Historische autotechniek (3) E. Gernaat (ISBN in overweging) 1 Bobine-ontsteking 1.1 Het opwekken van bougievonken 1.1.1 Opbouw van een bobine Het werkingsprincipe van de ontstekingsinstallatie is in de loop van de jaren niet veranderd. Ook de moderne elektronische ontstekingssystemen berusten allemaal op het verhogen van de spanning met behulp van een transformator die dan een bobine wordt genoemd. Een bobine is opgebouwd uit twee spoelen gewikkeld rondom een weekijzeren kern. De spoel met relatief weinig wikkelingen en een lage ohmse weerstand wordt de primaire spoel genoemd. De andere spoel met ongeveer 100x zoveel wikkelingen en een grote ohmse weerstand wordt de secundaire of hoogspanningsspoel genoemd. De primaire spoel bestaat uit relatief dik koperdraad terwijl de secundaire spoel is gewikkeld met uiterst dun draad. Voor een betere koeling is een bobine soms gevuld met isolerende olie. Zie fig.1 1.1.2 Theoretische werking Om het lucht-brandstof mengsel te ontsteken is een vonk tussen de elektroden van de bougie nodig. Lucht is een isolator en om een stroom tussen de elektroden te laten vloeien is een hoge spanning nodig. Deze hoge spanning maakt de lucht geleidend en gaat gepaard met vonkvorming. De warmte-inhoud van de vonk doet het mengsel ontbranden. De benodigde spanning is ongeveer 10.000 V (10 kv). We beschikken echter over een boordspanning van 12 V. Deze 12 V zal dan omgezet moeten worden naar 10.000 V. Dit is de taak van de bobine. De omzetting gebeurt met behulp van de elektrische inductie. Dit natuurkundige verschijnsel houdt in dat wanneer een elektrische geleider zich in een veranderend (wegvallend) magnetisch veld bevindt dat in deze geleider een spanning wordt opgewekt. De grootte van de spanning hangt af van de snelheid waarmee dit veld wegvalt. Theoretisch: wanneer het veld in een tijd nul wegvalt wordt de opgewekte (inductiespanning) oneindig hoog. 1
Figuur 1: Opbouw van een bobine met een primaire spoel (zwart) en een secundaire spoel (rood). Klem 15 wordt aangesloten op het contactslot en klem 1 gaat naar de contactpunten. Klem 4 gaat via een hoogspanningskabel naar de rotor van de verdeler (Tek. techniek profi). 2
1.1.3 Uitvoering Wanneer we een stroom laten vloeien door de primaire spoel van de bobine zal in de bobine een magnetisch veld worden opgebouwd. Zowel de primaire spoel als de secundaire spoel liggen in dit magnetische veld. Wanneer de stroom wordt onderbroken zal er een spanning in beide spoelen worden opgewekt. Door het verschil in wikkelingen zal primair zo n 250 V ontstaan en secundair ongeveer 10 kv. We bekijken fig. 2. Wanneer het contactschakelaar CS gesloten Figuur 2: Opstelling bobine-ontsteking met contactpunten (p) en condensator (c) van een 4 cilinder motor. CS=contactslot, R=rotor, V=verdeler, 15 en 1 aansluiting primair gedeelte bobine. Ontstekingsvolgorde 1,3,4,2. Tekening D.Nicolaas 1954 3
is kan er een stroom vloeien door de primaire bobine-wikkeling op voorwaarde dat de contactpunten (P) in de stroomverdeler zijn gesloten. De grootte van de stroom wordt beperkt door de weerstand van de primaire wikkeling en mag niet meer bedragen dan 3 tot 4 A. De contactpunten worden geopend en gesloten door nokken op de verdeleras. De verdeleras wordt aangedreven door de nokkenas van de motor. Bij het sluiten van de contactpunten wordt door de primaire stroom een magnetisch veld in de bobine opgewekt. Bij het openen van de punten valt dit magnetische veld weg en wordt er een inductiespanning zowel in de primaire als de secundaire spoel opgewekt. De secundaire spanning wordt zo groot dat er een bougievonk ontstaat. De primaire inductiespanning beperkt zich, zoals reeds vermeld tot 250-300V. Dus: bij het sluiten wordt door de primaire stroom het magnetisch veld opgebouwd. Op het moment van openen van de punten ontstaat de bougievonk. De condensator die over de contactpunten is geschakeld (parallel schakeling) regelt de grootte van de inductiespanning. Dit komt omdat door het opladen van de condensator de primaire stroom nog even door kan vloeien. Ook wordt voorkomen dat de contactpunten inbranden. Fig. 3 geeft een iets andere voorstelling van een bobineontsteking met contactpunten. Duidelijk is hier te zien dat de condensator over de contactpunten staat geschakeld. Figuur 3: Opstelling bobine-ontsteking met contactpunten van een 6 cilindermotor. Tek.Bosch 1.1.4 Afstelling van de contactpunten Voor elke vonk moeten de contactpunten gesloten en geopend worden. De duur van het sluiten bepaalt de tijd dat de primaire stroom kan vloeien. Op het mo- 4
ment van openen ontstaat de vonk. Maar om de inductiespanning de gelegenheid te geven om de bougies te doen vonken moeten de punten ook voldoende lang open staan. We stellen dat de punten 60% van de beschikbare hoek gesloten moeten zijn. Voor een 4 cilinder motor is de beschikbare hoek 360 0 /4=90 0. Dit betekent dat de punten 54 0 gesloten moeten zijn. Omdat het meten van deze contacthoek zonder speciale apparatuur lastig is gaat men uit van de openingsafstand van de punten. Deze bedraagt ongeveer 0,35 mm tot 0,4 mm. We verdraaien hiervoor de verdeleras zodanig dat de punten geheel open staan en stellen de puntafstand in met behulp van een 0,4 mm voelermaat. Mocht men de mogelijkheid hebben om de contacthoek in te stellen dan stellen we de contacthoek in en niet de puntafstand. Zie fig. 4. In de meeste gevallen gaat het afstellen van de contactpunten samen met het vervangen hiervan. De verdeler wordt dan uit de motor verwijderd. Figuur 4: Relatie contacthoek (C.H.), openingshoek (O.H.) en lichthoogte contactpunten (L.H.) voor een 6 cilindermotor. De contacthoek is dan 60% van 360 0 /6 = 36 0. Tek. D.Nicolaas 1.1.5 Verdeling van de vonken over de verschillende cilinders Aangezien we hier 1 bobine hebben en 4 of 6 cilinders moeten de vonken over de verschillende cilinders in de juiste volgorde worden verdeeld. De volgorde over de cilinders is meestal 1,3,4,2 voor een 4 cilinder en 1,5,3,6,2,4 voor een 6 cilinder. Het is de rotor met verdeelkap en de bougiekabels die hiervoor moeten zorgen. Aangezien de rotor roteert wordt dus de ontstekingsvolgorde bepaald door de plaats van de hoogspanningskabels op de bougies. 1.2 Ontstekingstijdstip Het ontstekingstijdstip (het moment dat de vonk tussen de bougie-elektroden overspringt) moet zodanig zijn dat ongeveer 25 0 na het bovenste dode punt 5
(BDP) van de zuiger tijdens de arbeidsslag de maximale verbrandingsdruk wordt bereikt. Stationair ligt dat tussen de 5 en 0 0 voor BDP. Als het motortoerental oploopt dient het ontstekingstijdstip de worden vervroegd (verbrandingstijd blijft gelijk en de tijd beschikbaar wordt steeds minder) tot maximaal zo n 30 tot 40 0 voor BDP. Dit geldt dan voor de vollast situatie. Als we in deellast rijden dan komt daar nog maximaal 10 0 bij. Vervroeging ten gevolge van het motortoerental wordt verkregen door de centrifugaal gewichten onder in de verdelerhuis. Zie fig.5. Vervroeging ten gevolge van de belasting (minder belasting meer vervroeging) met behulp van de vacuümversteller. De karakteristiek Figuur 5: De centrifugaal gewichten bevinden zich onder in het verdelerhuis. Door de centrifugaalkracht bewegen de gewichten tegen de veerspanning in naar buiten en draaien de nokken met de draairichting mee. Tek. D.Nicolaas van de centrifugaalveeertjes bepaalt de mate van de vervroeging. De nokken zijn dus draaibaar t.o.v. de verdeleras gemonteerd. De belasting van de motor wordt bepaald door het vacuüm (zuigkracht van de motor) onder de gasklep. Vanuit de carburateur loopt een slangetje naar een vacuümdoos op de verdeler. Bij een hoog vacuüm, dus lage motorbelasting wordt de plaat waarop zich de contactpunten bevinden aangetrokken (tegen de draairichting van de nokken in) waardoor de punten eerder openen en de ontsteking zich vervroegd. Fig.6 De mate van vervroeging wordt in fig. 7 grafisch weergegeven. De vervroeging wordt hier als functie van de rijsnelheid gezien. In de figuur is te zien dat 6
Figuur 6: Wanneer de gasklep zich een weinig opent komt het motorvacuüm achter de membraan en wordt de draaibare contactpuntplaat aangetrokken. Deze beweegt zich dan tegen de draairichting van de nokken in waardoor de ontsteking vervroegt. Tek. D.Nicolaas 1954 Figuur 7: De ontstekingstijdstip-vervroeging als functie van de rijsnelheid. Zowel de vervroeging van het toerental als van de motorbelasting wordt in de grafiek weergegeven. Tek. D.Nicolaas 1954 7
één centrifugaalveer wordt gespannen (a-b) en daarna komt de tweede veer erbij (b-c). Bij c bereiken de centrifugaal gewichten hun aanslag en neemt de vervroeging niet verder toe (c-f). De vacuumvervroeging moet hierbij worden opgeteld (d-e-f). 1.2.1 Oktaanverstelling Vaak treft men op een stroomverdeler ook een oktaanversteller/regelaar aan. Met een moer kan dan het hele verdelerhuis een aantal graden worden verdraaid. Dit is gedaan om het ontstekingstijdstip aan te passen aan het oktaangetal van de benzine (normaal en super). De superbenzines hebben een hoger oktaangetal (grotere klopvastheid) waardoor het (vaste) ontstekingstijdstip een aantal graden kan worden vervroegd. Deze stelmogelijkheid wordt ook wel gebruikt om bij een pingelende motor het tijdstip wat te verlaten. Zie fig. 6. 1.2.2 De bougie Tussen de bougie-elektroden moet de vonk overspringen. De benodigde spanning is geen constante maar hangt af van de elektrodenafstand en de compressie-einddruk van de betreffende cilinder. De spanning kan variëren tussen de 8 en 20 kv. De temperatuur van de bougie moet zodanig zijn dat hij zichzelf schoonbrandt. Deze bedraagt ongeveer 600 0 C. Bij een juiste werktemperatuur zal de kleur van de elektroden lichtbruin zijn. Een zwarte kleur wijst op een te koude bougie, een witte kleur wijst erop dat de bougie te heet is geweest. Bougies zijn verkrijgbaar in verschillende warmtegraden. De mate waarop de warmte kan worden afgevoerd bepaalt de warmtegraad. Zie fig. 8 en 9. Bougies zijn er in vele uitvoeringen. De elektroden afstand bedraagt 0,6 tot 1 mm afhankelijk van het voorschrift van de fabrikant. Een versleten bougie kan worden herkend aan afgeronde kanten aan de centrale elektrode en weggebrand materiaal aan de massa- elektrode. Zie fig. 10 1.3 Nabeschouwing In moderne motormanagement-systemen wordt voor het schakelen van de primaire stroom gebruik gemaakt van intelligente powertransistoren. De primaire stroom wordt dan vergroot tot zo n 6 A. De computer zorgt vervolgens voor een constante contacttijd waardoor het magnetische veld altijd maximaal is. De ontstekingsvervroeging is opgeslagen in het geheugen van de besturingscomputer terwijl een pingelsensor het ontstekingstijdstip verder optimaliseerd. Door gebruik te maken van penbobines heeft elke cilinder zijn eigen bobine en kan de rotor met de hoogspanningskabels komen te vervallen. Het is goed mogelijk om een klassiek ontstekinggsysteem om te bouwen naar een elektronische. Vermogen en brandstofverbruik zullen hierdoor positief worden beïnvloed. 8
Figuur 8: De correcte bedrijfstemperatuur omvat het gele gebied. In het rode gebied is de bougie te warm en in het blauwe gedeelte blijft de bougie te koud. Tek. technik profi Figuur 9: De warmtegraad van de bougie wordt bepaald door de wijze waarop de warmte wordt afgevoerd.zie de rode lijnen. Tek.technik profi Figuur 10: De elektrodenafstand bedraagt 0,6 tot 1 mm. De elektrodenafstand neemt toe als de bougie veroudert. Het rode gedeelte geeft aan waar de elektroden afslijten. Tek.technik profi 9
1.4 Vragen en opgaven 1. Wat is de taak van een bobine? 2. Hoe is een bobine opgebouwd? 3. Hoeveel ohm bedraagt de weerstand van de primaire spoel ongeveer? 4. Waarom is een hoge bougiespanning noodzakelijk? 5. Wat veroorzaakt de primaire stroom nu precies? 6. Hoeveel stroom gaat er ongeveer door de gesloten contactpunten? 7. Hoeveel volt bedraagt de primaire inductiespanning ongeveer? 8. Tot hoeveel volt kan de secundaire inductiespanning oplopen? 9. Wat is de functie van de condensator over de contactpunten? 10. Wat voor een klachten zou de motor geven bij een defecte condensator? 11. Noem de onderdelen van het secundaire ontstekingscircuit. 12. Wat is de functie van de rotor? 13. Welke onderdelelen bepalen de ontstekingsvolgorde? 14. Wat verstaat men onder de vaste ontstekingsvervroeging? 15. Door welke onderdelen wordt de vollastvervroeging verkregen? 16. Op welke wijze wordt de belasting van de motor gemeten? 17. Wat gebeurt er met het ontstekingstijdstip wanneer we plotseling het gaspedaal geheel intrappen? 18. Wat verstaan we onder de oktaanregelaar? 19. Wat is ongeveer de bedrijfstemperatuur van een bougie? 20. Omschrijf hoe een versleten bougie er uit ziet. 10