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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
Posição das duas velas em um motor Wankel .
Nesta cabeça de cilindro podemos ver, no meio das quatro sedes das válvulas , o orifício onde é fixada a vela.
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.