ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta...

119

Transcript of ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta...

Page 1: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição
Page 2: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP) Divisão de Informação e Documentação

Goulart, Bruno Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno

Santos Goulart. São José dos Campos, 2013. 118f.

Tese de mestrado – Aerodinâmica, Propulsão e Energia – Instituto Tecnológico de Aeronáutica,

2013. Orientador: Prof. Dr. Cleverson Bringhenti.

1. Sistemas de Ignição. 2. Fenômenos de Ignição. 3. Ignição Capacitiva. I. Instituto Tecnológico de Aeronáutica. II. Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular.

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

GOULART, Bruno. Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular. 2013. 118f. Tese de mestrado em Aerodinâmica, Propulsão e Energia – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.

CESSÃO DE DIREITOS

NOME DO AUTOR: Bruno Santos Goulart TÍTULO DO TRABALHO: Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular. TIPO DO TRABALHO/ANO: Tese / 2013 É concedida ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica permissão para reproduzir cópias desta tese e para emprestar ou vender cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta tese pode ser reproduzida sem a sua autorização (do autor).

Bruno Santos Goulart

Rua Prefeito Tigre Maia, 486, Pinheirinho CEP 37500-182 Itajubá - MG

Page 3: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

iii

ESTUDO EXPERIMENTAL DE SISTEMAS DE IGNIÇÃO DE

ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR

Bruno Santos Goulart

Composição da Banca Examinadora: Profa. Cristiane Aparecida Martins Presidente - ITA Prof. Cleverson Bringhenti Orientador - ITA Prof. Antonio Carlos de Oliveira Co-orientador - IEAv Prof. Jesuíno Takachi Tomita ITA Prof. Genésio José Menon UNIFEI

ITA

Page 4: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

iv

Dedicatória

Este trabalho é dedicado ao futuro tecnológico da nação, na tentativa de difundir esta área de

conhecimento pouco estudada.

Page 5: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

v

Agradecimentos

Este projeto não poderia ser terminado sem a ajuda de diversas pessoas às quais são prestadas

homenagens:

Aos pais do autor, pelo incentivo em todos os momentos da vida.

Ao engenheiro Cezar Marques, pioneiro do Brasil em sistemas de ignição de alta

potência e difusor desta área tecnológica, pela disposição e auxílio técnico.

Ao orientador e co-orientador, que mostraram os caminhos a serem seguidos.

A todos os professores, colegas e amigos, que ajudaram de forma direta ou indireta na

conclusão deste trabalho.

Page 6: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

vi

Resumo

Uma combustão eficiente depende de muitos fatores, tais como injeção de combustível,

turbulência e características de ignição. Com a melhoria dos motores de combustão interna a

intensidade de turbulência e a pressão interna vêm aumentando, demandando com isso

sistemas de ignição mais potentes e eficientes. Em motores de injeção direta, as cargas

estratificadas resultantes do spray direto guiado por fronteiras ou ainda por escoamento

requerem ainda mais energia.

Neste trabalho foi investigado o efeito de diversos parâmetros de ignição nos fenômenos

elétricos e mecânicos ligados à abertura e sustentação do arco elétrico e ao processo de

combustão. Para isso foram estudados limites de centelhamento, diferentes níveis de energia,

bobinas e velas com maiores ou menores perdas internas, diferentes cargas impostas ao

sistema de ignição e diferentes sistemas. Foram feitas três bancadas de testes: uma com

ignição indutiva padrão; uma com ignição indutiva de alta voltagem e uma com ignição

capacitiva de alta energia, com voltagem e capacitância variáveis. A aquisição de dados foi

feita através de osciloscópios com pontas de prova específicas e fotografias de alta velocidade

utilizando a técnica schlieren, que permite avaliar efeitos térmicos e ondas de choque geradas

nos processos de centelhamento e combustão.

Os resultados obtidos através destes experimentos mostraram que os sistemas de ignição

veiculares padrão ainda podem melhorar muito em voltagem, atraso de resposta, limite de

centelhamento e energia entregue à câmara de combustão. Com os sistemas de alta voltagem

e/ou energia testados neste trabalho, indutivo e especialmente o capacitivo, pode-se aumentar

consideravelmente as folgas de vela, o que melhora bastante o rendimento global dos motores

de combustão interna.

Page 7: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

vii

Abstract

An efficient combustion depends on many factors, such as injection, turbulence and

ignition characteristics. With the improvement of internal combustion engines the turbulence

intensity and internal pressure have risen, demanding more efficient and powerful ignition

systems. In direct injection engines, the stratified charge resultant from the wall/air-guided or

spray-guided system requires even more energy.

In this work were investigated effects of ignition parameters on electrical and mechanical

phenomena linked to spark opening and maintenance and combustion process. Sparking

limits, energy levels, big or small losses coils and sparkplugs, different imposed loads and

different ignition systems will be discussed. Three test-benches was done: one with standard

inductive system, one with high voltage inductive ignition and one with high energy

capacitive ignition, with variable voltage and capacitance. The data acquisition was done by

oscilloscopes with specific probes and high speed schlieren photographs, which permits

evaluate thermal effects and shockwaves generation during sparking and combustion.

Results obtained through this experiments show that the standard vehicle ignition systems

can be improved very much about voltage, delay response, sparking limit and supplied energy

to combustion chamber. With the high voltage and/or energy systems tested, inductive and

specially the capacitive, the spark gap can be raised plenty, which improve a lot the global

efficiency of spark ignition engines.

Page 8: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

viii

Lista de Figuras

Figura 1 - Sistema de ignição transistorizado típico com distribuidor (Bosch, 2006). ............24

Figura 2 - Carga típica de uma bobina veicular (adaptado de Bosch, 2006). (a) Saturação. ..26

Figura 3 - CDI com gerador de pulso indutivo (esquema) (Bosch, 2002). ..............................27

Figura 4 - Variação esquemática de voltagem e corrente para uma ITI convencional

(Heywood, 1988). .....................................................................................................................29

Figura 5 - Corrente da centelha durante a fase de ruptura para velas diretas e resistivas (NGK,

1998).........................................................................................................................................30

Figura 6 - (a) e (b) Efeito do diâmetro do eletrodo central da vela, folga da vela e ponto de

ignição no limite pobre de operação (Heywood, 1988); (c) Efeito da folga da vela na

economia de combustível (Obert, 1971). .................................................................................32

Figura 7 - Representação esquemática do efeito do tamanho do raio de ignição na inflamação

de uma mistura não homogênea. Diferentes graus de propriedades não-homogêneas são

atribuídos a diferentes esferas distribuídas aleatoriamente de tamanho igual ao tamanho médio

estatístico da não-homogeneidade (Maly, 1984)......................................................................34

Figura 8 - Descarga única em uma ITI (descarga por irradiação, 30 mJ, 0,77-1,5 ms) com

escoamento de ar a 300 K, 2 bar e 1,2 mm de folga. Abaixo de 15 m/s quase sem múltiplas

descargas, acima de 15 m/s somente múltiplas descargas. Os canais de descargas por

irradiação são visíveis devido à excitação por sucessivas fazes de ruptura ao longo de uma

passagem pré-ionizada ao invés de formar um novo canal (Maly, 1984). ...............................37

Figura 9 - Estabilidade da combustão para posições diferentes de vela (adaptado de Bosch,

2006).........................................................................................................................................38

Figura 10 - Diferentes padrões de escoamento. (a) vantajoso para o crescimento da chama ..39

Figura 11 - Fotografia de uma centelha num motor transparente com câmera de alta

velocidade.................................................................................................................................42

Page 9: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

ix

Figura 12 - Esquema de montagem da bancada de testes.........................................................46

Figura 13 - Sinal de comando típico de um módulo de ignição...............................................53

Figura 14 - Comportamento da carga da bobina de um sistema indutivo de acordo com a

largura do pulso de comando (Goulart, Bringhenti e Oliveira, 2011)......................................54

Figura 15 - Forma de onda típica de um sistema indutivo, V1 (Evento Mi 04).......................55

Figura 16 - Forma de onda típica de um sistema capacitivo, V1 (Evento TNT 04).................57

Figura 17 - Esquema de Montagem do Divisor Resistivo........................................................58

Figura 18 - Rigidez dielétrica do ar em um campo homogêneo...............................................59

Figura 19 - Forma de onda típica de um sistema indutivo, V2 (Evento Mi 04).......................60

Figura 20 - Forma de onda típica de um sistema capacitivo, V2 (Evento TNT 03).................61

Figura 21 - Carga da bobina padrão Bosch com módulo CM Top até 10 ms ..........................62

Figura 22 - Forma de onda típica de um sistema capacitivo, I1 (Evento, TNT 03) .................64

Figura 23 - Forma de onda típica de um sistema indutivo, I2 (Evento, Mi 04) .......................65

Figura 24 - Forma de onda típica de um sistema capacitivo, I2 (Evento, TNT 03) .................66

Figura 25 - Desempenho da IDI padrão Bosch num motor veicular em rodovia.....................67

Figura 26 - Medição de campo (V1); Dodge Ram 8.0l V10; IDI; variação abrupta ML =>

WOT. Medições a e b são similares e aleatórias. .....................................................................68

Figura 27 - Fotos com técnica schlieren, IDI padrão, velas R (Mi 02 e 04) e IR (Mi 06) .......77

Figura 28 - Fotos com técnica schlieren, IDI padrão, vela IR (Mi 08) e D (Mi 09 e 11).

Contorno das ondas de choque indicado por setas ...................................................................77

Figura 29 - Fotos schlieren, IDI alta voltagem, bobina Bosch, d = 20 mm, Contorno das ondas

de choque indicado por setas ....................................................................................................78

Figura 30 - Fotos schlieren, IDI alta voltagem, bobina Bosch, d = 25 mm .............................79

Figura 31 - Fotos schlieren, IDI alta voltagem, bobina Bosch, d = 29 e 30 mm

respectivamente (limite de centelhamento) ..............................................................................80

Page 10: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

x

Figura 32 - Fotos schlieren, IDI alta voltagem, bobina Champion, d = 20 mm.......................81

Figura 33 - Fotos schlieren, IDI alta voltagem, bobina Champion, d = 25 mm.......................82

Figura 34 - Fotos schlieren, IDI alta voltagem, bobina Champion, d = 27 e 30 mm

respectivamente (limite de centelhamento), .............................................................................83

Figura 35 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina Bosch, d = 40 e 50 mm respectivamente,

velas R ......................................................................................................................................84

Figura 36 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina Bosch, d = 40 e 50 mm respectivamente,

velas IR.....................................................................................................................................85

Figura 37 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina Bosch, d = 20 mm, velas D.................85

Figura 38 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina Bosch, d = 20 mm (TNT 19 a 21) e

30 mm (TNT 25 e 26), velas D.................................................................................................86

Figura 39 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina Bosch, d = 40 mm (limite de

centelhamento), velas D. TNT 29 e 30 - eventos com reabertura do arco ...............................87

Figura 40 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina Champion, d = 40, 45 e 50 mm (limite

de centelhamento), velas D. TNT 48 - falha de ignição. TNT 49 - evento com reabertura do

arco ...........................................................................................................................................88

Figura 41 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina MSD 8201, d = 20 mm .......................89

Figura 42 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina MSD 8201, d = 30 mm .......................90

Figura 43 - Sistema de escape, motor GM 2,5 litros Opala 1990’ com CDI de alta energia,

modelo CM Plus. (a) vista interna do início do tubo de escapamento, motor aspirado, (b) vista

interna do coletor de escapamento, motor com turbo-compressor.........................................102

Figura 44 - Bobina MSD 8201, especificações de catálogo...................................................105

Figura 45 - Bobina MSD 8201, montagem na bancada de testes. V1, V2, V3 e I1 indicam as

medições de tensão e corrente características.........................................................................106

Figura 46 - Bobina MSD 8251, especificações de catálogo...................................................107

Page 11: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

xi

Figura 47 - Bobina MSD 8251, montagem na bancada de testes. I1 e V2 medições de tensão e

corrente características ...........................................................................................................107

Figura 48 - Bobina Bosch, montagem na bancada de testes. V1, V2 e V3 indicam as medições

de tensão características..........................................................................................................108

Figura 49 - Bobina Bosch, detalhes do isolamento elétrico adicional....................................109

Figura 50 - Bobina Champion, montagem na bancada de testes. I1, I2 e V2 indicam as

medições de tensão e corrente características.........................................................................110

Figura 51 - Bobina Champion, detalhes antes e depois do isolamento elétrico adicional .....110

Figura 52 - Módulo de ignição indutivo Bosch, 0227100142 (família VW Mi) ...................111

Figura 53 - Módulo de ignição indutivo CM Top ..................................................................111

Figura 54 - Módulo de ignição capacitivo CM TNT..............................................................112

Figura 55 - Montagem da bancada de testes...........................................................................114

Figura 56 - Calibração do divisor resistivo: Módulo CM Top, bobina Bosch, ......................117

Figura 57 - Calibração do divisor resistivo: Módulo CM Top, bobina Champion, ...............117

Figura 58 - Calibração do divisor resistivo: Módulo CM TNT, bobina Bosch,.....................118

Figura 59 - Calibração do divisor resistivo: Módulo CM TNT, bobina Champion, ..............118

Page 12: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

xii

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Distribuição percentual de energia para diferentes tipos de descargas (Maly e

Vogel, 1976). ............................................................................................................................28

Tabela 2 - Relações entre atraso do início da centelha (AIC), a rotação e o dielétrico na

câmara de combustão para diversas taxas de elevação de tensão (TET) do sistema de ignição.

..................................................................................................................................................31

Tabela 3 - Relações entre a velocidade do motor e duração da centelha, em μs e em graus ...40

Tabela 4 - Módulos, bobinas e velas ensaiadas ........................................................................47

Tabela 5 - Eventos testados com sistema indutivo padrão (VW Mi) .......................................48

Tabela 6 - Eventos testados com sistema indutivo de maior voltagem (CM Top)...................48

Tabela 7 - Eventos testados com sistema capacitivo de alta energia (CM TNT, ajustável).....49

Tabela 8 - Resumo das características principais dos eventos com IDI padrão .......................70

Tabela 9 - Resumo das características principais dos eventos com IDI de alta voltagem e

bobina Bosch ............................................................................................................................71

Tabela 10 - Resumo das características principais dos eventos da IDI de alta voltagem e

bobina Champion......................................................................................................................72

Tabela 11 - Resumo das características principais dos eventos da CDI de alta energia e bobina

Bosch ........................................................................................................................................73

Tabela 12 - Resumo das características principais dos eventos da CDI de alta energia e

bobinas Champion e MSD 8201...............................................................................................74

Tabela 13 - Testes de emissões em motores veiculares..........................................................102

Tabela 14 - Condições ambientais dos eventos ......................................................................115

Tabela 15 - Condições ambientais durante as calibrações do divisor resistivo......................116

Page 13: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

xiii

Símbolos, Abreviações, Unidades e Índices Utilizados

1. Símbolos e Abreviações

1 - relativo ao circuito primário (quando não mencionado)

2 - relativo ao circuito secundário (quando não mencionado)

1º - primeira ocorrência

2º - segunda ocorrência

AIC - atraso de início da centelha [μs]

ARM - Atraso de resposta do módulo

ARS - Atraso de resposta do sistema

APMS - antes do ponto morto superior

C - capacitância [F]

c - constante do meio e forma de eletrodo [V.m²/kg]

CDI - ignição por descarga capacitiva (capacitor discharge ignition)

CE - consumo específico [g/kW.h]

COV - coeficiente de variação

d - folga de vela [mm]

DC - duração da centelha

DDI - depois do disparo da ignição

DPMS - depois do ponto morto superior

E - energia do sistema de ignição

fps - frames per second (quadros por segundo)

I - corrente elétrica [A]

IDI - ignição por descarga indutiva

Idle - marcha-lenta

IET - início da elevação de tensão

IM - ignição por magneto

IJP - ignição por jato de plasma

IPR - ignição por pulsos repetitivos

ITI - ignição transistorizada indutiva

L - indutância do enrolamento da bobina de ignição [H]

LDI - limite de detonação inferior

LPO - limite pobre de operação

Page 14: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

xiv

MCI - motor(es) de combustão interna

ML - marcha-lenta

n - Rotação do motor [rpm]

NA - não avaliado

ND - não disponível

NI - não identificado

PAT - patamar de alta tensão

PCI - poder calorífico inferior [kJ/kg]

PMS - ponto morto superior

PT - perda (de voltagem) no transistor

R - resistência elétrica [Ω]

rpm - rotações por minuto

t - tempo

T - temperatura

TCI - ignição indutiva transistorizada (transistorized coil ignition)

TET - taxa de elevação da tensão [kV/μs]

U - tensão/voltagem [V]

V - tensão/voltagem [V]

VSC - voltagem de sustentação da centelha [V]

WOT - wide open throttle (carga plena do motor)

λ - razão ar-combustível ou fator lambda

ρ - massa específica do material [kg/m³]

Ø - razão combustível-ar ou razão de equivalência

2. Índices

a - alimentação

c - carga

CDI - ignição por descarga capacitiva

ITI - ignição transistorizada indutiva

m - médio (a)

man - manutenção

Page 15: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

xv

max - máximo (a)

min - mínimo (a)

p - pressão

prim ou 1 - circuito primário da bobina/sistema de ignição

séc ou 2 - circuito secundário da bobina/sistema de ignição

sust - sustentação

r - ruptura

Page 16: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

xvi

Sumário

1. Introdução................................................................................................................................ 19

1.1. Motivação ....................................................................................................................... 20

1.2. Objetivo .......................................................................................................................... 20

2. Revisão Bibliográfica .............................................................................................................. 21

2.1. Trabalhos Mais Relevantes............................................................................................. 21

3. Sistemas de Ignição - Tipos, Características e Potencialidades .............................................. 24

3.1. Ignição Transistorizada Indutiva (ITI) ........................................................................... 24

3.2. Ignição por Descarga Capacitiva (CDI) ......................................................................... 27

3.3. Formação da Centelha e Principais Características Desejáveis...................................... 28

3.3.1. Fases da centelha, eficiências energéticas e atrasos do arco .................................... 28

3.3.2. Influência da folga de vela........................................................................................ 32

3.3.3. Influência da turbulência, exposição da centelha, orientação e projeção da vela .... 35

3.3.4. Influência da Duração da Centelha........................................................................... 39

3.3.5. Motores com injeção direta ...................................................................................... 42

3.3.6. Resumo das necessidades do sistema de ignição...................................................... 43

4. Desenvolvimento Experimental .............................................................................................. 45

4.1. Montagem....................................................................................................................... 45

4.2. Medições Realizadas ...................................................................................................... 45

4.3. Técnica de ensaio............................................................................................................ 50

5. Resultados e Discussões .......................................................................................................... 52

5.1. Sinal de Disparo (V4) ..................................................................................................... 52

5.2. Estabilidade da Voltagem de Alimentação (V3) ............................................................ 53

5.3. Tensão no Circuito Primário da Bobina (V1)................................................................. 54

5.3.1. Sistema Indutivo....................................................................................................... 55

Page 17: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

xvii

5.3.2. Sistema Capacitivo ................................................................................................... 56

5.4. Tensão no Circuito Secundário da Bobina (V2)............................................................. 57

5.4.1. Sistema Indutivo....................................................................................................... 60

5.4.2. Sistema Capacitivo ................................................................................................... 61

5.5. Corrente no Circuito Primário (I1) ................................................................................. 62

5.5.1. Sistema Indutivo....................................................................................................... 62

5.5.2. Sistema Capacitivo ................................................................................................... 63

5.6. Corrente no Circuito Secundário (I2) ............................................................................. 64

5.6.1. Sistema Indutivo....................................................................................................... 65

5.6.2. Sistema Capacitivo ................................................................................................... 66

5.7. Medições em Campo ...................................................................................................... 66

5.8. Tabelas Resumo.............................................................................................................. 69

5.8.1. Observações e particularidades dos eventos............................................................. 75

5.9. Fotografias de Alta Velocidade com Técnica Schlieren ................................................ 76

5.9.1. Sistema ITI padrão (Bosch)...................................................................................... 76

5.9.2. Sistema ITI de alta voltagem (CM Top)................................................................... 78

5.9.3. Sistema CDI de alta energia (CM TNT)................................................................... 84

5.10. Discussões Finais............................................................................................................ 91

6. Conclusões............................................................................................................................... 95

7. Trabalhos Futuros .................................................................................................................. 100

7.1. Correlações entre a Indutância da Bobina e a Faixa de Giro do Motor........................ 100

7.2. Influências da Intensidade de Turbulência no Aumento da Taxa de Queima com os

Sistemas CDI de Alta Energia e IDI................................................................................ 100

7.3. Diferentes Orientações da Vela de Ignição .................................................................. 101

7.4. Ensaios com Injeção Direta e/ou Combustível Líquido ............................................... 101

Page 18: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

xviii

7.5. Ensaios em motores veiculares..................................................................................... 101

8. Referências ............................................................................................................................ 103

Anexo A. Especificações dos Equipamentos Utilizados.......................................................... 105

A.1. Bobinas de Ignição ....................................................................................................... 105

A.2. Módulos de Ignição ...................................................................................................... 111

A.3. Osciloscópios................................................................................................................ 112

A.4. Multímetro.................................................................................................................... 112

A.5. Divisor Resistivo .......................................................................................................... 112

A.6. Câmera.......................................................................................................................... 113

A.7. Termômetro/Higrômetro .............................................................................................. 113

A.8. Pontas de Prova ............................................................................................................ 113

Anexo B. Condições Ambientais dos Ensaios......................................................................... 115

Anexo C. Formas de Onda da Calibração dos Divisores Resistivos ....................................... 117

Page 19: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

19

1. Introdução

Nos motores de combustão interna (MCI) ciclo Otto, a combustão eficiente do fluido de

trabalho está entre os maiores desafios tecnológicos durante muitas décadas. Algumas

maneiras de se conseguir isso são a queima de misturas estratificadas via injeção direta de

combustível (dentro da câmara de combustão), desenvolvimento de câmaras de combustão

com maior nível de turbulência, recirculação de gases de escape e melhoria do sistema

formador de mistura (carburador ou bico injetor) para melhor atomização do combustível, que

é função das características do leque de pulverização e diâmetro médio de gota.

Outra maneira de melhorar a eficiência de combustão está nas características do sistema

de ignição, que vão desde formato de velas, especificação da(s) bobina(s) e módulo(s) de

ignição, até as perdas por transmissão nos cabos de vela e o adequado isolamento elétrico de

alta tensão. A melhoria dessas características permite, além de maior potência, a operação do

motor com misturas mais pobres de combustível, o que é bastante desejável em cargas

parciais, uma vez que tal condição normalmente diminui o consumo específico do motor.

Em 2006 (Goulart), foi desenvolvido um trabalho com testes em dinamômetro de bancada

para mensurar os ganhos de potência e economia de combustível quando são utilizadas

ignições de alta voltagem e energia. Um trabalho complementar foi realizado em 2009

(Goulart e Rocha), num motor monocilíndrico de pesquisa mostrando-se como o limite pobre

de operação (LPO) pode ser entendido com tais ignições. Basicamente, sistemas de alta

voltagem permitem maiores folgas de vela, o que estende o LPO do motor e permite maior

economia de combustível em cargas parciais e até mesmo em carga plena.

Page 20: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

20

1.1. Motivação

Este trabalho teve como motivação os ganhos de potência, desempenho, economia e

emissões observados em motores originais e modificados, quando os mesmos têm seus

sistemas de ignição substituídos por um com maior voltagem e/ou energia. Tipicamente,

motores originais melhoram a economia de combustível em 15 a 20 % quando instalado um

sistema de ignição capacitivo (CDI) de alta energia, ou mais, dependendo das características

do sistema de ignição original. Os ganhos de desempenho são da mesma ordem. Aliando-se o

sistema CDI da alta energia com maiores taxa de compressão e rotação de trabalho pode-se

atingir incrementos de potência da ordem 50% em motores originais de fabrica.

Assim, despertou-se a curiosidade no profundo entendimento dos motivos técnicos de tais

ganhos.

1.2. Objetivo

O objetivo deste trabalho é o de estudar as influências de diferentes sistemas de ignição no

comportamento de motores em diversas condições de operação e determinar as características

necessárias para um bom sistema.

Page 21: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

21

2. Revisão Bibliográfica

Neste capítulo serão apresentados os principais estudos relevantes da área de sistemas de

ignição.

2.1. Trabalhos Mais Relevantes

A literatura sobre motores de ignição por centelha é extensa e trata de diversos assuntos,

tais como: projeto de pistão e câmara de combustão, dinâmica de turbo-compressores,

redução de atrito, lubrificação e arrefecimento por óleo, usinagem, fundição, etc., mas poucas

com ênfase profunda e valiosa em sistemas de ignição. Neste capítulo será realizada uma

revisão dos artigos científicos utilizados como auxílio no desenvolvimento deste trabalho.

1. Verhoeven (1997) realizou medições de energia transferida para o gás e correlacionou

com o tempo de carga de bobina, intensidade de turbulência, pressão ambiente, tipo de

eletrodo e folga de vela.

2. Geiger, et al. (1999) mostrou a possibilidade da queima de misturas mais pobres

utilizando eletrodos de pequeno diâmetro aliados a maiores folgas de vela, ou ainda

aumentando a intensidade de turbulência na região da vela. Além disso, comparou o limite

pobre de operação (LPO) de uma ignição por jato de plasma (IJP) de 100 mJ contra uma

ITI de 150 mJ. Os resultados não foram interessantes para uso veicular, uma vez que:

• Apesar de energia transformada em calor dentro da câmara de combustão ser

significativamente maior do que na ITI, a duração da centelha é baixa (~ 60 μs), e a

interação da centelha com o escoamento é precária com elevada turbulência;

• Experimentos em câmara pressurizada mostraram que o tamanho físico da névoa do

plasma é maior em baixas pressões;

• Com elevado nível de turbulência tipo tumble a IJP reduz o avanço de ignição ótimo e

melhora a operação pobre. Porém, com elevado tumble o LPO foi inferior à ITI.

Page 22: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

22

Quando a névoa do plasma é soprada para fora pelo escoamento sua densidade de

energia é reduzida. Como atualmente os motores têm elevado nível de turbulência, a

IJP mostra-se vantajosa apenas para operação pobre em baixas cargas e rotações, o

que não é interessante para veículos.

3. Geiger, J. et al. (1999) também pesquisou comportamentos de uma ignição por lança-

chamas (ILC) contra uma ITI de 150 mJ. Os resultados não foram interessantes para uso

veicular, uma vez que:

• Com câmara de swirl sem lavagem: o consumo específico é ligeiramente maior que na

ITI, além do LPO ser menor. Isso ocorre devido à grande fração de gás residual na

câmara de swirl;

• Com câmara de swirl com lavagem de ar e metano: o LPO melhorou, mas dificilmente

excede o da ITI;

• O crescimento da chama fica prejudicado em elevadas cargas e rotações, pois a perda

de calor para as paredes é bastante significativa e levaria a um maior avanço do ponto

de ignição ótimo.

4. Pashley, Stone e Roberts (2000) investigaram o efeito do escoamento e orientação da

vela no crescimento da chama, na voltagem, corrente e duração da centelha, LPO, variação

cíclica, alongamento da centelha e ocorrência de reaberturas. Também foi indicada uma

fórmula empírica para a determinação da voltagem de abertura do arco.

5. Jeanvoine, Jonsson e Muecklich (2007) investigaram influências de certos materiais de

eletrodos de vela na duração e estabilidade das fases características da descarga elétrica e na

degradação dos mesmos durante a descarga. Efeitos da pressão ambiente também foram

averiguados.

6. Tanoue et al (2009) comparou um sistema de ignição convencional transistorizado com

um sistema de ignição por pulsos repetitivos (IPR) de até 10 pulsos de ignição, incluindo

Page 23: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

23

fotografias schlieren de queima de misturas pobres em tempos específicos, bem como

realizou correlações entre a energia mínima de ignição com o empobrecimento e/ou diluição

da mistura ar-combustível. Foi investigado o comportamento deste tipo inovador de ignição

(com consumo de 140 mJ/ciclo), onde notou-se que houve melhora na queima pobre em

relação à ITI. Porém, a comparação não foi válida, pois se usou 1,5 mm de folga de vela na

IPR contra 0,5 mm na ITI, e sabidamente uma maior folga de vela estende o LPO, o que

interfere no resultado. Como só foram realizados ensaios com pouca carga, não se pode

concluir que a IPR obtém melhor desempenho em carga plena (WOT - Wide Open Throttle),

o que é desejável em qualquer motor veicular.

7. Segundo Goulart e Rocha (2009): “Diversos testes feitos por Cezar Marques, fabricante

de módulos de ignição da empresa CM Racing, revelam que a maioria dos veículos vendidos

no Brasil possuem sistemas de ignição com tensões não muito elevadas, variando de 280 a

380 V na maior parte dos casos, inclusive em modelos de alto custo. Entre estes, montadoras

como Audi, Alfa Romeo, BMW, Fiat, GM, Honda, Mitsubishi e VW. Alguns modelos de

motocicletas nacionais como Honda e Yamaha, e veículos de passeio Hyundai testados

utilizam ignições com baixa tensão, da ordem de 180 a 220 V. Alguns veículos importados,

de custo mais elevado, possuem sistemas de ignição com maiores tensões, que vão de 400 até

540 V. Entre estes, montadoras como VW, com o modelo Golf VR6, e diversos motores

Volvo.”

8. Sistema de ignição por magneto (IM): O sistema de magneto tem aplicação bastante

restrita à aviação e motores de baixo custo, uma vez que seus únicos pontos positivos são o

baixo custo e a confiabilidade do sistema, enquanto suas características de desempenho

deixam muito a desejar. Esse sistema é cada vez mais substituído pelas ITIs e CDIs, inclusive

em aeronaves, dada a melhoria da confiabilidade dos mesmos no decorrer das últimas

décadas.

Page 24: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

24

3. Sistemas de Ignição - Tipos, Características e Potencialidades

Os sistemas de ignição possuem grande importância no desempenho geral dos MCI, e seu

desenvolvimento e aperfeiçoamento existe desde o invento do MCI. Existem diversos tipos de

sistemas de ignição, com diferentes princípios, características e aplicações. Este trabalho está

focado nos dois sistemas veiculares mais utilizados: o indutivo e o capacitivo. Os demais tipos

serão brevemente citados a seguir.

3.1. Ignição Transistorizada Indutiva (ITI)

O sistema de ignição indutivo transistorizado é hoje o mais utilizado em motores para

veículos terrestres. O princípio básico de funcionamento e os componentes típicos são

mostrados na Figura 1.

Figura 1 - Sistema de ignição transistorizado típico com distribuidor (Bosch, 2006).

Ao se aplicar uma tensão entre os terminais do enrolamento primário da bobina de ignição

a corrente elétrica circula pelo mesmo. Devido à indutância presente na bobina, a corrente

Page 25: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

25

leva um tempo até atingir o valor máximo estipulado de projeto, definida pelas características

do módulo de ignição e da bobina. Quando a corrente é abruptamente interrompida a grande

indução provocada no enrolamento primário gera tensões bem maiores que a própria tensão

de alimentação (tipicamente 14,4 V em veículos modernos), atingindo valores da ordem de

centenas de Volts. Naturalmente, o enrolamento secundário da bobina também sofre indução

análoga à do enrolamento primário, porém com tensão e corrente proporcionais à relação de

espiras entre os enrolamentos, além de influências da eficiência de acoplamento

eletromagnético dos enrolamentos. Com isso, a tensão gerada no enrolamento secundário é

suficientemente grande a ponto de romper o dielétrico da folga da vela, naturalmente com

uma corrente proporcionalmente menor.

A energia de ignição acumulada no sistema ITI segue a Eq. (1) abaixo:

2 21 ILEITI = (1)

Esta energia varia de 20 a 45 mJ para sistemas com platinado, 40 a 80 mJ para sistemas

transistorizados convencionais com controle do tempo de carga, até cerca de 150 mJ para

sistemas de alto desempenho.

O sistema ITI carrega e descarrega a bobina a cada centelha desejada. O tempo de carga

da bobina (dwell) é um parâmetro de projeto e normalmente limitado à corrente de saturação

da bobina. Ultrapassar o limite de corrente de projeto da bobina é algo que deve ser avaliado

com muito critério, e será melhor discutido em outro capítulo. A Figura 2a mostra o

comportamento típico da corrente durante a carga de uma bobina, até a ocorrência da

saturação, que neste caso ocorre em 2,7 ms. O comportamento do aumento de corrente em

bobinas com diferentes indutâncias pode ser visto na Figura 2b, concluindo-se que não se

pode intercambiar bobinas de ignição de diferentes sistemas indutivos sem o conhecimento

das limitações e efeitos envolvidos. A saturação tem efeitos maléficos na durabilidade e nas

perdas internas da bobina, e por isso deve ser evitada. Sua ocorrência pode ser notada no

Page 26: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

26

aumento repentino da taxa de crescimento da corrente ao longo do tempo, que pode ser

atribuído à diminuição momentânea da indutância da bobina. Esse fenômeno ocorre em

variações lentas de corrente, em tempos da ordem de milissegundos.

Figura 2 - Carga típica de uma bobina veicular (adaptado de Bosch, 2006). (a) Saturação. (b) comportamento do aumento de corrente em bobinas com diferentes indutâncias

Segundo Heywood (1988), a corrente que circula no enrolamento primário da bobina pode

ser calculada por:

⎟⎟

⎜⎜

⎛−

−=

1

1 ) (

1

11 1

)( LtR

ac

eR

VVI (2)

O dispositivo de rompimento de corrente pode ser mecânico (platinado) ou transistorizado

(com sensores tipo indutivo ou Hall, conforme Figura 1). Os dispositivos de contato mecânico

são obsoletos por apresentarem muita manutenção e impossibilitarem o controle do tempo de

carga da bobina.

A simples substituição do platinado pelo transistor foi além da eliminação do mecanismo

de desgaste, sendo também uma grande mudança técnica. Os transistores podem resistir de 6 a

8 A e cerca de 400 V, o que não era possível com o sistema de platinado. Hoje, transistores

facilmente sustentam 25 A e 600 V ou mais (McLaren Electronic Systems, 2011).

Page 27: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

27

Distribuidores de ignição já são obsoletos por questões de custo de fabricação, desgaste e

problemas de fuga de centelha, principalmente em sistemas de ignição com alta energia e

tensão. Assim, há muitos anos o distribuidor foi substituído pelo sensor de rotação do

virabrequim, aliado ao sistema de centelha perdida ou de bobinas individuais.

3.2. Ignição por Descarga Capacitiva (CDI)

No sistema capacitivo, um ou mais capacitores são carregados, e quando a centelha é

desejada descarrega-se a energia dos mesmos no enrolamento primário da bobina.

Consequentemente a indução no enrolamento secundário é análoga à ocorrida no primário,

atingindo as altas tensões necessárias na folga da vela. A Figura 3 mostra um típico sistema de

descarga capacitiva.

Figura 3 - CDI com gerador de pulso indutivo (esquema) (Bosch, 2002).

A energia de ignição acumulada no sistema CDI segue a Eq. (3), que é a própria energia

acumulada num capacitor.

2 21 VCECDI = (3)

Esta energia varia desde 40 mJ em sistemas convencionais até 500 mJ para sistemas de

alto desempenho.

Uma das vantagens do sistema CDI é a insensibilidade a variações elétricas no circuito de

alta tensão, oriundas de curto-circuito de velas de ignição sujas (Heywood, 1988), pois no

Page 28: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

28

sistema CDI a bobina não faz parte do circuito de carga da ignição, enquanto no sistema ITI

qualquer curto-circuito nas velas (oriundo de carvão e óxidos metálicos) pode causar

interferência no enrolamento da bobina durante a carga, reduzindo a voltagem máxima que o

secundário pode fornecer às velas. Esta é uma condição típica de mistura rica ou de velas

muito frias em motores de alta rotação ou turbo-alimentados quando operados em cargas

parciais, na qual se intensifica o efeito de carbonização das velas pelo excesso de combustível

não queimado, que faz o papel de resistência shunt. A elevada taxa de elevação de tensão

(TET) no enrolamento secundário dos sistemas CDI (da ordem de 10 kV/μs - McLaren

Electronic Systems, 2011) os torna quase insensível à resistência shunt.

No sistema CDI a saturação da bobina não é uma preocupação no projeto, pois nesse tipo

de ignição as variações de tensão e corrente são muito rápidas para que tal fenômeno ocorra.

Além disso, a indutância da bobina pode ser baixa, uma vez que esta não armazena energia,

conferindo elevadas TET (McLaren Electronic Systems, 2011).

3.3. Formação da Centelha e Principais Características Desejáveis

3.3.1. Fases da centelha, eficiências energéticas e atrasos do arco

A descarga elétrica nas velas é composta basicamente de três fazes: ruptura (do inglês,

breakdown, onde há grande ionização e descarga da parte capacitiva do sistema secundário),

arco (do inglês, arc, onde há formação e expansão do plasma) e irradiação (do inglês, glow,

onde há amortecimento da energia residual do circuito de descarga pela bobina), conforme é

mostrado esquematicamente na Figura 4. A Tabela 1 (Maly e Vogel, 1976) mostra as

eficiências de transferência de energia para a mistura.

Tabela 1 - Distribuição percentual de energia para diferentes tipos de descargas (Maly e Vogel, 1976).

Tipo de descarga Ruptura Arco IrradiaçãoPerda por radiação < 1 5 < 1

Perda de calor pelos eletrodos 5 45 70Perda total 6 50 70

Energia do plasma 94 50 30

Page 29: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

29

Figura 4 - Variação esquemática de voltagem e corrente para uma ITI convencional (Heywood, 1988).

Os maiores valores de corrente encontram-se na estreita fase de ruptura, e podem ser tão

altas quanto a impedância do sistema permitir. Nesta fase, sistemas com velas e cabos sem

resistência (ditos “diretos”) permitem uma corrente cerca de 15 vezes maior que similares

resistivos/supressivos, conforme mostra a Figura 5. O uso de velas e cabos diretos é sempre

recomendado do ponto de vista de desempenho do sistema de ignição, uma vez que:

• Quanto maior a energia fornecida na fase de ruptura mais rápida será a velocidade de

chama, assim como um mesmo incremento de energia na fase de ruptura aumenta a

probabilidade de ignição mais efetivamente do que nas fases de arco e irradiação

respectivamente (Maly, 1984);

• A voltagem de centelhamento aplicada à bobina é diminuída, implicando em menor

exigência no isolamento elétrico;

• Há uma diminuição do efeito indutivo do sistema, diminuindo o atraso entre o sinal de

disparo e a centelha propriamente dita;

Page 30: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

30

Em contrapartida, os sistemas diretos produzem maior ruído eletromagnético, o que pode

causar interferência em outros sistemas auxiliares, principalmente nos sensores dos sistemas

de injeção. No entanto, pode-se sempre resolver isso com técnicas clássicas de atenuação de

ruído.

Figura 5 - Corrente da centelha durante a fase de ruptura para velas diretas e resistivas (NGK, 1998)

O tempo de atraso entre o chaveamento da ignição (para iniciar a descarga) e a abertura do

arco propriamente dito influi no ponto de ignição efetivo do motor. É desejável que o arco

elétrico seja aberto com um atraso mínimo em relação ao comando de disparo (trigger) da

ignição e com a menor variação possível ao longo das diversas cargas e rotações do motor.

Desta forma pode-se ter um controle mais preciso do motor, pois será uma variável a menos a

se considerar no ajuste do ponto de ignição, principalmente em condições transitórias, tendo

uma idéia mais próxima do real comportamento do motor (e ponto de ignição) nas diversas

condições de operação.

Pode-se confeccionar sem grandes dificuldades a Tabela 2, que mostra relações entre o

atraso do início da centelha (AIC, em tempo e em graus do virabrequim), rotação e dielétrico

na vela para diversas rotações e taxas de elevação de tensão (TET), simulando motores e

sistemas de ignição diferentes. Uma TET pequena (< 1 kV/μs) pode resultar num valor

aceitável de AIC para cargas leves e médias em baixas rotações. Na medida em que se

aumentam a carga e/ou rotação, ou ainda quando há golpes repentinos de aceleração, os

Page 31: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

31

atrasos respectivos (em tempo e em graus) aumentam, podendo alcançar vários graus de

rotação do virabrequim. Esse fenômeno (AIC) distorce o real ponto de ignição do motor, pois

necessita de correção na calibração do mesmo. Quando se tem uma elevada TET (da ordem

de 10 kV/μs), o AIC torna-se quase indiferente à variação de carga e rotação. Desta forma,

mesmo em condições extremas, o AIC não ultrapassa 1° (um grau) de rotação do virabrequim.

Com base nos valores padrão de avanço de ignição e de atraso dos sensores de detonação nos

motores atuais, este valor (1°) pode ser estipulado como o limite aceitável de atraso de um

sistema de ignição.

Tabela 2 - Relações entre atraso do início da centelha (AIC), a rotação e o dielétrico na câmara de combustão para diversas taxas de elevação de tensão (TET) do sistema de ignição.

Os valores de dielétrico da Tabela 2 podem ser interpretados equivalentemente a

combinações de folga de vela, pressão, constante da mistura ao redor da vela e forma do

eletrodo para diferentes motores estudados, pois todos esses fatores influem diretamente na

tensão de abertura do arco, ou seja, o aumento de carga, folga de vela e turbulência produzem

efeitos semelhantes no aumento do dielétrico na região dos eletrodos da vela, conforme

relaciona a lei de Paschen (Obert, 1971), Eq. (4), para temperaturas constantes.

dcV ρ= (4)

Page 32: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

32

Outro fator também significativo na tensão de ruptura do dielétrico é a temperatura.

Quanto maior a temperatura do meio entre os eletrodos menor será o dielétrico. Logo, a

Eq. (4) pode ser escrita da seguinte maneira:

TRdpcdcV

== ρ (5)

Figura 6 - (a) e (b) Efeito do diâmetro do eletrodo central da vela, folga da vela e ponto de ignição no limite pobre de operação (Heywood, 1988); (c) Efeito da folga da vela na economia de combustível (Obert, 1971).

A voltagem necessária para abertura do arco pode ser ligeiramente diminuída com o uso

de eletrodos mais finos, que proporcionam o efeito pontas, como mostra a Figura 6a.

Verhoeven (1997), também averiguou que eletrodos mais finos aumentam a energia

transferida para o gás, assim como maiores folgas de vela.

3.3.2. Influência da folga de vela

A ignição de misturas pobres e/ou diluídas pelos gases de escape é facilitada por velas

com grandes folgas entre os eletrodos, como mostra a Figura 6b. Isso ocorre principalmente

Page 33: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

33

em cargas parciais, quando a estratificação pela diluição do gás de descarga está presente

(Obert, 1971). Motores atuais já apresentam diluição pelo gás de descarga inclusive em cargas

elevadas (via recirculação externa).

Considerada a diluição da mistura fresca pelo gás de escape, ao se abrir o arco elétrico a

mistura diluída está se movimentando na câmara devido à turbulência. É intuitivo que quanto

maior a diluição da mistura, menor a probabilidade da mistura fresca receber diretamente o

efeito térmico da centelha, diminuindo a chance de ocorrer ignição, e analogamente, em uma

menor diluição esta probabilidade varia menos, ou seja, a influência é menor na medida em

que se aumenta a carga, visto que a diluição diminui (Figura 6c). Quando a folga da vela é

maior (e consequentemente o tamanho da centelha), a chance da mistura fresca ser atingida

pela centelha aumenta, propiciando maior probabilidade de combustão (Goulart, 2006).

O fenômeno físico da influência da folga na probabilidade de combustão é melhor

explicado por Maly (1984):

• O aumento da folga das velas afeta a propagação da chama. De 0,5 para 0,7 mm é

reduzida principalmente a perda de calor pelos eletrodos. A taxa de crescimento desse

ganho diminui para maiores folgas (> 1 mm). O efeito remanescente é causado pelo

aumento da tensão de ignição em folgas maiores, que conduz a uma redistribuição da

energia de ignição em favor da fase de ruptura (Er = ½ C V²).

• Na prática, a combustão depende de propriedades locais como composição da mistura,

distribuição de temperatura e nível de turbulência. Num modelo estatístico podem ser

atribuídos diferentes graus de propriedades não homogêneas em diferentes esferas de

um tamanho correspondente ao volume médio estatístico de não-homogeneidade, que

são distribuídas num espaço aleatório, como na Figura 7. Se o diâmetro de ignição da

centelha for da ordem ou menor que o tamanho médio das não-homogeneidades,

resultará em uma forte dependência das propriedades locais. Porém, quando se

Page 34: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

34

aumenta a folga da vela a um patamar sensivelmente maior que as esferas não

homogêneas, o efeito da estrutura não homogênea desaparece, uma vez que um grande

e suficiente volume é ativado, agora sendo representativo de fato para as propriedades

médias, e não para as propriedades locais da mistura. Quanto maior o volume do

plasma, maiores são os tipos de não-homogeneidades que serão superadas.

• Folgas maiores, nas quais as reações ocorrem mais rapidamente que em folgas

menores, tem menor sensibilidade aos efeitos desvantajosos da turbulência (ex.: maior

transferência de calor para as paredes e diminuição da temperatura da chama inicial).

Figura 7 - Representação esquemática do efeito do tamanho do raio de ignição na inflamação de uma mistura não homogênea. Diferentes graus de propriedades não-homogêneas são atribuídos a diferentes esferas distribuídas aleatoriamente de tamanho igual ao tamanho médio estatístico da não-homogeneidade (Maly, 1984).

Em condições de mistura pobre a energia liberada no início da combustão é menor do que

em mistura estequiométrica. Além disso, como a temperatura da chama é menor em mistura

pobre, a velocidade de chama diminui e a frente de chama fica mais espessa. Assim, haverá

maior tempo para perdas de calor pelas fronteiras do sistema na zona de inflamação (ou seja,

pelos eletrodos da vela), diminuindo a eficiência de transferência de energia para a mistura.

Assim, misturas pobres requerem mais energia de centelhamento, e num período maior de

tempo.

Page 35: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

35

Segundo Obert (1971), “Poderia também ser admitido que a ignição é assegurada pela

ação térmica da faísca. Consideremos que a centelha dê energia a um pequeno volume de

mistura que assim é elevada a uma temperatura de ignição com a liberação consequente de

energia química. Esta mistura perderia calor para o gás não queimado em uma proporção

muito rápida devido ao grande gradiente de temperatura. Então o prosseguimento da ignição

da carga é assegurado quando a velocidade de liberação de energia química pela combustão

for maior que a velocidade de perda de calor ao gás circundante por condução, porque agora a

temperatura do gás pode ser aumentada gradativamente. Como a condução de calor a partir de

uma esfera de mistura incandescente é inversamente proporcional ao raio, torna-se desejável

inflamar um volume grande de mistura pela centelha”.

Com uma maior folga da vela, a queda de tensão entre os eletrodos será maior,

aumentando a dissipação de energia (pois a mesma atua no sistema como um resistor,

consumindo mais energia por efeito Joule), que deverá ser suprida pelo sistema de ignição.

Quando o sistema de ignição não consegue suprir esse acréscimo de energia/tensão, a duração

da centelha diminui (no sistema ITI), até o ponto em que ocorre a falha de ignição.

Em motores a pistão a ignição e propagação da chama são processos não estacionários,

onde as condições iniciais afetam todo o curso da reação. Mesmo em condições de mistura

estequiométrica ou ligeiramente rica, onde pouca energia de ignição é necessária para iniciar a

reação, maiores taxas de reação são obtidas com maior folga de vela. (Maly, 1984).

3.3.3. Influência da turbulência, exposição da centelha, orientação e projeção da

vela

O nível de turbulência interna do motor também tem grande influência na exigência e no

comportamento do sistema de ignição.

Verhoeven (1997) mostrou que o aumento da turbulência reduz a perda de energia pelos

eletrodos, movendo o plasma e o gás aquecido para longe dos mesmos. Com isso aumenta-se

Page 36: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

36

a energia transferida para o gás e consequentemente diminui a duração da descarga em uma

ITI.

O escoamento e a orientação da vela afetam o crescimento da chama, a voltagem e

corrente durante a descarga, LPO e variação cíclica. Na fase de irradiação o escoamento faz a

descarga se alongar. Esse alongamento provoca os mesmos efeitos benéficos de uma grande

folga de vela. Consequentemente o sistema de ignição é mais exigido tanto em energia quanto

em voltagem para sustentar a descarga nas fases arco e/ou irradiação. A influência é tamanha

que nas ITI a duração da centelha pode diminuir em até 75% devido ao alongamento da

centelha. No entanto, a voltagem de ruptura não é afetada pelo escoamento (Pashley, Stone e

Roberts, 2000).

Segundo Heywood (1988): “Nas fases de descarga por arco e irradiação o arco é arrastado

e alongado pelo fluxo, como na Figura 8. Para velocidades abaixo de 15 m/s ocorre um leve

aumento no canal de descarga (com 1,2 mm de folga). Para maiores velocidades ocorrem re-

disparos que são de baixa voltagem (2-3 kV), e então a energia da descarga é dividida em

canais separados. Conforme o canal se alonga, a tensão entre os eletrodos aumenta

substancialmente, e a importância relativa das perdas de calor para os eletrodos diminui.

Assim, mais energia é transferida para o gás (aumentando a eficiência de transferência de

energia). Porém, quando o canal é alongado, a energia transferida é espalhada num maior

volume. Dependendo da velocidade do escoamento e das condições de descarga e mistura, o

aumento da velocidade pode aumentar ou diminuir a energia mínima de ignição ou o limite

pobre de ignição para um determinado sistema de ignição. A velocidade média do escoamento

e os níveis de turbulência são importantes. Com um sistema de ignição convencional

(transistorizado) consegue-se estender o limite pobre aumentando a velocidade média do

escoamento até o ponto onde re-disparos começarem a ocorrer. Com sistemas de ignição por

ruptura, o limite pobre diminui com o aumento da velocidade do escoamento. Com sistemas

Page 37: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

37

CDI, em baixas velocidades o escoamento tem pequeno impacto, e em altas velocidades a

energia mínima de ignição aumenta.”

Figura 8 - Descarga única em uma ITI (descarga por irradiação, 30 mJ, 0,77-1,5 ms) com escoamento de ar a 300 K, 2 bar e 1,2 mm de folga. Abaixo de 15 m/s quase sem múltiplas descargas, acima de 15 m/s somente múltiplas descargas. Os canais de descargas por irradiação são visíveis devido à excitação por sucessivas fazes de ruptura ao longo de uma passagem pré-ionizada ao invés de formar um novo canal (Maly, 1984).

Segundo Maly (1984): “o aumento de voltagem do secundário durante a descarga pode ser

usado convenientemente para estimarem-se propriedades do escoamento em motores reais”, e

também para estimar o comprimento do arco elétrico (Pashley, Stone e Roberts, 2000). Desta

forma, o aumento do nível de turbulência do motor (Figura 8) pode ser identificado pelas

formas de onda encontradas no sistema de ignição, tornando-se uma análise simples e

relativamente barata.

A projeção do eletrodo da vela também tem influência na formação e propagação da

chama. Os motivos são os mesmos de uma maior folga de vela: de maneira geral, maiores

projeções da vela dentro da câmara de combustão implicam em maior transferência de energia

para a mistura combustível, pois as velocidades e turbulências são menores nas proximidades

das paredes da câmara (devido ao efeito viscoso). Um bom projeto de motor deve combinar a

Page 38: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

38

posição da centelha em um local de grande intensidade de turbulência, fazendo com que as

altas velocidades do escoamento alonguem a centelha (Figura 8) e provoquem os efeitos

benéficos pertinentes já explicados. Em contrapartida, a voltagem e energia de ignição

deverão ser maiores para sustentar a descarga sem ocorrência de reaberturas ou apagamento

da chama. Maly (1984) cita que, caso contrário (se a voltagem e energia de ignição não forem

aumentadas), a folga de vela deverá ser diminuída em uma vela com maior projeção, o que

piora o desempenho do motor.

O LPO também sofre influência da projeção da vela, conforme mostra a Figura 9, onde

nota-se a possibilidade de operação com misturas mais pobres utilizando-se velas com maior

projeção dos eletrodos dentro da câmara de combustão. O LPO é determinado quando a

variação da pressão média indicada na câmara excede 5% num montante específico de

amostras consecutivas (alguns autores utilizam 10% como valor limite de desvio).

Figura 9 - Estabilidade da combustão para posições diferentes de vela (adaptado de Bosch, 2006).

A regra clássica de expor a centelha o máximo possível é sempre válida. Sendo assim, a

geometria da vela pode permitir maior exposição da centelha à mistura, como é nas velas de

único eletrodo negativo, preferencialmente com eletrodos de pequeno diâmetro. A NGK

(2011) deixa claro que “as velas multi-eletrodos tem como única vantagem a maior

durabilidade”, porém com exposição da centelha sempre precária, com maior perda de energia

Page 39: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

39

da centelha pelos eletrodos e maior perda de calor inicial da chama pelos eletrodos (o que

diminui a taxa de crescimento da chama e até mesmo pode extingui-la).

Sabendo-se a tendência principal do escoamento na região da vela, pode-se orientar

convenientemente o eletrodo negativo da vela (de único eletrodo) de forma que o

alongamento da centelha seja para fora, longe dos eletrodos (relativamente frios) e fronteiras

(que atuam como barreiras de crescimento de chama além de serem relativamente frias). Isso

conduz a um maior crescimento da chama e maior LPO. Naturalmente a exigência do sistema

de ignição aumenta, pois é necessária uma maior voltagem e energia para sustentar esta

centelha alongada. Esta maior transferência de energia pode ser constatada pela diminuição da

duração da descarga nas ITI, que pode chegar a até 50% para diferentes orientações de vela e

mesmas condições de escoamento (Pashley, Stone e Roberts, 2000). A Figura 10 mostra duas

situações de escoamento diferentes, que consequentemente alongam a centelha e a frente de

chama de maneira vantajosa (Figura 10a) ou desvantajosa (Figura 10b) do ponto de vista de

crescimento da chama.

Figura 10 - Diferentes padrões de escoamento. (a) vantajoso para o crescimento da chama (b) desvantajoso para o crescimento da chama.

3.3.4. Influência da Duração da Centelha

Para um motor comportar-se com boa eficiência em várias velocidades de rotação a

duração da combustão em graus (do virabrequim) não deve sofrer grandes variações, e sim ser

Page 40: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

40

o quão rápida possível. Caso contrário, uma combustão lenta não atingirá altas pressões na

câmara, diminuindo o torque e a potência gerada pelo motor. Felizmente, maiores rotações

normalmente aumentam a turbulência e a velocidade de queima, o que permite uma ampla

faixa útil de operação nos motores de ignição por centelha. Desta forma, a duração da

combustão em graus sofre pouca variação, e quando esta aumenta muito, o torque produzido

diminui naturalmente. Segundo Heywood (1988) “a duração combinada do desenvolvimento

e propagação da chama varia tipicamente entre 30 e 90°”, já inclusas variações de carga e

rotação.

Como já visto, o início do processo de combustão deve ser garantido pela sustentação da

centelha por um determinado intervalo de tempo que é função de vários fatores, alguns já

descritos anteriormente. Esta duração em graus segue a mesma regra básica da duração da

combustão, ou seja, esta deve ter a duração de alguns graus do virabrequim. Logo, motores de

baixa rotação necessitam de uma maior duração da centelha do que motores de alta rotação.

A velocidade (rotação) do motor é fator fundamental na duração mínima necessária da

centelha em tempo (μs). Convertendo a rotação do motor de [rpm] para [°/ms], pode-se

facilmente calcular a duração da centelha em graus do virabrequim para uma dada duração em

μs, conforme mostra a Tabela 3.

Tabela 3 - Relações entre a velocidade do motor e duração da centelha, em μs e em graus

Page 41: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

41

Durações de centelha além do necessário em graus desperdiçam o fornecimento de

energia, pois a centelha ainda estará ocorrendo em fases avançadas da combustão, que já

liberam energia em uma taxa várias ordens maior que a da centelha, tornando-a desprezível.

Além disso, a própria centelha estará num local onde a frente de chama passou há muito

tempo, só havendo então gases inertes.

Durações de centelha aquém do necessário em graus podem facilitar o apagamento da

chama, uma vez que esta pode se extinguir quando ainda não está no estágio de auto-

suficiência, onde a centelha é importante para o fornecimento de energia de ativação.

Heywood (1988) cita que em uma descarga no ar por CDI ou do tipo ruptura, depois de 10 μs

o plasma cessa e passa a ser fonte de energia para o crescimento contínuo do volume ativado,

até cerca de 100 μs. O ponto crítico no processo de inflamação ocorre na ordem de 20 μs após

o início da centelha, onde as reações de chama devem estar procedendo suficientemente

rápido para serem auto-sustentáveis, isto é, a liberação de energia química deve ser maior que

a perda de calor por difusão e condução para o gás adjacente ainda não queimado.

Segundo Maly (1984), as elevadas velocidades de chama desejadas para a operação

eficiente do motor reduzem tanto o tempo disponível para processos de troca de energia na

zona de inflamação como a faixa espacial através da qual a energia pode ser trocada, para

cerca de 100 μs.

Em ensaios feitos por Goulart e Rocha (2009) num motor experimental a 1200 rpm,

notou-se que ao diminuir a duração da centelha da ordem de centenas de μs em uma ITI para a

faixa de 100 μs em uma CDI de energia semelhante, o motor teve seu LPO diminuído de λ =

1,63 para 1,53, utilizando uma mesma folga de vela. Estipulando uma faixa sensata de 4 a 7°

para a duração da centelha, a Tabela 3 mostra que para esta rotação de operação, a duração da

centelha deveria ser de cerca de 550 a 1000 μs, o que explica o comportamento encontrado. A

duração da centelha não foi de fato medida na ITI por dificuldade de acesso ao circuito da

Page 42: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

42

bobina. No entanto, a experiência em medições de diversas ITI mostra que a duração típica da

descarga deste tipo de ignição é de centenas de μs.

3.3.5. Motores com injeção direta

A turbulência da mistura ar-combustível é bastante alta nos motores atuais, principalmente

nos motores com injeção direta de combustível operando em carga estratificada. Nesta

condição de operação há pouco tempo entre a injeção do combustível e a descarga da centelha

(podem ser menos de 1 ms). Esse tipo de operação é conseguido graças às elevadas pressões

de injeção e níveis de turbulência desses motores. Consequentemente, durante a descarga

elétrica a centelha é alongada no sentido do escoamento, conforme mostra a Figura 11. Este

comportamento é similar ao da Figura 8 e tem os mesmos efeitos benéficos.

Figura 11 - Fotografia de uma centelha num motor transparente com câmera de alta velocidade. (1) centelha; (2) spray de combustível (Bosch, 2006)

Não obstante das questões já abordadas, os motores com injeção direta precisam sim de

uma centelha com boas características para evitar o apagamento da chama ocasionado pela

elevada turbulência da mistura. No entanto, investiu-se muito nesse sistema de injeção sem

um proporcional esforço na melhoria do sistema de ignição, que na maioria dos casos usa o

Page 43: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

43

mesmo sistema de motores similares com injeção indireta. Inevitavelmente, para diminuir a

taxa de falhas de ignição, esses motores utilizam folga de vela menor que os similares com

injeção indireta.

3.3.6. Resumo das necessidades do sistema de ignição

De posse das diversas características, comportamentos e influências abordadas nesse

estudo pode-se dizer de maneira resumida que um bom sistema de ignição deve atender as

seguintes características:

• Elevada taxa de elevação de tensão em ambos os enrolamentos da bobina, com a

finalidade de diminuir o atraso de ignição e proporcionar uma abertura do arco mais

abrupta;

• Duração mínima da centelha acerca de 4 graus, a fim de evitar o apagamento da

chama por falta de fornecimento de energia enquanto o núcleo ativado (pela

combustão) ainda não é auto-sustentável, e duração máxima acerca de 7 graus, para

concentrar todo o fornecimento de energia no início da propagação da chama, onde

ainda há influência da energia fornecida pela centelha;

• Elevada energia de ignição, que proporcione altas correntes durante a fase não

sustentável da combustão e minimize a taxa de falhas do sistema;

• Baixa resistência/impedância total do conjunto bobinas-cabos-velas, que proporcione

altas correntes durante a fase não sustentável da combustão. Cabos e velas sem

resistência são preferíveis por aumentarem muito a corrente na fase de ruptura (cerca

de 15 vezes), além de diminuírem a voltagem de centelhamento;

• Velas com boa projeção do eletrodo central, permitindo exposição da centelha a

regiões de elevada turbulência da mistura;

• Velas com pequeno diâmetro dos eletrodos, o que diminui a voltagem de

centelhamento e expõe mais a centelha à mistura ar-combustível;

Page 44: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

44

• Velas com único eletrodo positivo e negativo, o que diminui a perda de calor da

centelha para os mesmos e expõe mais a centelha à mistura ar-combustível;

• A maior folga de vela possível, o que aumenta tanto o limite pobre de operação quanto

a taxa de reação da mistura. Intrinsecamente, alia-se a necessidade de alta voltagem

disponível pelo módulo de ignição para centelhar grandes folgas de vela.

Page 45: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

45

4. Desenvolvimento Experimental

Para realização da parte experimental deste trabalho foram necessários diversos

equipamentos. Todos os ensaios em bancada foram realizados no Instituto de Estudos

Avançados (IEAv). Basicamente foram utilizados:

a) Sistemas de ignição: módulos indutivos e capacitivos, bobinas, velas e fontes de

alimentação;

b) Sistema de aquisição de sinais: osciloscópios, pontas de prova de tensão e corrente,

multímetros e sensores de temperatura, pressão e umidade relativa;

c) Sistema de captura de imagem: câmera fotográfica de alta velocidade utilizando a

técnica Schlieren, espelhos, flash, mesa de alinhamento e computador para

transferência de dados. Esta câmera registra 32 quadros em cada disparo, em uma taxa

(quadros/segundo) ajustada de acordo com a velocidade do evento desejado.

A especificação detalhada de cada equipamento é listada no Anexo A.

4.1. Montagem

Montada nos Instituto de Estudos Avançados (IEAv), a bancada de testes foi feita de

acordo com o esquema mostrado na Figura 12.

4.2. Medições Realizadas

De acordo com esta montagem, pode-se captar os seguintes sinais:

- Tensão e corrente nos circuitos primário e secundário da bobina;

- Tensão de alimentação do sistema, e suas flutuações;

- De disparo;

- Imagens da evolução do processo de centelhamento.

Page 46: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

46

Figura 12 - Esquema de montagem da bancada de testes

Com estes sinais, podem-se determinar as seguintes características:

- Atraso entre o sinal de disparo e o crescimento das voltagens V1 e V2;

- Atraso global: entre o sinal de disparo e o início da centelha;

- Taxa de elevação de tensão: circuito primário e secundário;

- Duração da centelha;

- Voltagem de pico, de ruptura e de sustentação do arco: primário e secundário;

- Limite de centelhamento (falhas de ignição);

- Apagamentos e reaberturas do arco;

- Flutuação/queda da voltagem de alimentação durante o tempo de carga da bobina;

- Perdas de voltagem por saturação do transistor;

- Saturação de bobina;

- Detecção de ondas de choque;

- Cálculo/conferência da velocidade de propagação das ondas de choque.

Page 47: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

47

Foram realizados vários experimentos com diferentes módulos de ignição, bobinas, velas

e folgas de vela (folga entre os eletrodos da Figura 12). As possíveis variações de montagem

são mostradas na Tabela 4. Não foram testadas todas as possíveis combinações por limitações

de tempo, desnecessidade de avaliação ou impossibilidade técnica.

Tabela 4 - Módulos, bobinas e velas ensaiadas

Todos os eventos de testes são mostrados na Tabela 5, Tabela 6 e Tabela 7. Nestas tabelas

constam diferentes módulos de ignição (Bosch, CM Top, CM TNT), tempos de carga (Tc, no

caso das ignições indutivas), abertura de velas (d), bobinas, velas (R: resistiva, IR: Irídio-

resistiva, D: direta, todas com eletrodo massa removido), capacitâncias e voltagem de carga

dos capacitores (C e Vc, no caso da ignição capacitiva). Cada evento foi numerado

convenientemente, e serão muitas vezes mencionados pelo código do evento a partir de então.

Page 48: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

48

Tabela 5 - Eventos testados com sistema indutivo padrão (VW Mi)

Tabela 6 - Eventos testados com sistema indutivo de maior voltagem (CM Top)

Page 49: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

49

Tabela 7 - Eventos testados com sistema capacitivo de alta energia (CM TNT, ajustável)

Page 50: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

50

4.3. Técnica de ensaio

A escolha das faixas de valores de testes foi baseada nas experiências de trabalhos

anteriores e faixas conhecidas de sistemas veiculares. Uma vez realizada a montagem e pré-

definida a sequência de testes, o procedimento de teste consiste nos seguintes ajustes:

a) Folga de vela: para atingir-se as altas voltagens encontradas em motores (da ordem de

dezenas de kV), foi necessário utilizar folgas de eletrodo muito maiores que as usuais em

motores veiculares, uma vez que os ensaios foram realizados a pressão ambiente e sem

escoamento (ver Eq. 5). Existem estudos com câmaras pressurizadas, escoamento nas velas e

até com combustão, porém, não foi encontrado nenhum estudo onde as pressões e

características de escoamento e combustão utilizadas sejam condizentes às de um motor

veicular típico em operação, o que está diretamente ligado à demanda de voltagem e energia

do sistema de ignição. Logo, optou-se por reproduzir as altas tensões aumentando-se a folga

dos eletrodos, por ser tecnicamente simples, reproduzível e com boa capacidade de se avaliar

o desempenho de sistemas de ignição.

b) Tempo de carga da bobina (comandado por um circuito gerador de sinal auxiliar) para

os sistemas indutivos, que é equivalente ao tempo de atraso para o disparo da ignição

capacitiva;

c) Sintonização do item b com o atraso do sinal de disparo da câmera e do flash;

d) Voltagem da fonte de alimentação: 14,4 V nos sistemas indutivos, e variável no sistema

capacitivo, para proporcionar a voltagem de carga desejada nos capacitores;

e) Frequência de disparo: sempre abaixo de 1 Hz, exceto em casos específicos (que serão

citados). Foi estipulado o valor aproximado de 0,7 Hz, que é o menor valor possível para o

gerador de sinal utilizado. A baixa frequência de disparo é fundamental para evitar

aquecimento na região entre os eletrodos e a contaminação por ozônio (O3), o que diminuiria

Page 51: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

51

a voltagem necessária para o centelhamento, interferindo nos resultados. Num motor

alternativo esse fenômeno nunca ocorre, pois a cada ciclo a mistura combustível é renovada.

Terminados os ajustes inicia-se o processo de medição.

1. Ativa-se o gerador de sinal na frequência estipulada, observando-se as formas de onda

dos osciloscópios por cerca de 2 minutos para averiguar qualquer instabilidade do

sistema;

2. Estando todos os sinais ajustados inicia-se efetivamente a medição;

3. Os resultados são armazenados e posteriormente tratados e analisados.

A aquisição dos sinais pelos osciloscópios sempre teve como resultado final a média dos 4

últimos disparos, enquanto a sequência de 32 fotos da câmera fotográfica sempre registrou o

último dos 4 disparos citados. No total registrou-se uma média de 12 formas de onda para

cada evento medido, e em situações de dúvida do resultado foram realizadas réplicas do

evento.

Page 52: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

52

5. Resultados e Discussões

Os resultados obtidos foram relativos a diversas possíveis combinações de montagem,

com o intuito de averiguar a influência isolada e/ou combinada dos diversos parâmetros.

Foram combinados diferentes módulos de ignição (dois indutivos e um capacitivo), velas

(resistiva com eletrodo comum, resistiva com eletrodo de menor diâmetro e direta), bobinas

(resistências e indutâncias variadas), energias primárias de ignição e tempos de carga, todos

aliados a diversas cargas impostas, representadas pelo espaçamento entre eletrodos (gap, ou

d).

Nos tópicos a seguir (5.1 a 5.6) é analisada isoladamente a medição de cada ponta de

prova com as diversas combinações já descritas. Como são muitas formas de onda

encontradas, ao início de cada tópico será dada uma explicação breve de como é o

entendimento da forma de onda padrão da respectiva medição, e então serão parametrizados

todos os valores chave em tabelas específicas.

5.1. Sinal de Disparo (V4)

A Figura 13 mostra como é o sinal clássico de comando de um módulo de ignição

indutivo. Esta figura representa um tempo de carga de 3,5 ms, que é o valor padrão da bobina

Bosch avaliada (tempo de carga fixo independente de carga e rotação do motor). Quando o

módulo recebe o sinal da borda de subida este inicia a carga da bobina, e quando este recebe o

sinal da borda de descida o transistor interno cessa corrente na bobina quase que

instantaneamente, induzindo as altas tensões necessárias para o centelhamento nas velas.

Nota-se que o tempo 0 (zero) está marcado na borda de descida da Figura 13, que é o

momento do disparo (trigger) do módulo de ignição. As figuras/formas de onda mostradas a

seguir serão todas referenciadas a este sinal de disparo, ou seja, o tempo zero de todos os

eventos é referente ao sinal de disparo do módulo de ignição. Portanto, todos os tempos e

Page 53: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

53

pontos chave serão com um atraso (delay) em relação ao sinal de disparo do módulo (adotado

como tempo zero).

Figura 13 - Sinal de comando típico de um módulo de ignição

No caso do módulo de ignição capacitivo, como não existe o tempo de carga da bobina (e

sim dos capacitores, que são carregados rapidamente e apenas aguardam o sinal de disparo),

não será mencionado o tempo de carga, enquanto o módulo de ignição será disparado por uma

borda de subida (igualmente em bobinas e platinados). Neste caso, todos os eventos serão

referenciados à borda de subida do sinal de comando (também adotado como tempo zero).

5.2. Estabilidade da Voltagem de Alimentação (V3)

Para evitar que a voltagem de alimentação do módulo e da bobina diminuísse com a

demanda de corrente, foram instalados dois capacitores de 80.000 μF na saída da fonte de

alimentação. Com isso, a flutuação de tensão durante a carga da bobina ficou sempre abaixo

de 0,5 V.

A Figura 14 mostra tal comportamento ao elevar-se o tempo de carga da bobina. Logo

após a borda de subida, a voltagem de alimentação do sistema está em 14,4 V. Na medida em

Page 54: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

54

que mais corrente é demandada, devido à baixa “inércia” (capacitância) do sistema, a

voltagem de alimentação começa a diminuir durante a carga da bobina, até cerca de 14,1 V

aos 4,2 ms de tempo de carga, com valor de corrente de 7,6 A, onde o sinal de disparo foi

dado (borda de descida do sinal de comando). Neste caso a maior flutuação de voltagem foi

de 14,4 - 14,1 = 0,3 V (ripple voltage).

Figura 14 - Comportamento da carga da bobina de um sistema indutivo de acordo com a largura do pulso de comando (Goulart, Bringhenti e Oliveira, 2011)

O módulo de ignição Bosch da Figura 14 em questão limita a corrente abaixo de 8,0 A,

independente do tempo de carga utilizado, para evitar danos ao mesmo ou à bobina.

5.3. Tensão no Circuito Primário da Bobina (V1)

A tensão medida no circuito primário da bobina é a medida mais simples de ser feita, pois

não necessita de equipamento muito sofisticado e pode ser facilmente feita em veículos em

campo. Apesar de simples, a correta medição desta forma de onda pode fornecer dados e

conclusões valiosos a respeito do sistema de ignição e inclusive do motor.

Page 55: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

55

5.3.1. Sistema Indutivo

A Figura 15 mostra a forma de onda típica de um sistema indutivo, medida no negativo da

bobina, em escala ampliada (Figura 15a, focando os primeiros fenômenos) e global (Figura

15b). Nestas figuras observam-se vários pontos fundamentais para avaliação do módulo e do

sistema como um todo.

A taxa de elevação de tensão (TET) foi determinada com base nos tempos do primeiro

indício nítido de elevação de tensão e o patamar de alta tensão (que também pode ser um

pico). Dividindo-se a variação de tensão nestes respectivos tempos pela variação de tempo

tem-se a TET, conforme abaixo:

ietaic

ietaic

ttVVTET

−−

= (6)

Figura 15 - Forma de onda típica de um sistema indutivo, V1 (Evento Mi 04).

A determinação dos dois pontos característicos da Eq. (6) é puramente visual, e depende

da experiência do analista e do padrão de subida da forma de onda.

A voltagem de sustentação do arco (Vsust) depende da folga dos eletrodos, efeito pontas,

temperatura, densidade, turbulência, composição do meio e perdas internas. Uma câmara de

Page 56: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

56

combustão que possua qualquer uma destas características majoradas (e/ou composição da

mistura mais dielétrica) irá implicar em uma maior Vsust. Consequentemente, uma vez que

esta(s) característica(s) majoradas consomem mais energia de ignição, o efeito colateral é a

diminuição da duração da centelha (DC), pois a energia de ignição é consumida mais

rapidamente. Vale aqui lembrar que a Vsust no primário da bobina é apenas um rebatimento do

fenômeno ocorrido no circuito secundário, no entanto, muito válido.

5.3.2. Sistema Capacitivo

Os fundamentos se mantém para a medida dos sistemas capacitivos. A Figura 16 mostra a

forma de onda típica de um sistema capacitivo medida no negativo da bobina, em escala

ampliada (Figura 16a) e global (Figura 16b). O conceito da TET permanece o mesmo do

sistema indutivo. Nota-se que a forma de onda é diferente do sistema indutivo, uma vez que o

princípio do funcionamento é diferente. Percebe-se a ausência da voltagem de sustentação do

arco (Vsust), assim como o aparecimento de um segundo pico de voltagem. A queda de

voltagem do 1º para o 2º pico (Δpico) depende da folga dos eletrodos, efeito pontas,

temperatura, densidade, turbulência, composição do meio e perdas internas. Uma câmara de

combustão que possua qualquer uma destas características majoradas (e/ou composição da

mistura mais dielétrica) irá implicar num maior consumo de energia/corrente de ignição

(analogamente ao sistema indutivo). Consequentemente, a voltagem disponível no 2º pico

ficará diminuída.

Page 57: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

57

Figura 16 - Forma de onda típica de um sistema capacitivo, V1 (Evento TNT 04).

A duração da centelha poderá diminuir ou não em uma condição com maior consumo de

corrente. Dependendo do projeto do módulo capacitivo pode-se consumir (ou não) toda a

energia do(s) capacitor(es) durante o disparo. Em uma ignição capacitiva de alta energia

(como a utilizada neste trabalho) pode-se descarregar energia em uma grande taxa em alguns

graus de rotação do virabrequim (seção 3.3.4) e cessar a corrente após 7º (por exemplo),

economizando energia para a carga do próximo disparo e consequentemente diminuindo-se o

consumo de energia do módulo de ignição sem comprometer o desempenho do sistema. Desta

forma, uma condição que consuma mais energia apenas diminuirá a carga residual do(s)

capacitor(es), mas dificilmente extinguindo-a(s). Caso a carga seja toda extinguida, a duração

da centelha irá diminuir naturalmente.

5.4. Tensão no Circuito Secundário da Bobina (V2)

A tensão no circuito secundário é a de medição mais crítica, pois necessita de pontas de

prova específicas para alta tensão. Houveram limitações nas medições com grandes folgas de

eletrodo (> 20 mm), pois a ponta de prova utilizada permite voltagens de até 40 kV, enquanto

foram testadas folgas de vela com dielétrico equivalente a 100 kV. Acima de 20 mm de folga,

Page 58: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

58

ocorriam fugas de centelha para o aterramento da ponta de prova (felizmente, evitando danos

à mesma). Para solucionar esse empecilho, foi adotado o uso de um longo divisor resistivo

(com grande isolamento elétrico), conforme mostra a Figura 17.

Figura 17 - Esquema de Montagem do Divisor Resistivo

Esta solução permitiu medir até as maiores folgas necessárias nos testes (50 mm), sem

qualquer problema de fuga de centelha. Entretanto, houve dificuldades na calibração deste

divisor resistivo. Para não interferir na medição de corrente a resistência do divisor deve ser

bastante alta, o que diminui muito a corrente disponível para a carga do capacitor interno da

ponta (3 pF). Assim, o tempo de resposta da ponta de prova neste tipo de montagem fica com

um atraso bastante significativo, fazendo com que a simples divisão de tensão medida pela

razão do divisor resistivo resulte em uma medida não confiável. Este atraso é mais discrepante

quanto mais rápida for a TET do sistema. No entanto, como solução paliativa (em função do

material/equipamento disponível), foi feito o seguinte procedimento de calibração:

a) Montagem da configuração a ser testada, fixando d = 20 mm (valor limite para a ponta

de prova de alta tensão disponível);

b) Registro da forma de onda V2, sem o divisor resistivo, com frequência de 0,7 Hz;

c) Instalação do divisor resistivo, conforme Figura 17;

d) Registro da forma de onda V2, com o divisor resistivo, com frequência de 0,7 Hz;

Page 59: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

59

e) Ajuste da forma de onda do item (d) por fator multiplicativo, de forma que a rampa de

subida de tensão sobreponha a onda da medição sem o divisor resistivo (o mais fiel

possível). As formas de onda e fatores de correção podem ser vistos no Anexo C.

Este procedimento mostrou-se razoável quando á única variável era a folga de vela, pois a

extrapolação dos valores encontrados para folgas maiores convergiu com os tempos de outras

formas de onda medidas e as informações de Wellauer (1973), conforme mostra a Figura 18

(por interpolação, adotou-se 2,1 kV/mm para folgas maiores que 15 mm). A variação de

qualquer outro parâmetro diminuía consideravelmente a confiabilidade da medida, sendo

necessária uma nova calibração.

Conforme citado no início deste tópico, a ponta de prova de alta tensão permitiu medidas

com até 20 mm de folga de vela. Sendo assim, como o sistema de ignição indutivo padrão

(Bosch) teve seu limite de centelhamento abaixo de 20 mm, não foi necessária a instalação do

divisor resistivo. Nos demais módulos de ignição, tornou-se necessária a instalação do divisor

resistivo para atingir-se maiores folgas entre eletrodos.

Figura 18 - Rigidez dielétrica do ar em um campo homogêneo em função da distância de arco S (Wellauer, 1973)

Page 60: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

60

5.4.1. Sistema Indutivo

A forma de onda típica do secundário é mostrada na Figura 19, em escala ampliada

(Figura 19a, focando os primeiros fenômenos) e global (Figura 19b). Pode-se observar a Vsust

citada na seção 5.3.1, porém neste caso é a real voltagem de sustentação do arco.

O tempo de atraso de resposta do sistema (ARS) nesta medição engloba todo o conjunto

(módulo, bobina, cabos e velas), e esta identificação é uma análise puramente visual. A

abertura do arco (e então o início da centelha) é identificada pela queda brusca de voltagem

após a rampa de subida, enquanto o fim da centelha é notado pelo início da queda da Vsust até

zero.

Figura 19 - Forma de onda típica de um sistema indutivo, V2 (Evento Mi 04)

Em uma medição correta, deve-se encontrar aproximadamente a mesma duração da

centelha (DC) em todas as formas de onda pertinentes. Esta conferência é fundamental para o

bom entendimento dos fenômenos temporais envolvidos. Pequenos desvios de tempo (até 1

ou 2 μs) são aceitáveis, devido a eficiência de acoplamento entre os enrolamentos e as

indutâncias da bobina que promovem pequenos atrasos ou então por algum atraso de resposta

Page 61: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

61

gerado pela construção mostrada na Figura 17, conforme mostrado da Figura 56 até a Figura

59. O sentido do atraso depende de qual lado origina-se o fenômeno. Por exemplo: um

chaveamento do transistor no circuito primário levaria maior tempo para se propagar na forma

de onda do circuito secundário, enquanto a extinção do arco elétrico no circuito secundário

levaria mais tempo para se propagar na forma de onda do circuito primário.

5.4.2. Sistema Capacitivo

A forma de onda típica do secundário é mostrada na Figura 20, em escala ampliada

(Figura 20a, focando os primeiros fenômenos) e global (Figura 20b).

Figura 20 - Forma de onda típica de um sistema capacitivo, V2 (Evento TNT 03).

A identificação dos pontos chave é similar ao sistema indutivo, exceto pela voltagem de

sustentação da centelha, que agora é totalmente variável em função do princípio de

funcionamento do sistema capacitivo. Será visto adiante que o ponto de inversão marcado na

Figura 20b simboliza a mudança do sentido da corrente no circuito secundário. Quando

utilizado o divisor resistivo para a medição do sistema capacitivo, a forma de onda tornou-se

distorcida após a abertura do arco, não sendo útil para determinação da duração da centelha,

Vsust e ponto de inversão. Neste caso, essa medição apenas foi útil para determinação da TET

Page 62: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

62

e da Vmax (seção 5.4). No entanto, as demais formas de onda (V1, I1 e I2) completam as

informações faltantes.

5.5. Corrente no Circuito Primário (I1)

Na medição de corrente do circuito primário normalmente é utilizada um transdutor de

corrente (ou monitor de corrente, ou bobina de Rogowski). A especificação do transdutor a ser

utilizado é função da faixa de tempo que se deseja investigar, e quão rápida são as variações

de corrente do evento. É uma medida até simples de ser feita, pois as voltagens medidas são

relativamente baixas (centenas de Volts).

5.5.1. Sistema Indutivo

A Figura 21 mostra a carga típica de uma bobina com módulo de ignição indutivo. Neste

caso o módulo de ignição permite elevadas correntes, que são alcançadas de acordo com o

tempo de carga ajustado (ao desejo do operador), até o limite máximo que depende das perdas

internas do circuito (bobina, cabos e transistores).

Figura 21 - Carga da bobina padrão Bosch com módulo CM Top até 10 ms

Page 63: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

63

Um bom projeto de sistema de ignição nunca utiliza tempos de carga que possam saturar a

bobina (o que a danificaria com o tempo, seção 3.1). No entanto, desejou-se investigar alguma

melhoria de desempenho da centelha ao invadir a região de saturação. Na Figura 21 pode-se

visualmente identificar a região de início da saturação no ponto de inflexão da curva. Apesar

da corrente aumentar consideravelmente, a energia primária não aumenta na mesma

proporção, pois a indutância real começa a diminuir. Pode-se também notar a oscilação da

voltagem de alimentação (V3) que atingiu cerca de 0,6 V na condição mais crítica (ainda

aceitável, sendo que a voltagem dos reguladores de voltagem automotivos está sempre entre

13,8 a 14,4 V). A perda de tensão na carga da bobina deve-se às perdas internas da fiação e

do(s) transistor(es) do módulo. Estas perdas crescem quanto maiores forem as correntes de

carga da bobina.

5.5.2. Sistema Capacitivo

A Figura 22 mostra a medição típica de corrente no circuito primário da bobina de uma

ignição capacitiva.

Pode-se identificar vários pontos chave na medição mostrada na Figura 22. Além dos

pontos já conhecidos (ARM, AIC e DC) percebe-se: (a) a existência de dois picos de corrente

(Imax), que aumentam com o montante de energia primária e diminuem com a demanda de

energia da descarga, análogos aos picos V1 (mostrando o consumo de energia pelas condições

ambientais de uma câmara de combustão, por exemplo); (b) a propagação dos ruídos de

chaveamento do módulo de ignição e da abertura do arco elétrico (início da centelha) na

forma de onda V3; (c) A abrupta deformação de I1 no momento da abertura do arco é uma

consequência natural, uma vez que ao romper-se o dielétrico, o caminho ionizado (centelha)

diminui muito a impedância do sistema, permitindo maior corrente no circuito como um todo.

Adiante serão mostrados casos de falha de ignição, permitindo maiores conclusões.

Page 64: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

64

Figura 22 - Forma de onda típica de um sistema capacitivo, I1 (Evento, TNT 03)

5.6. Corrente no Circuito Secundário (I2)

A medição de corrente no circuito secundário é das mais conclusivas a respeito de

sistemas de ignição. Esta medição por si só não permite a avaliação de cada componente

separadamente, pois registra somente o produto final do sistema, porém, ao mesmo tempo, é a

medição de maior interesse dos pesquisadores da área. Esta medida reflete a real energia que

chega às velas de ignição, e se as velas forem diretas, é praticamente a energia de ignição

entregue à câmara de combustão do motor.

Esta medição é feita da mesma maneira que a de corrente no circuito primário, porém com

valores da ordem de 50 a 100 vezes menor e com maiores cuidados de isolamento elétrico.

Pode-se medir pelo próprio cabo de vela (mais indicado em motores convencionais) ou no

cabo de aterramento do eletrodo negativo, como feito neste trabalho.

Page 65: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

65

Por limitações de equipamento não realizou-se medições em escalas de tempo reduzidas

(da ordem de ns) no início do centelhamento, onde são registradas os maiores valores de

corrente e o regime de ruptura (seção 3.3.1). As medições foram focadas nas formas de onda

como um todo, e com a possível ampliação nas fases iniciais do arco, o que já permite grandes

conclusões.

5.6.1. Sistema Indutivo

A Figura 23 mostra a medição típica de corrente no circuito secundário da bobina de uma

ignição indutiva.

Figura 23 - Forma de onda típica de um sistema indutivo, I2 (Evento, Mi 04)

Nota-se a forma aproximadamente triangular da onda de corrente na Figura 23b, comum

nas ITIs. Ao reduzir a escala de tempo (Figura 23a) pode-se perceber as grandes flutuações no

início da descarga e o valor de pico (Imax). Quanto maior a folga de vela utilizada, maiores são

essas flutuações e a duração da centelha (DC) diminui, uma vez que o maior consumo de

energia extingue a energia da bobina num tempo menor.

Page 66: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

66

5.6.2. Sistema Capacitivo

A Figura 24 indica a típica forma de corrente no circuito secundário de um sistema

capacitivo. Da mesma forma que no circuito primário, o circuito secundário também possui

dois pontos de pico (Imax), e seus valores estão ligados à energia disponível para ser

consumida. Quanto maior for a energia dos capacitores, maior serão os picos, e quanto mais

energia a centelha consumir menores serão os mesmos.

Percebe-se também que uma vez estabelecido o arco, as correntes I1 (Figura 22) e I2

(Figura 24) cessam no mesmo valor de tempo, o que permite a conclusão da duração da

centelha em quaisquer das formas de onda.

Figura 24 - Forma de onda típica de um sistema capacitivo, I2 (Evento, TNT 03)

5.7. Medições em Campo

Existem condições em motores que não podem ser facilmente simuladas em bancada ou

outros equipamentos. São condições que só um motor real pode representar, tais como:

Page 67: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

67

turbulência (macro e micro), orientação da vela, variações de pressão e temperatura no

decorrer da descarga elétrica, presença de combustível (em diversas fases e formatos de gota)

e variações ciclo a ciclo da mistura a ser queimada.

A Figura 25 mostra o mesmo sistema indutivo padrão Bosch medido em condição real de

operação num típico motor veicular de 1,6 litros de 4 cilindros.

Figura 25 - Desempenho da IDI padrão Bosch num motor veicular em rodovia

Na primeira condição (Figura 25a), de carga leve em estrada a 2.500 rpm, a duração da

centelha tem um valor bastante vasto, com quase nenhum ruído durante a fase de descarga. Já

em WOT a 5.000 rpm (Figura 25b, faixa de rotação entre torque e potência máxima) a duração

da centelha diminui bastante (já esperado, pelo aumento da carga), e ocorre muita

instabilidade da centelha, com interrupção e reabertura do arco muitas vezes no mesmo

disparo, o que diminui a eficiência de transferência de energia e o desempenho do motor. Esta

condição indesejada ocorre por limitação de energia e/ou voltagem do módulo, aparecendo na

maioria dos motores veiculares com IDI em muitas condições de operação (principalmente

em cargas elevadas), e pode ser evitada utilizando um módulo/sistema com maior voltagem

e/ou maior energia.

Page 68: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

68

Outra medição de campo pode ser observada na Figura 26a e na Figura 26b, com os

mesmos fenômenos de instabilidade na medicação de tensão no circuito primário (V1). Neste

caso, a forma de onda foi registrada durante a subida de rotação em uma variação brusca de

carga de marcha-lenta (ML) para carga plena (WOT), que é uma das condições mais críticas

para o sistema de ignição.

Figura 26 - Medição de campo (V1); Dodge Ram 8.0l V10; IDI; variação abrupta ML => WOT. Medições a e b são similares e aleatórias.

Logo, percebe-se que as condições de campo são bem mais críticas para o sistema de

ignição que as condições constantes em uma bancada de testes ou dinamômetro estático.

Medições de sistemas CDI padrão (baixa energia) não foram feitos devido à pouca

disponibilidade no mercado e não serem padrão de comparação. Existem muitas medições de

campo do sistema CDI de alta energia, e tais medições são praticamente idênticas às feitas em

laboratório, pois como há uma grande disponibilidade de tensão/energia, as instabilidades são

Page 69: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

69

quase imperceptíveis nas formas de onda (a onda é praticamente estática em todas as

condições de operação), sendo desnecessárias maiores demonstrações.

5.8. Tabelas Resumo

Para otimizar as informações de todas as formas de onda registradas (ao total, acima de

300), da Tabela 8 até a Tabela 12 mostram-se as características principais das formas de onda

de todos os eventos realizados. Destas podem ser retiradas inúmeras conclusões, das quais as

principais serão abordadas no próximo capítulo. Os campos preenchidos com “ - “

correspondem a medidas não pertinentes ao evento.

Page 70: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

70

Tabela 8 - Resumo das características principais dos eventos com IDI padrão

Tcd

ARM

V1m

axAR

SV2

max

AIC

DC

V1su

stV2

sust

TET1

TET2

I1m

axI2

max

[ms]

[mm

][μ

s][V

][μ

s][k

V][μ

s][μ

s][V

][k

V][V

/μs]

[kV/μs

][A

][m

A]M

i 01

Bos

ch3,

55,

0B

osch

R16

,036

520

,018

,043

,018

0035

1200

13,5

0,78

7,0

140

Mi 0

2B

osch

3,5

10,0

Bos

chR

16,0

370

22,0

22,0

45,0

1350

4016

0012

,80,

967,

014

6M

i 03

Bos

ch3,

515

,0B

osch

R16

,037

822

,031

,051

,010

0044

2200

10,8

1,07

7,0

160

*M

i 04

Bos

ch3,

519

,0B

osch

R16

,038

422

,033

,453

,075

052

2800

10,4

1,08

7,0

140

*M

i 05

Bos

ch2,

010

,0B

osch

R32

,030

024

,024

,574

,065

040

1800

7,1

0,49

7,0

112

*M

i 06

Bos

ch3,

510

,0B

osch

IR18

,036

225

,020

,545

,013

5038

1600

13,4

1,03

4,5

138

Mi 0

7B

osch

3,5

15,0

Bos

chIR

16,0

364

24,0

25,5

49,0

1000

4422

0011

,01,

027,

015

0*

Mi 0

8B

osch

3,5

19,0

Bos

chIR

16,0

364

24,0

30,0

52,0

850

4826

0010

,11,

077,

016

0M

i 09

Bos

ch3,

510

,0B

osch

D14

,036

821

,022

,044

,017

0036

1200

12,3

0,96

7,0

146

Mi 1

0B

osch

3,5

15,0

Bos

chD

10,0

376

17,0

24,5

42,0

1200

4218

0011

,80,

987,

016

2*

Mi 1

1B

osch

3,5

19,0

Bos

chD

8,0

380

15,0

29,0

41,0

950

4822

0011

,51,

127,

016

2* -

Lim

ite d

e ce

ntel

ham

ento

Even

toVe

laB

obin

aM

ódul

o

Page 71: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

71

Tabela 9 - Resumo das características principais dos eventos com IDI de alta voltagem e bobina Bosch

Tcd

ARM

V1m

axAR

SV2

max

AIC

DC

V1su

stV2

sust

TET1

TET2

I1m

axI2

max

[ms]

[mm

][μ

s][V

][μ

s][k

V][μ

s][μ

s][V

][k

V][V

/μs]

[kV/μs

][A

][m

A]To

p 01

CM

Top

3,5

20,0

Bos

chD

2,0

568

5,0

41,0

30,0

800

4821

0020

,31,

647,

425

0To

p 02

CM

Top

4,2

20,0

Bos

chD

2,0

568

5,0

46,0

30,0

1000

4620

2020

,31,

848,

626

0To

p 03

CM

Top

5,0

20,0

Bos

chD

1,5

572

5,0

46,5

28,0

1250

4417

6021

,62,

0210

,427

0To

p 04

CM

Top

5,7

20,0

Bos

chD

1,5

572

5,0

48,0

26,0

1350

4417

6023

,32,

2912

,624

0To

p 05

CM

Top

6,5

20,0

Bos

chD

1,5

576

5,0

47,0

22,0

1500

4316

7028

,12,

7614

,630

0To

p 06

CM

Top

8,0

20,0

Bos

chD

1,5

580

5,0

45,0

18,0

1750

4215

8035

,23,

4616

,823

0To

p 07

CM

Top

10,0

20

,0B

osch

D1,

558

45,

046

,519

,017

5043

1580

33,4

3,32

18,0

280

Top

08C

M T

op3,

5

25

,0B

osch

D2,

056

45,

043

,033

,060

058

2800

18,2

1,54

7,4

230

Top

09C

M T

op4,

2

25

,0B

osch

D2,

056

45,

046

,031

,075

053

2500

19,4

1,77

8,6

200

Top

10C

M T

op5,

0

25

,0B

osch

D1,

557

25,

045

,026

,095

052

2400

23,3

2,14

10,4

300

Top

11C

M T

op5,

7

25

,0B

osch

D1,

557

25,

051

,026

,010

0050

2300

23,3

2,43

12,6

240

Top

12C

M T

op6,

5

25

,0B

osch

D1,

557

65,

047

,526

,012

0049

2000

23,5

2,26

14,6

290

Top

13C

M T

op8,

0

25

,0B

osch

D1,

558

05,

047

,522

,014

0049

2000

28,3

2,79

16,8

300

Top

14C

M T

op10

,0

25,0

Bos

chD

1,5

584

5,0

51,0

21,0

1450

4920

0029

,93,

1918

,037

0*

Top

15C

M T

op3,

5

29

,0B

osch

D2,

056

85,

046

,539

,045

068

3500

15,4

1,37

7,4

230

*To

p 16

CM

Top

4,2

30,0

Bos

chD

2,0

564

5,0

50,0

34,0

550

6231

0017

,61,

728,

620

0*

Top

17C

M T

op5,

0

30

,0B

osch

D1,

556

85,

051

,032

,080

056

2700

18,6

1,89

10,4

290

*To

p 18

CM

Top

5,7

30,0

Bos

chD

1,5

568

5,0

52,5

30,0

800

5827

0019

,92,

1012

,628

0To

p 19

CM

Top

6,5

30,0

Bos

chD

1,5

576

5,0

56,0

28,0

950

5726

0021

,72,

4314

,629

0*

Top

20C

M T

op8,

0

30

,0B

osch

D1,

558

05,

055

,025

,011

5054

2450

24,7

2,75

16,8

340

Top

21C

M T

op10

,0

30,0

Bos

chD

1,5

584

5,0

56,0

25,0

1200

5323

5024

,92,

8018

,037

0*

Top

22C

M T

op6,

5

31

,0B

osch

D1,

557

65,

056

,028

,090

057

2700

21,7

2,43

14,6

130

*To

p 23

CM

Top

10,0

32

,0B

osch

D1,

558

03,

054

,526

,010

5057

2500

23,7

2,37

18,0

330

* - L

imite

de

cent

elha

men

to

Even

toM

ódul

oB

obin

aVe

la

Page 72: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

72

Tabela 10 - Resumo das características principais dos eventos da IDI de alta voltagem e bobina Champion

Tcd

ARM

V1m

axAR

SV2

max

AIC

DC

V1su

stV2

sust

TET1

TET2

I1m

axI2

max

[ms]

[mm

][μ

s][V

][μ

s][k

V][μ

s][μ

s][V

][k

V][V

/μs]

[kV/μs

][A

][m

A]To

p 24

CM

Top

2,4

20C

ham

pion

D2,

056

04,

038

,018

,070

045

2150

35,0

2,71

7,2

180

Top

25C

M T

op3,

0

20

Cha

mpi

onD

2,0

560

4,0

40,0

16,0

900

4320

0040

,03,

339,

620

0To

p 26

CM

Top

3,5

20C

ham

pion

D2,

056

44,

044

,015

,010

0042

1800

43,4

4,00

12,4

230

Top

27C

M T

op4,

0

20

Cha

mpi

onD

1,5

568

4,0

46,0

13,0

1050

4117

5049

,45,

1114

,823

0To

p 28

CM

Top

4,5

20C

ham

pion

D1,

556

83,

047

,014

,011

0041

1700

45,4

4,27

15,9

210

Top

29C

M T

op5,

0

20

Cha

mpi

onD

1,5

572

3,0

46,5

13,0

1150

4117

0049

,74,

6515

,922

0To

p 30

CM

Top

2,4

25C

ham

pion

D2,

056

04,

042

,021

,050

052

2650

29,5

2,47

7,2

160

Top

31C

M T

op3,

0

25

Cha

mpi

onD

2,0

560

4,0

44,0

19,0

650

5125

0032

,92,

939,

621

0To

p 32

CM

Top

3,5

25C

ham

pion

D2,

056

44,

046

,016

,075

050

2350

40,3

3,83

12,4

220

Top

33C

M T

op4,

0

25

Cha

mpi

onD

1,5

568

4,0

48,0

16,0

850

4922

5039

,24,

0014

,823

0To

p 34

CM

Top

4,5

25C

ham

pion

D1,

556

83,

048

,015

,090

048

2200

42,1

4,00

15,9

220

Top

35C

M T

op5,

0

25

Cha

mpi

onD

1,5

572

3,0

48,0

14,0

900

4722

0045

,84,

3616

,823

0*

Top

36C

M T

op2,

4

27

Cha

mpi

onD

2,0

560

4,0

44,0

23,0

450

5528

0026

,72,

327,

217

0*

Top

37C

M T

op3,

0

29

Cha

mpi

onD

2,0

560

4,0

49,0

21,0

550

5730

0029

,52,

889,

617

0*

Top

38C

M T

op3,

5

29

Cha

mpi

onD

2,0

564

4,0

49,0

18,0

650

5527

0035

,33,

5012

,422

0*

Top

39C

M T

op4,

0

29

Cha

mpi

onD

1,5

568

4,0

69,0

22,0

700

5226

0027

,73,

8314

,819

0*

Top

40C

M T

op4,

5

30

Cha

mpi

onD

1,5

568

3,0

55,0

17,0

700

5226

0036

,63,

9315

,925

0*

Top

41C

M T

op5,

0

31

Cha

mpi

onD

1,5

572

3,0

56,0

16,0

700

5427

0039

,44,

3116

,826

0*

- Lim

ite d

e ce

ntel

ham

ento

Even

toM

ódul

oB

obin

aVe

la

Page 73: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

73

Tabela 11 - Resumo das características principais dos eventos da CDI de alta energia e bobina Bosch

1º2º

1º2º

1º2º

[V]

[μF]

[mm

][μ

s][V

][V

][μ

s][k

V][μ

s][μ

s][V

/μs]

[kV/μs

][A

][A

][m

A][m

A]*

TNT

01C

M T

NT

Bos

chR

400

1,0

20,0

3,0

400

160

4,0

35,0

26,0

132

17,4

1,59

10,0

5,0

210

90TN

T 02

CM

TN

TB

osch

R60

02,

020

,01,

560

035

02,

035

,015

,017

344

,42,

6934

,020

,041

028

0TN

T 03

CM

TN

TB

osch

R61

52,

520

,01,

561

535

02,

038

,515

,019

345

,62,

9639

,022

,048

030

0TN

T 04

CM

TN

TB

osch

R60

02,

030

,01,

560

030

02,

060

,024

,017

926

,72,

7328

,516

,038

024

0TN

T 05

CM

TN

TB

osch

R61

52,

530

,01,

561

532

02,

052

,022

,019

930

,02,

6034

,019

,046

027

0TN

T 06

CM

TN

TB

osch

R60

02,

040

,01,

560

028

02,

042

,020

,018

832

,42,

3332

,017

,039

024

0TN

T 07

CM

TN

TB

osch

R61

52,

540

,01,

561

530

02,

073

,026

,020

725

,13,

0433

,017

,040

526

0TN

T 08

CM

TN

TB

osch

R60

02,

050

,01,

560

028

02,

056

,030

,017

821

,12,

0031

,016

,038

020

5TN

T 09

CM

TN

TB

osch

R61

52,

550

,01,

561

530

02,

065

,028

,019

523

,22,

5034

,016

,045

024

0*

TNT

10C

M T

NT

Bos

chIR

400

1,0

20,0

3,0

400

160

4,0

28,0

26,0

125

17,4

1,27

11,5

5,5

240

90TN

T 11

CM

TN

TB

osch

IR60

02,

020

,01,

560

036

02,

029

,515

,017

344

,42,

2735

,021

,043

027

0TN

T 12

CM

TN

TB

osch

IR61

52,

520

,01,

561

536

02,

029

,014

,019

449

,22,

4239

,023

,049

030

5TN

T 13

CM

TN

TB

osch

IR60

02,

030

,01,

560

032

02,

047

,022

,017

929

,32,

3531

,017

,040

025

5TN

T 14

CM

TN

TB

osch

IR61

52,

530

,01,

561

533

02,

046

,022

,019

630

,02,

3036

,019

,545

027

0TN

T 15

CM

TN

TB

osch

IR60

02,

040

,01,

560

030

02,

060

,026

,017

924

,52,

5030

,016

,040

024

0TN

T 16

CM

TN

TB

osch

IR61

52,

540

,01,

561

530

02,

080

,029

,0N

I22

,42,

9633

,017

,042

026

0TN

T 17

CM

TN

TB

osch

IR60

02,

050

,01,

560

028

02,

075

,032

,017

819

,72,

5028

,013

,038

020

0TN

T 18

CM

TN

TB

osch

IR61

52,

550

,01,

561

531

02,

062

,028

,019

523

,22,

3832

,016

,046

024

0*

TNT

19C

M T

NT

Bos

chD

400

1,0

20,0

3,0

400

180

3,0

27,0

24,0

128

19,0

1,29

12,0

8,0

240

120

TNT

20C

M T

NT

Bos

chD

400

2,5

20,0

3,0

400

235

3,0

29,0

23,0

193

20,0

1,45

25,0

15,0

340

200

TNT

21C

M T

NT

Bos

chD

600

2,0

20,0

1,5

600

395

2,0

34,0

14,0

174

48,0

2,83

37,0

26,0

470

330

TNT

22C

M T

NT

Bos

chD

615

2,5

20,0

1,5

615

400

2,0

34,0

15,0

191

45,6

2,62

42,0

29,0

540

365

*TN

T 23

CM

TN

TB

osch

D59

01,

030

,01,

559

026

02,

043

,024

,013

026

,21,

9518

,011

,029

017

0*

TNT

24C

M T

NT

Bos

chD

520

2,5

30,0

2,0

520

280

2,5

41,5

28,0

198

20,0

1,63

29,5

18,5

390

250

TNT

25C

M T

NT

Bos

chD

600

2,0

30,0

1,5

600

350

2,5

46,0

24,0

174

26,7

2,14

32,0

22,0

460

300

TNT

26C

M T

NT

Bos

chD

615

2,5

30,0

1,5

615

360

2,5

45,5

21,5

194,

530

,82,

3938

,025

,050

032

0*

TNT

27C

M T

NT

Bos

chD

600

2,0

40,0

1,5

600

320

2,0

50,0

32,0

178

19,7

1,67

30,0

18,0

410

270

TNT

28C

M T

NT

Bos

chD

615

2,5

40,0

1,5

615

300

2,0

60,0

32,0

200

20,2

2,00

34,0

21,5

440

300

**TN

T 29

CM

TN

TB

osch

D60

02,

040

,01,

560

018

02,

058

,011

5,0

165

5,3

0,51

20,0

8,0

400

160

**TN

T 30

CM

TN

TB

osch

D61

52,

540

,01,

561

522

02,

057

,011

0,0

185

5,7

0,53

27,0

14,0

400

240

***

TNT

31C

M T

NT

Bos

chD

615

2,5

40,0

1,5

615

380

2,0

64,0

--

--

15,5

--

-

***

- Fal

ha d

e ig

niçã

o

* - L

imite

de

cent

elha

men

to**

- In

stab

ilidad

e (r

eabe

rtura

do

arco

)

I2m

axEv

ento

Mód

ulo

Bob

ina

Vela

dC

VcI1

max

ARM

V2m

axAR

STE

T2TE

T1D

CAI

CV1

max

Page 74: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

74

Tabela 12 - Resumo das características principais dos eventos da CDI de alta energia e bobinas Champion e MSD 8201

1º2º

1º2º

1º2º

[V]

[μF]

[mm

][μ

s][V

][V

][μ

s][k

V][μ

s][μ

s][V

/μs]

[kV/μs

][A

][A

][m

A][m

A]TN

T 32

CM

TN

TC

ham

pion

D40

01,

020

,03,

040

024

03,

531

,015

,091

33,3

2,70

21,0

15,0

260

165

TNT

33C

M T

NT

Cha

mpi

onD

400

2,5

20,0

3,0

400

240

3,0

32,0

15,0

141

33,3

2,67

35,0

23,5

395

275

TNT

34C

M T

NT

Cha

mpi

onD

600

2,0

20,0

1,5

600

400

2,0

35,0

10,5

125,

566

,74,

1250

,035

,558

041

5TN

T 35

CM

TN

TC

ham

pion

D61

52,

520

,01,

561

540

02,

033

,510

,513

9,5

68,3

3,94

58,0

39,0

650

450

*TN

T 36

CM

TN

TC

ham

pion

D50

01,

030

,02,

050

024

03,

047

,017

,598

,532

,33,

2422

,014

,026

017

0*

TNT

37C

M T

NT

Cha

mpi

onD

450

2,5

30,0

2,5

450

250

3,0

44,5

17,0

147

31,0

3,18

36,0

23,0

400

275

TNT

38C

M T

NT

Cha

mpi

onD

600

2,0

30,0

1,5

600

370

2,5

52,0

14,0

126

48,0

4,52

47,0

32,0

560

380

TNT

39C

M T

NT

Cha

mpi

onD

615

2,5

30,0

1,5

615

390

2,0

49,0

13,0

141

53,5

4,45

54,5

37,5

625

430

*TN

T 40

CM

TN

TC

ham

pion

D61

51,

540

,01,

561

534

52,

578

,017

,010

939

,75,

3838

,025

,546

030

0*

TNT

41C

M T

NT

Cha

mpi

onD

570

2,5

40,0

1,5

570

310

3,0

81,0

17,5

144,

535

,65,

5946

,029

,052

036

0TN

T 42

CM

TN

TC

ham

pion

D60

02,

040

,01,

560

031

03,

081

,017

,513

6,5

37,5

5,59

41,0

27,0

455

330

TNT

43C

M T

NT

Cha

mpi

onD

615

2,5

40,0

1,5

615

360

2,0

84,0

18,0

140

37,3

5,25

52,0

34,0

580

400

TNT

44C

M T

NT

Cha

mpi

onD

600

2,0

45,0

1,5

600

310

2,0

92,0

18,5

139,

535

,35,

5840

,026

,043

033

0TN

T 45

CM

TN

TC

ham

pion

D61

52,

545

,01,

561

533

02,

573

,017

,014

939

,75,

0348

,030

,054

037

0**

TNT

46C

M T

NT

Cha

mpi

onD

600

2,0

45,0

1,5

600

290

2,0

86,0

88,0

119

6,9

1,00

37,0

23,0

450

295

**TN

T 47

CM

TN

TC

ham

pion

D61

52,

547

,01,

561

529

02,

586

,086

,013

87,

31,

0343

,026

,050

533

0**

*TN

T 48

CM

TN

TC

ham

pion

D61

52,

550

,01,

561

540

02,

586

,0-

--

-27

,0-

--

**TN

T 49

CM

TN

TC

ham

pion

D61

52,

550

,01,

561

528

04,

016

0,0

88,0

136

7,1

1,90

42,0

25,0

490

320

TNT

50C

M T

NT

MS

D 8

201

D40

01,

020

,02,

531

018

02,

5N

I5,

058

124,

0-

85,0

62,0

7470

TNT

51C

M T

NT

MS

D 8

201

D60

02,

020

,00,

548

035

00,

5N

I2,

573

,524

0,0

-29

2,0

196,

020

0013

20TN

T 52

CM

TN

TM

SD

820

1D

615

2,5

20,0

0,5

500

360

0,5

NI

2,5

81,5

250,

0-

350,

023

2,0

2360

2240

***

TNT

53C

M T

NT

MS

D 8

201

D40

01,

030

,0-

--

--

--

--

--

--

TNT

54C

M T

NT

MS

D 8

201

D60

02,

030

,00,

548

034

00,

5N

I3,

073

192,

0-

300,

019

0,0

1900

1850

TNT

55C

M T

NT

MS

D 8

201

D61

52,

530

,00,

550

035

00,

5N

I2,

580

,525

0,0

-34

5,0

220,

020

4021

50TN

T 56

CM

TN

TM

SD

820

1D

400

2,0

20,0

2,5

310

220

2,5

NI

5,5

49,5

103,

3-

165,

011

8,0

1280

1200

TET1

TET2

I1m

axI2

max

V1m

axAR

SV2

max

VcC

dAR

MEv

ento

Mód

ulo

Bob

ina

Vela

AIC

DC

***

- Fal

ha d

e ig

niçã

o

* - L

imite

de

cent

elha

men

to**

- In

stab

ilidad

e (re

aber

tura

do

arco

)

Page 75: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

75

5.8.1. Observações e particularidades dos eventos

Durante a execução dos eventos das tabelas da seção 5.8, algumas observações podem ser

feitas:

- Evento Top 23: apesar do limite de centelhamento ser de 32 mm, pode-se ir aumentando

lentamente a folga durante sucessivos disparos, atingindo-se até 36 mm, o que mostra o leve

efeito do calor gerado na centelha aquecendo o ar (tornando-o mais condutivo) e/ou a

presença do ozônio em disparos sucessivos (que possui menor dielétrico). Ao desativar-se o

sistema por ~ 1 min para dissipação do calor e ozônio, o centelhamento sucessivo tornava-se

impossível, salvo pelo aumento da frequência para 18 Hz por alguns instantes (1 a 2 s);

- Nas medições com a bobina Champion e IDI de alta voltagem gerou-se menor ruído

elétrico que a bobina Bosch em todos os eventos, provavelmente por características de menor

emissão eletromagnética nesta bobina;

- Evento TNT 04: ligeira taxa de falhas (5 a 10 %) ao comutar-se para C = 1,0 μF;

- Evento TNT 27: com 1,5 μF de capacitância, o centelhamento também ocorria, quase

sempre com instabilidade na abertura do arco (fechamento e reabertura);

- Para d > 40 mm com CDI de alta energia e bobina Bosch, houve muita instabilidade na

abertura do arco (fechamento e reabertura), acima de 50% dos disparos;

- Evento TNT 36: com 400 V não houve centelhamento. Acima desse valor, até 490 V,

houve centelhamento com taxa de falhas > 10%. Com 500 V o centelhamento tornou-se

estável;

- Não foi possível realizar medidas com d > 30 mm na bobina MSD 8201 e com CDI de

alta energia, pois com d = 40 mm o isolamento entre as torres de alta e baixa tensão foi

rompido;

Page 76: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

76

- Em eventos com instabilidade na abertura do arco, foi necessária a aquisição dos sinais

no osciloscópio com apenas uma medida (modo single shot), para não gerar distorção na

média das formas de onda medidas.

- Não foi possível realizar medidas com a bobina MSD 8251 e com CDI de alta energia,

pois os altos valores de corrente atingidos danificaram a bobina nos primeiros disparos,

comprometendo os enrolamentos desta.

5.9. Fotografias de Alta Velocidade com Técnica Schlieren

As fotografias Schlieren de alta velocidade permitem investigar efeitos de temperatura e

pressão durante o centelhamento e a formação de ondas de choque. A ocorrência e intensidade

de ondas de choque no centelhamento indica uma maior entrega de energia ao meio (no caso

o ar ambiente, e num motor real, a mistura fresca). O critério de escolha das fotos foi por

nitidez e representatividade da evolução do evento. O início da contagem de tempo foi

baseado na foto com o primeiro indício de centelha. No topo de cada sequência de fotos é

identificado o evento respectivo. A Figura 28 e Figura 29 indicam ondas de choque com setas.

5.9.1. Sistema ITI padrão (Bosch)

A Figura 27 e a Figura 28 a seguir mostram a sequência de fotos em diferentes condições.

Nesta ITI padrão a luminosidade/contraste normalmente é baixa comparada aos outros

sistemas que ainda serão mostrados. A medição com velas diretas no limite de centelhamento

(Mi 11) mostrou-se a de maior intensidade, com leve aparição de duas ondas de choque a

partir do início da centelha, expandindo-se no próximo quadro (33 μs). Não analisou-se

longas durações de sequência de fotos (acima de 400 μs) por dois motivos:

a) Foge-se da faixa temporal de eficiência da centelha (seção 3.3.4);

b) Mesmo cessada a centelha, a luminescência da região da centelha ainda persiste por

alguns milissegundos, interferindo no resultado.

Page 77: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

77

Figura 27 - Fotos com técnica schlieren, IDI padrão, velas R (Mi 02 e 04) e IR (Mi 06)

Figura 28 - Fotos com técnica schlieren, IDI padrão, vela IR (Mi 08) e D (Mi 09 e 11). Contorno das ondas de choque indicado por setas

Page 78: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

78

5.9.2. Sistema ITI de alta voltagem (CM Top)

As figuras dessa seção mostram a evolução de centelhamento em algumas condições da

ITI de alta voltagem. Teve-se como escopo folgas a partir do limite da ITI padrão até o limite

de centelhamento encontrado, com TC padrão da bobina e num nível elevado de saturação.

Figura 29 - Fotos schlieren, IDI alta voltagem, bobina Bosch, d = 20 mm, Contorno das ondas de choque indicado por setas

Page 79: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

79

Figura 30 - Fotos schlieren, IDI alta voltagem, bobina Bosch, d = 25 mm

As ondas de choque formadas podem ser identificadas por contrastes cilíndricos que se

expandem ao longo do tempo (normalmente nas 2as e 3as fotos da sequência). Assim como na

ITI padrão, a espessura da perturbação criada pelo caminho da centelha é alargada com o

passar do tempo, porém agora aparentemente em uma maior taxa de expansão. Percebe-se que

as ondas de choque tendem a serem mais nítidas/intensas com o aumento da folga de vela.

Page 80: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

80

Figura 31 - Fotos schlieren, IDI alta voltagem, bobina Bosch, d = 29 e 30 mm respectivamente (limite de centelhamento)

Pode-se observar que o formato da centelha é aleatório, assim como nas descargas

atmosféricas. Em uma mesma condição, isso provoca flutuações de: (a) voltagem de ruptura,

(b) correntes e voltagens de sustentação, (c) AIC, (d) intensidade das ondas de choque.

Page 81: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

81

Figura 32 - Fotos schlieren, IDI alta voltagem, bobina Champion, d = 20 mm

Page 82: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

82

Figura 33 - Fotos schlieren, IDI alta voltagem, bobina Champion, d = 25 mm

Page 83: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

83

Figura 34 - Fotos schlieren, IDI alta voltagem, bobina Champion, d = 27 e 30 mm respectivamente (limite de centelhamento),

Page 84: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

84

5.9.3. Sistema CDI de alta energia (CM TNT)

As figuras dessa seção mostram a evolução de centelhamento em algumas condições da

CDI de alta energia. Utilizaram-se folgas a partir do limite da ITI padrão até o limite de

centelhamento encontrado, com energias variando do nível da ITI padrão até 500 mJ.

Também foram registradas fotos com reabertura do arco e falha de ignição.

Figura 35 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina Bosch, d = 40 e 50 mm respectivamente, velas R

Como pode-se ver na Figura 35, mesmo com grandes folgas de vela (que são mais

propensas a ondas de choque) as ondas de choque geradas com velas resistivas são bastante

discretas ou até incapazes de visualização. O mesmo ocorre na Figura 36 nas velas IR (irídio-

resistiva).

Page 85: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

85

Figura 36 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina Bosch, d = 40 e 50 mm respectivamente, velas IR

Figura 37 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina Bosch, d = 20 mm, velas D

Page 86: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

86

Ao se utilizar velas diretas (Figura 37), as ondas de choque tornam-se muito mais nítidas,

mesmo em folgas de vela menores (20 mm). Na medida em que a folga de vela cresce as

ondas de choque tornam-se mais intensas e/ou numerosas, como pode-se notar comparando a

Figura 37 com a Figura 38 ou Figura 39.

Figura 38 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina Bosch, d = 20 mm (TNT 19 a 21) e 30 mm (TNT 25 e 26), velas D

Page 87: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

87

Figura 39 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina Bosch, d = 40 mm (limite de centelhamento), velas D. TNT 29 e 30 - eventos com reabertura do arco

Na Figura 40 são mostradas as maiores folgas de vela com velas diretas e bobina

Champion. Chegou-se até 50 mm de folga, onde determinou-se o limite de centelhamento do

sistema. Com folgas acima de 40 mm muitos eventos já ocorrem com reabertura do arco.

Na Figura 41 e na Figura 42, são mostrados os eventos utilizando bobina de baixa

resistência e indutância. Neste caso nota-se a geração de ondas de choque muito mais intensa

devido às altas correntes envolvidas, além de ocorrerem múltiplos pontos de geração dessas

ondas. Infelizmente, por limitação do isolamento interno desta bobina, não foi possível fazer

medições acima de 30 mm de folga.

Page 88: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

88

Figura 40 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina Champion, d = 40, 45 e 50 mm (limite de centelhamento), velas D. TNT 48 - falha de ignição. TNT 49 - evento com reabertura do arco

Page 89: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

89

Figura 41 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina MSD 8201, d = 20 mm

Page 90: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

90

Figura 42 - Fotos schlieren, CDI alta energia, bobina MSD 8201, d = 30 mm

Page 91: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

91

5.10. Discussões Finais

De maneira geral, a taxas de elevação de tensão (TET1 e TET2) do sistema da ITI de alta

voltagem são consideravelmente maiores que a ITI padrão, e a da CDI de alta energia

consideravelmente maior que a ITI de alta voltagem.

A voltagem de sustentação (Vsust) remete a dificuldade de sustentar a centelha no meio

circundante. Pode-se constatar nas tabelas resumo que esta voltagem é proporcional à folga

imposta. Além disso, a Vsust também é dependente de outros parâmetros dentro de uma

câmara de combustão, tais como turbulência, pressão e temperatura. Logo, a partir da Vsust,

pode-se analisar a variação de parâmetros internos de uma câmara de combustão, podendo-se

mensurar uma melhoria (ou piora) do processo de combustão ao realizar-se alguma

modificação no motor.

A reserva de energia e voltagem de um sistema de ignição (tanto ITI quanto CDI) é

bastante desejável, pois esta reserva evita o apagamento da centelha (ou falha de ignição) em

casos de variações de carga, aceleração abrupta, instabilidades de regime transitório,

flutuações de turbulência, relação ar/combustível, mistura e temperatura entre ciclos

sucessivos.

A técnica Schlieren permite avaliar diferenças no índice de refração, oriundas de

diferenças termperatura/densidade do meio fotografado. A centelha em si não é fotografada (o

que pode ser feito por filmagem direta), e sim o efeito dela no meio (ar), ou seja, são captados

os efeitos de variação de temperatura/densidade do meio. A progressão do tempo nas fotos

mostra inclusive em todos os eventos a tendência de alargamento do caminho da centelha, o

que pode ser parcialmente verdade. Dois motivos causam tal efeito: (a) alargamento da

centelha ao conseguir ionizar maior quantidade do gás vizinho, (b) a própria expansão/difusão

do gás aquecido. Pode-se dizer que ambos são significativos. A conferência da hipótese (b)

foi investigada fotografando-se alguns eventos com atrasos de disparo (trigger) maiores que a

Page 92: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

92

duração da própria centelha. Nestes casos pôde-se observar que a região trilhada pela centelha

já se apresentava muito alargada pela expansão/difusão do gás aquecido, mesmo com a

centelha já extinta do evento. Ou seja, o fato da técnica detectar a variação de temperatura não

significa que há centelha. Esta técnica não permite delimitar o tamanho/espessura da centelha

A constatação da velocidade das ondas de choque geradas no centelhamento foi feita pela

razão entre o deslocamento linear e o tempo decorrido entre fotos, com valores da ordem de

340 e 350 m/s (velocidade sônica em condições ambientes típicas). Como referência de

distância em cada foto, pode-se sempre tomar como base o espaçamento entre eletrodos.

Em uma descarga de centelha, as ondas de choque ocorrem devido à ruptura inicial do

dielétrico, onde o gás ionizado (plasma) a alta temperatura (até 60.000 K, segundo Heywood,

1988) expande-se inicialmente com velocidades supersônicas (~ 8 km/s, segundo Heywood,

1988) e vai se desacelerando rapidamente (< 1 μs) até a velocidade sônica, gerando uma onda

de choque que progride por um tempo relativamente longo (dezenas ou centenas de

microssegundos). Quanto maior a temperatura inicial mais intensa será a onda de choque.

Logo, a geração de ondas de choque ocorre unicamente na fase de ruptura da descarga

(breakdown). Os principais fatores que influenciam a energia entregue na fase de ruptura e

consequentemente na geração de ondas de choque são:

a) Energia primária: para uma mesma folga de vela e demais parâmetros, alterando-se

apenas a energia da CDI, notou-se o aumento da intensidade de ondas de choque (Ex.:

evento TNT 50 contra TNT 51).

b) Folga de vela: Ao aumentar-se a folga de vela ocorre tanto o aumento da capacitância

acumulada no momento da ruptura, quanto uma maior área de possíveis pontos de

início de onda de choque. Logo, pode-se notar o aumento da intensidade/número de

ondas de choque ao aumentar-se a folga de vela. Também deve-se lembrar que uma

Page 93: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

93

maior folga de vela induz obrigatoriamente em uma maior transferência de energia

para o meio, potencializando a formação de ondas de choque.

c) Resistências internas: Notou-se claramente que as velas diretas apresentaram

desempenho muito superior frente aos demais modelos (R e IR). O mesmo pôde-se

notar com o uso da bobina de baixa resistência/indutância. Combinando-se a bobina de

baixa resistência/indutância com as velas diretas e a CDI de alta energia, a geração de

ondas de choque nos primeiros instantes tornou-se bastante numerosa, principalmente

com alta energia e grandes folgas (eventos TNT 54 e 55). Mesmo operando-se a CDI

em baixa energia, o uso de velas diretas com bobina de baixa resistência/indutância

(evento TNT 50) mostrou uma geração de ondas de choque bastante representativa.

Até mesmo na ITI padrão, apenas na troca de velas resistivas por diretas, já apresentou

formação de ondas de choque (seção 5.9.1). Com velas resistivas, o índice de ondas de

choque tornou-se pouco representativo, mesmo com alta energia e grandes folgas. De

certa forma, as velas resistivas diminuem muito os níveis de corrente na fase de

ruptura (Figura 5, página 30), e consequentemente a geração de ondas de choque.

Notam-se diferenças de intensidade de ondas de choque e espessuras na região da

centelha. A princípio pode-se mensurar diferenças de energia com base nessa observação, mas

sempre contendo-se a comparações de eventos com mesmos ajustes da câmera e da

sensibilidade da técnica. De modo geral, sempre procurou-se manter o ajuste da sensibilidade

ao limite máximo, onde a partir deste ponto a claridade e nitidez das fotos ficavam

comprometidas. A técnica schlieren permite, a princípio, uma boa análise qualitativa,

enquanto análises quantitativas são mais complexas.

Segundo Heywood (1988), cerca de 30% da energia entregue na fase de ruptura é

carregada pela(s) onda(s) de choque. Apesar de em uma câmara de combustão de motor a

Page 94: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

94

pistão as altas pressões/densidades envolvidas amortecerem as ondas de choque mais

rapidamente, pode-se inferir um pré-aquecimento e turbulência adicional nas vizinhanças da

vela, num raio de alguns poucos milímetros. A preocupação em si não é a interferência da

onda de choque em todo o volume da câmara de combustão, e sim nesta pequena vizinhança

ao redor da vela. Se a influência da onda de choque nesta pequena vizinhança gerar um efeito

positivo significativo na aceleração do processo de combustão (que possui velocidade inicial

baixa), todo o processo terá sua taxa de queima aumentada, uma vez que maiores taxas de

queima iniciais geram maiores taxas de queima em todas as fases seguintes. Este é um

fenômeno que requer maior estudo quantitativo.

Page 95: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

95

6. Conclusões

Após bem entendido o que representam os tempos e valores característicos das medições,

pode-se consultar as tabelas-resumo mostradas no capítulo anterior, que são a principal fonte

das conclusões de (a) a (d). Em seguida, no tópico (e), são feitas recomendações para um bom

sistema de ignição com base em todo trabalho e experiências de campo:

a) Atraso de centelhamento, voltagens e folgas máximas

- A ignição por descarga indutiva (IDI) padrão é bastante limitado em centelhamento,

atingindo somente 19 mm em condições ambientes, atingindo no máximo cerca de 30 a

33 kV, os atrasos de centelhamento variam com a carga (gap) imposta, entre 41 e 53 μs (de 10

a 19 mm de folga respectivamente);

- A IDI de alta voltagem permite folgas de vela cerca de 50% maior que o sistema padrão

(até 29 mm) sem atingir a saturação da mesma bobina padrão automotivo. Extrapolando a

saturação da mesma pode-se chegar a quase 70% (31 mm), o que não representa um grande

incremento devido à saturação. Logo, o mérito do maior limite de centelhamento deve-se

principalmente à maior voltagem gerada pelo módulo (até 46,5 kV no circuito secundário,

sem saturação da bobina, e até 56 kV com saturação). Os tempos de atraso de centelhamento

variam de 30 a 39 μs (de 20 a 29 mm de folga respectivamente) com a bobina padrão;

- Na ignição por descarga capacitiva (CDI) de alta energia as folgas puderam atingir até

40 mm sem sintomas de instabilidade, e podendo-se atingir até 50 mm com instabilidades na

abertura do arco. Os valores de tensão atingiram cerca de 92 kV. Os atrasos de centelhamento

são bem menores quando se opera com alta energia, reduzindo para 14 a 32 μs (de 20 a

40 mm de folga respectivamente) com a bobina padrão.

Page 96: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

96

b) Valores de corrente e duração da centelha

- A duração demasiada da centelha dos sistemas indutivos veiculares desperdiça energia.

Uma longa duração é válida apenas em rotações muito baixas (ex.: durações acima de 500 μs

só fazem sentido abaixo de 1800 rpm), de forma a manter a duração sensata estipulada de 4 a

7° do virabrequim. O sistema CDI de alta energia pode atingir elevadas correntes num tempo

adequado para a faixa de rotação de veículos de passeio, principalmente em médias e altas

rotações, portanto é mais eficiente do ponto de vista energético e de combustão;

- Os valores de corrente no circuito secundário das IDIs nos primeiros instantes da

centelha sofrem variação bastante aleatória, o que ocorre menos nas CDIs. A IDI padrão teve

valores máximos de 138 a 162 mA, enquanto a IDI de alta voltagem de 230 a 250 mA sem

saturação da bobina e até 370 mA extrapolando o limite de saturação. A CDI de alta energia

atinge valores que dependem da energia ajustada, sendo que na condição de maior energia

atingiu valores de até 540 mA.

c) Resistências, indutâncias e robustez das bobinas

- Das quatro bobinas avaliadas (duas de padrão veicular e duas aftermarket para veículos

ditos de competição) apenas as de padrão veicular resistiram às grandes folgas de vela e alta

energia do sistema CDI sem danos. As bobinas aftermarket testadas (MSD 8201 e MSD

8251) possuem baixos valores de resistência e indutância, o que confere maiores correntes e

menores atrasos de tempo. Porém, estas não possuem bom isolamento interno para resistir a

CDI de alta energia aliada a grandes folgas de vela (alta voltagem), consequentemente

resultando em curto entre as espiras, inutilizando a bobina. A bobina MSD 8251 danificou nos

primeiros disparos;

Page 97: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

97

- Das bobinas veiculares testadas, o modelo de menor indutância (Champion) mostrou-se

mais adequado aos parâmetros desejados do que o modelo padrão (Bosch) para uso com a

CDI de alta energia, pois se obteve menor atraso de início da centelha (AIC), maior taxa de

elevação de tensão (TET), maior limite de centelhamento e maiores correntes atingidas. No

circuito primário, atingiu-se 58 A contra 42 A, e no secundário 650 mA contra 540 mA

(Champion contra Bosch, respectivamente). Entretanto, na ITI de alta voltagem, a bobina de

maior indutância (Bosch) obteve maior AIC, porém com maiores correntes de pico.

d) Velas

- Dos três tipos de velas avaliadas - direta, resistiva convencional e irídio-resistivas - a que

apresentou melhor desempenho global foi a vela direta (sem resistência). As velas resistivas

exigem maior voltagem do módulo, consomem energia de ignição, diminuem a corrente

média e limitam muito a corrente na fase de ruptura da centelha. As de irídio-resistivas, de

eletrodo fino (Øeletrodo = 0,6 mm), diminuem a voltagem de centelhamento pelo efeito pontas,

mas ainda pecam pelo efeito negativo da impedância embutida. Com velas diretas, a voltagem

aplicada à bobina é da mesma ordem (ou menor) que a da vela irídio resistiva. Com a IDI

padrão, as voltagens no limite de centelhamento do sistema foram: 33,4 kV (velas resistivas),

contra 30,0 e 29,0 kV (irídio-resistivas e diretas respectivamente). Na CDI de alta energia

com 30 mm de centelha a voltagem no circuito reduziu de 52 kV (resistivas) para 46,0 e

45,5 kV (irídio-resistivas e diretas, respectivamente).

e) Recomendações da um sistema eficiente

e.1) Módulo de ignição: deve gerar tensão no enrolamento primário > 550 V, tanto em

módulos indutivos quanto capacitivos, permitindo folgas de vela consideravelmente acima do

padrão, o que melhora muito o processo de combustão. Isto implica consequentemente na

Page 98: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

98

exigência de velas de razoável diâmetro para evitar o centelhamento lateral (item e.4). A

capacitância de um módulo capacitivo deve ser de no mínimo 1 μF (equivalente a ~ 150 mJ

com 550 V de carga). Em motores de baixo custo/desempenho pode-se ainda utilizar um

sistema indutivo, mas sempre de alta voltagem (> 550 V), enquanto em motores de médio a

alto custo/desempenho deve-se utilizar o sistema capacitivo de alta energia. Este último pode

atingir limites de tensão e energia muito altos (> 600 mJ), porém até o momento o principal

fator limitante do desempenho da CDI de alta energia está na bobina de ignição, uma vez que

as bobinas atuais de produção corrente possuem muitas perdas internas.

e.2) Bobina: deve ter a menor resistência possível, tanto no enrolamento primário

(< 0,3 Ω) quanto no secundário (< 1,0 kΩ), lembrando que menores resistências de bobina

demandam maiores correntes do módulo de ignição, o qual deve-se adequar a esta demanda.

Uma vez que maiores indutâncias aumentam a duração da centelha, as indutâncias da bobina

devem ser ajustadas para proporcionar a duração da centelha apropriada à faixa de rotação do

motor, mantendo a duração sensata estipulada de 4 a 7° de rotação do virabrequim.

e.3) Cabos de vela: para evitar o efeito antena, que aumenta a emissão eletromagnética,

os cabos de vela devem ser o quão curtos possível, ou ainda utilizar-se a bobina acoplada

diretamente sobre vela de ignição, eliminando os cabos de vela.

e.4) Velas: devem ter resistência/indutância interna nula (vela direta), com eletrodos de

pequeno diâmetro (< 0,8 mm) e o mais projetados possível dentro da câmara de combustão,

de forma que a centelha esteja situada na região de maior turbulência no momento de ignição.

Para permitir maior folga entre eletrodos (o que sempre melhora o desempenho do motor,

estando o sistema adequado a isso), é obrigatório que a vela possua maior diâmetro para evitar

o centelhamento lateral, o que prejudicaria muito o desempenho do sistema e

consequentemente do motor (Goulart e Rocha, 2009). Por experiências de campo, recomenda-

Page 99: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

99

se que a vela tenha rosca > M14, ou no mínimo M12. O bom isolamento elétrico da cerâmica

também é indispensável ao se utilizar folga de vela acima do padrão.

Page 100: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

100

7. Trabalhos Futuros

Por limitação de tempo e custo, não foram realizados demais testes que trariam maiores

conclusões sobre sistemas de ignição. Estes ensaios são sugeridos a seguir.

7.1. Correlações entre a Indutância da Bobina e a Faixa de Giro do

Motor

Conforme a faixa de giro do motor sobe, o tempo de queima do combustível deve ser

reduzido para que o mesmo tenha boa eficiência, dispensando centelhas de longa duração

(Tabela 3). Assim, é conveniente determinar a melhor faixa de indutância da bobina, com o

sistema CDI de alta energia, em diferentes faixas de rotação dos motores (uma vez que

indutâncias maiores aumentam a duração da centelha e diminuem a corrente, e vice-versa),

esperando-se que motores de alto giro necessitem de bobinas de baixa indutância.

7.2. Influências da Intensidade de Turbulência no Aumento da Taxa de

Queima com os Sistemas CDI de Alta Energia e IDI

Uma vez que a taxa de queima aumenta com a intensidade de turbulência na região da

vela (Geiger, J. et al. 1999) e com a energia de ignição, torna-se interessante avaliar as

diferenças dos ganhos entre um sistema IDI típico e um sistema CDI de alta energia,

provocando diversas intensidades de turbulência na região da vela, encontrando

possivelmente maiores ganhos na taxa de queima para uma ignição de alta energia, uma vez

que dificuldade de ionização da mistura aumenta com a turbulência.

Page 101: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

101

7.3. Diferentes Orientações da Vela de Ignição

A orientação da vela influencia a taxa de queima da mistura. A análise desse efeito com

diferentes níveis de energia de ignição e turbulência da mistura pode resultar em boas

conclusões, principalmente em motores de alta rotação e/ou turbulência.

7.4. Ensaios com Injeção Direta e/ou Combustível Líquido

A maior heterogeneidade comumente encontrada em misturas com combustível líquido

dificulta a iniciação da combustão, tornando-a mais dependente do sistema de ignição. Este

efeito é mais acentuado em combustíveis com menor volatilidade, como o etanol. Com

injeção direta de combustível, torna-se mais difícil a ionização da mistura fresca para a

formação do arco elétrico, devido à alta turbulência induzida durante a injeção do

combustível, pois muitas vezes o combustível é injetado em direção à vela, ou defletido na

cabeça do pistão em direção à vela. Com isso, espera-se obter maior responsabilidade das

características do sistema de ignição no desempenho do motor. Indica-se então o estudo de

sistemas de ignição com maior tensão e energia para estes casos, uma vez que normalmente o

sistema de ignição de motores com injeção direta é idêntico ao de motores com injeção

convencional.

7.5. Ensaios em motores veiculares

Posteriormente podem-se realizar alguns dos testes propostos por Goulart (2006) em

motores veiculares:

- Realização de testes de rua e circuito: a solicitação de tensão no sistema de ignição é

consideravelmente maior em situações de regime transitório, típicos de motores veiculares.

Assim, um sistema de ignição de elevada tensão e energia poderá suprir as condições críticas

de centelhamento destes regimes.

Page 102: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

102

- Ensaios em motores turbo-alimentados ou com maiores taxas de compressão: as maiores

pressões de compressão atingidas nesses motores requerem maiores tensões de

centelhamento, obrigando o uso de sistemas de ignição que disponibilizem maiores tensões.

- Testes de emissões de poluentes: como citado por Goulart e Rocha (2009), um sistema

de ignição com maior energia permite a queima de misturas mais pobres e/ou diluídas por gás

queimado. Portanto, em motores veiculares tais sistemas propiciam menor emissão de

poluentes, como mostra a Tabela 13.

Tabela 13 - Testes de emissões em motores veiculares

Figura 43 - Sistema de escape, motor GM 2,5 litros Opala 1990’ com CDI de alta energia, modelo CM Plus. (a) vista interna do início do tubo de escapamento, motor aspirado, (b) vista interna do coletor de escapamento, motor com turbo-compressor.

A Figura 43 mostra a aparência interna do sistema de escape de um mesmo veículo

original após ser equipado com CDI de alta energia. Nota-se que em ambas as situações (a e

b) não há qualquer incrustação de fuligem, tendo-se a aparência do próprio metal

esbranquiçado. Com a ITI original de baixa voltagem e energia, havia muita incrustação de

fuligem. Esta mudança simboliza a nítida melhoria da combustão no motor, que se reflete

visualmente no sistema de escape.

Motor MotorCatalizador Catalizador

Rotação [rpm] ML 2.500 ML 2.500 ML 2.500 Rotação [rpm]CO [%] 0,51 0,72 0,40 0,44 0,46 0,71 CO [%]

HC [ppm] 199 90 134 94 160 82 HC [ppm]Data

180,80750

90,40750

* - Modelo CM Plus: V = 600 V, C = 2,0 μF

Honda Civic EX 1999', Gasolina, 1,6 litros

11/03/2010 12/05/201126/02/2011

Originalsim

Com CDI*não

Com CDI*sim

* - Modelo CM Plus: V = 600 V, C = 2,0 μF

não nãoCom CDI*Original

Subaru Impreza 1998', Gasolina, 2.0 litros

Page 103: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

103

8. Referências

BOSCH. Bosch automotive handbook. 5th ed. [S.l.]: Bentley Publishers, 2002.

BOSCH. Gasoline-engine management. 3rd ed. [S.l.]: Bentley Publishers, 2006.

GEIGER, J. et al. Ignition systems for highly diluted mixtures in si-engines. Warrendale, PA: SAE, 1999. (SAE Paper 1999-01-0799).

GOULART, B. Análise de um sistema de ignição de alta potência no desempenho geral de um motor de combustão interna. 2006. 96 f. Trabalho de Conclusão de Curso, (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Itajubá, Itajubá.

GOULART, B.; BRINGHENTI, C.; OLIVEIRA, A. Ignition parameters comparative tests: a standard inductive ignition versus a high energy capacitive-discharge ignition. In: INTERNATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING, 21., 2011, Natal. Proceedings... Rio de Janeiro: ABCM, 2011

GOULART, B; ROCHA, F. Sistemas de ignição indutivo e capacitivo: influência de seus principais parâmetros na estabilidade da combustão de um motor de ignição por centelha. 2009. 87f. Trabalho de Curso. (Especialização em Motores de Combustão Interna) - Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.

HEYWOOD, J. Internal combustion engine fundamentals. New York: McGraw-Hill, 1988. 930 p.

JEANVOINE, N.; JONSSON, R.; MUECKLICH, F. Investigation of arc and glow phase fractions in air and nitrogen for Ag; Pt; Cu and Ni electrodes. In: INTERNATIONAL CONFERENCE PHENOMENA IN IONIZED GASES; 28., 2007, Pragne Czech Republic. Proceedings... 2007.

MALY, R.; VOGUEL, M. Ignition and propagation of flame fronts in lean CH4-Air mixtures by the three modes of the ignition spark. In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON COMBUSTION,17., 1976. [S.l.]: Combustion Institute 1976. p. 821-831.

MALY, R. Spark ignition: its physics and effect on the combustion process. In: HILLIARD, J. C.; Springer d G. S (Eds.). Fuel economy in road vehicles powered by spark ignition engines. Plenum Press, New York, 1984. chap. 3.

MCLAREN ELECTRONIC SYSTEMS. Aplication Notes, Ignition Coils. Working, 1988-2013. Acesso em 09/05/2011. Disponível em: <http://www.mclarenelectronics.com/Products/All/App_Act_Ign.asp>.

Page 104: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

104

NGK. Apostila Técnica. Mogi da Cruzes, 1998. 36 p.

NGK SPARK PLUGS. Site oficial. Wixom, MI, 2013. Disponível em: <http://ngksparkplugs.com/pdf/DYK_MGE_Spark_Plugs.pdf >. Acesso em 02/02/2011.

OBERT, E. Motores de combustão interna. 2. ed. Porto Alegre: Globo, 1971. 618 p.

PASHLEY, N.; STONE, R.; ROBERTS, G. Ignition system measurement techniques and correlations for breakdown and arc voltages and currents. Warrendale, PA: SAE, 2000. (SAE Paper 2000-01-0245).

TANOUE, K. et al. Development of a novel ignition system using repetitive pulse discharges: application to a SI Engine. Warrendale, PA: SAE, 2009. (SAE Paper 2009-01-0505).

VERHOEVEN, D. Spark heat transfer measurements in flowing gases. Rueil-Malmaison: Institut Francais du Pétrole, 1997.

WELLAUER, M. Introdução à técnica das altas tensões. Polígono, São Paulo, 1973, 367 p.

Page 105: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

105

Anexo A. Especificações dos Equipamentos Utilizados

A.1. Bobinas de Ignição

Bobina Pro Power (PN 8201): A bobina MSD Pro Power é indicada pela empresa MSD

como uma ótima escolha para aplicações de curta duração como corridas de arrancada, devido

às baixas resistências dos enrolamentos, para produzir alta voltagem com abundância de

energia quando utilizada com os módulos de ignição da série MSD-7 e MSD-8. A Figura 44

mostra uma foto de catálogo com especificações, e a Figura 45 mostra esta montada na

bancada de testes.

Figura 44 - Bobina MSD 8201, especificações de catálogo

Após o uso desta bobina com o sistema de ignição CM TNT, as altas correntes do sistema

CDI de alta energia aliada à demanda de voltagem de grandes folgas de vela fizeram os

enrolamentos da bobina entrarem em curto. Isso foi constatado medindo-se a indutância do

enrolamento primário, que reduziu para um valor muito baixo (88 μH) após os ensaios.

Page 106: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

106

Figura 45 - Bobina MSD 8201, montagem na bancada de testes. V1, V2, V3 e I1 indicam as medições de tensão e corrente características

Bobina MSD Blaster HVC (PN 8251): A bobina Blaster HVC é projetada para alta

rotação, aplicações de longa duração como o uso em rodovias e corridas em circuito

utilizando módulos de ignição da série MSD-6. A Figura 46 mostra uma foto de catálogo com

especificações.

Após o uso desta bobina com o sistema de ignição CM TNT, as altas correntes do sistema

CDI de alta energia aliada à demanda de voltagem de grandes folgas de vela fizeram os

enrolamentos da bobina entrarem em curto. Isso foi constatado medindo-se a indutância do

enrolamento primário, que diminuiu para um valor muito baixo (140 μH) após os primeiros

testes de disparo, impossibilitando medições confiáveis. A Figura 47 mostra a montagem

desta bobina na bancada de testes.

Page 107: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

107

Figura 46 - Bobina MSD 8251, especificações de catálogo

Figura 47 - Bobina MSD 8251, montagem na bancada de testes. I1 e V2 medições de tensão e corrente características

Page 108: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

108

Bobina Bosch (PN F000ZS0105): Este modelo foi largamente utilizado nos veículos

VW, família Mi. Os valores de resistência e indutância são típicos de sistemas indutivos de

veículos de série. Os valores de resistência e indutância da maioria esmagadora das bobinas

de série variam pouco em relação a esta, e por ser uma bobina bastante utilizada em muitas

aplicações foi adotada como padrão (apesar de não possuir grandes qualidades). A Figura 48

mostra a montagem desta bobina na bancada de testes.

Para melhoria do isolamento elétrico e evitar fugas de centelha em maiores folgas de vela

(acima de 20 mm), foi feito isolamento adicional com a combinação de mangueira tipo cristal,

fita auto-fusão (marca 3M) e fita teflon (marca Firlon) ao redor da torre de alta tensão, aliado

a cola 100% silicone (marca Siltrade, modelo manutenção RTV) nos interstícios entre núcleo

de ferro e os enrolamentos. A Figura 49 mostra detalhes desse isolamento. Com este

isolamento adicional pôde-se atingir 50 mm de folga de vela sem fugas de centelha. Em

alguns momentos pôde-se perceber alguma ionização do ar em grandes folgas de vela ao

redor da torre de alta tensão, mas sem ocorrerem fugas.

Figura 48 - Bobina Bosch, montagem na bancada de testes. V1, V2 e V3 indicam as medições de tensão características

Page 109: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

109

Figura 49 - Bobina Bosch, detalhes do isolamento elétrico adicional

Bobina Champion (BAE 800B): Este modelo foi utilizado nos veículos Fiat Uno mpfi

(motor Fiasa, sistema de centelha perdida). Esta bobina possui melhores qualidades de

resistência e indutância que o modelo Bosch padrão. A Figura 50 mostra a montagem desta

bobina na bancada de testes. Para uso desta bobina como bobina simples um dos terminais de

alta tensão precisou ser aterrado.

Para melhoria do isolamento elétrico e evitar fugas de centelha em maiores folgas de vela

(acima de 20 mm), o que foi feito com a combinação de mangueira de silicone, fita auto-fusão

(marca 3M) e fita teflon (marca Firlon) ao redor da torre de alta tensão, aliado a cola 100%

silicone (marca Siltrade, modelo manutenção RTV) nos interstícios entre núcleo de ferro e os

enrolamentos. A Figura 51 mostra detalhes desse isolamento. Com este isolamento adicional

pôde-se atingir ir até limite de centelhamento (50 mm) sem fugas de centelha. Em alguns

momentos pôde-se perceber alguma ionização do ar em grandes folgas de vela ao redor da

torre de alta tensão, mas sem ocorrerem fugas.

Page 110: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

110

Figura 50 - Bobina Champion, montagem na bancada de testes. I1, I2 e V2 indicam as medições de tensão e corrente características.

Figura 51 - Bobina Champion, detalhes antes e depois do isolamento elétrico adicional

Page 111: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

111

A.2. Módulos de Ignição

Bosch (Figura 52): - Modelo 0227100142

- Terminais de conexão: 7

- V1max: 380 V

- I1max e EITI com bobina Bosch padrão: 7,0 A e 78 mJ

CM Top (Figura 53): - Terminais de conexão: 4

- V1max: 580 V (para V3 > 10,0 V)

- I1max e EITI com bobina Bosch padrão: 7,4 A e 86 mJ

- I1max e EITI com bobina Champion padrão: 7,2 A e 83 mJ

Figura 52 - Módulo de ignição indutivo Bosch, 0227100142 (família VW Mi)

Figura 53 - Módulo de ignição indutivo CM Top

Page 112: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

112

CM TNT (Figura 54): - Terminais de conexão: 4

- V1max: 630 V

- Cacitância: 0,5 a 2,5 μF

- ECDI, max : 500 mJ

Figura 54 - Módulo de ignição capacitivo CM TNT

A.3. Osciloscópios

- Medições principais: Tektronix TDS 2014 (2 unidades, Figura 55)

- Medições auxiliares: Atten ADS 1102CAL

A.4. Multímetro

- Modelo: Minipa 2082A

A.5. Divisor Resistivo

- R1 (azul, Figura 50): 106,0 MΩ 1%

- R2 (preto, Figura 50): 2,00 MΩ 1%

Page 113: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

113

A.6. Câmera

- Modelo: Cordin 550 (Figura 55)

- Rotação de trabalho: até 7500000 rpm

- Taxa de amostragem: 2.000.000 fps (max)

- Taxa de amostragem utilizada: 50.000 a 200.000 fps

- “CCD Gain” utilizado: 452

- “Pre-trigger banks” utilizado: 3

- “Pre-trigger delay” utilizado: 202 μs

A.7. Termômetro/Higrômetro

- Modelo Minipa MT-240 (Figura 55).

A.8. Pontas de Prova

- Medição V1: Model TX-3110; attenuation x100; 1200 VDC + PK.AC; 100MHz; Rise

time 3,5 ns; input capacitor 6,5 pF; compensation range: 10 - 50 pF (Figura

48);

- Medição V2: Tektronix, Model P6015, attenuation x1000 (Figura 48);

- Medição V3: Tektronix, attenuation x10;

- Medição V4: Tektronix, attenuation x10;

- Medição I1: Model CM-1-L; 0,01 V/A; Droop: 0,0002 %/μs; ∫ldt: 1 A.s (Figura 50);

- Medição I2: Pearson, 0,1 V/A (Figura 50).

Page 114: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

114

Figura 55 - Montagem da bancada de testes

Page 115: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

115

Anexo B. Condições Ambientais dos Ensaios

A Tabela 14 e Tabela 15 a seguir mostram o monitoramento das condições ambientais dos

testes realizados no Instituto de Estudos Avançados (IEAv), em São José dos Campos - SP.

Os valores registrados estão referentes ao código de cada evento realizado. Qualquer pequena

flutuação da expectativa dos resultados pode ser melhor investigada com suporte aos dados

desse anexo.

Tabela 14 - Condições ambientais dos eventos

Evento T [°C] φ [%] p [mbar] Evento T [°C] φ [%] p [mbar]Mi 01 26,5 45 951 09. 02. 2011 TNT 21 28,5 40 955 18. 09. 2012Mi 02 26,5 45 951 09. 02. 2011 TNT 22 22,5 68 954 16. 02. 2011Mi 03 26,5 45 951 09. 02. 2011 TNT 22 28,5 40 955 18. 09. 2012Mi 04 26,5 45 951 09. 02. 2011 TNT 23 29,5 35 954 18. 09. 2012Mi 05 25,5 56 951 10. 02. 2011 TNT 24 29,5 34 954 18. 09. 2012Mi 06 25,5 56 951 10. 02. 2011 TNT 25 22,5 68 954 16. 02. 2011Mi 07 25,5 56 951 10. 02. 2011 TNT 25 29,5 34 954 18. 09. 2012Mi 08 25,5 56 951 10. 02. 2011 TNT 26 22,5 68 954 16. 02. 2011Mi 09 25,5 56 951 10. 02. 2011 TNT 26 30,0 31 954 18. 09. 2012Mi 10 25,5 56 951 10. 02. 2011 TNT 27 NA NA NA 21. 02. 2011Mi 11 25,5 56 951 10. 02. 2011 TNT 27 30,0 30 953 18. 09. 2012

TNT 01 23,5 59 955 11. 02. 2011 TNT 28 30,0 30 953 18. 09. 2012TNT 02 23,5 59 955 11. 02. 2011 TNT 29 30,5 30 953 18. 09. 2012TNT 03 23,5 59 955 11. 02. 2011 TNT 30 30,5 30 953 18. 09. 2012TNT 04 22,5 68 954 16. 02. 2011 TNT 31 30,5 30 953 18. 09. 2012TNT 05 22,5 68 954 16. 02. 2011 TNT 32 25,5 41 958 17. 09. 2012TNT 06 22,5 66 956 17. 02. 2011 TNT 33 25,5 41 958 17. 09. 2012TNT 07 22,5 66 956 17. 02. 2011 TNT 34 26,0 40 958 17. 09. 2012TNT 08 22,5 66 956 17. 02. 2011 TNT 35 26,0 40 958 17. 09. 2012TNT 09 22,5 66 956 17. 02. 2011 TNT 36 26,5 37 958 17. 09. 2012TNT 10 23,5 71 953 15. 02. 2011 TNT 37 27,0 37 958 17. 09. 2012TNT 11 23,5 71 953 15. 02. 2011 TNT 38 27,0 37 958 17. 09. 2012TNT 12 23,5 71 953 15. 02. 2011 TNT 39 27,0 36 958 17. 09. 2012TNT 13 22,5 68 954 16. 02. 2011 TNT 40 28,0 34 957 17. 09. 2012TNT 14 22,5 68 954 16. 02. 2011 TNT 41 28,5 34 957 17. 09. 2012TNT 15 22,5 66 956 17. 02. 2011 TNT 42 28,5 34 957 17. 09. 2012TNT 16 22,5 66 956 17. 02. 2011 TNT 43 29,0 33 957 17. 09. 2012TNT 17 22,5 66 956 17. 02. 2011 TNT 44 29,0 33 956 17. 09. 2012TNT 18 22,5 66 956 17. 02. 2011 TNT 45 29,0 32 956 17. 09. 2012TNT 19 22,5 68 954 16. 02. 2011 TNT 46 29,0 32 955 17. 09. 2012TNT 19 28,0 40 955 18. 09. 2012 TNT 47 29,5 32 955 17. 09. 2012TNT 20 28,0 40 955 18. 09. 2012 TNT 48 29,5 31 955 17. 09. 2012TNT 21 22,5 68 954 16. 02. 2011 TNT 49 29,5 31 955 17. 09. 2012

Condições AmbientaisData [d.m.a]Data [d.m.a]

Condições Ambientais

Page 116: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

116

Tabela 14 - Condições ambientais dos eventos (continuação)

Tabela 15 - Condições ambientais durante as calibrações do divisor resistivo

Evento T [°C] φ [%] p [mbar] Evento T [°C] φ [%] p [mbar]TNT 50 25,5 60 951 22. 02. 2011 Top 18 24,5 39 959 29. 08. 2012TNT 51 25,5 60 951 22. 02. 2011 Top 19 24,5 39 959 29. 08. 2012TNT 52 25,5 60 951 22. 02. 2011 Top 20 22,0 53 964 30. 08. 2012TNT 53 25,5 60 951 22. 02. 2011 Top 21 22,5 51 964 30. 08. 2012TNT 54 25,5 60 951 22. 02. 2011 Top 22 25,0 39 959 29. 08. 2012TNT 55 25,5 60 951 22. 02. 2011 Top 23 23,0 47 964 30. 08. 2012TNT 56 25,5 60 951 22. 02. 2011 Top 24 20,0 52 966 04. 09. 2012Top 01 23,5 44 960 29. 08. 2012 Top 25 20,5 51 966 04. 09. 2012Top 02 24,0 43 960 29. 08. 2012 Top 26 20,5 51 966 04. 09. 2012Top 03 24,5 40 960 29. 08. 2012 Top 27 20,5 51 966 04. 09. 2012Top 04 25,0 40 960 29. 08. 2012 Top 28 21,0 50 966 04. 09. 2012Top 05 25,0 39 959 29. 08. 2012 Top 29 21,0 50 966 04. 09. 2012Top 06 21,5 56 964 30. 08. 2012 Top 30 21,0 49 966 04. 09. 2012Top 07 23,0 49 964 30. 08. 2012 Top 31 21,0 49 966 04. 09. 2012Top 08 23,5 44 960 29. 08. 2012 Top 32 21,0 49 966 04. 09. 2012Top 09 24,0 42 960 29. 08. 2012 Top 33 21,5 48 966 04. 09. 2012Top 10 24,5 40 960 29. 08. 2012 Top 34 21,5 48 966 04. 09. 2012Top 11 25,0 39 959 29. 08. 2012 Top 35 21,5 48 966 04. 09. 2012Top 12 24,5 39 959 29. 08. 2012 Top 36 21,5 48 966 04. 09. 2012Top 13 22,0 55 964 30. 08. 2012 Top 37 21,5 47 966 04. 09. 2012Top 14 22,5 50 964 30. 08. 2012 Top 38 22,0 47 966 04. 09. 2012Top 15 24,0 43 960 29. 08. 2012 Top 39 22,0 46 966 04. 09. 2012Top 16 24,0 42 960 29. 08. 2012 Top 40 22,5 45 966 04. 09. 2012Top 17 24,5 40 960 29. 08. 2012 Top 41 22,5 45 966 04. 09. 2012

Condições AmbientaisData [d.m.a]

Condições AmbientaisData [d.m.a]

Módulo Bobina T [°C] φ [%] p [mbar] Tc [ms] Folga [mm]Bosch 24,5 41 963 3,5 20,0 30. 08. 2012

Champion 24,0 37 963 2,4 20,0 30. 08. 2012Bosch 26,5 42 956 - 20,0 18. 09. 2012

Champion 25,0 47 956 - 20,0 18. 09. 2012

Data [d.m.a]

TNT

Top

Page 117: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

117

Anexo C. Formas de Onda da Calibração dos Divisores Resistivos

Figura 56 - Calibração do divisor resistivo: Módulo CM Top, bobina Bosch,

fator de correção indicado na legenda, média de 16 amostras

Figura 57 - Calibração do divisor resistivo: Módulo CM Top, bobina Champion, fator de correção indicado na legenda, média de 16 amostras

Módulo CM Top, Bobina Bosch, d = 20mm, f = 0,7 Hz

-45000

-40000

-35000

-30000

-25000

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Tempo [μs]

Tens

ão, V

2 [V

]

Divisor x44Sem divisor

Módulo CM Top, Bobina Champion, d = 20mm, f = 0,7 Hz

-40000

-35000

-30000

-25000

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Tempo [μs]

Tens

ão, V

2 [V

]

Divisor x42Sem divisor

Page 118: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

118

Figura 58 - Calibração do divisor resistivo: Módulo CM TNT, bobina Bosch, fator de correção indicado na legenda, média de 16 amostras

Figura 59 - Calibração do divisor resistivo: Módulo CM TNT, bobina Champion, fator de correção indicado na legenda, média de 16 amostras

Módulo CM TNT, Bobina Bosch, d = 20mm, f = 0,7 Hz

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Tempo [μs]

Tens

ão, V

2 [V

]

Divisor x18Sem divisor

Módulo CM TNT, Bobina Champion, d = 20mm, f = 0,7 Hz

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Tempo [μs]

Tens

ão, V

2 [V

]

Divisor x30Sem divisor

Page 119: ALTA VOLTAGEM E ENERGIA PARA USO VEICULAR · Estudo Experimental de Sistemas de Ignição de Alta Voltagem e Energia para Uso Veicular / Bruno ... Figura 52 - Módulo de ignição

FOLHA DE REGISTRO DO DOCUMENTO

1. CLASSIFICAÇÃO/TIPO

DM

2. DATA

22 de agosto de 2013

3. REGISTRO N°

DCTA/ITA/DM-043/2013

4. N° DE PÁGINAS

118 5. TÍTULO E SUBTÍTULO:

Estudo experimental de sistemas de ignição de alta voltagem e energia para uso veicular. 6. AUTOR(ES):

Bruno Santos Goulart 7. INSTITUIÇÃO(ÕES)/ÓRGÃO(S) INTERNO(S)/DIVISÃO(ÕES):

Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA 8. PALAVRAS-CHAVE SUGERIDAS PELO AUTOR:

1. Sistemas de Ignição. 2. Fenômenos de Ignição. 3. Ignição Capacitiva 9.PALAVRAS-CHAVE RESULTANTES DE INDEXAÇÃO:

Sistemas de ignição; Injeção de combustível; Estabilidade de combustão; Motores de ignição por centelha; Ensaios de motores; Motores de combustão interna; Engenharia mecânica. 10. APRESENTAÇÃO: (X) Nacional ( ) Internacional ITA, São José dos Campos. Curso de Mestrado. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e Aeronáutica. Área de Aerodinâmica, Propulsão e Energia. Orientador: Cleverson Bringhenti; coorientador:Antonio Carlos de Oliveira. Defesa em 12/07/2013. Publicada em 2013. 11. RESUMO:

Uma combustão eficiente depende de muitos fatores, tais como injeção de combustível, turbulência e

características de ignição. Com a melhoria dos motores de combustão interna a intensidade de turbulência

e a pressão interna vêm aumentando, demandando com isso sistemas de ignição mais potentes e eficientes.

Em motores de injeção direta, as cargas estratificadas resultantes do spray direto guiado por fronteiras ou

ainda por escoamento requerem ainda mais energia. Neste trabalho foi investigado o efeito de diversos

parâmetros de ignição nos fenômenos elétricos e mecânicos ligados à abertura e sustentação do arco

elétrico e ao processo de combustão. Para isso foram estudados limites de centelhamento, diferentes níveis

de energia, bobinas e velas com maiores ou menores perdas internas, diferentes cargas impostas ao sistema

de ignição e diferentes sistemas. Foram feitas três bancadas de testes: uma com ignição indutiva padrão;

uma com ignição indutiva de alta voltagem e uma com ignição capacitiva de alta energia, com voltagem e

capacitância variáveis. A aquisição de dados foi feita através de osciloscópios com pontas de prova

específicas e fotografias de alta velocidade utilizando a técnica schlieren, que permite avaliar efeitos

térmicos e ondas de choque geradas nos processos de centelhamento e combustão. Os resultados obtidos

através destes experimentos mostraram que os sistemas de ignição veiculares padrão ainda podem

melhorar muito em voltagem, atraso de resposta, limite de centelhamento e energia entregue à câmara de

combustão. Com os sistemas de alta voltagem e/ou energia testados neste trabalho, indutivo e

especialmente o capacitivo, pode-se aumentar consideravelmente as folgas de vela, o que melhora bastante

o rendimento global dos motores de combustão interna.

12. GRAU DE SIGILO:

(X) OSTENSIVO ( ) RESERVADO ( ) CONFIDENCIAL ( ) SECRETO