade, a história da solução de um único problema: produzir uma faísca no momento certo, com tensão suficiente e de forma confiável.

O motor que nasceu com o problema da faísca: As primeiras velas de ignição e Lenoir

O primeiro exemplo do motor a pistão de combustão interna trouxe consigo o problema da ignição, ainda antes de nascer. Em 1860, Étienne Lenoir usou uma vela de ignição elétrica em seu motor a gás, que levava seu próprio nome, e geralmente é a ele que se atribui a invenção da vela de ignição. O sistema era surpreendentemente semelhante em princípio ao de hoje: a eletricidade de alta tensão saltava pelo vão de ar entre os eletrodos da vela, produzindo a faísca. O conceito de vela de ignição, ou seja, spark-ignition, nunca mudou; o princípio básico de funcionamento é o mesmo há mais de 150 anos.

No caminho rumo à maturidade comercial da vela de ignição, um segundo nome se destaca: Frederick Richard Simms. Simms era detentor da patente GB 24859/1898 relativa a um magneto para motores de combustão interna e é reconhecido como a pessoa que inventou a primeira vela de ignição de alta tensão comercialmente viável. Não foi coincidência que ele tenha começado a colaborar com Bosch no mesmo ano; para que a vela funcionasse, era necessário um fonte confiável de alta tensão por trás dela, e essa fonte seria encontrada no magneto.

A atribuição da invenção da vela de ignição ainda é discutida hoje. Embora Lenoir seja o nome geralmente aceito, também há registros de que a vela elétrica foi inventada por Oliver Lodge; o nome de Edmond Berger também é citado. A origem da ignição por descarga capacitiva (CDI) remonta à década de 1890, aos trabalhos de Nikola Tesla. Como na maioria dos campos da história da engenharia, aqui também é mais correto falar de várias contribuições que se complementam, em vez de um único nome.

A era do magneto: Faísca sem bateria e a ascensão da Bosch

Nos primeiros anos do automóvel, quase não existia o que hoje entendemos por instalação elétrica; carregar uma bateria era pesado, caro e pouco confiável. O magneto preencheu essa lacuna: como gerava eletricidade com seu próprio movimento de rotação, fornecia o pulso de faísca sem bateria. Robert Bosch produziu o primeiro dispositivo de ignição por magneto para motores estacionários em 1887; Em 1897, o magnetão de ignição começou a ser testado em veículos e a produção em série começou em 1898. A partir dessa data, a Bosch tornou-se praticamente o único fabricante confiável a fornecer magnetões de ignição para automóveis.

O salto crítico veio no final de 1901. O diretor técnico da Bosch, Gottlob Honold, desenvolveu nas instalações de Stuttgart o primeiro magnetão de alta tensão do mundo e a vela de ignição correspondente. Essa dupla eliminou a necessidade de bateria do automóvel e tornou as velas de ignição verdadeiramente práticas. Por volta de 1902, a Bosch apresentou o magnetão de bobina dupla com vela fixa e interruptor de contato fora do cilindro. Nos anos anteriores a 1914, o magnetão da Bosch era determinante no mercado; as publicações científicas da época também abordavam em detalhes as discussões de preferência entre a ignição por magnetão e por bobina.

O magnetão de alta tensão é definido como uma combinação de magnetão-transformador que envia pulsos de alta tensão à vela de ignição. Hoje, é usado principalmente em motores sem bateria - cortadores de grama, motosserras - e ainda em aviões a pistão modernos. O fato de uma tecnologia ter sido retirada do automóvel mas permanecer como padrão na aviação é uma boa indicação de quão sólida é a sua base.

Bobinas Trembler: O Model T e o Caminho Escolhido pela Benz

O magnetão não era o único caminho. O Benz Patent-Motorwagen de 1886 e o Ford Model T de 1908 usavam um sistema chamado trembler coil. Nesse arranjo, a bobina recebia corrente interrompida por um mecanismo interruptor, produzindo uma faísca trêmula e descontínua. No Model T, havia uma bobina trembler separada para cada um dos quatro cilindros; era uma solução simples, de fácil reparo e que podia funcionar com bateria. Olhando para os veículos da época, vê-se duas principais escolas: o campo do magnetão sem bateria e o campo da bobina trembler. A resposta à pergunta de qual delas venceu tornou-se clara com o desenvolvimento na próxima seção.

Sistema Kettering: Por Que o Distribuidor Durou Meio Século?

Charles F. Kettering desenvolveu por volta de 1910 o sistema de ignição por bateria-bobina - o arranjo conhecido como sistema Delco. O sistema consistia em quatro componentes principais: bobina de ignição, contatos interruptores (breaker points), condensador e distribuidor. Uma única bobina elevava a baixa tensão para alta tensão, e a tensão era direcionada à vela de ignição correta pelo braço rotor dentro do distribuidor. O sistema foi introduzido pela primeira vez em automóveis Cadillac em 1912; embora as fontes mencionem de forma diferente 1910, 1911 e 1912 como o ano de desenvolvimento, a entrada do Cadillac de 1912 é a cronologia mais consistente e também aponta para o primeiro uso de sistemas baseados em distribuidor em 1912.

A razão pela qual o sistema Kettering prevaleceu não foi a elegância da engenharia, mas o baixo custo e a relativa simplicidade. Essas duas características o tornaram, por muitos anos, o sistema de ignição primário da indústria automotiva. Começando com o Cadillac Model Thirty de 1912, os conjuntos de distribuidor do tipo pontos permaneceram como o sistema primário na maioria dos automóveis até meados da década de 1970.

O limite do sistema também era evidente desde o início. O mecanismo mecânico podia gerar cerca de 10.000 volts na vela de ignição; a flexibilidade era limitada em condições variáveis de carga e rotação. Os pontos de contato estavam sujeitos a desgaste mecânico, oxidação e queima devido à faísca aberta nas superfícies de contato; exigiam ajuste regular e podiam levar a uma faísca ineficiente. Ou seja, o sistema funcionava, mas seu teto em termos de engenharia era baixo - e esse teto abriu a porta para a ignição eletrônica.

Dos pontos aos transistores: A transição para a ignição eletrônica

A transição começou mais cedo do que se pensava. A primeira tentativa de ignição eletrônica, como um dispositivo de cátodo frio, foi testada pela Delco-Remy em 1948. A Lucas introduziu a ignição transistorizada em 1955, e esse sistema foi usado em 1962 nos motores de Formula 1 da BRM e da Coventry Climax - como de costume, a nova tecnologia vazou primeiro das pistas de corrida. a jornada rumo à produção em série foi assim:

• 1963: a Pontiac se tornou a primeira montadora a oferecer ignição eletrônica opcional (Delcotronic); no mesmo ano, a Hyland Electronics produziu a primeira ignição capacitiva por descarga SCR totalmente em estado sólido comercial.
• 1964-65: a Ford realizou testes de frota e começou a oferecer ignição eletrônica opcional em alguns modelos; no lado do mercado de reposição, surgiram a Prest-O-Lite CD-65 (com garantia de 80.000 km) e a Delta Mark 10.
• 1967-68: a Motorola introduziu o sistema CD sem contatos (breakerless); o Fiat Dino se tornou o primeiro carro de produção em série a vir de fábrica com ignição eletrônica.
• 1971-75: o Jaguar XJ Series 1 foi seguido pela sequência de Chrysler, Ford e GM; o sistema HEI da GM foi introduzido no final de 1974 em alguns veículos.

Em meados da década de 1970, quando os pontos de contato começaram a ser substituídos por transistores, a tensão de ignição subiu para cerca de 20 kV - o dobro do teto de 10.000 volts do sistema Kettering. O distribuidor em si ainda viveu por um tempo; continuou cumprindo sua função de distribuição, mas o tempo de ignição já não era definido por pesos mecânicos, e sim por cérebros eletrônicos. Os distribuidores foram amplamente substituídos por sistemas de ignição eletrônica nos anos 1980 e 1990; o sistema controlado por computador oferecia temporização mais precisa e muito menos manutenção.

A aposentadoria do distribuidor: Coil-on-Plug e ignição direta

A dissolução da lógica de distribuição começou em meados da década de 1980. A GM começou a eliminar o distribuidor e a bobina única, passando para pacotes de múltiplas bobinas, cada uma alimentando apenas dois cilindros; nesse sistema, a tensão podia chegar a 100.000 volts. O arranjo que gerenciava dois cilindros com uma única bobina, conhecido como faísca perdida (wasted spark), tornou-se uma das primeiras formas práticas de ignição sem distribuidor. O sistema da Nissan chamado NDIS (Nissan Direct Ignition System) apareceu pela primeira vez em 1985 nos motores RB20DET NICS e CA18DE NICS.

A partir dos anos 1990, os sistemas coil-on-plug se difundiram: há uma bobina diretamente sobre cada vela de ignição, e os cabos de alta tensão e o rotor do distribuidor desaparecem por completo. A DENSO desenvolveu em 1996 a primeira bobina de ignição compacta tipo stick do setor automóvel, definindo o panorama atual dos cabeçotes de cilindro. No motor moderno, por sua vez, a ECU controla com um único dispositivo várias funções do motor, da ignição à injeção de combustível - uma arquitetura totalmente oposta aos sistemas discretos das épocas anteriores. A ignição já não é um subsistema independente, mas um subconjunto da gestão do motor.

Onde Está Hoje o Sistema de Ignição? Limites e Debate

Tanto a identidade do inventor da vela como o debate pontos-eletrónica no mundo dos veículos clássicos continuam bem vivos. No lado técnico, a questão é clara: os contactos de ignição desgastam-se, exigem regulação e podem produzir faíscas ineficientes. Em contrapartida, entre os proprietários de veículos clássicos é difundida a opinião de que "contactos bem conservados não ganham nada com uma ignição eletrónica normal", e há casos em que isso se justifica na prática; também é verdade que o custo de reparação dos componentes eletrónicos pode ser mais elevado. Tal como a discrepância entre fontes sobre o ano de desenvolvimento do sistema Kettering, esta divergência de opiniões nasce menos da definição de medição do que do contexto de utilização: o uso diário e a originalidade a nível de concours são requisitos diferentes.

Quanto ao futuro, as avaliações de 2013 previam que a ignição por faísca e a ignição por compressão continuariam dominantes por mais algum tempo. Os motores HCCI (ignição por compressão homogénea) podem funcionar a gasolina e alternar entre dois modos de ignição conforme as condições de condução, aproximando a eficiência dos níveis do diesel; mas isto continua hoje em grande parte no âmbito teórico. No mercado dos veículos clássicos, distribuidores modernos baseados em microprocessador e com Bluetooth, como o 123ignition, oferecem fiabilidade contemporânea mantendo a aparência Kettering - a estética do passado reconciliada com a eletrónica de hoje.

Conclusão: A Mesma Faísca, Arquiteturas em Mudança

Os 160 anos de curva da tecnologia de ignição cabem em três números: os 10.000 volts dos conjuntos Kettering, os 20.000 volts da transição eletrónica e os 100.000 volts do coil-on-plug. O objetivo nunca mudou; o que mudou foi a arquitetura que produz e temporiza a faísca, evoluindo do mecânico para o sólido. O caminho do magneto ao distribuidor, e do distribuidor à bobina por vela, é uma versão em miniatura da história geral da engenharia automóvel: menos peças que se desgastam, mais controlo, tensões mais altas.

Fontes

• Ignition system
• Spark plug
• Ignition magneto
• 1886-1905: Da primeira oficina à fábrica
• Bosch Automotive – Uma história de produtos
• Como o Dispositivo de Ignição por Magneto da Bosch Tornou as Velas de Ignição Possíveis
• A Evolução da Ignição
• DENSO destaca a evolução da bobina de ignição
• De Platinados à Precisão: Um Século de Sistemas de Ignição
• Ignição Eletrônica
• Ignição por Magneto ou Bobina para Automóveis
• Frederick Richard Simms
• Étienne Lenoir
• Entendendo os Distribuidores de Ignição Eletrônica
• Platinados vs. eletrônica em carros antigos