Impianto di accensione - parte 1

L'utilizzo dell'arco elettrico rappresenta il metodo più efficace e sicuro per avviare la combustione nella miscela nei motori a ciclo Otto. Considerando la capacità isolante dell'aria (costante dielettrica), la configurazione della camera di combustione e la pressione interna durante la fase di compressione, si stabilisce che sono necessari almeno 10 000 volt per generare una scintilla tra gli elettrodi della candela.

Tuttavia, questa tensione costituisce il minimo essenziale; infatti, per garantire che la scintilla si produca in tutte le condizioni operative, è necessaria una tensione almeno doppia. 

Poiché l'impianto elettrico dell'automobile è alimentato da una batteria a 12 V, è necessario un sistema capace di generare e distribuire l'alta tensione alle candele al momento opportuno. Questo significa che la scintilla deve essere generata non solo nel cilindro in fase di combustione, ma anche in anticipo rispetto al punto morto superiore del pistone di quel cilindro.

Questo intervallo di tempo è chiamato anticipo dell'accensione e varia a seconda del regime del motore.

Il magnete è stato il primo sistema utilizzato per l'accensione a scintilla nei motori a benzina, ma è stato abbandonato negli autoveicoli da circa cinquant'anni. Ne parleremo quindi solo in modo generale, spiegando le ragioni che hanno portato alla sostituzione di questo dispositivo con i sistemi di accensione a spinterogeno.

Lo schema elettrico del magnete è illustrato nella Figura 1: 

è composto da una calamita (magnete permanente) a forma di ferro di cavallo, all'interno della quale ruota un indotto. 

Su quest'ultimo sono avvolti sia il circuito primario (a bassa tensione), costituito da poche spire di grande sezione, sia il circuito secondario (ad alta tensione), composto da numerose spire di sezione sottile.

Ruotando nel campo magnetico, l'indotto genera nel circuito primario una forza elettromotrice e quindi una corrente. Questa corrente, regolata dall'apertura e chiusura di contatti controllati da una camma, induce nel circuito secondario una tensione sufficientemente alta (10-30 kV) da produrre la scintilla sulle candele.

• Circuito primario: Il circuito primario è composto dalla bobina di accensione e da un interruttore. Quando l'interruttore è chiuso, la corrente elettrica fluisce attraverso il circuito primario. Quando l'interruttore si apre, interrompe il flusso di corrente nel circuito primario.

• Circuito secondario: Il circuito secondario è costituito dalla bobina di accensione e dalla candela di accensione. Quando la corrente nel circuito primario viene interrotta, si genera un picco di tensione nel circuito secondario grazie all'induzione elettromagnetica. Questo picco di tensione è abbastanza elevato da creare la scintilla tra gli elettrodi della candela di accensione.

Il movimento dell'indotto all'interno del magnete è generato dal motore stesso, tramite una cinghia o un ingranaggio collegato al albero motore.

Questo sistema presentava alcuni vantaggi: non richiedeva alimentazione esterna, era affidabile e generava una scintilla potente a regimi elevati. 

Tuttavia, aveva anche diversi inconvenienti che hanno portato al suo abbandono dopo l'introduzione e il collaudo dell'accensione a spinterogeno: costi più elevati, ingombro maggiore, maggiore consumo energetico del motore, scarsa efficienza della scintilla a bassi regimi, rendendo difficile l'avviamento del motore, e difficoltà nell'implementare sistemi di anticipazione dell'accensione all'aumentare dei giri del motore. Inoltre, nel tempo, i magneti permanenti tendevano a perdere la loro magnetizzazione, richiedendo lo smontaggio del sistema per la rimagnetizzazione.

Nella figura è rappresentato lo schema dell'accensione a spinterogeno con puntine, comunemente noto come accensione tradizionale per distinguerlo da quello elettronico.

L'alta tensione necessaria è generata da un componente chiamato bobina o rocchetto d'accensione. Questo dispositivo sfrutta il principio dell'induzione elettromagnetica per produrre una tensione che può raggiungere circa 50 000 V partendo dai 12 V della batteria.

Strutturalmente, la bobina è simile ai trasformatori elettrici e funziona in base agli stessi principi. È composta da un avvolgimento primario costituito da un numero limitato di spire di grande sezione, in grado di sopportare correnti dell'ordine di alcuni ampere. Un'estremità dell'avvolgimento primario è collegata al morsetto esterno identificato con il numero 15 o il segno +, che viene collegato al polo positivo della batteria una volta inserita la chiave nell'accensione. L'altra estremità dell'avvolgimento primario è collegata al morsetto indicato con il simbolo - o 1, che è a sua volta collegato alle puntine.

Le puntine costituiscono un interruttore controllato da una camma che ruota all'interno dello spinterogeno. Quando il motore è in funzione, la camma ruota e sposta il martelletto, aprendo e chiudendo le puntine.

L'apertura e la chiusura delle puntine interrompono e ripristinano la corrente nel circuito primario della bobina. Durante la chiusura delle puntine, una corrente inizia a circolare nel circuito primario della bobina, generando immediatamente un campo magnetico variabile. Questo campo magnetico, per induzione, induce una tensione nelle spire della bobina. Secondo la legge di Lenz, questa tensione indotta ha polarità opposta a quella della batteria, in modo da contrastare l'aumento di corrente nel circuito primario della bobina. 

Accensione a spinterogeno - Video Youtube

In un motore a ciclo otto le candele sono indispensabili per innescare la scintilla e per garantire un buon avvio della combustione a tutti i regimi di funzionamento. 

Dal punto di vista elettrico le candele sono abbastanza semplici, essendo costituite da un isolatore ceramico attraversato da un elettrodo metallico. 

La situazione è invece più complessa dal punto di vista termico; infatti, in qualsiasi condizione di funzionamento, in nessun punto della candela, la temperatura deve essere superiore a circa 900 °C, per non provocare l’autoaccensione, né inferiore a 400 °C, perché sugli elettrodi non si depositino residui carboniosi.

Ciascun motore, indipendentemente dal regime di rotazione, produrrà quantità diverse di calore durante la combustione e la candela utilizzata dovrà smaltirlo in diverse quantità a seconda del tipo di motore sul quale è montata, in modo da mantenere la sua temperatura entro l’intervallo 400-900 °C.

Quindi ogni motore dovrà montare una candela appropriata, con una maggiore o minore attitudine a disperdere il calore, a seconda della sua potenza e di altre caratteristiche costruttive. 

La capacità di disperdere il calore si definisce grado termico della candela:

• una candela si dice calda se ha scarsa attitudine a disperdere calore e sarà quindi idonea per motori di bassa potenza;

• viceversa, la candela si dice fredda se ha buona attitudine a disperdere calore e sarà quindi idonea per motori di alta potenza.

L’aspetto della estremità della candela è un indice delle condizioni di funzionamento del motore. Se il colore del naso dell’isolatore è marroncino o grigio chiaro, le condizioni operative possono essere giudicate buone e la candela funziona correttamente.

L’accumulo di depositi sull’estremità della candela è causato dai trafilamenti di olio, dal cattivo funzionamento del motore e

dal piombo (oggi non più presente nella benzina).

Dopo un surriscaldamento, l’estremità del naso dell’isolatore appare fusa e spugnosa e risultano fusi anche i depositi che si erano accumulati in precedenza.

Le rotture della ceramica sono di solito dovute al troppo rapido riscaldamento o raffreddamento.

La fusione degli elettrodi è dovuta a surriscaldamento. Per lo più la superficie dell’elettrodo di massa risulta piuttosto granulosa e opaca. Il punto di fusione della lega di nichel è tra 1200 e i 1300 °C.

Le candele che vengono tolte dal motore spesso mostrano una zona macchiata di colore bruno attorno all’isolatore in corrispondenza della bordatura superiore che può far pensare a trafilamento di gas.

Questa macchiatura è chiamata alone da effetto corona ed è causata dal fatto che le particelle di olio, disperse nell’aria attorno all’isolatore, vengono interessate dall’effetto corona, si caricano elettrostaticamente, si depositano e aderiscono alla superficie dell’isolatore.

La  lacca  prodotta  dall’effetto  corona  non  influenza  la  funzionalità della scintilla, finché si mantiene un isolamento sufficiente. In generale, tuttavia, ogni tipo di vapore presente attorno all’isolatore, può provocare la scintilla esterna.

Figura 7: Tipi di usura delle candele

Effetto corona

Consiste in scariche elettriche di debole  intensità  (visibili  solo  al buio) che interessano in genere la zona dell’isolatore  vicina  al corpo  metallico  della  candela.

Tale fenomeno è dovuto al campo elettrico che ionizza l’aria circostante alla candela e può renderla conduttrice, specie in

presenza di umidità, vapori d’olio o sporcizia. 

In casi particolari può influenzare il regolare funzionamento della candela.