De Theorie
Viertakt en de slagen
Onze busjes hebben een viertakt motor. Dat wil zeggen dat er 4 bewegingen van de zuiger zijn tijdens een gehele cyclus. Twee keer op, twee keer neer:
1. Aanzuigen (inlaatklep geopend, ook wel: inlaatslag)
2. Samenpersen (beide kleppen dicht, ook wel: compressieslag)
<ontsteken>
3. Verbranden (beide kleppen dicht, ook wel arbeidsslag)
4. Afvoeren (uitlaatklep geopend, ook wel: uitlaatslag)
Er is dus van de 4 slagen maar 1 slag die daadwerkelijk arbeid en kracht levert en dat is slag nummer 3. Die slag willen we dus zo efficiënt mogelijk benutten.
Verbranding, chemie en compressie
Tijdens de arbeidsslag willen we een gecontroleerde verbranding van het aangezogen mengsel. Let op: verbranding en geen explosie. We zoeken een verbranding die het liefst zo lang mogelijk duurt terwijl de zuiger naar het uiterst onderste punt in de verbrandingskamer geduwd wordt. Dat is het meest efficiënt. Een 'explosie' is daarentegen heftig en kort, zal via kleppen en compressieverlies ontsnappen en daar hebben we dus niks aan.
Het aangezogen mengsel van benzine en zuurstof moet gasvormig zijn. Alleen dan mengt het zich goed met zuurstof en verbrand het makkelijk en snel. Een plas benzine in de cilinderkamer brand heel langzaam en het overgrote deel wordt weer door de uitlaat naar buiten gespuugd. De benzine wordt gasvormig omdat in het inlaattraject een onderdruk heerst door de zuiging van de cilinder.
Tijdens de compressieslag drukken we het gasmengsel samen en scheikundig betekent dit dat het mengsel heter en brandbaarder wordt. Blijven we het mengsel verder samen duwen dan wordt het op den duur zo heet dat het tot zelfontbranding overgaat, wat veelal een explosieve vorm van verbranding is. Ook dat willen we niet, want we willen zelf bepalen wanneer het mengsel ontsteekt. Een vroegtijdige verbranding noemt men overigens 'pingelen'. Dit is een verschijnsel waarbij de cilinder nog met zijn compressieslag bezig is, terwijl de verbranding van het mengsel al is gestart. Dit kan natuurlijk ook ontstaan door te vroeg gesteld ontsteking.
Van invloed op zelfontbranding is de kwaliteit van de brandstof en dit wordt uitgedrukt in klopvastheid. Hoe geraffineerder de brandstof, hoe hoger de temperatuur waarbij zelfontbranding plaatsvindt. Dit wordt doorgaans bij benzine afgemeten in het octaangehalte. Euro98 is klopvaster dan Euro95.
De verhouding tussen de hoeveelheid mengsel die kan worden aangezogen en hoever vervolgens dit mengsel door de zuiger wordt samengeperst, noemt men de compressieverhouding. Veel mengsel aanzuigen en heel klein samenpersen is een hoge compressieverhouding en visa versa. Een hoge compressieverhouding leidt dus tot veel een heter lopende motor en een vergrote kans op zelfontbranding. Vaak wordt uit temperatuursoverwegingen op onze busblokjes een veilige compressieverhouding van 7,5:1 gehanteerd, anders wordt met in combinatie met het zware wagengewicht de motor simpelweg te heet. Dit terwijl voor de ideale verbrandingsefficiëntie 8,5 tot 9,0:1 best haalbaar is zonder zelfontbranding (wel Euro98 tanken dan).
Ontsteking - de katalysator
Scheikundig gezien heb je voor verbranding drie dingen nodig: brandstof, zuurstof en een katalysator. Een katalysator is een element die een scheikundig proces op gang brengt, zonder verder invloed te hebben op de scheikundige reactie zelf. Bij ons is dit de ontsteking, een vonkje van de bougie. Die brengt de verbranding op gang.
Idealiter start de verbranding als de cilinder op het bovenste (dode) punt tussen de compressieslag en de arbeidsslag in zit. Mooi: vonk en klaar, toch? Nee, helaas is het niet zo makkelijk. Wie al eens een lucifer aangestreken heeft, weet dat er een tijd zit tussen het aanstrijken en de daadwerkelijke verbranding. Zo ook is er een moment tussen de vonk van de bougie en de verbranding van het mengsel. Gek genoeg ligt per type brandstof deze tijd redelijk vast. Hoewel strikt genomen EURO98 iets meer tijd nodig heeft dan EURO95 vanwege de hogere klopvastheid.
Voorontsteking en vervroeging
We willen dus de vonk van de bougie eerder laten komen dan dat de zuiger op het bovenste dode punt (BDP) staat. Alleen dan start de verbranding op het juiste moment. Dit principe noemen we 'voorontsteking'. Bij de meeste van onze blokjes is dit bij stationair toerental 7,5 graden van de rotatie van de krukas eerder dan dat de zuiger zijn hoogste punt bereikt.
We rijden echter niet op stationair toerental de wereld rond. We geven gas omdat de motor op hogere toerentallen meer koppel en vermogen heeft. De krukas gaat dan sneller ronddraaien en de zuigers gaan sneller op en neer. Echter veranderen de scheikundige en natuurkundige wetten niet. De tijd die kost voor het mengsel om te gaan verbranden nadat de vonk is toegevoegd, blijft altijd hetzelfde. We moeten dus de vonk gaan vervroegen. Dit noemen we 'ontstekingsvervroeging'.
De ontstekingsvervroeging is het aantal graden dat de ontsteking eerder moet komen ten opzichte van de initiële (stationaire) voorontsteking. Dit kun je meten met een stroboscoop en daar zijn tabellen voor.
Maximale voorontsteking is de initiële voorontsteking opgeteld bij de maximale vervroeging. Op de meeste van onze blokjes zou dit tussen de 28 en 30 graden moeten liggen met afgedopte vacuüm (centrifugaal / vacuümverdeler type 043). 009 verdelers voelen zich lekker bij 30 tot 32 graden. De oudere verdelers met alleen vacuümvervroeging worden gesteld op 32 tot 35 graden met aangesloten vacuüm. Het toerental waarbij dit maximum optreedt, ligt meestal tussen de 3200 en 3500 tpm.
Ontsteking
De ontsteking wordt veroorzaakt door een vonkt die springt op de bougie die met zijn elektrode in de cilinderkamer hangt. Dat weten we wel. Maar waar komt de spanning voor die vonk vandaan? Om dit te begrijpen moeten we het basisprincipe van elektra weten: stroom loopt alleen in een gesloten stroomkring. Als alles van + naar – van de spanningsbron (accu) is aangesloten en verbonden, pas dan loopt er stroom door het circuit.
In het geval van ontsteking moeten we onderscheid maken tussen twee geheel gescheiden circuits: het laagspanningscircuit (12 volt) en het hoogspanningscircuit (20.000+ volt). Het laagspanningcircuit bepaalt het ontstekingstijdstip, het hoogspanningscircuit is verantwoordelijk voor de vonk zelf. De sleutel is hier de bobine. De bobine is feitelijke een behuizing met daarin twee spiralen (spoelen) die niet elektronisch met elkaar zijn verbonden.
Bij ingeschakeld contact loopt de stroom van de accu naar de zekeringkast, het contactslot en vervolgens de bobine + (aansluiting 15). Vervolgens van bobine – (aansluiting 1) naar de condensator op de verdeler. Van de condensator naar de contactpunten en zo naar massa. De massa van het voertuig is aangesloten op de – van de accu. Zo is de cirkel van + naar – rond. Dit is het laagspanningscircuit. Omdat de bobine een inwendige weerstand heeft, is er geen sprake van kortsluiting. De bobine wordt dus ook warm, want de energie moet ergens heen. De stroom loopt nu door de buitenste spiraal.
In de bobine zit ook de binnenste spiraal. Door het magnetisch veld in de buitenste spiraal gaan ook de elektronen in de binnenste spiraal meedraaien. Hiermee wordt de bobine ‘opgeladen’. In het hoogspanningcircuit vormt de bobine hiermee de stroombron. De binnenste spiraal in de bobine is met zijn klem aangesloten aan massa en aan de andere kant via een kabel aan de verdelerkap op de verdeler. Echter hebben we aan deze lading van de bobine nog helemaal niets.
Zodra de contactpunten in de verdeler openen, wordt de laagstroomkring onderbroken. Een elektronische ontsteking doet eveneens niets anders dan deze stroomkring onderbreken. Er loopt geen stroom meer door de buitenste spiraal in de bobine. Hierdoor schrikken de elektronen in de binnenste spiraal zich zo enorm, dat ze massaal met een noodvaart de andere kant op gaan rennen. Er ontstaan hierdoor nu een hoogspanningslading van 20.000+ volt.
Omdat de rotor in de verdelerkap nu wijst naar de bougiekabel voor de cilinder, kan er daar een stroombrug middels een vonk tussen bobine en bougiekabel worden gemaakt. De bougiekabel loopt naar de bougie waar door de hoge spanning ook een stroombrug middels een vonk gevormd kan worden. De buitenmantel zit vast in de cilinderkop. Dat is massa. De bobine is ook met zijn buitenkant verbonden aan massa middels de klem. De stroomkring is rond. In de verdelerkap en bij de bougie springt een vonk. We hebben ontsteking. De contactpunten sluiten weer en de cyclus begint weer opnieuw.
Het probleem
We beperken ons nu even tot het hoogspanningscircuit. We hebben ook allemaal wel eens een lucifer aan proberen te steken waarbij we wel een ontsteking zagen, maar de lucifer niet tot verbranding overging. Dat kan door van alles komen: natte lucifer, slecht strijkblad, versleten lucifer of simpelweg te weinig kracht zetten. Zo ook voor de ontsteking van onze blokjes, behalve dat hier ook nog het fenomeen gesloten stroomkring bij komt kijken.
Een zwakke vonk van de bougie leidt tot een onvoldoende aanzet om het aangezogen mengsel te doen verbranden. Het proces gaat langzamer en is niet volledig. Wat zijn nou zoal de oorzaken van een zwakke vonk?
Versleten bougies, rotor en verdelerkap
Een versleten bougie, rotor of verdelerkap heeft te weinig contactoppervlak om een vonk over te laten springen die krachtig genoeg is. De afstand is te groot, of het oppervlak te klein. Ook vuil en troep hebben hier invloed op. De bougie of verdelerkap krijgt brandsporen door de vonken, en slijten in.
Vroegtijdige lozing
We willen de vonk laten springen bij de rotor en verdelerkap en op de bougie. Nergens anders. Versleten bougiekabels kunnen er toe leiden dat (een deel van) de lading vroegtijdig naar massa ‘lekt’ en niet bij de bougie springt. Dat is zonde. Dit geldt ook voor gebarsten porselein van de bougie zelf.
Natte bougies
Bij een te rijk lopend blok zal de bougie, met name op stationair toerental en/of choke, nat van de benzine lopen. Motoren met versleten zuigerveren zullen eveneens olie in de verbrandingskamer hebben. Bij een natte bougie vormt de vloeistof de stroombrug, veelal met wat weerstand. De vonk is niet aanwezig of heel zwak. Pas als de nattigheid wat verdampt is (motor wordt warmer), gaat de bougie weer vonken. Veel van onze blokjes lopen daarom koud ook vaak op 2 of 3 pitten, met namen de enkele carburateurmodellen.
Onvoldoende hoogspanningslading
Hierbij wordt de bobine onvoldoende ‘opgeladen’. Dit kan komen door verkeerd gestelde contactpunten (de contacthoek is te klein, de punten zijn te kort gesloten), of simpelweg een slechte en/of verouderde bobine. In een verouderde bobine lekken de binnenste en de buitenste spiraal naar elkaar of zelfs naar massa. In een slechte (nieuwe) bobine zijn de spiralen gewoon niet precies genoeg ontworpen om een fatsoenlijke lading te verzorgen. In beide gevallen is de lading te zwak voor een optimale vonk.
De bobinediscussie
Er zijn veel verhalen gaande over de diverse Bosch bobines. Een algemeen aangenomen fabeltje is dat de blauwe Bosch beter is dan de zwarte Bosch. Feitelijk is dit onzin, beiden zijn even goed en/of slecht. De oorspronkelijke blauwe Bosch bobines waren echter beter bestand tegen extremere situaties. De huidig algemeen leverbare blauwe Bosch is er eentje met een zilveren label. Deze wordt door Ratwell.com zelfs aangemerkt als ‘The Ugly’. Lees hier meer:
http://www.ratwell.com/technical/BlueCoil.html
Er zijn een aantal factoren van belang bij de bobine. Allereerst de voorschakelweerstand. Vroegere bobines hadden daarvoor nog een extra vermogensweerstand om de stroom door de bobine te beperken. De latere bobines hebben een eigen inwendige weerstand van 3 tot 4.5 ohm, waarbij de externe weerstand overbodig wordt. Mijn enige verklaringen hiervoor zijn dat deze weerstand ter bescherming van de inbranden van de contactpunten is en ter bescherming van een te hoge stroom op de bedrading. Ik zoek nog iemand die me daar meer input over kan geven.
Wat mij wel duidelijk is dat elektronische ontsteking in staat is te werken met een bobine die meer lading kan opbouwen. En hoe meer lading, hoe krachtiger de vonk. Hoe krachtiger de vonk, hoe beter de start en volledigheid van de verbranding.
De invloed van een nieuwe bobine heb ik nooit beter gemerkt dan bij de blokrevisie van Baphi afgelopen voorjaar. Hoewel de oude conform de weerstandswaardes prima was, klonk het blokje direct krachtiger en gewilliger met de nieuwe. En dat was met ‘The Ugly’ blauwe Bosch met zilveren stikker.
Ik heb nu wat verhalen gelezen over het vervangen van een volledig gezonde standaard bobine door een Pertronix Flamethrower bobine. Veel van deze verhalen zijn positief. Met name op de reactie bij hogere toeren. Ik ga mijzelf, als bezitter van 2x ‘The Ugly’ blauwe, er ook aan wagen om in de Pertronix groupbuy een 40.000 volt Flamethrower mee te laten bestellen. Let wel: alleen te gebruiken in combinatie met een passende electronische ontsteking.
Poll: wie doet er mee? Voldoende animo is een extra groupbuy topic bij de Pertronix Ignition groupbuy. Ik heb al toezegging op een leuke korting. De prijs ligt nu tussen de 35 en 40 euro, zo’n tientje meer als ‘The Ugly’ blauwe.
Zoekterm: AQ26W
