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Candele di accensione
Nozioni di base
La scintilla di accensione
La candela di accensione svolge un ruolo fondamentale nei motori alimentati a benzina. È infatti responsabile dell'innesco della miscela di aria e carburante.
La qualità di tale innesco influisce su molti fattori importantissimi per la marcia del veicolo e per l'ambiente tra cui: silenziosità, prestazioni, efficienza del motore ed emissione di sostanze nocive.
Se si pensa che la scintilla scocca tra le 500 e le 3500 volte al minuto, si intuisce quanto sia difficile il compito della candela e quanto sia essenziale il contributo di una moderna tecnologia ai fini del rispetto delle attuali norme antinquinamento e della riduzione dei consumi di carburante.
![[Translate to Italy:] The igniting spark](/fileadmin/zuendkerze.png)
Funzionamento del motore a benzina
Nei motori a benzina l'aria viene aspirata e miscelata con la benzina grazie all'ausilio del carburatore o dell'iniettore; si crea così una miscela infiammabile che viene successivamente innescata dalla scintilla. Vi presentiamo in modo schematico il funzionamento di un comune motore quattro tempi a benzina:
- Aspirazione: il pistone si muove verso il Punto Morto Inferiore. La miscela di aria e benzina fa il suo ingresso nel cilindro passando attraverso le valvole di aspirazione.
- Compressione: il pistone inverte il suo moto verso il Punto Morto Superiore sottoponendo la miscela combustibile ad una forte compressione. Quando il pistone è in prossimità del Punto Morto Superiore scocca la scintilla e si avvia la combustione.
- Espansione: la temperatura all'interno della camera di combustione aumenta fino a picchi locali di 2.600°C, la pressione sale fino a 120 bar. Il pistone viene spinto con una velocità fino a 20 metri al secondo in direzione del Punto Morto Inferiore.
- Scarico: s'inverte nuovamente il moto del pistone che nella sua corsa di risalita spinge i gas combusti attraverso le valvole di scarico.
![[Translate to Italy:] Function of a petrol engine](/fileadmin/ottomotor.png)
Installazione delle candele
La candela di accensione si avvita nella testa motore. Un'estremità della candela si affaccia in camera di combustione mentre l'estremità opposta rimane esterna al motore.
L'estremità esterna comprende il connettore di alta tensione. In base alla tecnologia del sistema di accensione impiegato si può collegare il cavo candela oppure, nei sistemi più moderni si connette direttamente la bobina di accensione.
Sull'estremità opposta della candela, direttamente affacciati in camera di combustione, alloggiano gli elettrodi tra i quali si scarica la scintilla di accensione....
- Collegamento elettrico
- Valvola di aspirazione
- Valvola di scarico
- Elettrodi
- Camera di combustione
- Pistone
![[Translate to Italy:] Installation point of the spark plug](/fileadmin/user_upload/einbauort-zuendkerze.png)
Sequenza di accensione
I sistemi di accensione meno recenti sono costituiti da una bobina che genera l'alta tensione necessaria per l'innesco della miscela di aria e carburante.
Un distributore di accensione meccanico distribuisce la tensione in sequenza alla candela opportuna esattamente nell'istante necessario per avviare la combustione.
L'alta tensione necessaria a generare la scintilla viene condotta alla candela attraverso la calotta del distributore e i cavi di accensione. Da qui giunge all'estremità dell'elettrodo centrale in camera di combustione e si scarica sull'elettrodo di massa generando la scinitlla responsabile dell'avvio della combustione.
I sistemi di accensione più recenti prevedono l'impiego di una bobina per candela (accensione elettronica); non si ricorre a distributori meccanici né a cavi di accensione AT.
![[Translate to Italy:] Ignition sequence](/fileadmin/user_upload/zuendfolge.png)
Struttura
Attacco
Il terminale della candela può essere di tipo ad ogiva in accordo alle normative SAE o, più semplicemente con filettatura da 4mm.
Al terminale può essere connesso il cavo AT o direttamente la bobina di accensione. In entrambi i casi, il terminale rappresenta un elemento di passaggio dell'alta tensione che deve arrivare fino agli elettrodi in camera di combustione.
Guarnizione anulare
La guarnizione anulare impedisce la fuoriuscita dei gas di combustione anche a pressioni elevate evitando le perdite di pressione. Interviene inoltre nel processo di scambio termico.
Elettrodo centrale
L'elettrodo centrale di una candela di accensione standard è realizzato in lega di nichel. Dall'estremità di questo elettrodo, la scintilla si scarica sull’elettrodo di massa. Gli elettrodi centrali di NGK hanno un'anima in rame che migliora la dissipazione del calore.
Isolatore
L'isolatore ceramico ha due funzioni: deve innanzitutto garantire l'isolamento elettrico impedendo che l'alta tensione si scarichi sulla massa del veicolo; gioca un ruolo importante nel trasferimento del calore di combustione dalla candela verso la testa motore.
Guarnizioni interne
Le guarnizioni interne sono posizionate fra corpo metallico ed isolatore ceramico. Tra la guarnizione superiore e quella inferiore è interposta una polvere di talco; questa combinazione garantisce una chiusura ermetica che impedisce la fuoriuscita di gas presenti in camera di combustione.
Resistore
Per garantire la compatibilità elettromagnetica (CEM) e di conseguenza il corretto funzionamento dell'elettronica di bordo, all'interno della candela viene inserito un elemento in mastice vetroso con funzione di resistore.
Coste
Le coste sono delle scanalature appositamente create sull’isolatore esterno per impedire la scarica dell’alta tensione sulla massa del motore. Prolungano il percorso di una eventuale scarica aumentando così la resistenza elettrica. Questo stratagemma garantisce che la scarica arrivi fino all'elettrodo centrale senza ulteriori impedimenti.
Corpo metallico
Il corpo metallico delle candele gioca un ruolo importante nella dissipazione del calore di combustione. Nelle candele NGK la filettatura è sempre ottenuta grazie alla lavorazione di rullatura: rispetto alle classiche filettature per asportazione di truciolo, la rullatura presenta il vantaggio di smussare le creste dei filetti così da impedire il danneggiamento della sede candela nella testata.
Elettrodo di massa
L'elettrodo di massa di una candela di accensione standard è solitamente in lega di Nickel. Nel funzionamento normale rappresenta il polo opposto all'elettrodo centrale.
Requisiti
Il range ottimale di temperatura
Per lavorare in modo ottimale la temperatura di funzionamento delle candele deve essere compresa all’interno di uno specifico range.
Il limite inferiore di questo range è 450°C, la cosiddetta temperatura di autopulizia. A partire da questa soglia di temperatura, gli eventuali accumuli di residui carboniosi sulla punta dell'isolatore vengono completamente bruciati.
Se la temperatura d'esercizio resta costantemente al di sotto del valore minimo, i residui carboniosi si depositano sul naso isolatore e creano un percorso preferenziale per la scintilla a minore resistenza.
Il limite superiore del range ottimale è posto a 850°C temperatura oltre la quale l'isolatore si surriscalda a tal punto che la sua superficie potrebbe diventare fonte di accensioni incontrollate, le cosiddette preaccensioni. Tali combustioni anomale possono causare ingenti danni al motore.
Il grado termico
Ogni motore, in base al livello di prestazioni, è in grado di sviluppare una certa quantità di calore: i motori racing e i turbocompressi generano una temperatra di combustione maggiore rispetto a motori destinati ad applicazioni più tranquille.
La candela termicamente corretta per un dato motore dovrebbe cedere alla testata, durante il funzionamento una quantità appropriata di calore così da rimanere sempre nel range di temperatura ottimale.
Il grado termico è un indice che dà informazioni riguardanti la capacità della candela a disperdere il calore generato dalla combustionre. Per le candele NGK vale la seguente regola: più alto è il grado termico, maggiore è la capacità della candela a disperdere il calore (5 candela calda, 9 candela fredda).
Il grado termico è indicato nel codice identificativo di tutte le candele di accensione NGK.
Dissipazione del calore e flusso termico
La dissipazione del calore in una candela avviene per un buon 60% attraverso il corpo metallico, circa il 40% viene disperso dalla guarnizione anulare a contatto con la testata mentre la rimanente parte si disperde attraverso l'elettrodo centrale.
L'isolatore raccoglie il calore nella camera di combustione e lo conduce all'interno della candela. In tutti i punti in cui l'isolatore entra in contatto con il corpo metallico si verifica una cessione di calore.
Ampliando o riducendo questa superficie di contatto si può quindi definire la maggiore o minore quantità di calore dissipata dalla candela attraverso il corpo.
Nelle candele di accensione con un grado termico elevato, la superficie dell'isolatore nella camera di combustione (superficie evidenziata in rosso) è piccola, mentre nelle candele con grado termico termico basso l'estensione del naso isolatore è maggiormente ampia.
Requisiti specifici
Usura
Gli intervalli di sostituzione delle candele stabiliti dai costruttori di auto possono variare dai 30.000 ai 120.000 km.
Si tratta di un obiettivo ambizioso, poiché ogni scintilla di accensione, a livello microscopico, asporta una parte di materiale degli elettrodi. Per effetto di questa "erosione da scintilla", il fabbisogno di tensione di accensione aumenta con l'aumentare dell'erosione e della distanza fra gli elettrodi.
Per contrastare questo effetto negativo si possono impiegare più elettrodi di massa o elettrodi in materiali ad elevata resistenza all'usura. Accanto al platino, l'iridio rappresenta attualmente la variante più moderna e più resistente al fenomeno dell'erosione.
Combustioni efficienti ed emissioni ridotte
I motori moderni devono soddisfare norme antinquinamento sempre più severe. L'obiettivo più grande dei progettisti è quello di creare motori a sempre maggiore efficienza, con consumi sempre più ridotti e con sempre più ridotte emissioni inquinanti.
Ottimi risultati si sono ottenuti negli ultimi anni nella corsa all'abbattimento delle emissioni nocive e della CO2 in particolare..
In questa sfida grande importanza viene affidata alla capicità della candela di generare scintille sempre efficienti durante l'intera vita del motore.
Downsizing
Lo sviluppo dei motori odierni è dominato dalla strategia della riduzione della cilindrata con superiori livelli di potenza. Questa tendenza è conosciuta con il termine inglese di "downsizing", strategia che implica una riduzione dei consumi e, al tempo stesso, delle emissioni inquinanti.
Per erogare la potenza necessaria i motori sono spesso dotati di compressori volumetrici e/o turbocompressori.
Richiedono valvole di maggiore diametro e condotti di raffreddamento più grandi e maggiormente efficaci. Questi cambiamenti riducono lo spazio vitale della candela.
Per adeguarsi a questi cambiamenti anche le candele devono modificare le proprie dimensioni; in particolare il diametro della filettatura passa dai convenzionali 14 mm ai 12 mm mentre la lunghezza della filettatura aumenta dai 19 mm standard ai 26,5 mm.
L'attuale tendenza porta quindi a candele più snelle e compatte con una parete dell'isolatore notevolmente minore. Ciononostante, la capacità d'isolamento deve essere sempre garantita in vista delle maggiori prestazioni del motore.
Oggi:
- Diametro del pozzetto candela di grandi
- Isolatore ceramico
- Valvole di piccole dimensioni
- Esagono
- Filettatura
- Condotti di raffreddamento piccoli
Motori alimentati a gas
Sempre più motori vengono convertiti alla cosiddetta "alimentazione bifuel", vengono cioè modificati per essere in grado di funzionare a benzina e gas (GPL/metano).
Per la candela di accensione, questa bivalenza comporta condizioni di lavoro più severe. La combustione del gas, infatti, sviluppa un carico termico maggiore e vengono richieste maggiori capacità di dispersione di calore alla candela.
A causa delle differenti caratteristiche chimico-fisiche del gas rispetto alla benzina, la fase di attivazione della miscela gassosa è più difficoltosa e richiede una tensione di innesco superiore fino a circa 5000 Volt. L'intero sistema di accensione è quidi soggetto a maggiori sollecitazioni elettriche.
Tipologie di candela
Le candele di accensione si distinguono per la forma, il diametro, la lunghezza della filettatura, il numero e la forma degli elettrodi e i materiali utilizzati per questi ultimi. In questa pagina potete osservare i diversi tipi di candela attualmente più utilizzati.
Candele con più elettrodi di massa
Una strategia per aumentare la durata di una candela potrebbe consistere nel dotarla di più elettrodi di massa. In una candela di questo tipo, la scintilla si scarica alternativamente su un elettrodo di massa diverso. In questo modo l'usura viene ripartita su un massimo di quattro elettrodi di massa, con un benefico effetto sulla durata.
Candele all'iridio
Le candele all'iridio di NGK rappresentano ad oggi la soluzione tecnica più avanzata. Queste candele dispongono di un elettrodo centrale con riporto in lega di iridio fissato con una speciale saldatura al laser.
L'iridio è un metallo pregiato, caratterizzato da una durezza estrememente elevata. Il suo punto di fusione è superiore ai 2.450°C ed è molto resistente all'erosione da scintilla. Grazie all'impiego di questo materiale, la durata delle candele potrebbe raddoppiare rispetto alla durata delle candele in materiali standard.
Tipicamente gli elettrodi con riporto all'iridio sono molto sottili ed hanno un diametro di circa 0,6 mm. Questa caratteristica gioca un ruolo fondamentale nella riduzione della tensione di innesco e contribuisce a migliorare l'accendibilità della candela velocizzando la propagazione del fronte della fiamma in camera di combustione. Notevoli effetti si hanno anche dal punto di vista della resistenza all'imbrattamento. In presenza di gap supplementare, nel gap anulare tra elettrodo centrale e isolatore si verificano scariche elettriche che eliminano eventuali tracce di depositi carboniosi.
Candele al platino
In queste candele, sull'elettrodo centrale è presente un riporto di platino che garantisce una performance più costante della candela per l'intera vita utile anche in condizioni particolarmente gravose.
Grazie all'elettrodo centrale sottile la tensione richiesta per l'accensione è ridotta sgravando la sollecitazione delle bobine e dell'impianto di accensione e garantisce una combustione ottimale.
Candele con intaglio a V nell'elettrodo centrale
L'elettrodo centrale di questa candela è caratterizzato da un intaglio a V. La scintilla tende a scaricarsi sul lato esterno dell'elettrodo centrale di conseguenza in un'area ove è più facile avviare la combustione.
Candele con gap supplementare
Queste candele sono state appositamente sviluppate per limitare o ridurre il fenomeno dell'imbrattamento da depositi carboniosi.
Sono dotate di una protuberanza del corpo metallico che si estende verso l'isolatore creando un vero e proprio gap supplementare. Alle temperature elevate i residui carboniosi che si depositano sul naso isolatore sono ottimi conduttori; la scintilla tende a scorrere sulla ceramica andando a scaricarsi in una zona a basso costo energetico ma sfavorevole all'avvio della combustione. Il gap supplemetare crea un percorso alternativo alla scintilla che non dovrebbe pregiudicare l'avvio della combustione.
Non appena la temperatura di esercizio della candela raggiunge e supera la temperatura di autopulizia i depositi si bruciano e la scintilla torna a scaricarsi nel gap corretto tra elettrodo centrale ed elettrodo di massa.
Candele a scarica semi-superficiale
La tecnologia delle candele a scarica semi-superficiale è stata appositamente studiata per far si che in presenza di depositi carboniosi sull'isolatore, si possa garantire un avviamento a freddo affidabile e si possa avere una pulizia dell'isolatore anche al di sotto della temperatura di 450°C. A tale scopo dispongono di almeno due elettrodi di massa disposti lateralmente. Se l'isolatore è pulito, la scintilla si scarica sempre dalla punta dell'elettrodo centrale verso l'estremità superiore di uno degli elettrodi di massa.
Quando l'isolatore è imbrattato, i depositi, che sono ottimi conduttori, creano un percorso preferenziale e a basso contenuto energetico per la scintilla che tende a scaricarsi alla base dell'elettrodo.
Grazie a questo stratagemma è ancora possibile innescare la miscela di aria e carburante. Inoltre, ogni scintilla che scorre sull'isolatore pulisce la superficie dai depositi carboniosi. Quando l'isolatore è stato completamente ripulito la scintilla torna a scaricarsi nella posizione corretta.
Candele ibride
Anche la tecnologia delle candele ibride è stata sviluppata per diminuire la tendenza all''imbrattamento da depositi carboniosi; queste candele combinano le caratteristiche costruttive delle candele al platino e di quelle a scarica semi-superficiale. Dispongono di un elettrodo di massa dalla geometria standard e di due elettrodi di massa laterali più piccoli.
L'elettrodo centrale in platino riduce la tensione richiesta per far scoccare la scintilla e garantisce una propagazione ottimale del fronte di fiamma. Grazie alle proprietà antiusura del platino, il gap tra gli elettrodi rimane grossomodo costante per l'intera vita utile della candela. La tecnologia a scarica semi-superficiale, in caso di imbrattamento, assicura un avviamento a freddo ottimale e garantisce la rimozione dei depositi carboniosi anche al di sotto della temperatura di autopulizia.
Candele Racing
Le candele di accensione destinate ai motore da competizione devono resistere a sollecitazioni particolarmente intense.
Durante l'esecuzione di gare di velocità in circuito spesso i motori superano i 15.000 giri al minuto. Temperatura, pressione, vibrazioni e flussi nella camera di combustione raggiungono picchi estremamente elevati tali per cui un comune elettrodo di massa potrebbe rompersi o fondersi.
Per questo motivo le candele Racing vengono generalmente progettate con un elettrodo di massa di forma anulare; la scintilla si scarica dall'elettrodo centrale verso la superficie interna del corpo metallico.
Candele GPL/metano
Le candele di accensione LPG Laser Line sono dotate di elettrodo centrale in lega di Iridio con diametro di 0,6 mm ed elettrodo di massa con riporto in lega di Platino.
Sono sviluppate appositamente per l'impiego nei motori alimentati a gas. I materiali nobili impiegati per questa tecnologia costruttiva sono estremamente resistenti al fenomeno dell'erosione da scintilla. L'elettrodo di massa è dotato di un'anima in rame che garantisce una dissipazione ottimale del calore; il corpo metallico della candela è ricoperto da uno speciale rivestimento in lega di nichel utile a proteggere la candela dalla corrosione del gas.
Il gap fra gli elettrodi ed il ridotto diametro dell'elettrodo centrale sono caratteristiche che tendono a contenere le tensioni di innesco notoriamente elevate nei motori alimentati a gas, preservando l'integrità e la funzionalità della bobina e dell'impianto di accensione.
Candele in azione
Le candele di accensione si distinguono per la forma, il diametro, la lunghezza della filettatura, il numero e la forma degli elettrodi ed i materiali utilizzati per questi ultimi.
In questa sezione è possibile osservare le tipologie di candele attualmente più utilizzate.
Candele con elettrodo centrale con intaglio a V
L'elettrodo centrale di questa candela è dotato di uno speciale intaglio a V, di conseguenza, la scintilla si scaricherà a massa dell'estremità a minor costo energetico. La posizione della scintilla è molto periferica sull'elettrodo centrale in posizione più favorevole quindi per innescare la combustione.
Candele con gap supplementare
Le candele con gap supplementare sono dotate di una protuberanza del corpo metallico situato in prossimità dell'isolatore in grado di creare un vero e propio gap supplementare nella candela.
I depositi carboniosi tipici di una candela imbrattata, alle alte temperature risultano dei buoni conduttori di corrente. La scintilla, durante il suo percorso trova quindi una via preferenziale lungo la superficie del naso isolatore scaricandosi a massa in una zona assolutamente sfavorevole per l’avvio della combustione.
Grazie alla presenza del gap supplementare la scintilla tende a scaricarsi a massa in una zona ancora favorevole per avviare la combustione. Durante il suo percorso alternativo sul naso isolatore la scintilla brucia i depositi carboniosi ripulendo il naso isolatore. Una volta ripristinate le condizioni iniziali della candela la scintilla torna a scaricarsi sull’elettrodo di massa.
Candele multielettrodo
La presenza di più elettrodi di massa (fino a 4) è utile per aumentare la vita utile della candela. La scintilla si scarica alternativamente sull'elettrodo di massa più vicino a minore richiesta energetica distribuendo l'usura su tutti gli elettrodi di massa disponibili.
Montaggio
La corretta coppia di serraggio
Per assemblare a regola d'arte una candela di accensione è necessario ricorrere all'utilizzo di una chiave dinamometrica. Persino per i meccanici professionisti, infatti, è praticamente impossibile valutare "a sensazione" la coppia di serraggio.
La coppia di serraggio è data dal prodotto tra la forza applicata alla chiave candela e la lunghezza del braccio della stessa chiave.
Sovente un guasto alla candela di accensione può essere riconducibile ad una coppia di serraggio errata.
Se la coppia è bassa potrebbero verificarsi perdite di compressione e surriscaldamenti. Si può anche ipotizzare una rottura dell'isolatore o dell'elettrodo centrale a seguito delle elevate vibrazioni.
Se la coppia di serraggio è troppo elevata, potrebbe verificarsi una rottura per torsione del corpo metallico e potrebbe compromettersi la capacità di trasmissione del calore della candela con possibile fenomeno di surriscaldamento e fusione degli elettrodi. In questo caso, le possibili conseguenze sul motore sono ben immaginabili.
Panoramica delle coppie di serraggio
La coppia di serraggio da applicare dipende dal diametro della filettatura della candela, dal materiale della testata e dalla differenza tra la sede piatta (con anello di tenuta) e quella conica.
Video di installazione
Take a look over the shoulder of an NGK SPARK PLUG professional.
You will see that by paying attention to all the important steps in the procedure, the installation of spark plugs can be performed quickly and safely.
Diagnosi
Aspetto della candela dopo l'utilizzo
Aspetto normale
Questo è l'aspetto di una candela di accensione che ha raggiunto la condizione di fine vita utile senza particolari inconvenineti. La colorazione nocciola dell'isolatore e degli elettrodi è sintomo di una corretta applicazione ed utilizzo.
Candela con depositi carboniosi
Qui è visibile una candela con elevato accumulo di depositi sugli elettrodi. Questi possono essere dovuti all'impiego di carburanti di scarsa qualità, forte consumo di olio nei motori con elevati problemi di usura o da combustione del liquido refrigerante in caso di danni alla testata; i depositi sugli elettrodi sono spesso fonte di preaccensioni .
Rottura dell'isolatore
La rottura dell'isolatore (visibile nelle immagini) può essere dovuta ad una non corretta procedura di installazione della candela; potrebbe anche essere conseguenza della caduta della candela in seguito ad un non corretto maneggiamento.
Fusione
In questa candela l'elettrodo centrale e l'elettrodo di massa sono fusi a causa di un problema di surriscaldamento.
La causa potrebbe risiedere in un'errata scelta del grado termico della candela o in un difetto di funzionamento del motore (detonazione o preaccensione).
Candela imbrattata
L'immagine mostra una candela imbrattata da depositi carboniosi a causa di un utilizzo al di sotto della temperatura di autopulizia (450°C). Tipicamente questo risultato si ottiene in condizioni di guida prolungata a bassi regimi o con un errato grado termico.
