Ignição a Plasma - Velas Capacitivas



Tô Bão !

Não vou teorizar demais. Mas para que entenda a simplicidade e eficácia, e a forma que isso funciona, alguns conceitos temos que saber. (Ficou parecendo que colei o início da Ignição Eletrônica com Platinado, a Assistida ?)

Sabemos que o motor, uma máquina térmica, como tal tem um rendimento total baixo. Temos perdas significativas, e entre as principais o atrito e a transformação do combustível em calor em vez de energia mecânica. Outra perda importante, e que iremos tratar especificamente de agora em diante, é a que se traduz no Rendimento da Combustão. Esse é a razão da energia liberada pela combustão e a energia química do combustível que queimou. Em síntese, esse último trata do tanto que a combustão é incompleta. Para otimizar esse Rendimento da Combustão temos duas alternativas. Melhorias no sistema de alimentação, atomizando melhor o combustível que está para ser queimado, e no sistema de ignição. E novamente subdividindo, vamos nos concentrar em melhorias do sistema de ignição.


Quando fiz meus Módulos de Ignição Assistida, eles melhoraram muito a ignição dos meus carros, pois o corte da bobina e feito por um transistor. É um corte eficiente, rápido, que aumenta a energia da centelha, além de elevar a tensão no secundário da bobina, justamente pela velocidade que um transistor imprime ao o corte da corrente no primário. Na época eu tinha pretensão de montar uma CDI, que armazena energia em um capacitor no módulo com tensão em torno de uns 450V, e descarrega no primário da bobina ao sinal do distribuidor. Além de armazenar energia de forma capacitiva, e não indutiva como originalmente, e com a tensão maior no capacitor, temos maior energia e uma tensão maior no secundário da bobina, e conseqüentemente na abertura da vela. Cheguei a montar um inversor, na bancada, só para ver o que um transformadorzinho de sucata me elevava a tensão de 12V disponível no carro. Consegui na brincadeira algo em torno de 450V, embora não tenha documentado nada.

Buscando circuitos simples de CDI, acabei batendo em ignição à plasma. Na verdade esse nome é só para identificar um dispositivo que garante maior quantidade de plasma na abertura da vela, já que todo arco elétrico, inclusive no que já tínhamos na vela com centelha original, gera plasma. Seja um relâmpago, uma máquina qualquer de solda elétrica entre outros, todo arco elétrico gera plasma. A diferença de um e de outro é a quantidade de plasma. Mas deixemos esse detalhe de nomenclatura para lá.

E nessa de buscar, acabei conhecendo Okki Moeljadi, um Indonésio, nascido em Surabaya, Bacharel em Eletrônica e Mestre em Ciência Fotônica. Ele vive e trabalha hoje na Alemanha, e como hobby sempre faz experimentos relacionados à bobina de Tesla. Em um desses, colocou capacitores em paralelo com uma vela de ignição, e obteve uma centelha de muitíssima melhor qualidade. Teve a idéia então de montar uma configuração com capacitores cerâmicos, menores e específicos para alta tensão, e montar em seu carro. Obteve bons resultados com menor consumo e maior torque e potência, pela eficiência maior da queima que obteve. E divulgou isso, mostrou como fez em seu próprio carro.

No meio de estudar isso achei coisa muito interessante. Claro que achei muita porcariada também, usei muito a internet, e sabemos que internet e casa da Mãe Joana foram construídas lado a lado. Tenho a certeza que tem até um grande portão ligando as duas. Minha tristeza é que a grande maioria das porcarias são nacionais, não existe material sobre o assunto aqui, e o que se acha é invenção de moda sem o mínimo de conhecimento. 

Mas vamos nos concentrar no que presta: Buscando por PCD (Peaking Capacitor Discharge), encontrei uma nada conhecida vela capacitiva, que chamam de vela de pulso, a Pulstar. E americana, e acho que nem nos USA essas velas são tão conhecidas. Eles começaram em 1988 com um adaptador capacitivo para a vela, chamavam de reforçador, booster, e tem nome comercial de Direct Hits. Esse dá para montar na maioria das velas. Em 1998 eles lançaram a própria vela capacitiva, e tanto em um quanto em outro temos o efeito que Okki obteve. São produtos bons, pelo que vi e entendi fazem um excepcional trabalho. Mas tem um porém: São caras, mesmo para lá, e não temos uma gama muito grande de modelos, e nenhum que sirva em carro antigo normalmente. Sobra o procedimento que Okki descobriu, que tem a mesma teoria. O que Okki fez não foi reinventar a roda, mas sim fazer uma vela capacitiva de baixíssimo custo, adaptável em qualquer motor. Achei também um vídeo, com a mesma configuração e até mais antigo que os de Okki, mas não demonstrava a aplicação, embora tivesse comentários à respeito de ponto de ignição.


E como isso funciona, uma adição de capacitor em paralelo à vela ? Será isso coisa certa, ou mais uma gambiarra ? Uma titica espalhada internet à fora ? Não me bastava ver o resultado, eu queria entender o porque das causas e dos efeitos, e continuei estudando o assunto. Uma que devemos saber, é que a bobina automotiva que usamos é uma bobina de Ruhmkorff, um transformador com circuito magnético aberto. Ela cria um campo magnético quando o ruptor é fechado e gera corrente no primário, e quando o circuito é aberto por esse ruptor, seja platinado ou transistor, esse campo magnético entra em colapso, desmonta. Essa variação no campo magnético é quem gera a alta tensão no secundário, e quanto mais rápido esse campo magnético variar, maior será a alta tensão induzida no secundário. Não vamos esquecer que mesmo rápido, ainda teremos um tempo para isso ocorrer, mesmo que muito pequeno. Esse tempo é algo próximo a 20μs (micro segundos-0,000001 segundos). Após isso a rigidez dielétrica da mistura ar/combustível é rompida, e ocorre a formação da centelha. A centelha tem uma duração próxima a 500μs (0,0005s).


E nesse início do tempo gasto pelo campo magnético para se desmontar na bobina, esses aproximados 20μs após a abertura do circuito pelo ruptor (platinado, transistor...), ainda não foi gerada tensão suficiente no secundário para romper a rigidez dielétrica do gás entre a abertura dos eletrodos da vela. Essa energia, no início, é transformada em calor nos cabos e na própria vela, é desperdiçada. Adicionando os capacitores em paralelo à vela, eles armazenarão essa energia. E quando o arco se forma, a centelha se dá, os capacitores descarregam muito rapidamente, violentamente. Chegamos à correntes de 100 a 500A nessa descarga, só que em um espaço de tempo muito pequeno, entre 2 a 6ns (nano segundos-0,000000001 segundos). Se fizermos as contas com essa faixa de corrente, e com a faixa de alta tensão no secundário, teremos algo entre 1 e 5MW. Só para te dar uma referência, em uma centelha normal que temos, a potência é entre 50 a 60W.

Minha nossa, de 1 a 5 milhões de Watts numa vela, isso detona tudo, estraga tudo !... É isso mesmo que teremos, só que num tempo muito curto, nesses 2 a 6ns que já disse. Não estragará nada, muito antes pelo contrário, nem na vela e muito menos no motor, o tempo é muito pequeno mesmo. Teremos é uma centelha mais forte e eficiente, que queimará maior quantidade de combustível na câmara. Queimarão até mesmo as partículas maiores que o sistema de alimentação não pulverizou e atomizou como se deveria, ou que se condensaram no caminho até a câmara de combustão. Teremos um Rendimento da Combustão melhor, que foi nosso objetivo inicial.

Os efeitos são benéficos: As velas durarão mais, pois a carbonização nos eletrodos delas será reduzida, bem como na câmara de combustão também. A vida útil do motor será prolongada, pois teremos menos resíduos de combustão no óleo. O próprio óleo terá melhor condição por mais tempo. O consumo se reduz, não desperdiçaremos combustível não queimado pela descarga, reduziremos isso. Teremos um aumento de torque e potência, pois queimaremos maior quantidade de combustível por ciclo, extraindo mais energia do mesmo tanto de combustível.

O que não podemos confundir é a tensão máxima da bobina, não teremos alteração nela ao adicionarmos os capacitores em paralelo às velas. Uma bobina Bosch E é capaz de fornecer 24kV, uma Bosch K 26kV e uma KW 28kV. Isso é característica da bobina, e não estamos mexendo com ela. De mais a mais, nunca chegamos nessa tensão, pois com algo próximo a 15kV já conseguimos romper a rigidez dielétrica da mistura ar/combustível, com uma abertura de eletrodos de vela conforme indicada, e que é próxima à 0,75mm em sua maioria. O que faremos é aproveitar uma energia que seria desperdiçada, armazenar e reutilizar de boa forma.

Mas, e sempre tem os mas, algumas restrições nós teremos. A inserção dos capacitores não pode ser feita com velas resistivas ou cabos resistivos, os chamados supressivos. Isso é dito no material que achei sobre as velas Pulstar, e também demonstrado por Okki em seus vídeos. Nesse caso a centelha fica até pior que sem os capacitores. Como eu nunca abri mão de usar somente cabos e velas pé duro, não resistivos, não supressivos, os cabos comuns, quanto à isso não terei problema algum. Em carros com mais eletrônica embarcada, os cabos supressivos são necessários, pois a indução dos cabos de vela pode interferir em sensores e circuitos. Esses somente as velas capacitivas atenderiam, esse esquema simples e barato dos capacitores não poderia ser adicionado. Mas meus carros usam carburadores, não tem eletrônica embarcada, não tem nem porque usar velas e cabos supressivos. Dá uma olhada em Cabos de Vela, que verá minha opnião à respeito, inclusive ilustrada a diferença de centelhas com os dois tipos de cabo. Eu inclusive incentivo o uso de cabos comuns. Normalmente temos a impressão que o comum não é o melhor, que fariamos bem ao motor usando algo diferenciado, como cabos supressivos. Mas nesse caso de cabos de vela, o comum é o melhor, e deve ser usado sempre que for possível. Observe nos vídeos de Okki que ele utiliza cabos "Copper Core", ou Núcleo de Cobre, Alma de Cobre, exatamente os comuns.

O ponto de ignição se altera, fica atrasado se não alterar nada no distribuidor, e somente acrescentar os capacitores. É que tem o tempo de carga dos capacitores, que dá um pequeno atraso. Mas isso é função do motor e do sistema de ignição utilizado, e principalmente da capacitância usada em paralelo às velas. Quanto maior a capacitância, maior  atraso do ponto. Isso tem que ser verificado caso a caso, e às vezes nem adiantar o ponto será necessário, uma vez que com a centelha muito melhor, a velocidade de queima aumenta bastante, podendo até ser desnecessário um novo ajuste de ponto. Acredito que em alguns casos, pode-se chegar até em um ponto ideal mais próximo do PMS, mais atrasado que o antes usado, exatamente pela maior velocidade de queima que a centelha melhor imprime.


Devemos lembrar que o ponto do motor é adiantado do PMS por causa da velocidade de queima do combustível, que por melhor que ela seja ainda gasta um tempo para ocorrer. Isso é uma otimização da pressão dentro do cilindro, e o momento no ciclo que a pressão deve se elevar até o máximo. Com a centelha melhor o combustível queima mais rápido, e pode até ocorrer que o ponto ideal fique mais próximo do PMS (mais atrasado) que antes. Por isso é que digo que em alguns casos pode até ser que nem alterar o ponto deva. E nisso motores com taxa de compressão mais elevada se beneficiam, teremos uma briga menor com Taxa x Ponto Inicial x Avanço. Com a forma que Okki usou na sua instalação, teremos perfeitas condições de aferir o ponto novamente com uma lâmpada de ponto. Já com uma vela capacitiva, o atraso está lá na própria vela, onde ficaria impossível de uma lâmpada de ponto trabalhar.

À frente colocarei  alguns links de vídeos, que dão para visualizar melhor os efeitos dos capacitores. O primeiro vídeo demonstra o funcionamento da bobina, e dá para visualizar tranquilamente a formação e desmonte do câmpo magnético nela. Não são meus esses vídeos, só faz sentido eu documentar o que não tem disponível, que seria justamente a minha escolha da capacitância que utilizei, a forma que fiz a instalação dos capacitores, bem como essa questão do ponto de ignição. 

A referência que não tenho é o uso dos capacitores paralelos à vela em conjunto com CDI. Na CDI a elevação da tensão até o ponto de ruptura da rigidez dielétrica é mais rápida, pois a descarga do capacitor da CDI no primário da bobina é mais rápida que o desmonte do campo magnético na bobina nos outros sistemas. Por lógica o atraso no ponto quando se usa uma CDI será menor. Mas temos que lembrar que CDI fornece uma tensão maior no secundário da bobina, e maior energia também, sendo que com ela deveremos usar capacitores que suportem tensões maiores. Uma associação que dê uns 60kV acredito ser suficiente, e como já teremos mais energia e tensão com a CDI, eu não abusaria na capacitância em paralelo à vela. Uns 50pF para testar, podendo chegar em até menos como ideal. Infelizmente CDI não tenho para esses testes. Mas devem ser muito interessantes, e até com maior eficiência na centelha.

Meus capacitores cerâmicos comprei na China, uma vez que não consegui capacitores que suportariam tensão tão alta no mercado normal. Demoram para chegar em um frete normal, não é para se ter pressa. Podem ser encontrados em páginas como ebay, Amazon e Aliexpress. Com o tempo acredito que ficará mais fácil adquirir esses capacitores, já aparecendo em nossas eletrônicas ou no Mercado Livre.

As capacitâncias que usei nos meus testes foram de 50/ 68,75 / 73,33 / 100 e 110pF, que são possíveis com os capacitores de 100pF-30Kv e 220pF-20Kv que comprei. A tensão na associação dos capacitores nunca deverá ser inferior a 30kV. Só como parâmetro, Okki usou 73,33pF-45kV, com três capacitores de 220pF-15kV em série. As velas Pulstar e os adaptadores capacitivos Direct Hits têm capacitância próxima à 80pF. Um capacitor de 100pF-30kV também é possível de ser usado, e gastaria até menos peças, somente um por vela. Somente a questão da vida útil da vela e outros efeitos deveria ser testada, para aprovar essa capacitância acima do usual.

Claro que você poderá querer ir além, e abusar da capaciância em paralelo à vela. Sempre aparece aquela idéia de que o maior será melhor. Mas além de 100pF já ficamos mais distântes do que já foi testado, e não vai ser eu quem vai querer saber se 220pF, ou até mais, me degradariam as velas rapidamente. Prefiro usar um valor mais conservador, e não terei problema algum. Quero melhorias na ignição, e não montar uma bancada de testes nos meus carros.

Em meus testes voltou a trabalhar minha bancada o oscilador com relé que fiz em 2005, para testar meus Módulos de Ignição Assistida. Achei ele nos meus guardados de ignição, e tinham 12 anos que ele não funcionava. Para ele não chavear a bobina diretamente, coloquei meu módulo de Ignição Assistida Wapsa, novinho, para trabalhar um pouquinho. Isso não é necessário, um ocilador na bobina já daria para os testes. Mas dessa forma o relezinho, o meu ocilador, não deterioraria com corrente mais alta, e eu teria exatamente as condições que eu tenho em meus carros com platinado. O relé é um ruptor mecânico, simulando exatamente o platinado, e o Módulo Eletrônico de Ignição Assistida Wapsa completaria minha configuração. Isso tudo é indiferente à adição dos capacitores, não interessa o tipo de ignição que você usa, mas somente se usa cabos de vela e velas não supressivos, não ressistivos, é a única exigência.

Só como registro e curiosidade, durante os testes, quando eu usava uma frequência que corresponderia à uns 2.000rpm num motor 4 cilindros, ao ligar os capacitores aparecia um cheiro que me era conhecido. Era cheiro de ozônio formado pela centelha. Quem lembra daqueles ozonizadores de água da década de 70/80, vai saber o que falo e qual cheiro é.

Após testar o efeito das diversas capacitâncias, usei como cobaia para a instalação dos capacitores o meu Fuscão, pois ele é carro de uso diário, e me dá condição de sentir e avaliar os efeitos dos capacitores mais rapidamente. Escolhi 100pF-30Kv como capaciância para funcionar no meu carro. Gostei do efeito de 100pF, não achei exagerada a centelha. À olho nú fica parecendo que a centelha está com no mínimo o dobro de intensidade que tinha, apesar disso ser muito difícil mensurar no olho. Fica fácil a instalaçào também, é só um capacitor por vela, e a tensão do capacitor é suficiente.

Primeiramente adicionei somente um capacitor de 100pF-30Kv no 3º cilindro, que é onde eu meço o ponto. (O filtro de óleo à direita no meu carro atrapalha a instalação da pinça no 1º cilindro, e tira a mobilidade da Lâmpada de Ponto. E é a mesma coisa no final). O objetivo era aferir o quanto o ponto do motor seria alterado pelo capacitor. Testei outras capacitâncias também, por curiosidade, mas documentei somente com o capacitor de 100pF-30Kv.

Eu imaginava que teria uma alteração de ponto maior, e fiz medições com 600/1500/3000 rpm no Fuscão. O máximo que tive de alteração no ponto com o capacitor ligado e desligado foram 0,4º. Ou seja, coisa irrisória, nem para ser considerada. Tanto que nem alterei o ponto que já estava no motor. Constatei o mesmo tanto na Faustina quanto no Idelgiro. São motores distintos, um VW a ar e um Willys BF161, apesar da ignição ser a mesma, com platinado, Módulos Assistidos idênticos e bobinas Bosch K.

As primeiras impressões que tive foram que o carro estava mais leve, eu usava menos acelerador para fazer mesma coisa. Usei o carro carregado com maior peso, em situação de estrada e também gostei, a maior força no motor era evidente. Testei o que daria de giro à mais, mas nisso não tive alteração no que já tinha. É um motor velho, temos que considerar isso, e a potência máxima fica comprometida pelas maiores folgas, causadas pela idade do motor. 

Outra consequência positiva, e que também atesta a melhor centelha com os capacitores paralelos às velas, é quando funciono o motor frio. Meu Fuscão tem um carburador, e no coletor longo é fácil de condensar a mistura ar/combustível, principalmente porque o pré-aquecimento ainda não está funcionando corretamente com o motor frio. Sei que é bater no arranque, sem nem encostar no acelerador, que pega e fica. Anteriormente o motor já funcionava nessa situação, mas ia rodando devagar até parar, até morrer. Com os capacitores ele funciona e fica, o tanto que quiser deixar.

A questão de consumo informo mais à frente, pois tenho que avaliar isso em diversas situações, o que demanda algum tempo. Tenho tudo documentado, as comparações serão muito verídicas.

Abraço à todos,

21/08/2017

Walter Júnior - B. Hte. -
waltergjunior@waltergjunior.com

 

 





Adaptador capacitivo DirectHits
A instalação desse é fácil, e também serve em quase todo tipo de vela




Esquema construtivo de uma vela capacitiva
É também chamada de vela de pulso. O elemento capacitivo está inserido na própria vela



Esquema de ligação dos capacitores
Deve ser usado um ou mais capacitores, com capacitância da
associação entre 50 a 110pF, e 30kV no mínimo, sempre um conjunto por vela.
A única restrição é o uso de velas e cabos supressivos. Devem ser usados velas e cabos não resistivos.



Minha Bancada
Ocilador com relé, Módulo Assistido Wapsa, bobina Bosch K, bateria 12v-7Ah e um quadro de caixa de abelha Jataí.

Já está tudo desmontado e guardado. O objetivo de testar e definir os capacitores foi cumprido.



Verificação da alteração do ponto
A maior alteração que identifiquei foi um atraso de 0,4º.
Valor irrisório, e nesse caso nem levei em conta. Não alterei o ponto do motor.




A montagem dos capacitores
Espaguete termo-encolhível, fio de 1,0mm2






A instalação no carro
O terra foi tirado do gerador. Já tem um ponto de aterramento ali, e ficou fácil.




A ligação dos capacitores
A ligação dos fios nos cabos de vela ficou imperceptível. Aliás, ficou tudo muito discreto.
O pacotinho com os capacitores ficou deitado em cima do coletor de admissão. Nem fixar foi preciso..





Instalação na Faustina
Ela também ganhou o incremento na ignição. Usei capacitores de 100pF -30Kv, os mesmos do Idelgiro.
É instalado um por vela, e o pacotinho de capacitores dela ficou um pouco maior que o do Fuscão. Nela são seis !



 Instalação na Faustina
Prendi o pacotinho de capacitores no tubo do avanço à vácuo. Também ficou muito discreto, quase imperceptível.
Verifiquei  a alteração do ponto nela, e o resultado foi idêntico ao do Fuscão.
Não chegou a atrasar 0,5º, comparando com e sem os capacitores. Também não alterei o ponto do motor dela.






Vídeos Relacionados
Em nenhum desses vídeos a câmara consegue captar a real melhoria da centelha. Dá para ter somente uma idéia,
sendo que o efeito real é maior que o mostrado. Quase sempre o som nos dá uma boa referência.
Desculpe-me, estão todos em inglês. Não encontrei material em português que justificasse.


Bom vídeo didático sobre o funcionamento da ignição, mais precisamente da bobina. Simula o platinado e o condensador,
e dá para ver a formação e desmonte do campo magnético, bem como o transiente que "volta" no primário.
A carga da bobina é feita com a tensão da bateria. Se 12v, o transiente ficará próximo à 250v.



Dos primeiros ensaios de Okki, usando capacitores de alta tensão doorknob, que não seriam possíveis de montar em um carro.
Foi usada uma capacitância de 50pF-80kV, e a melhoria na centelha foi ótima.



A configuração que Okki julgou ideal para ser usada. Os capacitores em série são de 220pF-15kV, e essa associação resulta em 73,33pF-45kV


Comparação entre os resultados com cabos resistivos (supressivos) e os não resistivos (pé duro)


Comparação entre os resultados com velas resistivas (supressivos) e os não resistivas (pé duro)


Um ensaio de como o incremento da capacitância altera o comportamento da centelha. Vão sendo somados 73,33pF, até 4 vezes.


Como Okki montou os capacitores em seu carro


Os resultados práticos da leitura das velas após o uso por 3 meses



Vídeo até anterior aos de Okki, mas não tão didático. Nos comentários é dito sobre o atraso no ponto de aproximadamente 6º em um V8.
Mas foi usada uma capacitância alta, de 1.000pF. Ele te aconselha brincar com isso, para encontrar
o ponto ideal. Também é dito sobre não usar velas e cabos resistivos.



Propaganda da Pulstar. É propaganda, paga provavelmente. Mas Al Unser é nome de peso,
e o Jr. não ia colocar a bunda na janela para passarem a mão nela.