O motor de combustão interna é uma máquina térmica que transforma a energia  proveniente de reação química em energia mecânica. Nos motores de quatro tempos, o processo de conversão se dá através de ciclos termodinâmicos envolvendo a admissão da mistura ar-combustível, sua compressão, sua combustão e o escapamento dos resíduos decorrentes do processo.

Esses motores são popularmente chamados de motores a explosão. Esta denominação, apesar de freqüente, não é tecnicamente correta, pois explosão define um fenômeno caótico não controlado. De fato, o que ocorre no interior da câmara de combustão não é uma explosão de gases e sim uma queima controlada de mistura ar-combustível, inclusive com frente de chama ideal.

De fato, o termo combustão é mais apropriado, referindo-se à ignição controlada da mistura ar-combustível que gera a energia através de sua expansão volumétrica e pressão na cabeça do pistão. É neste processo é que entra a vela de ignição, fundamental para o início da combustão através de faísca elétrica de alta tensão gerada entre os seus eletrodos.

 

pressão e temperatura na camara

Pressão (em azul) e temperatura (em vermelho) dentro da câmara de combustão de um motor 4-tempos genérico

Falando um pouco da história da invenção da vela de ignição, em 1860, Étienne Lenoir usou o aparato em  seu motor a gás, o primeiro motor de combustão interna movido a pistão. Outras patentes incluíram as de Nikola Tesla em 1897, Richard Frederick Simms em 1898 e Robert Bosch, também em 1898, com a invenção da primeira vela de ignição de alta tensão comercialmente viável. Outros inventores como Gottlob Honold, Albert Champion, os irmãos Lodge e outros, também contribuíram para o seu desenvolvimento.

 

e1913

Vela Ford no ano de 1913

A vela de ignição é um elemento relativamente simples porém de escolha complicada, com a sua posição bem definida  na câmara de combustão, sua isolação térmica e a folga entre os seus eletrodos, incluindo o material de que são feitos.

A vela de ignição é composta  basicamente por um condutor central envolto com material isolante e dois eletrodos, sendo um deles ligado à parte metálica onde está a rosca para fixação da vela ao cabeçote do motor e o outro ao condutor central.  A diferença de potencial de alta tensão, 25 mil volts ou mais, gerada pelo sistema elétrico do motor, é responsável pela faísca entre os eletrodos e que vai inflamar a mistura ar-combustível dentro da câmara de combustão.

A posição da vela na câmara de combustão no cabeçote determina a frente de chama, fundamental para a queima completa da mistura ar-combustível e que é responsável pela aplicação de pressão corretamente distribuída na cabeça do pistão, gerando o torque na saída do virabrequim que vai movimentar o veículo.

Devido à grande quantidade de variáveis envolvidas no processo de combustão, o projeto engloba análises virtuais do formato da câmara de combustão, cabeça do pistão, tamanho, curso e tempo de abertura das válvulas, posição da vela, temperatura de trabalho etc. Aproximadamente 85% dos trabalhos são virtuais. O restante 15% é feito empiricamente durante o processo de calibração do motor, envolvendo as variações controladas da mistura estequiométrica, um pouco mais pobre ou um pouco mais rica, durante as várias condições reais de aplicação do veículo.

A intensidade da faísca gerada depende de vários fatores, como, por exemplo, a constante dielétrica  entre os eletrodos, a sua temperatura e também a pressão interna da câmara de combustão. O seu perfeito desempenho está diretamente ligado ao rendimento do motor, ao consumo de combustível e à maior ou a menor carga de poluentes dos gases expelidos pelo escapamento. No projeto de um motor é fundamental o saber quais as temperaturas e pressões dentro da câmara de combustão para balizar a escolha do tipo de vela de ignição ideal para a aplicação. Saiba o leitor o quanto é complicado a escolha das velas de ignição para os motores flex que não são otimizados nem para gasolina e nem para o álcool. O álcool tem a constante dielétrica maior que a da gasolina dificultando a geração da faísca.

Detalhes construtivos e funcionais 

O conceito de constante dielétrica é relacionado aos capacitores elétricos.

 

dieletrico

Esquema de um capacitor mostrando os pólos negativo e positivo separados pelo material dielétrico

Com o aumento da tensão entre os terminais (diferença de potencial) vai chegar um ponto que uma faísca vai se formar entre as placas, rompendo a isolação do material dielétrico. É o que acontece nos terminais da vela onde o dielétrico é a mistura ar-combustível.

Quanto maior a taxa de compressão, tanto maior a dificuldade da geração da faísca entre os eletrodos. Também quanto maior a temperatura, tanto mais difícil a faísca, lembrando o leitor que a resistência elétrica é diretamente proporcional à sua temperatura, ou seja, quanto mais fria a resistência mais fácil a circulação da corrente elétrica. Velas com eletrodo de irídio ou de platina facilitam a faísca.

No trabalho de desenvolvimento se utiliza uma vela especial que mede a temperatura dos eletrodos durante as várias aplicações de carga ao motor, normalmente feita em dinamômetro. Desta maneira é escolhida a gama térmica adequada da vela.

A gama térmica das velas define a temperatura de trabalho de seus eletrodos. Quanto mais fria for a vela, menor a temperatura dos mesmos.

 

HotColdPlugs

Figura mostrando detalhes do isolador para as velas quentes e frias; note o leitor que a mais fria tem uma dissipação maior para o cabeçote e daí para o meio ambiente por meio do sistema de arrefecimento do motor

A função do corrugado no isolador da vela é de aumentar distância entre o pino terminal da vela e o castelo metálico, evitando ter de aumentar o comprimento total da vela. Desta maneira é dificultada ocorrência de flash over entre o cabo de ignição e o castelo da vela — a corrente de alta tensão descarregar diretamente na terra —, comprometendo a faísca onde ela deve ocorrer, que é entre os terminais da vela.

Alguns projetos de velas não possuem corrugado e nestes casos o isolador da vela é mais comprido. Observe os isoladores das torres de transmissão de energia elétrica, também têm o corrugado.

 

corrugado da vela

Vela com o isolador corrugado para otimizar o comprimento da vela evitando a faísca externa entre o terminal e o castelo metálico

 

É comum observarmos em algumas velas a ocorrência de uma mancha no isolador da vela. É comum achar que esta mancha é devido ao escape de gases do motor. Na realidade, um escape de gases do motor através do isolador provocaria um forte ruído característico de assovio.

A mancha no isolador é decorrente do efeito corona, quando a alta tensão passa pela vela de ignição há a geração de um campo elétrico envolta dos fios de velas e da própria vela. Vapores que estão no cofre do motor são atraídos para o isolador da vela formando este efeito de mancha, não afetando o funcionamento da vela.

 

efeito corona

Efeito corona

A vela deve sempre trabalhar dentro de uma faixa de temperatura que facilite a auto limpeza dos seus eletrodos. O superaquecimento dos terminais podem provocar um ponto crítico para a pré-ignição do combustível. Podemos reconhecer que uma vela que sofreu superaquecimento através de exames da ponta ignífera da vela. Quando a ponta apresentar-se esbranquiçada, vitrificada com grânulos ou pontos pretos na superfície é sinal que ocorreu o superaquecimento. Há casos extremos onde pode ocorrer a fusão do eletrodo central e lateral, podendo chegar até mesmo a desaparecer completamente os eletrodos.

 

temperatura de funcionamento

Esquema mostrando as faixas de temperatura em função das carga do motor; a faixa ideal de funcionamento é a de cor azul escuro

Outro ponto fundamental no projeto é garantir que a vela quando instalada no cabeçote no fique com a rosca nem curta e nem longa demais, podendo formar crostas de carvão e/ou interferir com o pistão em subida.

 

comprimento rosca

Esquema mostrando a correta posição de instalação da vela de ignição

O leitor pode me perguntar, quando substituir as velas de ignição? Eu recomendo a verificação do estado das velas a cada 10.000 quilômetros ou antes se caso o motor apresentar falhas evidentes em seu funcionamento, como perda de potência, por exemplo. Na realidade os motores flex são sujeitos a grandes variações devido às possíveis misturas de gasolina e álcool em seu uso diário. As velas podem sofrer bastante, dependendo das cargas do motor. A escolha das velas pelos fabricantes de veículo é baseada em uma média de utilização cidade-estrada e que pode não representar cada caso real, individualmente.

Em geral, as velas duram de 30.000 a 40.000 km. O que é muito importante é somente usar velas especificadas pelo fabricante do veículo.

 

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Vela gasta e Vela nova

Termino a matéria prestando elogios à Bosch por ter viabilizado comercialmente as velas de ignição.

 

Propaganda das velas Bosch no inicio do século passado

CM

Créditos: ngk.com, acervo do autor, fotos Google, wikipedia
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