Techniek: De Ontsteking

Het eerste hoofdstuk over de ontsteking is de vorige keer aan bod gekomen door bougies te behandelen. Daarover was zoveel te vertellen, dat het een onderwerp op zichzelf mocht worden. In dit hoofdstuk ga ik echter proberen de overige ontstekingsdelen in één keer te behandelen: De bobine en de ontsteking zelf. En tussendoor nog even bougiekabels. Eens kijken of dat lukt.

Om te weten waar je naartoe gaat, moet je wel eerst weten waar je geweest bent en waar je nu bent. Kortom:  Eerst de geschiedenis. Vroeger, toen echt niet alles beter was , behalve het design van auto’s natuurlijk , bestonden er nog geen elektrische start systemen. Dat deed je met een slinger. Sta je daar in de stromende regen. Gelukkig had je het wel warm! Er was dan ook geen elektra aan boord. Alfa Romeo had dit concept in ere moeten houden! Maar ja, dat is wat lastig een interne verbrandingsmotor zonder elektriciteit te laten ontsteken. Ze hebben het geprobeerd met open vuur, maar dat was geen succes. Gek He?  Totdat iemand de BOUGIE uitvond. Maar die werken op stroom, dus moest er wat verzonnen worden.

Dat werd dan ook gedaan. En ziedaar: De magneetontsteking. Eigenlijk niet veel meer dan een as die werd aangedreven door de motor met daarop een magneet. Om de magneet heen liep een spoel. Door de magneet te laten draaien binnenin de spoel werd een laag voltage opgewekt. Helaas was het voltage uit zichzelf te laag als er een gesloten stroomkring was. Wanneer deze echter werd onderbroken liep het voltage in rap tempo op. Met als gevolg dat, wanneer het circuit gesloten werd, deze ineens wel kon dienen om bougies mee te voeden. Het openen en sluiten van een magneetontsteking gebeurde door een contactpunt. Dit is niks anders dan een metalen strip die opent en sluit door middel van een nok. Deze nok, wat eigenlijk niks anders is dan een bobbel op een as, zit vast aan de as waar ook de draaiende magneet aan vast zit.

Je kunt een magneetontsteking dan ook het beste beschrijven als een bobine en ontsteking in één. Best een mooi concept eigenlijk! Er kan ook nagenoeg niets mee misgaan, waardoor het nog steeds in vliegtuigen wordt gebruikt. Dat kun je HIER lezen in de comments. Het grote probleem zit echter in de stroomopbrengst. Die is lager dan de nieuwere ontstekingsmethoden. De stroomopbrengst is namelijk afhankelijk van het motortoerental. Wanneer deze laag is, kan de magneet niet genoeg stroom opwekken. Hetzelfde als met een hedendaagse dynamo het geval is. Al met al zie je hierdoor de magneetontsteking niet meer terug in auto’s. Voor lagere toerentallen werd een vaste batterij gebruikt in vroeger tijden. Ook hierbij werd een kleine spoel gebruikt die werd onderbroken om hogere voltages op te wekken. De batterijen in de tijd waren echter niet op te laden, en je moest handmatig schakelen tussen de batterij en de magneetontsteking. Later is de batterij vervangen door een accu, om elkaar aan te vullen. Bij dit soort systemen werd er vaak 1 magneetontsteking per cilinder gebruikt. Maar het kon ook gebeuren dat er gebruikt werd gemaakt van een schakelplaat. Zeg maar een heel groot uitgevallen ronddraaiende rotor zoals je binnenin de verdeelkap van latere ontstekingen kunt vinden.

Vervolgens komen we aan bij de systemen zoals je ze in de meeste klassiekers zult aantreffen: Een bobine en verdeler. Het idee van de bobine is hetzelfde als met de magneetontsteking. Alleen wordt er geen magneet gebruikt maar een 2de spoel. De accu in en auto zorgt namelijk al voor de stroom. Ook heeft de bobine geen eigen stroomonderbreker. Deze zit namelijk in de ontsteking zelf. Door de hedendaagse technologie zijn spanningen tot 80.000 Volt mogelijk in het hoogste rendementsgebied. In ieder geval meer dan genoeg om zelfs met hele hoge compressie motoren met veel toeren nog steeds goed te kunnen ontsteken.

Maar de ontsteking moet echter wel op het goede moment gebeuren. Daarvoor is een verdeler uitvonden. Het is in feite een ronddraaiende as die rechtstreeks wordt aangedreven door de motor. Eigenlijk een zelfde concept als de magneetontsteking. Hierop bevestigd zit een voetje wat ook wel rotor wordt genoemd. Op de rotor zit een deel van metaal. De rest is kunststof. Het metalen deel geleid stroom wanneer deze in contact komt met de verdeelkap. In geval van een 4 cilinder heeft deze 4 polen die naar de bougies toelopen en 1 pool voor de bobine. Maar dan nog gebeurt er eigenlijk niets, aangezien de contactpunten open staan. Wanneer deze dicht gaan zal er pas stroom doorheen gaan. Dit gebeurt door een nok op de ronddraaiende as. Maar omdat het voltage zo hoog zou worden dat de contactpunten zouden vastlassen, een gat erin brandt of gaan oxideren zit er nog een kleine condensator tussen. Dit is als het ware een soort spanningregelaar die pieken helpt voorkomen. Hierdoor gaan je contactpunten langer mee. Tot zover de ontsteking in het kort.

Bovenstaand voorbeeld geeft echter een heel beknopte uitleg, want er is meer aan de hand. De ontsteking moet namelijk soms eerder en soms later gaan ontsteken. Dit heeft te maken met de ontbrandingstijd, waar de zuiger zich bevindt in de cilinder en nog wel meer zaken. Daar zal ik verder nog niet te veel op ingaan in dit artikel, maar bewaar ik voor een andere keer. Ik zal je daarentegen wel proberen uit te leggen hoe het werkt. De werking ervan gebeurt namelijk met metalen gewichtjes op een scharnier en veren. In eerste instantie houden de veren de gewichtjes tegen. Maar omdat deze aan de ontstekingsas zijn verbonden, gaan deze naarmate het toerental stijgt steeds sneller draaien. Door de centrifugaalkrachten worden ze steeds zwaarder, waardoor ze tegen de veren in naar buiten worden gedrukt. Deze verschuift zo de grondplaat binnenin de ontsteking, waar de het contact op vast zit. Hierdoor gaan de contactpunten eerder open. Hierdoor treedt er vervroeging op. Dit is echter mechanische vervroeging tijdens accelereren.

Wanneer je een vast toerental aanhoudt op de snelweg, is er weer een ander vlamfront. Dit komt omdat je armer rijdt op een vaste snelheid dan wanneer je accelereert. Kortom, ook hier moet een vervroeging plaatsvinden. Deze vervroeging gebeurt echter door lucht en wordt gemeten vanaf de carburateur of vanaf het spruitstuk. Of beter gezegd, het wordt geregeld door een vacuum. Des te groter het vacuum in het inlaatspruitstuk, des te groter de vervroeging. Wanneer je het gas verder intrapt zal het vacuum wegvallen en zal de grondplaat van de contactpunten weer teruggaan naar de normale positie. Het systeem werkt doordat het vacuum een as een stukje naar binnen trekt. Deze zit vast aan de grondplaat, waardoor deze verdraait.

Contactpunten hebben echter nogal wat te lijden. Je moet ze vaak afstellen en bijhouden. Hoe dat gaat, komt in een volgend hoofdstuk aan bod. Je kunt dit echter ook voorkomen door het plaatsen van een hall-sensor. Dit is in feite een sensor die werkt met een magneet en dus aanvoelt of de contactpunten open en dicht moeten. In de sensor zelf zit een circuit wat open en dicht gaat. Wanneer je een grondplaat vindt die ongeveer gelijk is aan de ontsteking die jij gebruikt, of aan te passen is zodat het past, zou dit een effectieve update zijn. De ontsteking is namelijk constanter dan met contactpunten en hoeft na één keer niet meer afgesteld te worden zolang je geen andere aanpassingen doet. Daarnaast gaat je ontsteking er langer door mee, aangezien ze minder druk geven op de ontstekingslagers die om de as heen zitten. Die hoeven nu immers geen contactpunten open en dicht te drukken. And last but not least: Ze zijn minder gevoelig voor vocht. Overigens is dit gelijk ook de volgende stap in de evolutie van de ontsteking. Dit soort systemen zag je vanaf de jaren ’70 en ’80 terug in auto’s.

Over vocht gesproken: Hieronder volgen een paar tips om het te voorkomen. De simpelste is een latex handschoen. Het gaat dan om een keukenhandschoen, of diegene die in het ziekenhuis vaak gebruikt worden. Deze zijn waterafstotend. Bij een 4 cilinder is dit een prima alternatief, aangezien je 5 kabels hebt, en 5 vingers. In elke vingertop maak je dan ook een gaatje en schuift daar de kabels doorheen. Vervolgens schuif je de grote handopening om de verdeler heen, en je bent klaar. Een kind kan de was doen. Overigens voorkomt dit ook nog een ander probleem. Lekkende bougiedoppen aan de kant van de ontsteking. Vaak een reden waarom mensen gaan BREAKDANCEN Een tweede oplossing is het gebruiken van spullen als sanitairkit. Vaak een wat meer permanente oplossing. Je moet het namelijk eerst wegsnijden wil je het los krijgen. Toch werkt het prima, want zelfs in de F1 wordt dit gebruikt op stroomcircuits en aansluitpunten. Of zoals ik al aangaf, om punten waar geen vocht bij mag komen af te dichten.

Verder zie je ook nog wel eens ontstekingsystemen waarbij er meerdere bobines met 1 ontsteking gebruikt worden. Dit werd gedaan doordat de bobines van vroeger minder goed waren dan tegenwoordig. Ze kunnen op hoge toerentallen niet snel genoeg hun spanningsveld opbouwen, waardoor ze vonken gingen missen. Om dat te voorkomen had elke bougie zijn eigen bobine. Tegenwoordig hoeft dat niet meer, aangezien we inmiddels tientallen jaren verder zijn en inmiddels bobines van 80.000 volt hebben. Zelfs met een kortere oplaadtijd (ook wel dwell genoemd) leveren deze nog meer dan genoeg stroom om netjes te kunnen ontsteken.

Is geld echter geen probleem en wil je per se meer bobines gebruiken dan kan dat wel: In plaats van de bobinekabel in het midden gebruik je nu 1 normale stroomkabel voor de aanvoer van 12V naar het centrale aansluitpunt op je verdeelkap. Vervolgens maak je dezelfde verbindingen van de overige punten naar een los relais om 1 bobine mee aan te sturen. De bobinekabel slaat je nu rechtstreeks aan op de bougie in kwestie. Op deze manier maak je een oud racesysteem. Wil je het echt mooi hebben dan kun je over de normale 12V kabels een lege bougiekabel schuiven, zodat het er minder in elkaar geknutseld uitziet. Bovenstaande kun je natuurlijk ook in combinatie doen met een hall-sensor.

Dan zijn er nog de huidige systemen: Motormanagement. Eigenlijk niks anders dan een zelfde systeem als dat je gewend bent op je klassieker, maar dan met elektronica in plaats van mechanica. Het haalt veel van de charme weg vind ik persoonlijk, maar het heeft erg veel mogelijkheden. Zo kun je alles instellen en veranderen wat je wilt met de juiste software, zonder eerst een onderdeel van de auto af te halen, aan te passen en terug te zetten. Dit scheelt ongelofelijk veel tijd en op den duur, als je vaak genoeg aanpassingen doet, ook geld. Ook wordt even experimenteren veel makkelijker, aangezien alles met een druk op de knop weer terug te zetten is. Daarnaast zou het levenslang mee moeten gaan omdat het niet slijt. Maar ja, inmiddels weten we allemaal beter. Tegenwoordig zijn bij dit soort systemen bobines die op de bougies zitten normaal. Dit wordt gedaan uit kostenoverweging, aangezien minder simpele bobines goedkoper zijn als één hele goede met veel koper erin. En ten tweede omdat het minder weerstand verliest door kortere kabels, of in dit geval zelfs een gebrek eraan. Hieruit kun je dan ook concluderen dat des te korter de kabels zijn, des te beter het is. Dat is iets wat je ook bij je eigen systeem aan kunt passen. Houdt er alleen wel rekening mee dat wel alle bougiekabels even lang zijn. Anders ontstaan er namelijk problemen in timing.

Over bougiekabels gesproken: Zorg ervoor dat deze geen scheuren vertonen. Ook dat zorgt voor BREAKDANCEN . En als je ze toch moet vervangen en je wilt wat beters: Blijf dan weg van koolstof bougiekabels, maar ga voor een beter geleidend materiaal zoals koper of iets dergelijks. Dit veroudert namelijk niet zo snel. Koolstof doet dat in de praktijk al na een paar 1000 km. Denk echter niet dat je er harder van gaat. Genoeg fabrikanten roepen dat ze de beste zijn met 8,5mm dikke kabels, in plaats van 7 mm. Bovenstaande foto laat ze zien. Dit laatste zegt alleen maar iets over de buitenmantel, oftewel de isolatielaag. Deze is dikker dan normaal om zo warmte uit de kabels te houden. Voor racedoeleinden is het goed, of turbo/compressormotoren. Iets waar de meesten van jullie niet mee te maken krijgen. Het enige wat het doet is dat het beter werkt onder slechtere omstandigheden.

Wil je iets wat wel werkt: Maak ze dan zelf. Overigens wel alleen doen als je weet wat je doet, want dit kan link zijn als ze gaan lekken. Bovendien is het relatief duur door de materialen die je nodig hebt. Je kunt namelijk de bestaande doppen los gebruiken, samen met de koperen connectors. Als kabel pak je een veel dikkere koperen kabel. Deze hebben een lagere weerstand dan een zelfde kabel met een kleinere diameter. Hierdoor wordt je ontsteking preciezer. Maar je zult de kabels wel heel goed moeten isoleren. Ikzelf heb een SPONSOR die in de kunststof en rubberhandel zit, dus voor mij was isolatiemateriaal verkrijgen niet echt een probleem. Uiteindelijk waren mijn kabels met isolatiemateriaal 25mm dik. Misschien een beetje overkill, maar bij 10.000 RPM wil je wel zekerheid hebben! Bedenk je echter wel dat wanneer deze kabels dicht langs een kabelboom lopen zonder goed storingsschild, dat je radio luisteren wat lastiger wordt. Door de lagere weerstand hebben ze meer last van storingsstraling. Dit kan echter ook effect hebben op zaken als motormanagement en andere elektrische spullen. Dus pas ermee op! Wel weer een goede reden waarom mijn kabels zo dik waren.

Tot slot hebben we dan nog de toekomst: Systemen die gebruik maken van optische vezels in plaats van stroomkabels. En in plaats van bougies komen lasers. Op dit moment is Ford het aan het ontwikkelen. Persoonlijk zet ik er mijn vraagtekens bij of het wat oplevert gezien de veel hogere kosten voor zaken als glasvezel en lasers. Het enige wat er mee behaald wordt is een nog sneller signaal, dus het zou preciezer kunnen worden. In de praktijk is het echter al zo dat we dit tot 1 milliseconde nauwkeurig kunnen afstellen. Het enige echte voordeel wat dan overblijft, is een reductie in het stroomverbruik van een auto. Echter, de bougie wordt ook gebruikt om zaken te “lezen”. Door het licht wat gebruikt wordt, kan door middel van reflecties het nodige gemeten worden, zoals brandstofkwaliteit, vlamfront, enz. Hiermee wordt het een effectieve manier om het management mee aan te passen. Dit is directer dan een lambda sensor die in de uitlaat zit, waardoor er wel degelijk winsten mee te behalen zijn….

Tekst: Kevin “Kevski Style” Houtzager