Ontsteking

De ontsteking van een verbrandingsmotor zoals de motor van onze Panhard, heeft verschillende aspecten: hoe ontstaat die, wanneer en waarmee gebeurt dat. Het moment waarop dat gebeurd is zeer belangrijk maar is geen onderwerp van dit artikeltje. Wat wel besproken wordt is wat er gebeurd en met welke middelen dat wordt bereikt.

Principes

In verbrandingsmotoren wordt altijd en bobine gebruikt (niet in diesels). Dat is een soort transformator waar aan de ingang, de primaire wikkeling, energie wordt ingebracht die er op een gegeven moment in een klap wordt uitgelaten, in de vorm van een hoge spanning aan de uitgang, de secundaire wikkeling. De energie voor de vonk kan er op twee manieren in opgebouwd worden: in het magnetische veld van de bobine, inductief of door een condensator op te laden, capacitief.

Inductief systeem 

Een inductief systeem brengt de energie in de bobine door er stroom in te sturen. In de originele situatie gebeurt dat door het schakelen van spanning door de onderbreker. Elektrisch gezien vormt de bobine een serieschakeling van een spoel en een weerstand. De spoel laat de stroom geleidelijk toenemen en de weerstand bepaalt de uiteindelijke stroom als de inschakel tijd maar lang genoeg is. De energie die in de bobine is opgeslagen (eigenlijk in het magnetische veld in de bobine) komt er weer uit als de stroom door de primaire wikkeling wordt onderbroken, en wel in de vorm van een hoge spanning uit de secundaire wikkeling die in staat is om een vonk en dus een kortdurende stroom door de bougie te maken. De verhouding tussen de primaire en secundaire wikkelingen is 1 op 70 a 100, factor N.

De stroom die door de weerstand van de primaire winding ging heeft warmte gemaakt en is verloren. Bij hoge toerentallen is er weinig tijd om de stroom te laten groeien en zal dus minder energie voor de vonk beschikbaar zijn. Er is weinig te kiezen in dit systeem, weinig weerstand betekent een sneller systeem en meer energie maar ook meer stroom door de onderbreker, dus kortere levensduur. De 3-ohm bobine van de Panhard is een prima keuze. Orde van grootte van de energie, voor een stroom van 4 A en een zelfinductie van 3 mH is dat 24 mWs (24 mJ).

Capacitief systeem

Dit systeem maakt gebruik van de eigenschap dat een spoel L en een condensator C een resonantie kring vormen waardoor energie in zeer korte tijd van de een naar de ander wordt overgedragen. De condensator C wordt opgeladen tot enkele honderden volts. Op het goede moment wordt er een schakelaar (thyristor) gesloten waarmee in korte tijd de energie van C naar L, de primaire van de bobine, wordt gebracht. Dat geeft in de uitgang een N-maal hogere spanning met de energie uit de C. Dit systeem geeft meer vrijheid om keuzes te maken: de grootte van de C, de spanning waarmee hij opgeladen wordt, de weerstand van de bobine speelt in dit systeem geen rol meer. Orde van grootte van de energie, voor een condensator van 1 uF opgeladen tot 400 V is dat 80 mWs

De eenvoud van een onderbreker, condensator en bobine is in een capacitief systeem niet meer te vinden. Er is een omvormer nodig om de hoge spanning te maken, de thyristor moet aangestuurd worden, duidelijk meer componenten. Overigens is dit systeem al vele jaren bekend, mijn 2CV van 1956 had in 1970 al een capacitieve ontsteking, op 6 Volt.

Moderne inductieve systemen

Bij de aan-uit verhouding van de onderbreker kan nog gekozen worden voor meer áan’ dan uit. Daarmee kan de energie wat groter zijn bij hogere toerentallen (dwell-time) . Een motor management systeem kan dit realiseren.

Om meer energie te krijgen moet de weerstand van de bobine kleiner zijn. Met aansturings modules (o.a. van Bosch) kan de maximale stroom begrensd worden en kan de opwarming ook beheerst worden. Een ander manier is elke cylinder een eigen bobine te geven, bijv. met de moderne “pen”-bobines. (overigens: de DKW 3=6 had ook 3 bobines voor 3 cilinders)

Hoe ontstaat de vonk?

De hoge spanning ioniseert het gas en de ionen vormen een geleidend kanaal, plasma, waardoorheen stroom gaat lopen. Door de inwendige weerstand van de bobine zal de spanning dalen tot de brandspanning van de vlamboog. De brandspanning en de stroom verhitten het gas en als het brandbaar is kan dat worden ontstoken. De hoge spanning is dus alleen nodig om het gas te ioniseren, maar de stroom door de vonk, de brandspanning en de tijdsduur bepalen de energie van de vonk, en daarmee de temperatuur, en daarmee het vermogen om het gas te ontsteken. Van de beschikbare energie aan de primaire zijde komt maar een deel in de vonk terecht.

Verbetering van het capacitieve syssteem

Het capacitieve systeem geeft een korte en hevige vonk. Die duurt een kwart van de LC slingering (zie figuur). Daarmee is al een goedlopende motor te verkrijgen, mijn oude 2CV reed er prima mee. Maar moderne componenten maken het mogelijk om die tijdsduur tot een volledige slingering te verlengen, dus 4 maal zo lang. Bovendien is de polariteit van de restenergie positief zodat de condensator bijgeladen moet worden voor de volgende vonk, dus niet vanaf nul volt. Daarmee geeft deze verbetering ook een efficiënter systeem. Het scope-beeld geeft de spanning over en de stroom door de bobine.

Velleman kit

Deze bouwdoos voor een elektronische ontsteking is in feite een elektrische vervanger van de onderbreker. Het voordeel is dat er geen slijtage of inbranden van de onderbreker meer optreed. De toegepaste transistor, een hoogspannings Darlington, laat wel een restspanning van 1,5 a 2 volt achter zodat er de maximale stroom wat kleiner wordt. Positief werkt dat de kit dicht bij de bobine gemonteerd kan worden waardoor de bedrading minder weerstand vormt. Dat verklaart de positieve resultaten die enkele Panhardisten hiermee hebben. Met een 3 ohm bobine werkt dit prima. Een grotere stroom wordt een probleem zodat een 1 ohm bobine wordt afgeraden.

Overigens zijn er nu andere electrische componenten beschikbaar zoals hoogspanning MOSFET’s en IGBT’s (insulated gate bipolar transistor) die hierin toegepast kunnen worden en wel meer stroom kunne voeren. Daarmee is ook een 1 ohm bobine toepasbaar.

Tenslotte

De nadruk is steeds gelegd op de energie die aan de primaire kant beschikbaar is. Dat wil nog niet direct zeggen dat die energie ook in de bougie terecht komt. Een bobine is een component met complexe eigenschappen, die meespelen in het proces, zoals de weerstand van de hoogspannings wikkeling, de capaciteit van de windingen onderling, de verzadigings karakteristiek van het magnetische circuit. Uiteindelijk gaat het om de energie in de vonk. Als de brandspanning van de vonk als constant wordt aangenomen (heel moeilijk te meten) dan is de stroom maal de tijd een goede maat, en de stroom is wel goed te meten.

Peter van Leeuwen

0 reacties

Een reactie versturen

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.

Panhard Automobielclub Nederland