Vorige week heb je nog kunnen lezen hoe de ouderwetse carburateur werkte, en daarvoor hebben we de moderne injectie uitgelegd. We weten dus inmiddels echt wel hoe het brandbare goedje ín de cilinder komt, dus kijken we nu naar de ontbranding. Hoe vindt die plaats, en wat is er zo belangrijk aan de goede timing van deze ontbranding?
Hoe werkt de bougie?
Een bougie bestaat uit twee metalen contacten, die minder dan een millimeter van elkaar staan. Op deze twee ‘elektroden’ wordt een enorm hoge elektrische spanning van zo’n 30.000 volt gezet, waardoor een vonk overspringt, die het lucht-brandstofmengsel aansteekt.
De verbranding van het gecomprimeerde mengsel gaat razendsnel. Sommige motoren halen tegenwoordig bijna 17.000 tpm, en dat betekent dat er in elke cilinder meer dan 140 verbrandingen per seconde plaatsvinden! Een verbranding duurt dan ook maar twee milliseconden. Veel mensen denken daarom onterecht dat het explosies zijn. Bij een explosie verbrandt een mengsel spontaan, op diverse plaatsen tegelijk. Dat kan bijvoorbeeld gebeuren als het mengsel te arm is of de motor te heet, of als er een slechte kwaliteit brandstof wordt getankt. Dan ‘pingelt’ de motor. Dan ontstaan er explosies, waarbij drukpieken optreden die de motor ernstig kunnen beschadigen.
Een normale verbranding loopt echter heel geordend. Eerst worden de lucht- en brandstofdeeltjes, die tussen de twee bougie-elektroden passeren, door de hoge elektrische ‘ontsteekspanning’ gevangen en gericht – of beter: geïoniseerd. Als de deeltjes netjes op een rij staan, kan er een stroom gaan lopen van de ene elektrode naar de andere. Dat is de vonk. Als de stroom eenmaal loopt, daalt de elektrische spanning tot een lager niveau, de ‘brandspanning’. In die periode loopt de temperatuur tussen de elektroden op tot enkele duizenden graden. Dat is genoeg om het benzine-luchtmengsel in brand te steken. Het laagje benzine rond de elektroden van de bougie brandt en steekt het volgende laagje aan. Zo loopt er razendsnel, maar heel gelijkmatig en gecontroleerd, een brandend laagje door de verbrandingskamer heen. Dat is het ‘vlamfront’.
Isolator
Het is belangrijk dat de vonk op het juiste moment- en alleen tussen de elektroden overspringt. Daarom worden de binnenste elektrode en de metalen buitenhuls, waaraan de massa-elektrode zit, van elkaar gescheiden door een porseleinen huls, die voor elektrische isolatie zorgt. Het porselein is aan de buitenzijde geglazuurd om te voorkomen dat er vuildeeltjes op komen die kruipstromen kunnen veroorzaken. Om warmte beter af te voeren is er aluminiumoxide in het porselein meegebakken. De bougie zou anders te heet kunnen worden. Dan zouden de elektroden kunnen smelten of het porselein zou kunnen barsten. De warmteafvoer mag echter ook niet te groot zijn, want dan zouden er in de verbrandingskamer koolstofafzettingen op de massa-elektrode en de isolatorvoet kunnen ontstaan. Koolstof geleidt elektriciteit en dus zou de elektriciteit via de koolstof kunnen gaan lopen, zonder dat er een vonk ontstaat. De bougie moet dus wel heet genoeg worden om schoon te ‘branden’.
Nu wordt niet elke motor even heet, dus moet ook de mate van warmteafvoer van bougies voor elke motor worden aangepast. Dat gebeurt door de lengte van de isolatorvoet en daarmee de grootte van het contactvlak met de buitenhuls, waarop de zeskant voor de bougiesleutel zit, te variëren. Er is in dat kader ook enige tijd geëxperimenteerd met glijvonkbougies, waarbij de vonk via de isolatorneus moest glijden om naar een van de vier aan de zijkant geplaatste elektroden over te springen. De glijvonk verbrandt eventuele koolstofaanslag.
Ontwikkelingen
Vroeger was de afstand tussen de elektroden van een bougie 0,6 mm. Tegenwoordig draaien motoren regelmatig met heel arme mengsels, waardoor de afstand tussen de elektroden omhoog moet om er genoeg brandbaar mengsel tussen te krijgen. Tegenwoordig is 1 mm normaal.
Daarnaast worden nu ook hogere compressieverhoudingen gebruikt om motoren zuiniger te maken. Door deze beide factoren is er tegenwoordig een hogere vonkspanning nodig dan vroeger. Vroeger leverde de bobine een spanning van 10.000 volt, tegenwoordig is dat vaak 30.000 tot 40.000 volt. Om daarbij een goede en zelfs betere levensduur te verkrijgen, hebben de duurdere bougies een smalle punt van materialen die nauwelijks kunnen wegbranden, zoals platina, iridium of titanium. Dit soort bougies gaat tot wel 60.000 kilometer mee.
Een verdere verbetering, die we in de nabije toekomst gaan zien, is de plug top-bougie. Bij deze bougies is de isolator met 8,5 mm verlengd, terwijl de hoogspanning via een spiraalveer wordt overgebracht naar een komvormige connector, die boven op de isolator is geplaatst. Door deze nieuwe verbinding ontstaat een beter elektrisch contact en is er minder risico op doorslaan. Ook de elektromechanische storingspuls is kleiner. De nieuwe plug top-bougies zijn verder voorzien van ‘dubbelplatina’-elektroden, waarbij zowel de massa-elektrode als de centrale elektrode via een laser-lasproces is voorzien van een platina slijtlaag. Zowel Bosch als Beru produceert deze bougie.
Ecoflash vervangt bougie
Bougies met elektroden gaan in de toekomst wellicht helemaal verdwijnen. De Duitse bougie-fabrikant Beru heeft namelijk een geheel nieuw ontstekingssysteem ontwikkeld. Bij dit Ecoflash-systeem wordt geen bougievonk meer gebruikt, maar wordt een hoogfrequent elektromagnetisch veld in de verbrandingskamer opgewekt. Dit veld zorgt voor een ionische voorlading en geeft ver-volgens een energie-explosie, waardoor een breed verbrandingsveld ontstaat. Dit zorgt voor een snelle en volledige verbranding.
De verbranding kan hiermee in principe op elke gewenste plek in de cilinder beginnen, aangezien je niet bent gebonden aan de plek van de elek-troden. Er zijn hierdoor ook andere verbrandings-vormen mogelijk, die bovendien ook toerental-afhankelijk kunnen worden gestuurd.
De Ecoflash-ontsteking geeft veel betere emissies en meer vermogen. De bougie van de toekomst!
Tekst: Peter Aansorgh
