Mentre l'industria automobilistica ha raggiunto un drastico progresso meccanico e tecnologico nel corso della storia, c'è un componente che tutte le auto con motori a combustione hanno in comune:il sistema di accensione. Se prendi sul serio il tuo prezioso veicolo, sapendo come funzionano i diversi tipi di sistema di accensione lavoro e i loro vantaggi e svantaggi è utile nella scelta della candela giusta che funziona in modo più efficace date le esigenze di prestazione del sistema di accensione.
Sebbene quasi tutti i componenti principali di un'auto abbiano subito miglioramenti nel corso degli anni, i principi di base del sistema di accensione non sono cambiati in quasi un secolo. In sostanza, prende la tensione elettrica dalla batteria, la converte in una tensione molto più alta, quindi trasferisce questa corrente elettrica alla camera di combustione del motore e accende la miscela compressa di carburante e aria per creare una combustione. Questa combustione genera l'energia necessaria per far funzionare la tua auto.
Detto questo, il metodo con cui viene creata e distribuita la scintilla è notevolmente migliorato grazie ai progressi tecnologici. Attualmente, ci sono quattro tipi di sistemi di accensione utilizzati nella maggior parte delle auto e dei camion, per ordine di invenzione:accensioni convenzionali a punto di rottura (meccaniche), accensioni ad alta energia (elettroniche), accensione senza distributore (scintilla di scarto) e bobina su candele di accensione. Le accensioni a punto di rottura (meccaniche) e le accensioni ad alta energia (elettroniche) sono entrambe accensioni basate sul distributore, quindi un altro modo per classificare è in tre tipi più ampi di sistema di accensione:sistemi basati su distributore, senza distributore e bobina su candela.
In questa guida completa, analizzeremo il funzionamento di ciascun sistema, nonché i vantaggi e gli svantaggi che ne derivano, per quanto riguarda ciò che significa per le prestazioni del tuo motore e i requisiti di manutenzione.
Quando inserisci la chiave nell'accensione e giri del veicolo, il motore si avvia e continua a funzionare. Vi siete mai chiesti quale sia l'intero processo che avviene dietro un'azione così semplice?
Torniamo al motore 101:il tuo motore produce potenza per far funzionare la tua auto creando una combustione, o esplosione, all'interno della sua camera di combustione, da cui il nome "motore a combustione interna". Per generare tale combustione, il sistema di accensione svolge un ruolo importante:le candele forniscono la scintilla elettrica che accende la miscela di aria e carburante che viene immessa nella camera di combustione.
Affinché il sistema di accensione funzioni correttamente, deve essere in grado di svolgere due compiti in modo efficace e preciso allo stesso tempo.
Il primo compito è creare una forte scintilla che possa saltare attraverso lo spazio tra la candela. In altre parole, il sistema di accensione deve aumentare la tensione dai 12 volt della batteria ad almeno 20.000 volt, necessari per accendere l'aria compressa e la miscela di carburante nella camera di combustione per creare un'esplosione generatrice di energia.
Per ottenere un aumento di tensione così grande, i sistemi di accensione di tutte le auto, ad eccezione dei modelli diesel, utilizzano una bobina di accensione composta da due bobine di filo avvolte attorno a un nucleo di ferro, noto come avvolgimento primario e avvolgimento secondario. La bobina di accensione funge da trasformatore di alimentazione elettrica.
L'obiettivo della bobina di accensione è creare un elettromagnete facendo passare i 12 volt forniti dalla batteria attraverso l'avvolgimento primario. Quando l'interruttore di attivazione del sistema di accensione del veicolo interrompe l'alimentazione alla bobina di accensione, il campo magnetico diminuisce. In questo modo, l'avvolgimento secondario cattura il campo magnetico che collassa dall'avvolgimento primario e lo converte in 15.000 a 25.000 volt.
Quindi fornisce questa tensione alla candela, creando così una combustione nella camera di combustione del motore, creando così l'energia per avviare e far funzionare il motore del tuo veicolo. Affinché si verifichi la scintilla necessaria, la tensione convertita fornita alla candela deve essere compresa tra 20.000 e 50.000 volt.
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Allo stesso tempo, l'altro ruolo importante del sistema di accensione è quello di garantire che la scintilla debba accendersi al momento giusto durante la corsa di compressione per massimizzare la potenza generata dall'aria accesa e dalla miscela di carburante. In altre parole, la tensione sufficiente deve essere fornita al cilindro corretto al momento preciso e questo deve essere fatto frequentemente.
Tutti i componenti per lavorare in modo preciso e armonioso affinché il tuo motore ottenga prestazioni ottimali. Anche il minimo errore di fasatura in una singola parte comporterà problemi di prestazioni del motore e, se prolungato, potrebbe persino causare danni permanenti.
Il sistema di accensione deve fornire una scintilla sufficiente al cilindro destro. Al fine di garantire un'accurata fasatura della scintilla, gli ingegneri hanno utilizzato diversi metodi, che si sono evoluti nel corso degli anni.
I primi sistemi di accensione utilizzavano distributori completamente meccanici per controllare la fasatura della scintilla, seguiti da distributori ibridi dotati di interruttori a stato solido e il modulo di controllo del motore (ECM), essenzialmente un tipo di computer a processo semplice, per distribuire l'energia elettrica a ogni singolo cilindro .
Ciò che venne dopo per contrastare gli svantaggi di questi primi distributori furono i sistemi di accensione elettronica al 100%, il primo dei quali era un sistema di accensione senza distributore, in cui il distributore fu eliminato del tutto.
L'ultima invenzione, i sistemi di accensione coil-on-plug, è stata in grado di migliorare significativamente la fasatura della scintilla utilizzando bobine di accensione migliorate che racchiudono un wallop molto più grande e generano una scintilla molto più calda.
Quando il motore è in funzione, fa funzionare anche l'alternatore che genera elettricità per ricaricare la batteria. La batteria della tua auto immagazzina elettricità e la dissipa sotto forma di corrente continua.
La batteria fornisce dodici volt di corrente continua. Tuttavia, per ottenere una scintilla per la combustione, è necessario che ci siano tra 20.000 e 50.000 volt alla candela. Per consentire un aumento di tensione così notevole, è necessaria la bobina di accensione.
Bobina di accensione
La bobina di accensione funge da trasformatore di alimentazione elettrica. I primi sistemi di accensione meccanica si basano su una bobina per convertire la bassa tensione della batteria nell'alta tensione necessaria per le candele.
La trasformazione elettrica della bobina di accensione funziona secondo un principio chiamato induzione magnetica. In un trasformatore tradizionale, la bobina primaria riceve energia, cioè corrente continua dalle batterie. Tuttavia, questa carica attraverso la bobina primaria viene periodicamente interrotta. Questa interruzione è causata dal distributore nei primi sistemi di accensione basati sul distributore e da un computer per ottenere tempi più precisi nei sistemi di accensione successivi. Il lavoro del distributore sarà discusso più avanti.
La tensione nella bobina primaria produce un campo magnetico. L'interruzione periodica della corrente che riceve la bobina primaria provoca il costante collasso del campo magnetico prodotto dalla bobina primaria. Movimenti così grandi del campo magnetico della bobina primaria fanno sì che la bobina secondaria crei un'esplosione di energia ad alta tensione alla volta.
Quanto è alta la tensione creata dalla bobina secondaria dipende dal rapporto tra il numero di spire nella bobina primaria e il numero di spire nella bobina secondaria. Se la bobina secondaria ha il doppio delle spire della bobina primaria, la tensione di uscita sarà il doppio della tensione di ingresso. Pertanto, per aumentare la tensione da 12 volt ad almeno 20.000 volt di cui hanno bisogno le candele, nella bobina di accensione di un'auto, la bobina secondaria ha decine di migliaia di volte più giri della bobina primaria.
Ecco come il distributore crea le suddette cariche periodiche discrete fornite alla bobina di accensione primaria. Il distributore contiene un "punto interruttore" che mette a terra il circuito della bobina primaria. Questo punto è collegato a terra da una leva. La leva è mossa da una camma collegata all'albero del distributore. Ciò apre il circuito della bobina primaria e provoca il collasso che innesca i burst di alta tensione nella bobina secondaria.
Inoltre, mentre la batteria e la bobina di accensione forniscono l'alimentazione, il distributore svolge un lavoro importante, quello di determinare con precisione dove e quando l'alimentazione va a ciascuna candela.
Il distributore contiene molte parti, le più importanti delle quali includono un rotore che gira a tempo con il motore e una serie di "contatti" montati sul cappuccio del distributore. La corrente elettrica dalla bobina di accensione viene fornita al rotore. Il rotore gira e quando l'estremità del rotore si avvicina a uno dei contatti, l'elettricità genera un arco su quel contatto. Da lì, la potenza viaggia lungo un filo della candela fino alla candela associata, sincronizzando così la carica a ciascuna candela.
I cavi delle candele, detti anche cavi di accensione, sono cavi isolati che portano l'alimentazione alle candele in modo che le candele possano finalmente creare la scintilla che provoca la combustione.
La candela è costituita da un corpo in ceramica isolato con un nucleo centrale in metallo conduttivo al centro. C'è uno spazio tra questo nucleo centrale di metallo e la punta dell'elettrodo che si collega alla base metallica della candela. L'elettricità si inarca o salta attraverso quella fessura, provocando la scintilla.
Il punto è che senza il sistema di accensione che funziona correttamente e con precisione, la tua auto potrebbe avere problemi ad avviarsi o potrebbe non funzionare affatto.
Candele usurate e componenti difettosi nel sistema di accensione influiranno sulle prestazioni del motore, creando un'ampia gamma di problemi al motore tra cui avviamenti difficili, mancate accensioni, mancanza di potenza, scarso consumo di carburante e persino danni permanenti se i problemi non vengono risolti in tempo. Tieni inoltre presente che questi problemi al motore causati da sistemi di accensione difettosi possono danneggiare altri componenti critici del tuo veicolo.
Pertanto, una manutenzione regolare del sistema di accensione è essenziale per garantire le prestazioni ottimali del motore e quindi una guida regolare e sicura. Allora quanto è regolare? Almeno una volta all'anno, è necessario eseguire un'ispezione visiva dei componenti del sistema di accensione per verificare la presenza di segni di usura o guasti, quindi sostituirli immediatamente se necessario.
Per quanto riguarda le candele, assicurati di ispezionarle e sostituirle all'intervallo consigliato dal produttore del tuo veicolo. Anche in questo caso, data l'importanza del sistema di accensione, la manutenzione preventiva è fondamentale per massimizzare le prestazioni e la durata del tuo motore.
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Il tipo più antico di sistema di accensione è il sistema di accensione a punto di rottura convenzionale, che a volte viene anche chiamato sistemi di accensione meccanica. È stato utilizzato sin dai primi giorni dell'industria automobilistica, in particolare negli anni '70.
È uno dei due tipi di sistemi di accensione che utilizzano un distributore, chiamati sistemi basati su distributore. A differenza degli altri tre tipi di sistemi di accensione discussi più avanti, il sistema di accensione a punto di rottura è di natura completamente meccanica, da cui il suo secondo nome.
Impariamo come funzionano, quindi su questa base vedremo i pro e i contro risultanti di questo tipo di sistema di accensione. Ci addentreremo in maggiori dettagli in questa sezione, poiché il sistema meccanico a punto di rottura è la prima invenzione, quindi è la base per tutti i modelli successivi. Dovresti avere una solida comprensione di come funziona questo sistema, per vedere i pro ei contro dei successivi sistemi migliorati.
I primi due tipi di sistema di accensione, sistema breaker-point e sistema elettronico, sono entrambi basati sul distributore, in contrasto con gli altri due sistemi senza distributore. Quindi, impariamo le basi di come funziona un sistema basato su distributore.
Un distributore è un albero rotante chiuso che ha un'accensione temporizzata meccanicamente. Il compito principale del distributore è di instradare la corrente secondaria, o ad alta tensione, dalla bobina di accensione alle candele nell'ordine di accensione corretto e per il tempo corretto.
Nel distributore completamente meccanico, il distributore si collega all'albero a camme con ingranaggi e viene fatto girare dall'albero a camme. All'interno, la camma a più lati sull'albero del distributore muove altre parti del distributore, agendo essenzialmente come un interruttore meccanico che avvia e interrompe il flusso di potenza alla bobina di accensione.
Una volta che la bobina genera una tensione sufficiente, viaggia verso la parte superiore della bobina e nella parte superiore del cappuccio del distributore. Lì, un disco rotante attaccato all'albero del distributore distribuisce la corrente elettrica a ciascuno dei fili della candela in ordine. La corrente viaggia lungo i cavi delle candele fino alle candele e provoca l'accensione.
Un sistema di accensione a interruttore basato su distributore ha due circuiti elettrici, il circuito primario e quello secondario.
Una bobina di accensione è costituita da due bobine di filo avvolte attorno a un nucleo di ferro, noto come avvolgimento primario o bobina primaria e avvolgimento secondario o bobina secondaria. Il circuito primario è costituito dalla bobina primaria, dal "punto di interruzione" e dalle batterie dell'auto. Funziona solo con la bassa corrente della batteria ed è controllato dai punti di interruzione e dall'interruttore di accensione.
Nel frattempo, il circuito secondario è costituito dagli avvolgimenti secondari nella bobina, dal cavo della bobina ad alta tensione sui distributori esterni della bobina, dalle candele, dai cavi delle candele, dal rotore del distributore e dal cappuccio del distributore.
Quando la chiave di accensione è inserita, la bobina primaria riceve corrente continua a bassa tensione dalle batterie, che scorre attraverso i punti di interruzione del distributore e torna alla batteria. Questo flusso di corrente forma un campo magnetico attorno alla bobina di accensione.
Ora ecco come entra in gioco il "punto di rottura".
Come accennato in precedenza, il distributore contiene un "punto di interruzione" che mette a terra il circuito della bobina primaria. Questo punto di rottura è collegato a terra da una leva, che viene mossa da una camma collegata all'albero del distributore.
Grazie al rotore del distributore che ruota a tempo con il motore, mentre il motore gira, la camma dell'albero del distributore gira fino a quando il punto più alto della camma provoca la separazione dei punti di rottura. Immediatamente, questa improvvisa separazione interrompe il flusso di corrente attraverso la bobina primaria.
Ciò provoca il collasso del campo magnetico prodotto dalla bobina primaria attorno alla bobina. Il condensatore assorbe l'energia e previene la formazione di archi elettrici tra i punti dell'interruttore ogni volta che si separano. Quindi, in altre parole, il condensatore gioca un ruolo nel rapido collasso del campo magnetico, necessario per creare un'alta tensione nella bobina secondaria.
Tali cambiamenti improvvisi e continui nel campo magnetico della bobina primaria tagliano la bobina secondaria, creando un'alta tensione sufficientemente alta da far saltare gli spazi tra il rotore e i terminali del cappuccio del distributore e gli spazi tra gli elettrodi della candela . Supponendo che l'intero sistema sia opportunamente fasato, la scintilla raggiunge la miscela aria-carburante nel cilindro designato nel momento esatto e si genera una combustione in quel cilindro.
Poiché il distributore continua a ruotare a tempo con il motore, i contatti elettrici tra il rotore e il terminale del cappuccio del distributore vengono interrotti, interrompendo il flusso di corrente alla bobina secondaria. Allo stesso tempo, i punti dell'interruttore si richiudono, completando il circuito primario, consentendo alla corrente di fluire nuovamente attraverso la bobina primaria.
Questa corrente creerà nuovamente un campo magnetico attorno alla bobina primaria, che verrà fatta collassare nuovamente, e il ciclo verrà ripetuto per il cilindro successivo nell'ordine di accensione. Va notato che nei sistemi a punto di rottura e nei successivi sistemi elettronici, un'unica bobina, composta da un avvolgimento primario e un avvolgimento secondario, alimenta tutti i cilindri.
L'intero processo di "induzione magnetica" avviene circa 18.000 volte al minuto a 90 miglia orarie.
Pro
Cons
After the fully mechanical breaker-point ignition systems had been around for more than 70 years, the automotive industry was facing the demand for higher mileage, greater reliability and reduced emissions. Manufacturers came up with a high energy ignition system that relied less on mechanical workings:the electronic ignition system.
The breaker points in earlier systems would break down and mess up spark timing, negatively affecting the engine’s performance and would require replacement as often as every 12,000 miles.
To deal with this shortcoming, the later electronic ignition system still has a distributor, but the breaker points and the condenser have been replaced with a pickup coil that acts as a transistorized switch, and an electronic control module that controls the ignition coil to generate high-voltage current.
Compared to the earlier breaker-point ignition system, the use of such an electronic switch for controlled timing means there are fewer moving parts, making these electronic ignition systems relatively easy to diagnose and repair. They also improve upon the disadvantage of the breaker-point system by creating a consistent, high voltage spark throughout the life of the engine, meaning fewer engine misfires and reasonable emissions.
These electronic systems still use a conventional distributor cap and distributor rotor to perform the same job of distributing current to the spark plugs (thus they are also distributor-based ignition systems).
Despite having fewer moving parts, the distributor is also exposed to wear and tear and will eventually require replacement — which prompted further improvements in later ignition systems in this regard. Another limitation of electronic ignition systems is that the ignition timing is yet to be precisely controlled as manufacturers desired, resulting in sluggish acceleration and poor fuel efficiency.
Like early breaker-point ignition systems, electronic systems have two ignition coils and accordingly two circuits, a primary circuit and a secondary circuit. The part of the primary circuit from the battery to the battery terminal at the primary coil stays unchanged, as well as the entire secondary circuit.
When the ignition switch is turned on, battery low-voltage current runs from the battery through the ignition switch to the primary coil. Instead of the breaker points in earlier systems, the current is disrupted and turned back on continuously by a component called the armature, which has many “teeth”, as it revolves past the pickup coil, which acts as a sensor.
As each tooth of the armature approaches the pickup coil, it creates a voltage that signals the electronic module to turn off current flow through the primary coil. In essence, this mechanism is quite similar to that in breaker-point systems.
When the current is disrupted, the magnetic field around the primary coil collapses, creating a high voltage spurt in the secondary coil. The electric current now operates on the secondary circuit, which is the same as in a breaker-point system. A timing circuit in the electronic module will turn the current on again after the primary coil’s magnetic field has collapsed, and the whole process repeats for each cylinder in the firing sequence.
Pros:
Cons:
A shortcoming of the electronic ignition systems is that they still have the distributor, which is subject to wear and tear. In addition, the distributor tends to accumulate moisture and cause difficult starting problems. The distributor also requires engine power to spin, as it gets spun in time with the engine, thus no distributor means less engine drag and increased efficiency.
Manufacturers came up with a solution:to remove the fully mechanical distributor and replace it with solid-state switches that don’t wear out.
Doing so increased reliability, but the solid-state switches still took their marching orders from the distributor shaft, which was still mechanically rotated by the camshaft. And distributor shafts are subject to wear and tear, and would tend to develop problems after some 120,000 miles.
Any wear and tear always impedes proper spark timing, thus beginning in the early ’80s, manufacturers removed the mechanical distributor altogether to introduce the distributor-less ignition system. These systems are very different from breaker-point and electronic ignition systems, The ignition coils now sit directly on top of the spark plugs, spark plug wires are eliminated, and the system is fully electronic.
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The third types of ignition system is the distributor-less, also called waste spark ignition system. Instead of a conventional trouble-breeding distributor, this system uses multiple ignition coils:one coil per cylinder or one for each pair of cylinders.
Without the distributor to “distribute” electric current to the spark plugs, the spark plugs are fired directly from the coils. Spark plug timing is controlled by an electronic ignition module and the engine computer.
This system uses engine sensors to determine crankshaft position and camshaft position. These sensors continually monitor the positions of both shafts and deliver that information to the engine computer.
The Crankshaft Position Sensor is mounted at the front of the crankshaft, or near the flywheel on some vehicles, and the Camshaft Position Sensor is mounted near the end of the camshaft.
Based on the two shafts’ position, the electronic ignition module triggers the appropriate ignition coil, which directly fires the associated spark plugs. This system also uses a “waste spark” for one of the paired cylinders, pairing two pistons that will be at the top dead center at the same time: one at the end of its compression stroke, and the other at the end of its exhaust stroke.
Another major difference compared to its predecessor is that while earlier systems uses a single coil, which consists of a primary winding and a secondary winding, to power all the cylinders in a particular order, distributor-less ignition systems employ a different coil setup. It uses multiple ignition coil packs, each generating spark for just two cylinders, which means each coil can be turned on for longer.
Therefore, this soil setup is capable of developing a stronger magnetic field of up to 30,000 volts, as well as stronger, hotter spark required to ignite the typical leaner air-fuel mixtures of more modern vehicles.
Each of the spark plugs in these cylinders will fire at the same time using the high voltage from one coil. This allows for more precise ignition timing, thus higher engine efficiency and lower emissions.
Pros:
Cons:
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The coil-on-plug ignition system has all the advantageous electronic controls developed in the distributor-less systems. Also, like the distributor-less system, the coil-on-plug system places an ignition coil directly on the top of each spark plug to fire the spark plug directly, hence the name.
Because each spark plug now has its own dedicated coil that sits right on top for direct firing, high-voltage spark plug wires are completely removed. This increases the system’s efficiency, since spark plug wires introduce greater loss of amperage and voltage, as well as the possibility of contamination and cross-firing between cables if they become greasy or worn.
Another major improvement here is instead of two cylinders sharing a single coil, each coil now services just one cylinder. This means each coil can be “turned on” for twice as much longer to develop maximum magnetic field.
As a result, coil-on-plug ignition systems can generate between 40,000 and 50,000 volts, compared to up to 30,000 volts in distributor-less systems, and much hotter, stronger sparks to more efficiently burn the leaner air-fuel mixture, thereby maximizing engine’s efficiency.
Now there are no breaker points, distributors, condensers and spark plug wires. No moving parts means coil-on-plug ignition systems are less likely to break down, are more reliable and command less frequent repair.
On the downside, it should be noted that the lack of moving parts can make it more difficult to diagnose and more expensive to repair than a traditional system once there is indeed a problem, but as said, repairs are less frequent.
It should also be noted that the ignition coils are now sitting on top of the spark plugs, thus more exposed to damage by degreasers and water during under-hood engine cleaning, so be sure each is wrapped in plastic for protection before any cleaning begins.
The most sophisticated of all ignitions systems, this system controls spark timing using the Engine Control Unit, based on input from various sensors, to achieve the optimal precision, higher voltage, and stronger, hotter spark.
Similar to the distributor-less systems, coil-on-plug systems use engine sensors to know the shafts’ position. Based on this information, the Engine Control Unit triggers the appropriate ignition coil, which directly fires the associated spark plugs in the associated cylinder in the firing order.
Pros:
Cons:
Ignition systems will continue to improve with features that today are unimaginable as technology advancements lead to continued improvements. Even as they do, all the four types of ignition system are still easy to maintain and repair, and well-suited for the vehicles of their own era.
To learn more about important components in your precious vehicle and how they work, dive into our comprehensive maintenance tips articles.
