Uma vela de ignição é composta por uma concha, isolador e o condutor central. Ela passa através da parede da câmara de combustão e, portanto, deve também vedar a câmara de combustão contra pressões e temperaturas elevadas sem se deteriorar durante longos períodos de tempo e utilização prolongada.
Velas de ignição são especificadas por tamanho, seja por rosca ou porca (muitas vezes referida como Euro), tipo de vedação (cónica ou arruela de esmagamento), e faiscamento. Os tamanhos comuns de rosca (porca) na Europa são 10 mm (16 mm), 14 mm (21 mm; às vezes, 16 mm), e 18 mm (24 mm, às vezes, 21 mm). Nos Estados Unidos, os tamanhos de rosca (porca) comuns são 10mm (16mm), 12mm (14mm, 16mm ou 17,5mm), 14mm (16mm, 20,63mm) e 18mm (20,63mm).
Partes da velaEdit
TerminalEdit
A parte superior da vela contém um terminal para ligar ao sistema de ignição. Ao longo dos anos, foram introduzidas pelos fabricantes variações na configuração do terminal. A construção exacta do terminal varia em função da utilização da vela de ignição. A maioria dos fios da vela de ignição de automóveis de passageiros encaixam no terminal da vela, mas alguns fios têm conectores oculares que são fixados à vela por baixo de uma porca. A configuração padrão de porca sólida não removível SAE é comum em muitos carros e camiões. As fichas que são utilizadas para estas aplicações têm muitas vezes a extremidade do terminal servem uma dupla finalidade como porca num eixo roscado fino, de modo a poderem ser utilizadas para qualquer tipo de ligação. Este tipo de vela de ignição tem uma porca ou serrilha removível, o que permite aos seus utilizadores prendê-las a dois tipos diferentes de velas de ignição. Algumas velas têm uma rosca nua, que é um tipo comum para motociclos e ATVs. Finalmente, em anos muito recentes, foi introduzido um terminal estilo copo, que permite um isolador cerâmico mais longo no mesmo espaço confinado.
InsulatorEdit
A parte principal do isolador é tipicamente feita de alumina sinterizada (Al2O3), um material cerâmico muito duro com elevada resistência dieléctrica, impresso com o nome do fabricante e marcas de identificação, depois vidrado para melhorar a resistência ao seguimento de faíscas à superfície. As suas principais funções são fornecer suporte mecânico e isolamento eléctrico para o eléctrodo central, ao mesmo tempo que proporciona um percurso de faíscas alargado para protecção contra o flashover. Esta porção estendida, particularmente em motores com velas de rebaixamento profundo, ajuda a estender o terminal acima da cabeça do cilindro de modo a torná-lo mais facilmente acessível.
Uma outra característica da alumina sinterizada é a sua boa condução de calor – reduzindo a tendência para o isolador brilhar com o calor e assim iluminar prematuramente a mistura.
RibsEdit
Ao alongar a superfície entre o terminal de alta tensão e a caixa metálica aterrada da vela de ignição, a forma física das costelas funciona para melhorar o isolamento eléctrico e evitar a fuga de energia eléctrica ao longo da superfície do isolador desde o terminal até à caixa metálica. O caminho interrompido e mais longo faz com que a electricidade encontre mais resistência ao longo da superfície da vela de ignição, mesmo na presença de sujidade e humidade. Algumas velas são fabricadas sem costelas; melhorias na resistência dieléctrica do isolador tornam-nas menos importantes.
Ponta isoladoraEdit
Em velas de ignição modernas (pós 1930), a ponta do isolador saliente na câmara de combustão é a mesma cerâmica de óxido de alumínio sinterizado (alumina) que a porção superior, meramente não vidrada. Foi concebido para suportar 650 °C (1.200 °F) e 60 kV.
Velas de ignição mais antigas, particularmente em aviões, utilizavam um isolador feito de camadas empilhadas de mica, comprimidas por tensão no eléctrodo central.
Com o desenvolvimento da gasolina com chumbo nos anos 30, os depósitos de chumbo na mica tornaram-se um problema e reduziram o intervalo entre a necessidade de limpar a vela de ignição. A alumina sinterizada foi desenvolvida pela Siemens na Alemanha para contrariar esta situação. A alumina sinterizada é um material superior à mica ou porcelana porque é um condutor térmico relativamente bom para uma cerâmica, mantém uma boa resistência mecânica e resistência (térmica) ao choque a temperaturas mais elevadas, e esta capacidade de funcionamento a quente permite o seu funcionamento a temperaturas de “auto-limpeza” sem degradação rápida. Também permite uma construção simples de peça única a baixo custo, mas de alta fiabilidade mecânica. As dimensões do isolador e do núcleo condutor de metal determinam a gama de calor do obturador. Os isoladores curtos são normalmente velas “mais frias”, enquanto que as velas “mais quentes” são feitas com um caminho mais longo para o corpo metálico, embora isto também dependa do núcleo metálico termicamente condutor.
VedaçõesEditar
Porque a vela de ignição também sela a câmara de combustão do motor quando instalada, são necessárias vedações para assegurar que não há fugas da câmara de combustão. As vedações internas das velas modernas são feitas de vidro comprimido/pó metálico, mas as vedações de estilo antigo eram normalmente feitas através da utilização de uma brasagem de várias camadas. A vedação externa é normalmente uma arruela de esmagamento, mas alguns fabricantes utilizam o método mais barato de uma interface cónica e compressão simples para tentar selar.
Caixa metálica/Editar
A caixa metálica/Editar (ou a camisa, como muitas pessoas lhe chamam) da vela de ignição suporta o torque de aperto da vela, serve para remover o calor do isolador e passá-lo para a cabeça do cilindro, e actua como terra para as faíscas que passam através do eléctrodo central para o eléctrodo lateral. As velas de ignição são laminadas a frio para evitar a fadiga do ciclo térmico. É importante instalar velas de ignição com o “alcance”, ou comprimento de rosca correcto. Velas de ignição podem variar no alcance de 0,095 a 2,649 cm (0,0375 a 1,043 pol.), tais como para aplicações em automóveis e pequenos motores. Além disso, a concha de uma vela de ignição marinha é de metal com duplo mergulho, revestido de zinco-cromato.
Central electrodeEdit
O eléctrodo central é ligado ao terminal através de um fio interno e normalmente uma série de resistência cerâmica para reduzir a emissão de ruído RF da centelha. Velas de ignição não resistentes, normalmente vendidas sem um “R” no número de peça tipo vela, carecem deste elemento para reduzir a interferência electromagnética com rádios e outros equipamentos sensíveis. A ponta pode ser feita de uma combinação de cobre, níquel-ferro, crómio, ou metais nobres.
No final dos anos 70, o desenvolvimento dos motores atingiu uma fase em que a gama de calor das velas de ignição convencionais com eléctrodos centrais de liga de níquel sólido era incapaz de fazer face às suas exigências. Uma vela que fosse suficientemente fria para fazer face às exigências da condução a alta velocidade não seria capaz de queimar os depósitos de carbono provocados pelas condições urbanas de paragem-arranque, e seria avariada nestas condições, fazendo com que o motor se incendiasse mal. Da mesma forma, uma ficha suficientemente quente para funcionar sem problemas na cidade poderia derreter quando chamada para fazer face a uma condução prolongada a alta velocidade em auto-estradas. A resposta a este problema, concebida pelos fabricantes de velas, era utilizar um material e desenho diferente para o eléctrodo central, capaz de transportar o calor da combustão para longe da ponta mais eficazmente do que uma liga sólida de níquel poderia. O cobre foi o material escolhido para a tarefa e um método de fabrico do eléctrodo central de cobre foi criado pela Floform.
O eléctrodo central é normalmente o concebido para ejectar os electrões (o cátodo, ou seja, a polaridade negativa em relação ao bloco do motor) porque é normalmente a parte mais quente da vela; é mais fácil emitir electrões de uma superfície quente, devido às mesmas leis físicas que aumentam as emissões de vapor de superfícies quentes (ver emissão termiónica). Além disso, os electrões são emitidos onde a força do campo eléctrico é maior; isto é de onde o raio de curvatura da superfície é mais pequeno, a partir de um ponto ou borda afiada em vez de uma superfície plana (ver descarga corona). A utilização do eléctrodo lateral mais frio e embotado como negativo requer uma tensão até 45 por cento mais elevada, pelo que poucos sistemas de ignição para além da faísca desperdiçada são concebidos desta forma. Os sistemas de faíscas residuais colocam uma maior tensão sobre as velas de ignição uma vez que disparam alternadamente electrões em ambas as direcções (do eléctrodo de terra para o eléctrodo central, não apenas do eléctrodo central para o eléctrodo de terra). Como resultado, os veículos com tal sistema devem ter metais preciosos em ambos os eléctrodos, não apenas no eléctrodo central, a fim de aumentar os intervalos de substituição de serviço, uma vez que desgastam o metal mais rapidamente em ambas as direcções, não apenas uma.
Seria mais fácil puxar os electrões de um eléctrodo pontiagudo, mas um eléctrodo pontiagudo iria sofrer erosão após apenas alguns segundos. Em vez disso, os electrões emitem a partir das pontas afiadas da extremidade do eléctrodo; à medida que estas pontas se desgastam, a centelha torna-se mais fraca e menos fiável.
Em tempos foi comum remover as velas de ignição, limpar depósitos das extremidades quer manualmente quer com equipamento especializado de jacto de areia e limar a extremidade do eléctrodo para restaurar as pontas afiadas, mas esta prática tornou-se menos frequente por três razões:
- limpeza com ferramentas tais como uma escova de arame deixa vestígios de metal no isolador, o que pode fornecer um caminho de condução fraco e assim enfraquecer a faísca (aumentando as emissões).
- as velas são tão baratas em relação ao custo da mão-de-obra, que a economia dita a substituição, particularmente com velas modernas de longa duração.
- as velas de irídio e de platina que têm uma duração de vida mais longa do que o cobre tornaram-se mais comuns.
O desenvolvimento de eléctrodos de metal nobre de alta temperatura (utilizando metais como o ítrio, irídio, tungsténio ou paládio, bem como o valor relativamente elevado da platina, prata ou ouro) permite a utilização de um fio central mais pequeno, que tem pontas mais afiadas mas que não derretem nem corroem. Estes materiais são utilizados devido aos seus elevados pontos de fusão e durabilidade, e não devido à sua condutividade eléctrica (que é irrelevante em série com a resistência ou fios da ficha). O eléctrodo mais pequeno também absorve menos calor da centelha e da energia inicial da chama.
Velas de centelha de polónio foram comercializadas pela Firestone entre 1940 e 1953. Embora a quantidade de radiação das velas fosse minúscula e não constituísse uma ameaça para o consumidor, os benefícios de tais velas diminuíram rapidamente após aproximadamente um mês devido à curta meia-vida do polónio, e porque a acumulação nos condutores bloquearia a radiação que melhorava o desempenho do motor. A premissa por detrás da vela de ignição de polónio, bem como o protótipo de vela de rádio de Alfred Matthew Hubbard que a precedeu, era que a radiação melhoraria a ionização do combustível no cilindro e assim permitiria que a vela disparasse mais rápida e eficientemente.
Eléctrodo lateral (terra, terra)Editar
O eléctrodo lateral (também conhecido como a “cinta de terra”) é feito de aço de alto níquel e é soldado ou forjado a quente na lateral do invólucro metálico. O eléctrodo lateral também funciona muito quente, especialmente em tampas de nariz projectadas. Alguns desenhos forneceram um núcleo de cobre a este eléctrodo, de modo a aumentar a condução de calor. Podem também ser utilizados eléctrodos laterais múltiplos, para que não se sobreponham ao eléctrodo central. O eléctrodo de terra também pode ter pequenas almofadas de platina ou mesmo irídio adicionadas a elas para aumentar a vida útil.
Vela de igniçãoEdit
Velas de ignição são normalmente concebidas para ter um intervalo de ignição que pode ser ajustado pelo técnico que instala a vela de ignição, dobrando ligeiramente o eléctrodo de terra. A mesma vela pode ser especificada para vários motores diferentes, exigindo uma folga diferente para cada um deles. Velas de ignição em automóveis têm geralmente uma folga entre 0,6 e 1,8 mm (0,024 e 0,071 pol.). A folga pode exigir um ajuste a partir da folga fora da caixa.
Uma vela de ignição é um disco com uma aresta inclinada, ou com fios redondos de diâmetros precisos, e é utilizada para medir a folga. A utilização de um calibrador de lâminas com lâminas planas em vez de fios redondos, como é utilizado nos pontos de distribuição ou nas pestanas das válvulas, dará resultados errados, devido à forma dos eléctrodos das velas de ignição. Os calibres mais simples são uma colecção de chaves de várias espessuras que correspondem às folgas desejadas e a folga é ajustada até que a chave encaixe bem. Com a tecnologia actual do motor, universalmente incorporando sistemas de ignição de estado sólido e injecção de combustível computorizada, as lacunas utilizadas são em média maiores do que na era dos carburadores e distribuidores de pontos de ruptura, na medida em que os medidores de velas de ignição dessa era nem sempre conseguem medir as lacunas necessárias dos automóveis actuais. Os veículos que utilizam gás natural comprimido requerem geralmente folgas mais estreitas do que os veículos que utilizam gasolina.
O ajuste das folgas pode ser crucial para o bom funcionamento do motor. Uma folga estreita pode dar uma faísca demasiado pequena e fraca para inflamar eficazmente a mistura combustível-ar, mas a vela irá quase sempre disparar em cada ciclo. Uma folga demasiado grande pode impedir uma faísca de disparar ou pode disparar mal a alta velocidade, mas geralmente terá uma faísca forte para uma queima limpa. Uma faísca que, intermitentemente, não consegue acender a mistura combustível-ar pode não ser notada directamente, mas aparecerá como uma redução na potência do motor e na eficiência do combustível.
Variações na concepção básicaEdit
Ao longo dos anos as variações na concepção básica da vela de ignição tentaram proporcionar ou uma melhor ignição, vida mais longa, ou ambas. Tais variações incluem a utilização de dois, três, ou quatro eléctrodos de terra igualmente espaçados em torno do eléctrodo central. Outras variações incluem a utilização de um eléctrodo central rebaixado rodeado pela rosca da vela de ignição, que se torna efectivamente o eléctrodo de terra (ver “vela de descarga superficial”, abaixo). Também há a utilização de um entalhe em forma de V na ponta do eléctrodo de terra. Os eléctrodos de terra múltiplos proporcionam geralmente uma vida mais longa, pois quando a fagulha aumenta devido ao desgaste por descarga eléctrica, a fagulha desloca-se para outro eléctrodo de terra mais próximo. A desvantagem dos múltiplos eléctrodos de terra é que pode ocorrer um efeito de blindagem na câmara de combustão do motor, inibindo a face da chama à medida que a mistura de ar combustível queima. Isto pode resultar numa queima menos eficiente e num aumento do consumo de combustível. Também são difíceis ou quase impossíveis de ajustar a outro tamanho de fenda uniforme.
Vela de descarga superficialEditar
Um motor de pistão tem uma parte da câmara de combustão que está sempre fora do alcance do pistão; e esta zona é onde se encontra a vela de ignição convencional. Um motor Wankel tem uma área de combustão permanentemente variável; e a vela de ignição é inevitavelmente varrida pelas vedações da ponta. Claramente, se uma vela de ignição saltasse para dentro da câmara de combustão da Wankel, a ponta rotativa seria danificada; e se a vela fosse encastrada para evitar isto, a faísca afundada poderia levar a uma combustão pobre. Assim, foi desenvolvido um novo tipo de vela de “descarga superficial” para a Wankel. Tal ficha apresenta uma face quase plana para a câmara de combustão. Um eléctrodo central de ponta apenas se projecta muito ligeiramente; e todo o corpo aterrado da vela actua como eléctrodo lateral. A vantagem é que a vela assenta mesmo por baixo da vedação da ponta que a varre, mantendo a centelha acessível à mistura combustível/ar. A “abertura da vela” permanece constante durante toda a sua vida; e o percurso da centelha variará continuamente (em vez de se deslocar do centro para o eléctrodo lateral como numa vela convencional). Enquanto que um eléctrodo lateral convencional irá (reconhecidamente, raramente) vir à deriva durante a sua utilização e potencialmente causar danos no motor, isto é impossível com uma vela de descarga superficial, uma vez que não há nada que se parta. Velas de descarga de superfície foram produzidas, entre outros, pela Denso, NGK, Champion e Bosch.
Vedação da cabeça do cilindroEdit
A maioria das velas de ignição selam a cabeça do cilindro com uma arruela de metal oca ou dobrada de uma só utilização, que é ligeiramente esmagada entre a superfície plana da cabeça e a da vela, imediatamente acima dos fios. Algumas velas têm uma sede cónica que não utiliza arruela. O torque para a instalação destas velas é supostamente inferior ao de uma vela vedada por uma anilha. Velas de ignição com assentos cónicos nunca devem ser instaladas em veículos com cabeças que exijam anilhas, e vice-versa. Caso contrário, uma selagem deficiente ou alcance incorrecto resultaria devido às roscas não assentarem correctamente nas cabeças.
Protrusão da pontaEdit
O comprimento da porção roscada da ficha deve ser estreitamente ajustado à espessura da cabeça. Se uma ficha se prolongar demasiado para dentro da câmara de combustão, pode ser atingida pelo pistão, danificando o motor internamente. Menos dramaticamente, se os fios do obturador se estenderem para dentro da câmara de combustão, as arestas afiadas dos fios actuam como fontes pontuais de calor que podem causar pré-ignição; além disso, os depósitos que se formam entre os fios expostos podem dificultar a remoção dos obturadores, danificando mesmo os fios das cabeças de alumínio no processo de remoção.
A protuberância da ponta na câmara também afecta o desempenho da vela; quanto mais centralmente localizada for a fagulha, melhor será geralmente a ignição da mistura ar-combustível, embora os especialistas acreditem que o processo é mais complexo e dependente da forma da câmara de combustão. Por outro lado, se um motor estiver “a queimar óleo”, o excesso de óleo a entrar na câmara de combustão tende a sujar a ponta da vela e inibir a faísca; nestes casos, uma vela com menos protuberância do que o motor normalmente exigiria, muitas vezes recolhe menos sujidade e tem um melhor desempenho, durante um período mais longo. São vendidos adaptadores especiais “anti-incrustantes” que se ajustam entre a vela e a cabeça para reduzir a protuberância da vela precisamente por este motivo, em motores mais antigos com graves problemas de queima de óleo; isto fará com que a ignição da mistura combustível-ar seja menos eficaz, mas em tais casos, isto é de menor importância.