Come si Accende il Motore? La Storia Dimenticata della Candela e del Magnete

Il sistema di accensione è il sottosistema incaricato di infiammare la miscela aria-carburante nel cilindro del motore a combustione interna dopo che questa è stata compressa dal pistone; senza questo meccanismo che genera una scintilla controllata nella candela, il ciclo a quattro tempi non può completarsi. La linea che supera i 150 anni, dal motore di Étienne Lenoir del 1860 fino agli attuali sistemi coil-on-plug, è in realtà la storia della soluzione di un unico problema: produrre una scintilla al momento giusto, con tensione sufficiente, in modo affidabile.

Il motore nato con il problema della scintilla: Le prime candele e Lenoir

Il primo esempio di motore a pistoni a combustione interna portò con sé il problema dell'accensione prima ancora di nascere. Nel 1860 Étienne Lenoir usò una candela elettrica nel motore a gas che portava il suo nome, e generalmente a lui viene attribuita l'invenzione della candela. Il sistema era sorprendentemente simile a quello odierno nel principio: l'elettricità ad alta tensione scattava attraverso il traferro tra gli elettrodi della candela, producendo la scintilla. Il concetto di accensione a scintilla, con la candela, non è mai cambiato; il principio di funzionamento fondamentale è lo stesso da oltre 150 anni.

Sulla strada verso la maturità commerciale della candela emerge un secondo nome: Frederick Richard Simms. Simms era titolare del brevetto GB 24859/1898 relativo a un magnete per motori a combustione interna ed è ricordato come colui che inventò la prima candela ad alta tensione commercialmente praticabile. Non fu un caso che quello stesso anno iniziasse a collaborare con Bosch; affinché la candela funzionasse occorreva alle sue spalle una fonte di alta tensione affidabile, e quella fonte si sarebbe trovata nel magnete.

L'attribuzione dell'invenzione della candela è discussa ancora oggi. Sebbene Lenoir sia il nome generalmente accettato, esistono anche documenti secondo cui la candela elettrica sarebbe stata inventata da Oliver Lodge; viene citato anche il nome di Edmond Berger. Le origini dell'accensione a scarica capacitiva (CDI) risalgono agli anni 1890, ai lavori di Nikola Tesla. Come nella maggior parte dei campi della storia dell'ingegneria, anche qui è più corretto parlare di diversi contributi che si alimentano a vicenda, anziché di un unico nome.

L'era del magnete: scintilla senza batteria e l'ascesa di Bosch

Nei primi anni dell'automobile, l'impianto elettrico come lo intendiamo oggi era quasi inesistente; trasportare una batteria era pesante, costoso e inaffidabile. Il magnete colmò questo vuoto: poiché generava elettricità con la propria rotazione, forniva l'impulso di scintilla senza batteria. Robert Bosch produsse nel 1887 il primo dispositivo di accensione a magnete per motori fissi; Nel 1897 l'accensione a magnete iniziò a essere testata sui veicoli e la produzione di serie iniziò nel 1898. Da quel momento in poi, Bosch divenne di fatto l'unico produttore affidabile a fornire l'accensione a magnete per le automobili.

Il salto decisivo arrivò alla fine del 1901. Il direttore tecnico di Bosch, Gottlob Honold, sviluppò negli stabilimenti di Stoccarda il primo magnete ad alta tensione del mondo e la relativa candela di accensione. Questa coppia eliminò la necessità della batteria per l'automobile e rese le candele di accensione realmente pratiche. Intorno al 1902 Bosch introdusse un magnete a doppia bobina con candela fissa e interruttore di contatto esterno al cilindro. Negli anni precedenti al 1914 il magnete Bosch era determinante sul mercato; anche le pubblicazioni scientifiche dell'epoca affrontavano in dettaglio le discussioni sulla preferenza tra magnete e accensione a bobina.

Il magnete ad alta tensione è definito come una combinazione magnete-trasformatore che invia impulsi ad alta tensione alla candela di accensione. Oggi viene utilizzato principalmente nei motori senza batteria - rasaerba, motoseghe - e ancora nei moderni aerei a pistone. Il fatto che una tecnologia sia stata ritirata dall'automobile ma sia rimasta uno standard nell'aviazione è una buona indicazione di quanto solide siano le sue fondamenta.

Le bobine trembler: la scelta della Model T e di Benz

Il magnete non era l'unica strada. La Benz Patent-Motorwagen del 1886 e la Ford Model T del 1908 utilizzavano un sistema chiamato trembler coil. In questo schema, la bobina veniva alimentata con corrente interrotta da un meccanismo di interruzione del contatto, producendo una scintilla vibrante e discontinua. Nella Model T ogni cilindro dei quattro aveva una propria bobina trembler; era una soluzione semplice, di facile riparazione e in grado di funzionare a batteria. Osservando i veicoli dell'epoca si notano due principali correnti di pensiero: il campo del magnete senza batteria e il campo della bobina trembler. La risposta alla domanda su quale dei due vinse si chiarì con lo sviluppo presentato nella sezione successiva.

Il sistema Kettering: perché il distributore è bastato per mezzo secolo?

Charles F. Kettering sviluppò intorno al 1910 il sistema di accensione a batteria-bobina - lo schema noto come sistema Delco. Il sistema era composto da quattro componenti principali: la bobina di accensione, i contatti (breaker points), il condensatore e il distributore. Un'unica bobina elevava la bassa tensione ad alta tensione, e la tensione veniva indirizzata dal braccio rotante all'interno del distributore alla candela corretta. Il sistema fu introdotto per la prima volta nel 1912 sulle automobili Cadillac; sebbene le fonti indichino in modo diverso il 1910, il 1911 e il 1912 come anno di sviluppo, l'ingresso della Cadillac del 1912 è la cronologia più coerente e segnala anche il primo uso dei sistemi basati sul distributore nel 1912.

La ragione della vittoria del sistema Kettering non fu l'eleganza ingegneristica, ma il basso costo e la relativa semplicità. Queste due caratteristiche lo resero per lunghi anni il sistema di accensione primario dell'industria automobilistica. A partire dalla Cadillac Model Thirty del 1912, i gruppi distributore a punto rimasero il sistema primario nella maggior parte delle automobili fino alla meta degli anni '70.

Il limite del sistema era evidente fin dall'inizio. Il meccanismo meccanico poteva generare circa 10.000 volt nella candela; la flessibilità in condizioni di carico e di regime variabili era limitata. I contatti del ruptore erano soggetti a usura meccanica, ossidazione e bruciatura dovuta alla scFmta che si formava sulle superfici di contatto; richiedevano una messa a punto regolare e potevano produrre una scFmta inefficiente. In pratica il sistema funzionava, ma dal punto di vista ingegneristico il suo tetto era basso - e proprio questo tetto aprì la porta all'accensione elettronica.

Dai punti ai transistori: La transizione all'accensione elettronica

La transizione iniziò prima di quanto si pensi. Il primo tentativo di accensione elettronica fu testato da Delco-Remy nel 1948 come dispositivo a catodo freddo. Lucas introdusse l'accensione a transistor nel 1955 e questo sistema fu utilizzato nel 1962 sui motori di Formula 1 BRM e Coventry Climax - come sempre, la nuova tecnologia filtrò prima dalle piste da corsa. il percorso verso la produzione di serie procedette così:

• Nel 1963: Pontiac divenne il primo costruttore automobilistico a offrire l'accensione elettronica (Delcotronic) come opzione; lo stesso anno Hyland Electronics produsse il primo sistema di accensione capacitiva a scarica SCR interamente a stato solido sul piano commerciale.
• Nel 1964-65: Ford condusse test di flotta e iniziò a offrire l'accensione elettronica come opzione su alcuni modelli; sul fronte aftermarket entrarono sul mercato il Prest-O-Lite CD-65 (con garanzia di 50.000 miglia) e il Delta Mark 10.
• Nel 1967-68: Motorola introdusse il sistema CD senza ruptore; la Fiat Dino divenne la prima automobile di produzione di serie a arrivare di serie con l'accensione elettronica.
• Nel 1971-75: seguirono la Jaguar XJ Series 1 e poi la catena Chrysler, Ford e GM; il sistema HEI di GM fu introdotuito alla fine del 1974 su alcuni veicoli.

A metà degli anni 1970, quando i punti di contatto iniziarono a essere sostituiti con transistori, la tensione di accensione salì a circa 20 kV - il raddoppio del tetto di 10.000 volt del sistema Kettering. Il distributore visse ancora per un po'; continuò a svolgere il compito di distribuzione, ma il timing non era più determinato da pesi meccanici bensì da cervelli elettronici. I distributori furono ampiamente sostituiti da sistemi di accensione elettronici negli anni '80 e '90; il dispositivo controllato dal computer offriva un timing più preciso e una manutenzione molto ridotta.

La pensione del distributore: Coil-on-Plug e accensione diretta

La risoluzione della logica di distribuzione inizió a metà degli anni '80. GM iniziò a eliminare il distributore e la bobina singola, passando a pacchetti di bobine multiple in cui ciascuna alimentava solo due cilindri; in questo dispositivo la tensione poteva salire fino a 100.000 volt. La configurazione che gestiva due cilindri con una sola bobina, una delle quali nota come scFmta dispersa (wasted spark), divenne una delle prime forme pratiche di accensione senza distributore. Il sistema di Nissan denominato NDIS (Nissan Direct Ignition System) fu visto per la prima volta nel 1985 sui motori RB20DET NICS e CA18DE NICS.

Dagli anni 1990 in poi gli impianti coil-on-plug si diffusero: su ogni candela si trova direttamente una bobina, e i cavi ad alta tensione e il rotore del distributore scompaiono completamente. DENSO, sviluppando nel 1996 la prima bobina di accensione compatta a forma di stick del settore automobilistico, ha definito l'aspetto delle testate motore di oggi. Nel motore moderno invece la centralina (ECU) controlla con un unico dispositivo diverse funzioni del motore, tra cui l'accensione e l'iniezione del carburante - un'architettura esattamente opposta ai sistemi separati delle epoche precedenti. L'accensione non è più un sottosistema indipendente, ma un sottoinsieme della gestione del motore.

Dove si trova oggi il sistema di accensione? Limiti e dibattiti

Così come l'identità dell'inventore della candela, anche il dibattito tra contatti ed elettronica nel mondo delle auto classiche continua a mantenere la sua vitalità. Sul piano tecnico la questione è chiara: i contatti dell'accensione si usurano, richiedono messa a punto e possono produrre scintille inefficienti. In compenso tra i proprietari di auto d'epoca è diffusa l'opinione che "contatti ben curati non traggano alcun vantaggio da un normale accensione elettronica", e in pratica ci sono casi in cui è giustificata; è anche vero che il costo di riparazione dei componenti elettronici può essere più alto. Come la differenza tra le fonti sull'anno di sviluppo del sistema Kettering, anche qui la divergenza di opinioni nasce più dal contesto d'uso che dalla definizione della misurazione: l'uso quotidiano e l'originalità a livello di concours sono esigenze diverse.

Sul fronte del futuro, le valutazioni del 2013 prevedevano che l'accensione a scintilla e quella per compressione sarebbero rimaste dominanti ancora per un po'. I motori HCCI (accensione per compressione omogenea) possono funzionare a benzina e passare tra due modalità di accensione in base alle condizioni di guida, avvicinando l'efficienza ai livelli diesel; oggi questo resta però in gran parte un quadro teorico. Nel mercato delle auto classiche invece distributori moderni a microprocessore con Bluetooth come il 123ignition offrono affidabilità contemporanea mantenendo l'aspetto Kettering - l'estetica del passato riconciliata con l'elettronica di oggi.

Conclusione: La stessa scintilla, architetture che cambiano

La curva di 160 anni della tecnologia di accensione si racchiude in tre numeri: i 10.000 volt degli impianti Kettering, i 20.000 volt della transizione elettronica e i 100.000 volt del coil-on-plug. L'obiettivo non è mai cambiato; è cambiata l'architettura che genera e temporizza la scintilla, evoluta dal meccanico al digitale. Il percorso dal magnete al distributore, e dal distributore alla bobina per candela, è la versione in miniatura della storia generale dell'ingegneria automobilistica: meno parti che si usurano, più controllo, tensione più alta.

Fonti

• Ignition system
• Spark plug
• Ignition magneto
• 1886-1905: Dal primo laboratorio alla fabbrica
• Bosch Automotive - Una storia di prodotti
• Come il dispositivo di accensione a magnete di Bosch ha reso possibili le candele
• L'evoluzione dell'accensione
• DENSO evidenzia l'evoluzione della bobina di accensione
• Dai contatti alla precisione: un secolo di sistemi di accensione
• Accensione elettronica
• Accensione a magnete o a bobina per le automobili
• Frederick Richard Simms
• Étienne Lenoir
• Capire i distributori di accensione elettronica
• Contatti vs elettronica nelle auto d'epoca