Você sabe a finalidade de um sistema de ignição de alta energia para motores de alto desempenho? Tem alguma duvida sobre esse assunto? Leia esta matéria com atenção, ela irá esclarecer diversos tópicos que podem gerar muitas duvidas sobre o sistema de ignição da FuelTech, ao final deste texto garanto que você será capaz de escolher qual será o melhor sistema para seu projeto.

A tensão tem como objetivo romper o dielétrico, que é a resistência existente entre os eletrodos da vela. Essa resistência pode ser alterada pela folga entre os eletrodos da vela “Gap” e por parâmetros do ambiente, onde se encontra a vela de ignição (câmara de combustão). 

• Relação ar/combustível
• Pressão dentro da câmara
• Formação da mistura na região da vela
• Temperatura da Mistura 

Ou seja, quanto maior a tensão ou menor a resistência mais fácil é para ocorrer a ignição na câmara de combustão, por esse motivo ao aumentar o “gap” (folga) entres os eletrodos da vela de ignição exageradamente ou de alguma forma gerar mais resistência entre os eletrodos, podemos solicitar uma tensão mais alta do secundário da bobina e se o sistema não estiver preparado para entregar teremos uma falha de ignição. 

👉 Corrente elétrica: é medida em amperes (A)

A corrente talvez seja o parâmetro mais importante a ser observado em um sistema de ignição, pois o calor gerado pelo arco elétrico é diretamente proporcional a sua corrente. Quando iniciamos a combustão com uma fonte de calor com maior temperatura temos a certeza de que uma combustão irá ocorrer de uma forma ou de outra.

IMPORTANTE: É importante ter um equilíbrio entre a tensão e a corrente solicitada para evitar uma possível falha. Essa falha pode acontecer porque não ocorreu o arco devido a alta resistência oferecida ou porque a centelha não tinha temperatura suficiente para iniciar a combustão. 

👉 Energia de ignição:é medida em milijoules (mJ)

Energia elétrica aplicada a um sistema de ignição, é uma forma de energia baseada na geração de diferenças de potencial elétrico (tensão) entre dois pontos (eletrodos da vela de ignição), que gera uma corrente elétrica entre ambos. O miliJoule é o resultado da multiplicação da tensão pela corrente elétrica, que nos mostra quanta energia está disponível por unidade de tempo, isso multiplicado pelo tempo em que foi utilizada. Portanto para aumentar a energia de uma centelha, pode-se aumentar a energia disponível, aumentando corrente e tensão, ou aumentar o tempo de solicitação da energia, aumentando o tempo de duração da centelha.
 

 ➡ Sistema de ignição indutivo:

Um módulo de ignição indutiva de alta energia, como a SparkPRO e a nova bobina com módulo integrado Smart Coil FuelTech, atende boa parte das aplicações de motores customizados. Alguns benefícios desse sistema são a menor probabilidade de gerar interferências eletromagnéticas e a possibilidade de um uso diário em diversos projetos. Com a SparkPRO é possível gerar uma centelha de até 125mJ (mJ = milijoules) e aplicar 12A de corrente no primário da bobina. 

Com a nova bobina Smart Coil podemos gerar 175mJ e aplicar 20A de corrente no primário da bobina. Ambos os sistemas citados podem ser utilizados em aplicações extremas com diversas configurações de motor e combustível, temos vários exemplos de motores com até 250cv por cilindro com valores de lambda no metanol acima de 0,62 que são muito bem atendidos por esses sistemas (Gol do Sapinho, SparkPRO2 com bobina dupla Bosch linha GM). 

A longa duração da centelha de um sistema indutivo de ignição, que chega a 3ms (3000us) em uma Smart Coil FuelTech, significa que os 175mJ estão sendo aplicados em uma centelha longa e esparsa, sua intensidade é baixa, mas está presente por até 100 graus de revolução do motor, isso facilita a ignição de alguns combustíveis que exigem centelha mais longa, como metanol e nitrometano. Ou em situações de mistura pobre, independentemente do combustível. 

➡ Sistema de ignição capacitiva:

A FTSPARK é um módulo de ignição capacitiva de altíssima energia que vem para atender os mais altos níveis de exigência para projetos extremos, sendo capaz de gerar uma centelha de 600mJ e aplicar 125 Ampéres de corrente no primário da bobina. Com essas características a FTSPARK, gera uma centelha com aproximadamente 5 vezes mais energia e 10 vezes mais corrente em comparação com uma SparkPRO garantindo a queima em qualquer condição. 

A concentração da centelha de uma FTSPARK é a grande vantagem para queima de combustíveis como metanol, que em geral usam uma estequiometria abaixo de 4 partes de oxigênio para 1 de metanol (4,0 AFR no metanol - 0,62 lambda). Isso significa ter praticamente 3 vezes mais combustível vaporizado na câmara de combustão quando comparado com um motor a gasolina, que utiliza 12 partes de oxigênio para 1 de gasolina (12 AFR gasolina - 0,81 lambda). Isso exige uma centelha muito mais forte e concentrada, que seja capaz de vencer esse meio tão denso e dielétrico e, caso isso não ocorra nos primeiros 4 graus de posição do motor, em geral, causa uma falha naquele ciclo, que por não ter conseguido queimar, faz a temperatura da vela de ignição cair absurdamente e consequentemente prejudica também o próximo evento de ignição, muitas vezes causando sucessivas falhas de ignição durante vários segundos de carga do motor até que consiga recuperar, em geral já após ter acabado a passada e estar em marcha lenta por alguns segundos. Por essa razão uma ignição desenvolvida especialmente para motores a metanol precisa ter a concentração máxima de energia nos primeiros graus do motor, uma FTSPARK concentra todos seus 600mJ em 0,3ms (300us) de centelha, o que significa uma duração de centelha de 15 graus a 8000rpm, enquanto que uma bobina convencional com ignição indutiva em geral descarregou apenas 17mJ nesse mesmo período.

Uma combustão com mistura ar/metanol muito rica, usando um sistema indutivo falharia, já com uma FTSPARK o motor simplesmente perderia potência. Isso acaba impedindo o uso da antiga técnica de enriquecer ate que falhe de tão rico para buscar um lambda seguro. 

A maior capacidade de iniciar a combustão com um sistema de alta energia capacitivo também é visto em misturas pobres, neste caso apresenta-se um grande risco em casos de substituição do sistema de ignição para um de alta energia sem a recalibração do motor, ou pelo menos verificação de que tipo de acerto está presente. Caso o acerto anterior esteja tendendo para uma mistura pobre, porque o sistema de ignição anterior muitas vezes não tinha a capacidade de queima completa e a faixa possível de mistura era estreita, obrigando um acerto de tal forma, que se enriquecesse a mistura falharia a ignição, e misturas mais pobres também ocorreria falha de ignição. 

Falha de ignição fraca de pobre é uma falha sutil e pouco perceptível, inclusive não gera efeitos em cascata para os próximos ciclos, simplesmente a ignição não ocorre, não existe geração de energia nesta combustão e não temos excesso de combustível admitido devido a mistura pobre. Um motor pode trabalhar nessa condição e se ela for somente em situações de curta duração, digamos só em uma das marchas de uma largada, o motor tolera sem danos. Porém, quando feita conversão de ignição sem recalibração da mistura, é exatamente nessa situação que a ignição de alta energia se torna mais perigosa, pois ela será capaz de iniciar a combustão em uma faixa mais ampla de mistura, tanto para o rico como para o pobre, gerando então uma combustão de altíssima temperatura, o que caracteriza uma mistura pobre (com lambda próximo de 1,00), podendo ocasionar então derretimento de velas, cabeçote e pistões.

Em motores a metanol com valores de lambda de até 0,58, pode-se multiplicar a vazão total dos injetores por 0,7 para estimar a potência do motor, isso ajuda a identificar uma possível incompatibilidade entre potência gerada e vazão de injetores, com o valor de lambda obtido.
 

Em 5º marcha a 9541 rpm e 3,47 bar de MAP o consumo de combustível é de 1559.3 lb/h, multiplicando-se esse valor por 0,7 obtém-se a potência estimada do motor, aproximadamente 1100cv, o que é bastante plausível. Se a vazão estivesse menor do que o valor mostrado e apresentasse algum dano no motor, isso indicaria falta de combustível, mesmo se o valor de lambda estivesse 0,67. O contrário também se aplica, uma passada com um resultado muito ruim de tempo e velocidade com essa mesma vazão indicaria excesso de combustível, mesmo com o lambda correto.

Mesmo com a vazão dos injetores correta para a potência que está sendo aplicada, uma má formação da mistura dentro do cilindro irá afetar diretamente a combustão, podendo desencadear uma anomalia, como detonação ou pré-ignição, que pode ser muito prejudicial ao motor. Consequentemente, uma má formação da mistura também pode alterar a leitura da quantidade de oxigênio livre no escape, o que irá afetar o valor de lambda, podendo mostrar valores que não são reais. 

▶ Vazão dos injetores:

Para grandes potências normalmente são utilizados injetores de alta vazão, onde os mesmos tem um tamanho de gota muito grande, o que causa a condensação (se torna líquido) do combustível antes da passagem pela válvula de admissão, dificultando uma boa formação da mistura. A posição e o momento da utilização desses injetores podem agravar ou minimizar esse problema. Normalmente devem ser utilizados como segunda banca e posicionados distantes da válvula de admissão com ângulo de fixação de 20° a 45° em relação ao duto da admissão.

NOTA: Cuidado ao utilizar injetores como suplementares na pressurização, normalmente estes causam uma má distribuição da mistura entre os cilindros, o que não é tolerado em níveis muito altos de potência, sem que hajaalgumaforma eficiente de medição da temperatura dos gases de escape por cilindro, como termopares no escapamento, ou medição da estequiometria da mistura, com um sensor de oxigênio por cilindro.

▶ Temperatura da Mistura:

Calor Latente de evaporação é a grandeza física relacionada à quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada substância deve receber ou ceder para mudar de fase, ou seja, no caso de um combustível como o metanol ao passar do estado líquido para o gasoso, ele absorve três vezes mais calor do que a gasolina pura, esse processo traz um resfriamento do duto de admissão durante o processo de injeção. Em casos de motores turbo com “water cooler” ou “ice cooler” a baixa temperatura do ar somado ao alto calor latente do metanol dificultam a vaporização do combustível, o que faz com que ele entre ainda no estado líquido no cilindro, isso gera uma separação do combustível e do ar na fase de compressão dificultando a ignibilidade da mistura, ou seja, motores a metanol “não gostam” de ar muito frio pois isso dificulta a homogeneização da mistura, facilitando a ocorrência de uma combustão anômala. 

▶ Turbulência na câmara de combustão:

Após a mistura passar pela válvula de admissão é desejável que ocorra algumas turbulências, conforme mostrado na figura abaixo.

A geometria do pistão e da câmara de combustão também podem influenciar na formação da mistura, bem como no avanço de ignição.

Utilizar uma das ferramentas mais antigas em acerto de motores, que é observar o aspecto da vela de ignição após uma passada. Recomendamos, a fim de facilitar e padronizar o processo de diagnóstico, usar uma vela de ignição em específico, a NGK V-POWER,

por serem mais acessíveis e por não serem resistivas (especificação

recomendada para sistema capacitivo). Outro motivo é o tipo de tratamento superficial na parte metálica (bicromatização) que oferece um acabamento brilhoso, o que facilita o processo de análise das velas.

 Em fase de acerto do motor deve-se, a cada passada, usar um jogo de velas novas para observação, onde iremos analisar somente a parte metálica que está em contato com o calor da câmara de combustão (posteriormente essas velas podem ser reaproveitadas quando o processo de acerto inicial for finalizado). O primeiro contato da vela com uma temperatura correta de combustão causará uma aparência de “acetinado”, a parte metálica perde o brilho. Caso uma das velas mantenha o brilho, isso é indicativo de uma mistura rica.

Quando a vela muda de cor é sinal de que o acerto está correto e é possível verificar outro parâmetro, a quantidade de calor que a vela recebeu durante a combustão, indicada pela região da rosca no corpo da vela. O recomendado é que a mudança de cor não ultrapasse o segundo fio de rosca da vela, caso ultrapasse, isso indica excesso de calor gerado, que pode ser motivado por excesso de avanço de ignição ou mistura pobre (tendendo a lambda 1,00).

Ao remover a vela de ignição pode-se observar em alguns casos, que mesmo mantendo o brilho, percebe-se uma sobreposição de um pó branco. Isso é o resultado de uma combustão muito pobre. Na vela de ignição à direita, observa-se um exemplo de mistura pobre devido a diminuição da vazão do injetor da segunda bancada. A evidência que comprova isso está no pó branco previamente citado, que sobrepõe a superfície metálica da vela, onde em comparação a vela de ignição à esquerda, utilizada em outro cilindro que não apresentou o problema de vazão de combustível, observa-se o aspecto acetinado citado anteriormente.  

 Uma vez acertada a mistura podemos observar parâmetros relacionados ao avanço de ignição. 

O eletrodo massa da vela deve ter uma cor uniforme, caso tenha uma marca branca na sua extremidade pode estar indicando o início de detonação, evidência observada na vela da esquerda levemente e mais aparente na vela da direita. Perceba, também nas duas velas citadas, pontos escuros na região plana da vela que fica exposta na câmara de combustão, onde a possível causa é de uma combustão anômala. 

A detonação é uma combustão anômala que ocorre somente depois de ocorrer o arco elétrico da ignição e tem por característica afetar a extremidade do cilindro. A pré-ignição é um fenômeno que antecede o arco elétrico gerando danos normalmente no centro da câmara de combustão. Muitas vezes o excesso de avanço de ignição ou mistura tendendo a pobre pode gerar problemas semelhantes como derretimento do pistão, da vela de ignição ou mesmo do cabeçote. Porque na verdade a mistura tendendo a pobre acelera a velocidade do avanço da frente de chama, gerando o mesmo efeito de avançar o ponto de ignição.

Na imagem das quatro velas de ignição abaixo, pode-se perceber que na vela do cilindro dois o eletrodo derreteu completamente, fato que pode ter sido causado por ambos problemas citados. Quando a vela apresentar um arredondamento das arestas do eletrodo massa, como no cilindro três, isso indica um estágio anterior, necessitando atrasar o ponto de ignição ou enriquecer a mistura, dependendo dos outros parâmetros já vistos. Na vela pertencente ao cilindro quatro, pode-se verificar o primeiro estágio apresentado, onde o pó branco se faz presente, caracterizando mistura pobre.

◼ Leitura do sensor de oxigênio e seus possíveis erros:

O sensor de oxigênio, como o próprio nome já diz, lê a quantidade de oxigênio livre nos gases que saem pelo tubo de escape, onde além da formação de mistura outros parâmetros podem alterar o valor lido pela sonda. Existe uma armadilha na leitura desse sensor, onde uma falha de ignição é detectada como mistura pobre, pois naquele instante foi medida uma quantidade grande de oxigênio nos gases de escape, mas se o motor está em marcha lenta, pode-se sentir o cheiro de combustível não queimado, indicando uma mistura rica, o que normalmente gera confusão.

1. Posição do sensor e o desenho do escape podem, em motores de extremo desempenho a metanol, gerar uma alteração na leitura devido a amostra de oxigênio lida pelo sensor ser diferente do verdadeiro resultado da combustão. 

2. Leitura errada por influência da pressão: segundo a fabricante Bosch esse sensor tem sua leitura alterada para rico quando submetido a pressão positiva. 

3. Recomendação do fabricante do sensor LSU 2 Bosch é de leitura de valores até lambda até 0,65, abaixo dessa faixa a precisão é reduzida. 

4. Uma entrada falsa de ar na tubulação do coletor de escape, pode gerar uma alteração da leitura do sensor de oxigênio tendendo a mostrar lambda mais mais pobre. 

5. Como a leitura do sensor de oxigênio é alterada por um corte de ignição como um limitador de RPM ou corte de arrancada, então, por exemplo, em um caso de falha de ignição por qualquer motivo, sua leitura será da mesma forma alterada informando pobre onde não está. Existem casos em que motores tem pequenas falhas e a leitura do sensor de oxigênio pode estar comprometida.

O EGT é uma ferramenta muito importante para ajuste individual dos cilindros e detecção de problemas de alimentação e ignição. 

Não existe uma temperatura ideal de EGT que sirva como regra geral, a posição que são instalados, a profundidade do sensor, a espessura do sensor, pressão de escapamento, entre outros fatores, fazer com que alguns carros trabalhem com temperaturas na casa dos 500°C e outros 750°C. 

Utilizar uma ignição de alta energia em um motor a metanol é requisito necessário quando se deseja atingir níveis extremos de potência, pois faz com que o ponto de ignição seja efetivo para o início da combustão, não importando a condição da mistura, seja rica ou pobre. A faixa de mistura que o motor consegue queimar, sem falhar de rico nem atrasar a combustão de pobre, é muito mais ampla com uma ignição potente, mas aumenta significativamente os riscos de danos ao motor no caso de uma calibração de mistura e de ponto inadequados. 

Quando a homogeneização da mistura dentro da câmara de combustão é falha, ou seja, existem zonas sem combustível ou com quantidade insuficiente (pobre), logo ao lado de uma zona corretamente equilibrada com combustível (A/F desejado), e uma outra zona desequilibrada com mistura muito rica, a ignição será iniciada aleatoriamente em alguma dessas três zonas.  

Quando a potência de ignição é reduzida e não concentrada, como em um sistema de ignição indutivo, a centelha não é forte o suficiente para iniciar a combustão imediatamente, mas como fica disponível durante muitos graus de rotação do motor, chega um momento em que a centelha consegue iniciar a combustão, porém alguns graus atrasada, gerando o mesmo efeito de um ponto de ignição efetivo atrasado, já na fase de descompressão da câmara de combustão, pois nessa fase o início da combustão é facilitado.  

É sabido que qualquer motor com ponto atrasado é mais tolerante a mistura pobre sem ser danificado, pois a energia adicional gerada pela combustão pobre, quando com ponto atrasado, se desloca para o ciclo de descarga, o que não expõe tanto o motor a essa quantidade maior de calor, evitando assim que algo seja danificado. 

Porém quando o motor está utilizando um sistema de ignição de alta e concentrada energia como uma FTSPARK, por se buscar um resultado de extrema potência, a condição não equilibrada da câmara de combustão com zonas nas quais a relação ar/combustível não estão bem distribuídas como já citado, a combustão será iniciada instantaneamente, no momento da centelha, mesmo que nessa condição. Isso representa um ponto de ignição efetivo igual ao programado, sem atrasos. 

A zona com falta de combustível gera um “efeito maçarico” dentro da câmara de combustão, onde a temperatura e a pressão se elevam subitamente. Quando isso ocorre, em geral a vela de ignição tem seu eletrodo derretido e/ou a cerâmica quebrada, quando não derrete outra parte como pistão ou cabeçote, depende o que é mais fraco no motor. Sintomas de mistura pobre e ponto adiantado se juntam nesse diagnóstico.

Em níveis extremos de potência é importante corrigir deficiências de homogeneização dentro da câmara de combustão ,o que leva ao surgimento de zonas ricas e pobres dentro do cilindro. O correto seria atacar a causa do problema que é a formação de mistura como já falamos, mas na busca de minimizar esse problema muitos profissionais aplicam uma quantidade adicional de combustível somente para compensar essa má formação da mistura, exigindo mais potência de ignição, pois a centelha esporadicamente irá enfrentar uma zona de maior ou menor resistência. 

Uma ignição mais fraca é mais segura e exige menos procedimentos de calibração em um motor a metanol, pois sua própria dificuldade de queimar misturas pobres, onde o ponto de ignição efetivo do início da combustão acaba atrasando, expondo então a câmara de combustão a menos calor, assim como quando se utiliza misturas mais ricas, onde não existe a falha de rico (misfire de rico), apenas perde potência sem falhar.

Vamos considerar que o motor está muito bem acertado em relação ao combustível e avanço de ignição, o que significa que a combustão ocorre gerando a máxima potência e os componentes mecânicos como velas, pistões e todo o motor aguentam sem nenhum dano ao esforço pelo tempo que é realizada aceleração. Percebe-se que na câmara de combustão o calor distribuiu-se perfeitamente, através da análise da cor da superfície das velas de ignição, portanto sem sinais de anomalia na combustão. Digamos que nesse carro, nessas condições, utilizando 1600lb/h (vazão total somada dos injetores) de metanol, com 20 graus de ponto de ignição, e gerando 1000hp, a sonda mostra 0,60 de lambda e o EGT aponta 600°C. 

Agora simulando que esse motor receba menos combustível, passando para 1300lb/h, com isso o sensor de oxigênio vai mostrar digamos 0,67 lambda e o EGT 700°C. 

Se o motor tem uma ignição capaz de iniciar a combustão logo nos 20 graus de avanço programado, é provável que a vela comece a ter marcas não homogêneas de combustão, como alteração de cor até mais longe nos fios de rosca, e possivelmente derreta o eletrodo em primeiro lugar, podendo até quebrar a cerâmica. 

Se o motor tem uma ignição indutiva convencional, a centelha ficará dificultada e provavelmente não vai iniciar a combustão nos 20 graus de ponto programado, digamos que inicie em 10 graus, com isso a quantidade de calor que o motor foi exposto é bem menor e o motor gera menos potência, mas provavelmente sem danificar vela nem componentes internos.

Simulando que esse motor receba ainda menos combustível, passando para 1100lb/h, nesse caso a mistura é tão pobre que ambas ignições não conseguem iniciar a combustão, e o motor falha de pobre, o sensor de oxigênio vai ler picos na leitura indicando a falha e provavelmente fique bem irregular acima de 0,70 lambda, EGT vai baixar, digamos que leia 500°C pois vários ciclos não ocorreram, a vela vai ter uma característica de um pó branco impregnado, mostrando isso. 

Se equipado com uma ignição de alta energia, esse combustível vai ser queimado sem falhas, o sensor de oxigênio vai mostrar 0,55 lambda e a os EGT vão ficar sem quedas, mas com uma temperatura abaixo de 600°C tendendo a um valor mais baixo, maior do que no caso de uma falha de ignição mas abaixo de uma combustão perfeita. 

Um fenômeno que pode ocorrer quando existe um excesso muito grande de combustível é o aumento da temperatura lida pelo EGT, pois isso gera uma queima mais lenta, então parte desse combustível não queimado na câmara de combustão vai ser inflamado no duto de escapamento. Isso acontece pois o combustível deixa a câmara de combustão já vaporizado e encontra a parede do duto de escape com uma temperatura maior do que a temperatura de ignição espontânea do metanol. Esse efeito é comparável a um atraso no ponto de ignição, então o motor vai gerar menos potência, digamos 900hp ao invés de 1000hp, já que o combustível não está gerando trabalho na cabeça do pistão, mas sim saindo livre pelo escapamento. 

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