La funzione delle candele di accensione
La candela è un componente fondamentale del sistema di accensione di un motore a benzina. È in grado di immettere alta tensione nella camera di combustione e di generare una scintilla tra gli elettrodi, innescando così la combustione della miscela nel cilindro. È composta principalmente da un dado di collegamento, un isolante, una vite di fissaggio, un elettrodo centrale, elettrodi laterali e un alloggiamento. Gli elettrodi laterali sono saldati all'alloggiamento.
La candela, comunemente nota come "ugello di accensione", ha la funzione di rilasciare l'elettricità pulsata ad alta tensione inviata dal filo ad alta tensione (cavo dell'ugello di accensione), di rompere l'aria tra i due elettrodi della candela e di generare una scintilla elettrica per incendiare la miscela di gas nel cilindro. I tipi principali includono: candele quasi-tipo, candele con corpo sporgente, candele con elettrodo, candele con sede, candele con elettrodo, candele con superficie a saltello, ecc.
Le candele di accensione sono installate sul lato o sulla parte superiore del motore. In passato, le candele erano collegate al distributore tramite cavi nei cilindri. Nell'ultimo decennio circa, la maggior parte dei motori delle auto di piccole dimensioni è stata modificata in modo che la bobina di accensione sia collegata direttamente alla candela. La tensione di esercizio di una candela è di almeno 10.000 V. L'alta tensione viene generata dalla bobina di accensione a partire da una corrente elettrica a 12 V e quindi trasmessa alla candela.
Sotto l'effetto dell'alta tensione, l'aria tra l'elettrodo centrale e l'elettrodo laterale della candela si ionizza rapidamente, formando ioni positivi ed elettroni liberi negativi. Quando la tensione tra gli elettrodi raggiunge un certo valore, il numero di ioni ed elettroni nel gas aumenta vertiginosamente, causando la perdita delle proprietà isolanti dell'aria. Si forma un canale di scarica nello spazio tra gli elettrodi e si verifica un fenomeno di "scarica". A questo punto, il gas forma un corpo luminoso, chiamato "scintilla". Espandendosi a causa del calore, si produce anche un suono simile a uno scoppio. La temperatura di questa scintilla elettrica può raggiungere i 2000-3000 gradi Celsius, sufficienti ad innescare la miscela nella camera di combustione del cilindro.
In base al potere calorifico, si distinguono candele a freddo e candele a caldo. In base al materiale degli elettrodi, si distinguono leghe di nichel, leghe d'argento, leghe di platino, ecc. Per essere più precisi, le tipologie di candele si possono suddividere approssimativamente come segue:
Candela di tipo quasi-elettrolita: la sua gonna isolante è leggermente retratta nella superficie terminale dell'alloggiamento, mentre l'elettrodo laterale si trova all'esterno della superficie terminale dell'alloggiamento. È il tipo più diffuso.
Candela con corpo sporgente: la gonna isolante è relativamente lunga e sporge oltre la superficie terminale dell'alloggiamento. Presenta i vantaggi di un elevato assorbimento di calore e una buona capacità anti-sporco. Inoltre, può essere raffreddata direttamente dall'aria aspirata per abbassare la temperatura, riducendo così la probabilità di accensione a caldo. Pertanto, ha un'ampia gamma di adattabilità termica.
Candele di accensione a elettrodo: i loro elettrodi sono molto sottili. Sono caratterizzate da scintille intense, buona capacità di accensione e garantiscono un avviamento del motore rapido e affidabile anche nelle stagioni fredde. Hanno un ampio intervallo termico e si adattano a diverse applicazioni.
Candela con sede: l'alloggiamento e la filettatura sono realizzati in forma conica, in modo da garantire una buona tenuta senza guarnizione, riducendo così il volume della candela e risultando più vantaggiosa per il design del motore.
Candele polari: gli elettrodi laterali sono generalmente due o più. I loro vantaggi sono un'accensione affidabile e la possibilità di non dover regolare frequentemente la distanza tra gli elettrodi. Per questo motivo, sono spesso utilizzate in alcuni motori a benzina dove gli elettrodi sono soggetti a erosione e la distanza tra gli elettrodi non può essere regolata di frequente.
Candela a faccia frontale: nota anche come candela a traferro frontale, è il tipo di candela più freddo e la distanza tra l'elettrodo centrale e la superficie terminale dell'alloggiamento è concentrica.
Candele di accensione di tipo standard e di tipo sporgente
La candela standard è una candela con elettrodo singolo, in cui l'estremità dell'isolante è leggermente più bassa rispetto alla superficie filettata dell'alloggiamento. Adotta la tradizionale struttura dell'estremità di accensione, ampiamente utilizzata nei motori con valvole laterali. Per distinguerla dal "tipo sporgente" sviluppatosi successivamente, questa struttura viene definita "tipo standard".
La candela sporgente è stata originariamente progettata per motori con valvole in testa. La sua guarnizione isolante sporge dalla superficie filettata del corpo candela e si estende nella camera di combustione. Assorbe una notevole quantità di calore dalla miscela di combustione, mantiene una temperatura di esercizio relativamente elevata al regime di combustione e previene la contaminazione. Ad alti regimi, grazie al posizionamento della valvola in alto, il flusso d'aria aspirato viene diretto verso la guarnizione isolante, raffreddandola. Di conseguenza, la temperatura massima non aumenta di molto e quindi l'intervallo termico è relativamente ampio. Le candele sporgenti non sono adatte ai motori con valvole laterali perché questi presentano numerose curve nel condotto di aspirazione e il flusso d'aria ha uno scarso effetto di raffreddamento sulla guarnizione isolante.
Candele di accensione unipolari e multipolari
La tradizionale candela unipolare presenta un inconveniente non trascurabile: l'elettrodo laterale copre l'elettrodo centrale. Quando si verifica una scarica ad alta tensione tra i due poli, la miscela gassosa presente nello spazio tra gli elettrodi assorbe il calore della scintilla e, a causa dell'ionizzazione, si attiva formando un "nucleo di scintilla". Il nucleo di scintilla si forma generalmente in prossimità dell'elettrodo laterale. Durante questo processo, l'elettrodo laterale assorbe una maggiore quantità di calore, fenomeno noto come "effetto di soppressione della fiamma". Ciò riduce l'energia della scintilla e compromette la tenuta stagna del motore.
Negli anni '20, quindi, fecero la loro comparsa le candele a tre poli. Rispetto all'elettrodo singolo, l'intercapedine d'aria dell'elettrodo multilaterale è composta dalle sezioni trasversali di più elettrodi laterali (ricavati in fori rotondi) e dalla superficie cilindrica dell'elettrodo centrale. Questa configurazione con intercapedine laterale elimina lo svantaggio degli elettrodi laterali che coprono l'elettrodo centrale, aumenta l'"accessibilità" della scintilla, genera una maggiore energia e penetra più facilmente all'interno del cilindro, contribuendo a migliorare la combustione della miscela e a ridurre le emissioni di scarico. Grazie ai poli multilaterali che forniscono molteplici canali di scintilla, la durata della candela è prolungata e l'affidabilità dell'accensione è migliorata. È importante sottolineare che al momento della scarica, solo un canale può generare la scintilla, ed è impossibile che più poli generino scintille simultaneamente. Il processo di scarica, ripreso con la fotografia ad alta velocità, dimostra questo punto.
Le lettere che seguono il potere calorifico (D, J e Q) nei modelli di candele per auto di produzione nazionale indicano rispettivamente due poli, tre poli e quattro poli.
Candele di accensione con elettrodo in lega a base di nichel e nucleo in rame
I requisiti fondamentali per gli elettrodi che si estendono nella camera di combustione sono la resistenza all'ablazione (sia corrosione elettrica che chimica) e una buona conduttività termica. Con lo sviluppo della scienza dei materiali e della tecnologia di processo, i materiali per elettrodi hanno subito un'evoluzione, passando da ferro, nichel, leghe a base di nichel e materiali compositi nichel-rame fino ai metalli preziosi. La lega più comunemente utilizzata oggi è quella a base di nichel. Generalmente, i metalli puri hanno una migliore conduttività termica rispetto alle leghe, ma i metalli puri (come il nichel) sono più sensibili alla reazione di corrosione chimica dei gas di combustione e ai depositi solidi che questi formano rispetto alle leghe. Pertanto, il materiale per elettrodi adotta materiali a base di nichel con l'aggiunta di elementi come cromo, manganese e silicio. Il cromo aumenta la resistenza all'erosione elettrica, mentre il manganese e il silicio migliorano la resistenza alla corrosione chimica, in particolare la resistenza all'ossido di zolfo, altamente pericoloso.
Candele di accensione di tipo comune e di tipo resistivo
La candela, in quanto generatore di scarica elettrica, è una sorgente continua di interferenze elettromagnetiche a banda larga. A partire dagli anni '60, i paesi di tutto il mondo hanno accelerato lo sviluppo di candele resistive per sopprimere le forti interferenze elettromagnetiche causate dalle scintille sul campo radio, proteggere le comunicazioni radio e prevenire malfunzionamenti dei dispositivi elettronici di bordo. Anche la Cina ha emanato una serie di norme nazionali obbligatorie in materia di compatibilità elettromagnetica, imponendo severe restrizioni sulle caratteristiche di interferenza radio dei dispositivi dei veicoli azionati da motori ad accensione a candela. Di conseguenza, la domanda di candele resistive è aumentata significativamente. Le candele resistive non presentano differenze strutturali sostanziali rispetto al tipo comune; l'unica differenza consiste nella sostituzione del sigillante conduttivo all'interno del corpo isolante con un sigillante resistivo.
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