Vela de ignição

A vela de ignição é um dispositivo elétrico, presente nos motores de ignição por centelha , que acende a mistura de gases na câmara de combustão . Para isso, deve ser capaz de gerar milhares de arcos elétricos por minuto, resistindo ao calor e à pressão gerados pelas explosões dentro do cilindro .

A vela de ignição leva o nome do sistema de ignição de motores mais antigos, onde um pavio incandescente fazia a mistura queimar, uma reminiscência de velas acesas . Ele apareceu em 1876 em um motor Lenoir , mas realmente ganhou força em 1902 , quando a Bosch o combinou com um magneto de alta tensão .

Com quase 56 milhões de automóveis que requerem um sistema de ignição sendo construído a cada ano, uma média de 280 milhões de velas de ignição devem ser produzidas anualmente.

História

A ignição de uma mistura ar - combustível por faísca foi recomendada pelo italiano Alessandro Volta , em 1777 , depois por François Isaac de Rivaz para o motor de combustão interna, comumente chamado de “motor de combustão interna em 1807 . Em 1885 , o belga Étienne Lenoir , então engajado no projeto de motores térmicos - técnica de propulsão automotiva recém-nascida da aplicação prática do ciclo termodinâmico de Beau de Rochas - inventou um sistema de ignição, muito próximo às velas de ignição atuais em uso, necessário para o funcionamento deste último.

Foi somente em 1902 , em uma época em que os automóveis estavam em alta, que a fabricação de velas de ignição realmente ganhou impulso. Naquele ano, o fabricante alemão Robert Bosch entregou suas primeiras velas de ignição, com a patente depositada em 1894 , e o primeiro magneto de alta tensão , fornecendo uma solução para o grande problema de ignição dos motores térmicos. Mais de um século depois, a Bosch continua sendo o maior produtor mundial de velas de ignição.

Anatomia

Fim da conexão

A parte superior da vela está dotada de uma ponta de ligação que permite a sua ligação à saída de alta tensão do sistema de ignição . Esta ponta de metal (geralmente cobre ) garante a condução elétrica. Sua extremidade roscada é mais freqüentemente aparafusada a uma porca de formato oval também chamada de azeitona. Esta porca cobre completamente a extremidade do conector e se conecta ao conector do sistema de ignição. Sua forma evita qualquer desconexão prematura devido às vibrações do motor ou às condições da estrada.

Eletrodos

Os eletrodos são condutores elétricos indiretamente conectados à bateria do veículo entre os quais é gerada, devido a uma alta tensão em seus terminais, a faísca necessária para acender o combustível. A distância entre os eletrodos é definida pelo fabricante do motor de acordo com a taxa de compressão , o combustível utilizado, a potência da bobina de ignição e a energia esperada. O eletrodo localizado no eixo da vela é denominado “eletrodo central”  ; é necessariamente único. Os eletrodos voltados para o central são chamados de “eletrodos de aterramento” . Devido à eletrônica cada vez mais presente nos automóveis, o eletrodo central às vezes é estendido por uma resistência capaz de filtrar as emissões eletromagnéticas parasitas produzidas pelo conjunto bobina e vela de ignição do sistema de ignição.

Devido às reações químicas induzidas pela combustão dos gases, o calor desprendido pela explosão e o gerado pelos arcos elétricos, os eletrodos devem resistir a efeitos de corrosão significativos. Esta é a razão pela qual geralmente são revestidos com ligas compostas de níquel , prata ou platina . O ponto de fusão do níquel é de cerca de 1450  ° C enquanto que a platina atinge 1.770  ° C e o irídio perto de 2400  ° C . Eles podem estar sujeitos a desgaste excessivo ou mesmo derreter quando superaquecidos. Eletrodos muito quentes podem causar a pré-ignição do motor, que é a fonte de grandes danos ao pistão . A gama normal de funcionamento dos eléctrodos é 450 para 850  ° C . Os inflama mistura antes da faísca acima 1.000  ° C .

Muitos depósitos também podem se formar nos eletrodos da vela de ignição, reduzindo bastante sua capacidade. Depósitos carbonosos se formam durante o uso prolongado do motor de arranque , ignição fraca ou retardada quando a taxa de compressão é baixa ou quando a vela de ignição está muito fria (abaixo de 450  ° C ). As velas de ignição podem estar obstruídas por um problema de óleo.

Isolador

O isolador garante que a alta tensão, que passa pela cerâmica da vela, não vá para o terra. Ele é colocado entre o eletrodo central e o corpo da vela de ignição. A diferença de potencial entre os dois varia entre 10 000 e 30 000  V . Evita que seja criado um arco entre o eletrodo central e o corpo da vela de ignição que não os eletrodos terminais, servindo para inflamar a mistura ar-combustível.

O isolador deve, portanto, ter boas propriedades dielétricas:

O isolador também deve ter boas propriedades termomecânicas:

Em geral, os materiais utilizados na confecção dos isoladores são pedra-sabão , alumina silimanita , pura ou ligada, e mulita , composta por alumina e silimanita. A cerâmica é, em primeiro lugar, extrudida ou injetada, depois, como toda cerâmica, sinterizada - passando em um forno de alta temperatura - para finalmente obter as características dimensionais, mecânicas e físicas do isolamento.

Impermeabilização

A vedação é garantida por vários dispositivos. Duas vedações são feitas entre o eletrodo central e o isolador para um e entre o isolador e a base para o outro. O selo de peitoril  " , um pó seco projetado especificamente para esse uso, fornece essa função. Na verdade, é quase insensível a altas temperaturas, à oxidação e à corrosão, ao mesmo tempo que garante a estanqueidade e a montagem ideal, uma vez que não está sujeito ao risco de vazamento ou vazamento. Este pó foi inventado na década de 1930 pela marca de automóveis Champion.

Um O-ring também é colocado entre a base e a porca sextavada. Finalmente, um dispositivo de proteção contra vazamento de corrente é posicionado na parte superior da vela de ignição.

Base

A base de uma vela é geralmente feita de aço , com pouca adição de enxofre ou manganês . É obtido por extrusão a frio em prensas com múltiplos punções. A rosca externa, produzida separadamente, passa por um rígido controle de qualidade para garantir que as tolerâncias de usinagem sejam atendidas. Anteriormente, o desenho da base era obtido diretamente girando as barras octogonais.

Operação

Princípio

A vela de ignição é um componente do sistema de ignição do motor de ignição por centelha . Permite a criação de um arco elétrico - ou faísca - graças à alta tensão , fornecida aos eletrodos pela bobina no momento em que o sistema do disjuntor o comanda, permitindo a combustão da mistura gasosa, liberando assim a energia. Com efeito, para criar a ignição de um fluido ou sólido, é necessário cumprir as condições do triângulo do fogo , nomeadamente a presença conjunta de um oxidante , um combustível e uma fonte de calor ou energia de ativação . Em um motor, o oxidante é ar, combustível, gasolina e a fonte de calor é fornecida pela vela de ignição.

A tensão necessária para disparar o arco elétrico é da ordem de 10  kV para uma razão de compressão próxima a 10. Na pressão atmosférica, essa tensão de ruptura seria 10 vezes menor. Assim que o circuito de alimentação é aberto, a tensão nos terminais do circuito primário da bobina continua a aumentar até atingir a tensão de ionização, necessária para criar o arco elétrico.

A faísca

A faísca que acende os gases corresponde à formação de um arco elétrico, ou seja, um canal condutor composto por moléculas ionizadas . A “ruptura” ou “explosão de gás” , nomes dados a esse fenômeno, dura cerca de 1 a 2  nanossegundos . A aceleração de um elétron ao nível do cátodo , conhecido como “elétron semente” , inicia o movimento das moléculas , causando colisões entre elas. Choques, cuja natureza varia de acordo com a energia cinética do elétron e a natureza do gás, são então gerados. Os "choques ionizantes" , que geram a extração de um elétron de várias moléculas de gás, multiplicam o número de elétrons e induzem uma avalanche . Este último está na origem do arco.

Para que a centelha apareça, é necessário combinar duas condições, a saber, a formação de um elétron-semente e a conexão entre o eletrodo central e o eletrodo terra do fenômeno avalanche. A fotoemissão e a amplificação local do campo elétrico são essenciais para a formação do elétron-semente.

O aumento da temperatura dos gases é causado pelos choques criados no canal condutor. Uma vez formado o arco, a respiração induz o alongamento do canal e, a fortiori , o aumento da energia fornecida à mistura. A faísca apaga-se assim que toda a energia armazenada pela bobina de ignição se esgota.

Dissipação de calor

A vela de ignição deve evacuar o calor em direção à cabeça do cilindro, pois qualquer elemento em contato com o calor presente na câmara de combustão, não deve se tornar um ponto quente , podendo criar problemas de autoignição na origem da batida, o que é prejudicial para a eficiência, até mesmo a mecânica. Por isso :

A maior parte do calor, cerca de 75%, é evacuada pela rosca e pelo anel de vedação. O restante do calor é dissipado pela parte superior da vela de ignição até o cabeçote do cilindro. Um índice térmico é estabelecido para determinar a resposta da vela de ignição a diferentes temperaturas do motor. As velas de ignição “frias” têm baixo coeficiente térmico, baixa absorção de calor e boa dissipação de calor . Portanto, destinam-se a motores de alto desempenho submetidos a altas temperaturas, enquanto as velas de ignição “quentes” possuem alto coeficiente térmico, alta absorção térmica e baixa dissipação de calor. Equipam motores com menor eficiência.

Concretamente, variamos o índice térmico de uma vela variando o comprimento do bico de isolamento: o bico é mais longo para uma vela quente. Em uma "vela fria", o caminho entre o eletrodo, o isolador e a base é mais curto.

Não existe um padrão mundial para a determinação do índice térmico de uma vela: cada fabricante possui sua própria escala e publica tabelas de correspondência com as referências das marcas e motores em questão. A empresa Bosch, por exemplo, usou duas escalas diferentes, a antiga indo de 50 a 300 indo de frio a quente com incrementos de 25 enquanto a nova vai na ordem inversa (decrescente) de 12 (muito quente) a 2 (muito frio), mas NGK (Japão) vai de 2 (muito quente) a 11 (muito frio).

As outras indicações de código alfanumérico na base também se referem a parâmetros adicionais (diâmetro, rosca, supressão de interferências internas, etc.). A instalação de uma vela de ignição deve, portanto, obedecer estritamente às recomendações do fabricante e às tabelas de correspondência, em particular para motores de alto desempenho e motores de 2 tempos refrigerados a ar, que são muito sensíveis a fatores externos de temperatura.

Velas e combustíveis

Embora as velas de ignição sejam normalmente destinadas a motores a gasolina, não é incomum que funcionem com outros combustíveis ( querosene , GLP ,  etc. ). O índice térmico da vela de ignição e a distância entre os eletrodos devem então ser adaptados às condições de ignição do combustível.

Localização de velas

Normalmente, a vela de ignição é aparafusada na cabeça do cilindro no centro das sedes das válvulas , ou seja, no centro da área delimitada pelo cilindro no qual o pistão desliza e entre as válvulas . Porém, há momentos em que a vela de ignição está localizada na lateral da câmara, como é o caso dos sistemas Honda CVCC. Esse sistema usa uma pré-câmara de combustão, exigindo uma posição deslocada da vela de ignição, na qual uma mistura rica é injetada permitindo uma melhor combustão antes que a frente da chama se propague na câmara, onde a mistura é mais pobre.

Em um motor Wankel , como o pistão não desliza em um cilindro, mas gira ao longo de uma curva trocóide , a vela é fixada na cabeça do cilindro oposta às portas pelas quais a mistura de gás passa.

Melhoria

Uma possível melhoria nas velas de ignição consiste em produzir um eletrodo central com entalhe em "V" . Graças a esta modalidade, o arco elétrico não se forma no centro do eletrodo, mas em sua periferia, o que melhora a combustão dos gases.

Para melhorar a combustão durante as partidas a frio, algumas velas de ignição são equipadas com um entreferro auxiliar. Quando a vela de ignição está suja , o arco elétrico não pode mais se formar entre o eletrodo central e o eletrodo de aterramento, então a corrente não tem escolha a não ser passar pelo isolador. A adição de um entreferro na base ao nível do isolador permite, assim, a formação de um arco elétrico entre o isolador e o entreferro. Quando o motor está quente, os depósitos que obstruem o eletrodo de aterramento são queimados e a vela de ignição funciona "normalmente" novamente .

As velas de ignição semi-superficiais também resolvem o problema anterior. Na verdade, os eletrodos de aterramento não são colocados acima do eletrodo central, mas na lateral. Graças a esta posição dos eletrodos, a faísca consegue disparar da base do eletrodo central, ao nível do isolador. Os depósitos que provavelmente se formaram são queimados pelo arco elétrico.

Padrões

Vela gasta O eletrodo central de uma vela de ignição usada mostra alguns depósitos de carbono negro no final da combustão , devido à partida em condições úmidas ou frias e em uma mistura de combustível pobre. Estando os eletrodos diluídos, é necessário substituir a vela. Depósitos de fuligem (carbono) Depósitos de fuligem , indicativos de combustão de mistura rica, são causados ​​por falha de ignição. A partida a frio é difícil. O filtro de ar pode estar entupido ou os sistemas de gerenciamento de ignição, combustível ou motor defeituosos. Detonação O isolamento ou a ponta do eletrodo central pode quebrar. É imprescindível trocar a vela de ignição para evitar a destruição do pistão . Depósitos de petróleo Depósitos de óleo aparecem quando a lubrificação é mal gerenciada . Os segmentos da vedação do pistão ou guia da válvula provavelmente desempenham mais funções. Espaço inter-eletrodo preenchido Após um certo tempo de vida, os depósitos que se acumularam acabam por preencher o espaço entre os eletrodos. A vela de ignição não funciona mais - é "frisada" - e o cilindro está "morto". Em seguida, é necessário limpar manualmente a vela de ignição. Vela muito quente Uma vela de ignição muito quente, induzida por uma má escolha do índice térmico, resulta em uma vida útil reduzida e uma degradação do isolador elétrico. Isso causa inúmeras falhas de ignição. Pré-ignição O ajuste incorreto da ignição - aberturas de ignição e válvula - causa danos significativos aos eletrodos da vela de ignição. O motor perde potência ou mesmo é degradado pelas detonações induzidas pela ignição muito cedo. Vela de vidro O isolador elétrico tem uma aparência amarelada, devido ao aumento repentino da temperatura (durante a aceleração). Para evitar falhas de ignição em altas velocidades, as velas de ignição podem ser substituídas. Depósitos de resíduos / cinzas Os produtos resultantes da combustão de óleo ou aditivos - componentes de liga ou lubrificantes - podem ficar incrustados nos eletrodos. Esses depósitos resultam em falha de ignição e "hesitação" durante a aceleração. Pode ser necessário mudar a marca do combustível. Vela de ignição danificada Em decorrência da presença de corpo estranho na câmara de combustão ou devido ao posicionamento incorreto de sua sede, a vela pode ser danificada. É necessário reparar ou substituir a vela de ignição.

Principais fabricantes

Notas e referências

Notas

  1. As pressões na câmara de combustão podem ser em torno de 60  atm .
  2. Geralmente falamos de velas semifrias para desempenho intermediário.
  3. A parte de isolamento sem contato.
  4. Princípio denominado V-line pelo fabricante NGK .

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Veja também

Bibliografia

Artigos relacionados