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sistema a scintilla elettrica per accendere una miscela aria-carburante Da Wikipedia, l'enciclopedia libera
In meccanica l'accensione o sistema d'accensione è il cuore dell'impianto d'accensione ed è un componente fondamentale per i motori endotermici ad accensione comandata, dove tale sistema serve per vincolare il momento dello scoccare della scintilla, determinando così la fasatura d'accensione.
Il sistema d'accensione può essere costruito in vari modi e a seconda del tipo di costruzione assume vari nomi.
I sistemi d'accensione possono essere alimentati in vari modi diversi:
Il tipo d'alimentazione del sistema d'accensione può essere specificato dai costruttori e in questo caso viene esposto il tipo d'alimentazione (AC o DC) prima della tipologia di scarica elettrica con un'interposizione di un trattino (AC-CDI, DC-IDI, ecc.), il tipo d'alimentazione può influenzare l'energia di scarica dei sistemi d'accensione.
L'energia di scarica di un sistema d'accensione è molto importante per la curva di accensione di un motore, perché a seconda dell'energia di scarica si modifica la forza e permanenza della scintilla, modificando la velocità della combustione, generalmente il fabbisogno medio di energia per ogni scintilla d'accensione è di 0,1 millijoule.
L'andamento dell'energia di scarica può essere:
L'energia di scarica viene influita da:
La scarica elettrica delle accensioni può essere
A scarica capacitiva. I sistemi con questo tipo di scarica hanno come caratteristiche:
Queste caratteristiche rendono questi sistemi di scarica preferibili per i motori che richiedono scariche brevi e rapide per via dell'elevato numero di giri (oltre i 10.000 rpm).
Questo sistema basa il suo funzionamento con un circuito noto come risonatore parallelo RLC; Ovvero si carica il condensatore prima della fase di generazione della scintilla (scarica) e una volta che questo è completamente carico, si chiude il ruttore, in questo modo incomincia il passaggio della corrente lungo l'induttanza (avvolgimento primario della bobina d'accensione) e in queste condizioni si genera immediatamente un picco di tensione ai capi dell'induttore, che andrà velocemente a stabilizzarsi tramite il fenomeno della sovraelongazione alla tensione d'alimentazione.
A scarica induttiva, dove i sistemi con questo tipo di scarica hanno come caratteristica:[1][2]
Queste caratteristiche rendono questi sistemi di scarica preferibili per i motori che richiedono scariche prolungate e lente, per via del ridotto numero di giri/minuto (inferiore a 8.000).
Questo sistema basa il suo funzionamento con un circuito noto come risonatore serie RLC; Ovvero si fa passare corrente attraverso una induttanza (avvolgimento primario della bobina d'accensione) la quale nell'arco di circa 10-15 ms raggiunge la saturazione del campo magnetico e la tensione indotta inizialmente molto forte scompare, mentre la corrente elettrica raggiunge il valore di regime a riposo di circa 3-4 A, questo processo si ripete ogni volta che la bobina primaria viene messa in parallelo con la batteria (chiusura del ruttore, quali puntine o transistor)br Quando viene richiesta la scintilla viene scollegata la bobina primaria dalla batteria tramite il ruttore e il campo magnetico precedentemente formato viene annullato, questo provoca la formazione di tensione sia all'avvolgimento primario, sia all'avvolgimento secondariobr La tensione generata sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà la velocità con la quale il campo magnetico si annulla, per tale motivo viene utilizzato un condensatore in parallelo al ruttore.
La tensione ai capi dell'induttanza primaria raggiunge un valore di circa 200-300V, mentre l'annullamento del campo magnetico e la mutua induttanza con l'avvolgimento secondario che, dimensionato con un rapporto spire N2/N1 di circa 100 (varia da 50 a 150), provoca una tensione sul circuito secondario 100 volte superiore, ovvero circa 20-30 kV, quindi sufficiente a generare la scintilla in camera di combustione.
L'accensione meccanica o elettrica può essere di vario tipo:
L'accensione magnetica è molto ingombrante e inefficiente a un basso numero di giri e per questo negli autoveicoli non viene più utilizzata dagli anni cinquanta. È costituita da un indotto rotante su cui sono avvolti il circuito primario e quello secondario della bobina. L'indotto, mosso dal motore, ruota all'interno di un magnete permanente, generando una forza elettromotrice e quindi corrente elettrica, quando il motore muove/chiude un contatto, che permette di scaricare alle candele l'energia accumulata.[3][4]
Questo sistema si è evoluto sia nella generazione dell'energia elettrica, che viene generata da un elemento magnetico, generalmente una calamita ferro-ceramica annegata o avvitata nel rotore, mentre gli avvolgimenti della bobina d'accensione sono alloggiati su un nucleo in pacco di lamierini a colonne, di cui un lato viene sollecitato dal campo magnetico del rotore, sia nella gestione della scarica, la quale può essere libera e quindi generarsi e sprigionarsi autonomamente ad ogni passaggio del magnete, oppure gestita da un circuito elettronico che normalmente viene inglobato nella bobina d'accensione, mentre il sistema di controllo a puntine usato in passato non trova più applicazione.
La tensione d'accensione aumenta all'aumentare dei regimi in modo che, anche se la fasatura è fissa, la differenza di tensione influisce sulla velocità di combustione della miscela aria/benzina. In questo modo tale accensione riesce ad adattarsi meglio alle varie condizioni del motore ma, come contro, si ha una particolare sensibilità del sistema alle condizioni climatiche.
Questo sistema viene ancora utilizzato per piccole apparecchiature a motore, quali motoseghe, decespugliatori, soffiatori ed altre, in quanto sprovvisti di un impianto elettrico tale da poter utilizzare altri sistemi, ma anche per via della sua maggiore semplicità[5]. In alcuni casi viene usato anche per piccole macchine operatrici.
L'accensione a puntine[6] viene utilizzata su piccole apparecchiature, compresi scooter 50 molto semplici ed economici, è costituita da un interruttore, munito di puntine al platino, le quali vengono messe a contatto (chiudere l'interruttore) a seconda della posizione dell'albero motore, il quale ha un profilo eccentrico, in modo che a seconda della sua posizione apra o meno l'interruttore.
Le puntine sono disposte su una leva spinta da una molla, che viene aperta a seconda della posizione dell'albero motore, mentre l'altra puntina è disposta su una base statica, che si può regolare, grazie a una molla e a una vite che ne regolano l'altezza.
In questo caso quando l'interruttore è chiuso (contatto delle puntine) si accumula nel primario della bobina d'accensione dell'energia induttiva, quando l'interruttore si apre (puntine distanti), sul primario della bobina d'accensione si genera un'extratensione che agendo sull'avvolgimento secondario permette di generare la scintilla sulle candele d'accensione.[7]
L'avvolgimento primario della bobina è caricata con un alternatore o con la batteria, il condensatore è utilizzato per ridurre al minimo l'arco elettrico che si genera sulle puntine al momento della loro chiusura, allungandone la vita operativa.
Questo sistema viene anche definito come "accensione a batteria", primo sistema a batteria, che venne adoperato con l'aumento di disponibilità di batterie più grandi, capaci di fornire una fonte costante di energia elettrica, questo sistema venne ulteriormente migliorato con gli anni, grazie all'ausilio di nuovi sistemi.
In questo caso la chiusura dell'interruttore (contatto delle puntine) fa scaricare la corrente accumulata nel condensatore (precedentemente caricato a una tensione che generalmente è di circa 300 V) alla bobina d'accensione, la quale aumenta la tensione, in modo che questa possa creare la scintilla ai capi degli elettrodi della candela.[8]
Questo sistema d'accensione così com'è, pur con la presenza del feltrino imbevuto di olio lubrificante che bagna la camma e riduce l'attrito che avviene tra essa e la leva che sorregge la puntina mobile, soffre d'usura e per tale motivo deve essere periodicamente regolato il gioco tra le puntine, che tende a ridursi con l'utilizzo. Inoltre questo sistema molto semplice, di norma non prevede la regolazione dell'anticipo (se non in modo meccanico) o adotta un anticipo variabile e quindi non è possibile ottimizzarlo ai vari regimi del motore, inoltre potrebbe richiedere l'accoppiamento con una centralina che funga da limitatore di giri nei sistemi più odierni o rischiare di sfarfallare ad alti regimi quando c'è un'insufficienza nella forza della molla che agisce sulla leva puntina mobile o esse risultino eccessivamente pesanti.
È un tipo di distribuzione, che richiama il funzionamento delle accensioni a puntine e che permette d'utilizzare una sola coppia di puntine per i motori pluricilindrici, inoltre è capace di variare l'anticipo dell'accensione.
I principali vantaggi dello spinterogeno sono:
Identica all'accensione a spinterogeno, ma di tipo elettronico, che prevede l'introduzione di un transistor pnp che ha il compito di far scaricare la corrente accumulata nella bobina d'accensione e creare l'alta tensione ai capi della candela, tale transistor viene governato dalle puntine che ora devono interrompere una corrente più debole, con vantaggi nella loro usura.
Lo spinterogeno non va assolutamente confuso con il solo distributore, perché generalmente viene utilizzato anche con un'accensione a centralina elettronica o digitale (ovviamente su motori pluricilindrici a una sola bobina d'accensione).
L'accensione può essere elettronica (elettronica-analogica) e in questo caso, nelle versioni più moderne, integra anche il limitatore di giri (escludendo le centraline che vengono prodotte specificamente senza limitatore). Questo tipo d'accensione è breakerless, dato che non utilizza un ruttore meccanico, bensì l'andamento di una curva sinusoidale del generatore elettrico che la alimenta; mentre, generalmente, nei sistemi più semplici che non variano la fasatura d'accensione (ridefinita trasduttore da alcuni costruttori), si può utilizzare un sensore angolare ottico (un sensore di luminosità, accoppiato ad una lampadina, la cui luce viene riflessa da una superficie specchiata, che eccita la fotocellula) o più comunemente un sensore magnetico, detto sensore ad effetto Hall (sensore di prossimità), oppure una piccola bobina che genera un impulso elettrico al passaggio di un settore metallico applicato al volano di un motore, sistema a pick-up.
Verso la fine degli anni '60 del XX secolo l'accensione elettronica inizia ad essere utilizzata nei motori sia automobilistici che motociclistici nei modelli di alta gamma, sostituendo progressivamente il sistema a puntine. Fra i primi in Italia si ricorda la Innocenti Lambretta SX200 del 1970.
Ciò è stato reso possibile dal suo basso costo, dalla sua alta velocità di risposta e dal ridotto ingombro. Il modulo di accensione elettronica può essere concepito come un'accensione a scarica capacitiva (CDI capacitor discharge ignition) o come un'accensione a scarica induttiva (IDI inductive discharge ignitions).
Queste centraline sono capaci di variare la fasatura d'accensione modificando i segnali d'ingresso tramite l'utilizzo di filtri e circuiti specifici (circuito RC o circuito RLC a seconda del tipo di curva richiesta, se a solo aumento dell'anticipo o ad aumento e successiva riduzione), ma senza cambiare il loro stato di segnale da analogico a digitale. Il circuito di scarica si aziona solo in determinate situazioni o con determinati valori del segnale e così si variano i tempi di scarica (chiusura del tiristore).
Normalmente l'alimentazione di questo circuito avviene tramite corrente alternata. È implementato anche un sistema di protezione da sovratensioni, come ad esempio un triac o un varistore o un diodo Zener. Nel caso di fonte d'alimentazione a corrente continua (p. es. batteria), questa viene convertita in alternata tramite un convertitore DC-AC e in tal caso il dispositivo di protezione non è necessario. Queste centraline posseggono alcune peculiarità a seconda del sistema di scarica.
La maggior parte dei sistemi di accensione per auto adottano la tipologia induttiva IDI, sigla della definizione inglese Inductive Discharge Ignition, che si basa sull'induttanza elettrica della bobina per la produzione di energia elettrica ad alta tensione per le candele. Generalmente si impiega solo una bobina d'accensione e quindi va utilizzata assieme al distributore.
Nel dettaglio, una tipica centralina IDI funge da circuito di scarica dell'avvolgimento primario della bobina, che può essere alimentata tramite:
Quando la centralina mette in scarica l'avvolgimento primario, la corrente è libera d'andarsene dall'avvolgimento primario della bobina, in modo da generare un campo magnetico, che coinvolge l'avvolgimento secondario, il quale essendo munito di più spire, produce una tensione di molto maggiore rispetto all'avvolgimento primario, che serve per generare la scintilla ai capi degli elettrodi della candela, che ha una durata di circa 1 ms (1.000 µs).
La maggior parte dei sistemi di accensione per motoveicoli utilizzano il sistema d'accensione capacitivo CDI, sigla della definizione inglese Capacitive Discharge Ignition, basato sul rapido trasferimento della corrente tra condensatore e induttore.
Nel dettaglio, una tipica centralina CDI accumula l'energia per la scintilla in un condensatore (all'interno della stessa), caricato tramite un circuito di carica (raddrizzatore); al momento della scarica, si arresta il funzionamento del circuito di carica e il condensatore trasferisce rapidamente l'energia accumulata alla bobina d'accensione, che aumenta la tensione dai 400-600 V del condensatore a valori prossimi ai 40 kV dell'avvolgimento secondario (della bobina d'accensione) provocando una scintilla tra gli elettrodi della candela della durata di circa 500 µs (0,5 ms).
Questo permette una maggiore flessibilità dell'accensione e tempi di risposta ridotti che si traducono in un miglioramento delle prestazioni del motore, specialmente quando è impiegato a elevati regimi di rotazione, come accade spesso nei motocicli e nei motori a due tempi.
I sistemi digitali o elettronici-digitali, hanno permesso una maggiore versatilità delle centraline che, in molti casi, diventano dei veri centri di controllo. Questi sistemi sono nati per consentire una maggiore adattabilità del sistema d'accensione, ricevendo molti segnali d'ingresso e, nel caso delle unità di controllo, anche di molti segnali d'uscita.
L'accensione elettronica digitale divenne il sistema maggiormente diffuso nelle automobili verso la fine degli anni ottanta del secolo scorso, mentre venne adoperato nelle motociclette qualche anno più tardi, all'inizio degli anni novanta. Negli anni novanta, comunque, giunse ad essere il principale sistema impiegato nelle nuove autovetture, per poi divenire l'unico sistema con l'uso dell'iniezione elettronica, per il rispetto delle norme anti-inquinamento. Nelle motociclette questo sistema, usato largamente già dopo la metà degli anni '90, divenne quello impiegato quasi globalmente su tutti i nuovi motocicli dal 2003, con l'utilizzo sempre maggiore di sistemi più sofisticati, come il carburatore elettronico o i diversi tipi d'iniezione, soprattutto per rispettare le normative anti-inquinamento.
Tutti i dati d'ingresso analogici vengono campionati e convertiti in sequenze di bit, cioè in segnali digitali. Questi sistemi generalmente non usano più dei fili che escono dalla centralina e che, tramite uno spinotto all'altro capo, si vanno a congiungere al resto dell'impianto, ma ricevono segnali digitali e generalmente sono munite di uno zoccolo collocato direttamente sulla centralina.
Questi sistemi vengono generalmente alimentati tramite corrente continua (batteria), anche in caso di accensioni CDI, ma esistono anche sistemi alimentati dall'alternatore esattamente come le classiche centraline CDI analogiche.
Le accensioni digitali o elettronico-digitali sono dotate di unita di controllo (ECU), che utilizzano un microprocessore a 16 bit (i cui dati di programma sono salvati su EPROM o EEPROM), per ampliare il controllo dei sistemi elettronici IDI e CDI, i quali assumono il nome di TSI (Transistorized Switching Ignition) e TCI (Transistorized Coil Ignition). Generalmente tale sistema regola non solo l'accensione, ma anche l'iniezione del carburante e molti altri parametri. A tale scopo necessita della rilevazione di molti più segnali d'ingresso come, ad esempio, la temperatura dell'aria e del motore, la velocità del veicolo, la rotazione del motore e altri parametri ancora.
Queste centraline, a differenza delle precedenti, possono essere programmabili, in modo da adattarsi a diversi mezzi senza la necessità di costruire centraline specifiche per ogni modello di veicolo. Inoltre, alcune centraline permettono di sostituire il microprocessore in caso di suo malfunzionamento; nel caso in cui la centralina lavori in assenza del microprocessore, essa continua a funzionare, ma con un angolo di fasatura fisso.
La gestione della fasatura cambia a seconda del tipo di sistema d'accensione:
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