BR9700168B1 - vela de igniÇço. - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção "VELA DE IGNIÇÃO".

A presente invenção refere-se à vela de ignição incorporando umisolador cerâmico envernizado no motor de combustão interna.

Para evitar flash over no intervalo entre o terminal do eixo centrale o castelo metálico da vela de ignição, convencionalmente reveste-se asuperfície do isolador, desde a cabeça até o corpo, com o verniz.

Considerando-se que a vitrificação do verniz é realizada nointervalo de temperatura entre 900 a 1100° C, utiliza-se a pasta semifluida deverniz, no qual o teor de Pb convertido em PbO é de no mínimo 20% em peso(PbO contribui para o abaixamento da temperatura do envernizamento noprocesso de queima).

Os inventores descobriram que, quando sobrevem a descarga emcorona na parte exposta do isolador (superfície do corpo não coberta com capada vela), a cor do verniz altera-se em vermelho ou amarelo avermelhado, e avela de ignição fica susceptível à falha de ignição.

Após análise das causas, os inventores chegaram à seguinteconclusão.

Aplicando-se tensão elevada na vela de ignição, cuja superfíciedo isolador foi revestida do verniz com alto teor de Pb, principalmente, ao corpodo isolador próximo à região de rebordamento o mesmo induz intenso campoelétrico chegando a afluir descarga em corona. Através da energia de descargaem corona, o chumbo contido no verniz transforma-se em Pb304 ( vermelho) ouPb203. ( amarelo avermelhado ), e a resistência de isolação cai bruscamente.E consequentemente, há queda na tensão de flash over nointervalo entre o terminal do eixo central e o castelo metálico, e com isso surgeflash over e provoca-se a falha de ignição da vela.

US-A-41120733 descreve esmalte livre de chumbo para corpo dealumina como o isolador da vela de ignição, tais esmaltes constituídoessencialmente de 48 para 54% SiO2, de 7 para 11% CaO, de 16,5 para 20%B2 O3, de 11 para 14% BaO, de 2 para 3% CaO, de 2 para 2,5% ZnO, de 4,5para 5,5% Na2 O, e de 0,4 para 1% K2 O. Li2O e MgO para a extensão deaproximadamente 0,25% e 1%, respectivamente, podem também estarpresentes, e pequenas quantidades de outras impurezas.

A presente invenção visa fornecer uma vela de ignição, queconsiga evitar flash over no intervalo entre o terminal do eixo central e o castelometálico, bem como evitar a falha dê ignição causada pelo mesmo.

A presente invenção, portanto, fornece uma vela de ignição queinclui um castelo metálico cilíndrico com um eletrodo lateral;

um isolador com a superfície exterior da cabeça e troncorevestidos com verniz, fixos dentro do castelo metálico; e

um eletrodo central fixado no furo axial dando forma ao isolador; etendo uma tensão de flash over em 150°C > 35kV;

Onde o teor de Pb do verniz é inferior a 10% em peso em termosde PbO e o esmalte contém 49,1 - 55,4% em peso de SiO2, 15,2 - 20,2% empeso de B2 O3 e 25,3 - 25,8% em peso de três ou mais óxidos selecionadosde Al2 O3, Na2 O, CaO e ZnO.Preferivelmente o verniz contém 49,1 - 55,4% em peso de SiO2,15,2 - 20,2% em peso de B2 O3, 7,8 - 10,1% em peso de Al2 O3, 3,8 - 7,4 %em peso de Na2 O, 0 - 2,5% em peso de CaO e 7,8 - 10,2% em peso deZnO.

Na vela de ignição cuja superfície do isolador desde a cabeça atéo corpo é revestida do verniz, como o teor de Pb no verniz convertido em PbOé de no máximo 10% em peso, mesmo que no do isolador adquira o intensocampo elétrico e surja a descarga em corona, é possível que a transformaçãoem substâncias condutoras como Pb3Ü4 ou Pb2O3 seja zero (quando o teor dePb for zero) ou extremamente pequeno.

Com isso, dificilmente surgirá flash over, no intervalo entre oterminal do eixo central e o castelo metálico, prevenindo a falha de ignição davela de ignição.

Tem-se a explanação do exemplo de execução da presenteinvenção com a base nas figuras 1 a 3.

Conforme ilustra-se a figura 1, a vela de ignição (A) constitui-sedo castelo metálico (1) dotado do eletrodo lateral (11) na sua extremidade (12),do isolador (2) fixado dentro do mesmo (1), com a superfície do isoladorrevestido do verniz (3), e do eletrodo central (4) fixado dentro do furo axial (20),e é fixada no cabeçote do cilindro (não ilustrado) do motor de combustãointerna, intermediada pela gaxeta (10).O castelo metálico (1) constitui-se de aço de baixo carbono e éformado da região rosqueada (13) dotada de rosca (131) no contorno externo,do corpo (14) dotado da gaxeta (10) disposta no contorno da extremidadedelgada da região sextavada (15) para o encaixe da chave da vela; outrossim,da guarnição (16) e do anel (17).

O eletrodo lateral (11) em forma de L encontra-se disposto deforma que a face de descarga (111) confronte com a ponta do eletrodo central(4), e constitui-se da liga de níquel resistente ao calor e à corrosão.

O isolador (2) compõe-se do sinterizado cerâmico à base dealumina e é dotado da cabeça (21) com corrugação no contorno externo, docorpo (22) posicionado a partir da região sextavada (15) do castelo metálico(1), situada dentro do corpo (14), e do bico (23) posicionado no lado interno daregião rosqueada (13) do mesmo.

Quanto ao verniz (3), o teor de Pb no verniz, em PbO, é fixadoentre Oa 10 % em peso, e reveste a superfície do isolador , desde a cabeça(21) até o corpo (22), e a superfície isolante da base do bico (231).

O eletrodo central (4) constitui-se da liga de níquel contendometal de boa condutividade térmica, e encontra-se inserido no furo axial (20) deforma que, a sua ponta fique projetada da extremidade do isolador, e ainda, aoutra ponta encontra-se embutida no furo axial (20) através do vidro devedação (não ilustrado), por cuja intermediação é ligado eletricamente ao eixocentral (5) o eletrodo terminal.

O eixo central (5) é constituído de aço de baixo carbono, sendoque a região de vedação é selada com o vidro, dentro do furo axial (20) doisolador (2), e pela extremidade da cabeça projeta-se a região do terminal (51).Nesta (51) e na extremidade dessa cabeça (21) encaixa-se a capa da vela nãoilustrada.

Tem-se a explanação, a seguir do método de obtenção da vela deignição (A) (colocando em evidência o revestimento com verniz (3)).

(1) Mistura-se o pó de SiO2, B2O3, Na2O, CaO1 ZnO e PbO1 numadeterminada proporção, e executa-se a mistura a seco.

(2) Coloca-se essa mistura em pó no cadinho e funde-se no fornoa 1400 °C.

(3) Após fusão, resfria-se bruscamente na água, moe-se no potevia úmida, adicionam-se aproximadamente os 2 % de Iigante orgânico, eobtém-se a pasta semifluido de verniz.

(4) Pulveriza-se a pasta semifluida na superfície isolante desde acabeça (21) até o corpo (22) e do isolador à base do bico (231).

(5) Queima-se o isolador (2) por aproximadamente 10 minutos, acada temperatura de envernizamento (conforme a tabela 2), e efetua-se ainspeção no aspecto visual (visualmente).

A tabela 1 ilustra o resultado de análise dos componentes doverniz (3) que revestiu o isolador (2) queimado à temperatura deenvernizamento. Outrossim os vernizes cujo teor de Pb convertido em PbO éno máximo 10 % em peso, correspondem aos números 1 a 3.

(6) Com o isolador (2) fixo, de forma que o bico (23) fique na parteinferior, encaixa-se o eletrodo central (4) dentro do furo axial (20) a partir dacabeça (21), coloca-se o vidro em pó condutor e pó resistivo, para vedaçãocom vidro, e dentro do qual (20) insere-se o eixo central (5), a partir da mesma(21).

(7) Aquece-se o isolador (2) de 800 para 950 °C (ocorre fusão dovidro em pó), e aplica-se a força de compressão ao terminal (51) no eixocentral (5).

(8) Resfria-se naturalmente o isolador (2), para que adquirasolidificação do vidro fundido, e logra-se a selagem vítrea.

(9) Encaixa-se dentro do castelo metálico (1), o isolador (2) cujaselagem vítrea foi concluída, e através de rebordamento da região decravamento (18) a quente na zona pouco espessa, monta-se o isolador (2)dentro do castelo metálico (1), e obtém-se a vela de ignição (A).

A tabela 2 ilustra o aspecto da cor imediatamente após oenvernizamento, o valor da resistência dielétrica a quente, o aspecto da corapós ensaio do motor, tensão do flash over e a avaliação referente a cada umadas velas de ignição revestidas do respectivo verniz da tabela 1.

Na tabela 2, a resistência dielétrica a quente foi medida daseguinte forma.

Conforme ilustra-se a figura 2, suspende-se a vela de ignição (A)revestida de cada verniz da tabela 1, dentro da cuba mantida em temperaturaconstante, controlada à 500 ± 10 °C e através do medidor de resistênciadielétrica que aplica CC-1000 V, mediu-se a resistência no intervalo entre oterminal (51) e o castelo metálico (1) após 30 minutos.

O valor da resistência dielétrica a quente sofre influência do teorde componentes alcalinos (Na20 ou K20, etc.) dentro do verniz (3), de formaque quanto maior for a sua presença maior será a queda da resistência, porém,de acordo com o ensaio de medição da resistência dielétrica a quente, acima,comprovou-se que não causa queda da tensão de flash over.

Por exemplo, em relação à vela de ignição (A) que utilizou osvernizes n° 1 e 2, cujo teor de Na2O é relativamente alto apesar de apresentarresistência dielétrica a quente comparativamente baixa de 150 ΜΩ a 200 ΜΩ, atensão de flash over ultrapassa os 35 kV.

Por outro lado, se se toma a vela de ignição que se serviu dosvernizes n° 4 e 5 cujo teor de Na2O é baixo, apesar de apresentar resistênciadielétrica a quente alta 800 ΜΩ ou 700 ΜΩ, respectivamente, após o ensaio domotor a ser mencionado a seguir, a resistência dielétrica cai algumas dezenasde ΜΩ e a tensão de flash over é comparativamente baixa de 33 kV e 39 kV,respectivamente.

Em relação ao ensaio do motor, mencionado na tabela 2, foirealizado da seguinte forma.

Montando-se a vela de ignição (A), revestida com cada um dosvernizes da Tabela 1, no motor de 250 cc, monocilíndrico de 4 ciclos, efetivou-se a operação contínua por 100 h, com rotação de 6500 rpm, totalmenteaberta. Outrossim a temperatura do isolador (2) (da cabeça 21 ao corpo 22) erade IOO0Ca 150° C .

A vela de ignição (A) cuja superfície isolante do isolador (2),desde a cabeça (21) até o corpo (22), e a superfície isolante da base do bico(231) foram revestidas do verniz (3) de n° 4 a 6, no qual teor de Pb em PbO1ultrapassa os 10 % em peso, imprimiu intenso campo elétrico no corpo (22) doisolador (2) próximo à região de cravamento, devido à aplicação de alta tensãodurante o ensaio do motor, e gerou descargas em corona com freqüência. Ecomprovou-se que, em virtude da energia desta descarga em corona, conformeilustra a tabela 2, o Pb contido no verniz transforma-se em Pb3O4 (vermelho) ouem Pb2O3 (amarelo avermelhado), os quais provocam queda da resistênciadielétrica.

E como conseqüência, conforme a ser mencionadaposteriormente, a tensão de flash over, no intervalo entre o terminal (51) doeixo central (5) e o castelo metálico (1), fica inferior a 35 kV.

Na tabela 2, a tensão de flash over foi medida, utilizando-se odispositivo mencionado a seguir.

Após a execução do ensaio de motor, fixou-se cada uma dasvelas de ignição (A)1 no dispositivo de ensaio B com a estrutura da figura 3, eapós manter-se por uma hora a uma determinada temperatura (150 °C), aplica-se uma tensão de impulso de corrente contínua de 20 kV (valor inicial), eaumentando-se a tensão em 1 kV a cada 1 minuto, considerou-se como tensãode flash over, o valor da tensão que gerou no mínimo 3 vezes em 1 minuto.

Outrossim, (61) é a fonte de alimentação de impulso de correntecontínua, (62) a ser aquecido até 150 0C é a bobina quente, (63) é a câmaraquente, o (64) é ligação à terra, o (65) é metal do terminal, (66) é a câmara comcamisa refrigerada a água, o (67) é óleo isolante (óleo de silicona), e (68) é otubo de proteção de isolação.

Em termos práticos, o valor máximo de alta tensão paracentelhamento na folga de centelhamento é de 35 kV. Se a tensão de flashover for inferior a 35 kV, como há possibilidade da falha de ignição devido aonão centelhamento na folga do mesmo, considerou-se como reprovado(Reprov.) na avaliação na tabela 2.

Mencionam-se a seguir as vantagens do presente exemplo deexecução.

(a) Em relação à vela de ignição (A) cuja superfície isolante doisolador (2), desde a cabeça (21) até o corpo (22), e a superfície isolante dabase do bico (231), foram revestidas do verniz n° 1 a 3, com teor de Pb contidono verniz (3), em PbO, inferior a 10 % em peso, conforme ilustra a tabela 2comprovou-se que , em todos os casos, a tensão de flash over no intervaloentre o terminal (51) do eixo central (5) e o castelo metálico (1), ultrapassa os35 kV. A vela de ignição (A), que utiliza os vernizes n° 1 a 3, demonstra amelhor resistência à tensão de flash over e consegue evitar a falha de igniçãoque causa flash over.

(b) Como o método de obtenção e de aplicação da pastasemifluida do verniz na superfície isolante e a temperatura de vitrificação doverniz são praticamente iguais ao convencional no processo, não hánecessidade de se alterar ferramentas ou equipamentos da fabricação.

(c) Limitando-se o teor de Pb contido no verniz (3) em PbOinferior a 10 % em peso, há necessidade elevar a temperatura deenvernizamento, mas, através do ajuste das quantidades de S1O2, B2O, Na20,CaO e ZnO, é fatível manter a temperatura abaixo dos 1100°C, e com isso, nãose dá a influência negativa na queda da resistência do isolador (2), etc.A presente invenção, além do exemplo de execução acima incluias seguintes circunstâncias de execução.

a. Para evitar flash over no bico (23), no exemplo de execuçãoacima, revestiu-se a superfície isolante da base do bico (231) pelo verniz (3), oque possibilita a melhorar aderência da guarnição (16) instalada no desnível docastelo metálico (1), e assim aumentar a hermeticidade.

b. Se o teor de Pb no verniz (3), em PbO for inferior a 10 % empeso, e se a temperatura de envernizamento for adequada (máximo de 1100°C), pode-se fabricar a pasta semifluida de verniz com matérias-primas além doSiO2, B2O3, Na2O1 CaO e ZnO.Tabela 1

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Tabela 2

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Nota: AA ... coloração transparenteBB ... amareloCC... marron avermelhadoDD ... vermelho0 ... pulouX ...falhou

Claims (3)

1. VELA DE IGNIÇÃO compreendendo um castelo metálico cilíndrico (1)tendo um terminal do eixo central (11); um isolador (2) tendo a superfícieexterior da sua cabeça (21) e corpo (22) revestido com esmalte (3), fixadodentro do castelo metálico; e um eletrodo central (4) fixado no furo axial (20)formado no isolador, e tendo uma tensão de flash over de 150°C > 35kV,caracterizado por o teor de Pb do verniz ser inferior a 10% em peso em termosde PbO e o esmalte consiste essencialmente de 49,1 - 55,4% em peso deSiO2, 15,2 - 20,2% em peso de B2 O3 e 25,3 - 25,8 % em peso de três ou maisóxidos selecionados de Al2 O3, Na2 O, CaO e ZnO.

2.

VELA DE IGNIÇÃO de acordo com a reivindicação 1 caracterizadopor o esmalte conter 49,1 - 55,4% em peso de SiO2, 15,2 - 20,2% em peso deB2 O3 , 7,8 - 10,1% em peso de Al2 O3 , 3,8 - 7,4% em peso de Na2 O, 0 -`2,5% em peso de CaO e 7,8 - 10,2 % em peso de ZnO.