De evolutie van de auto ontsteking

28-06-2019

Het verbrandingsproces bij een motor vereist drie elementen - brandstof, lucht en een ontstekingsbron. Lucht is vanzelfsprekend, beschikbaar vrijwel overal waar auto gereden kan worden. Voor het grootste deel uit de geschiedenis van de auto hebben we vooral vertrouwd op een één of andere vorm van geraffineerde aardolie als brandstof. Zoals de meeste andere systemen van de gemotoriseerde transport, is de methode om het lucht-brandstofmengsel aan te steken geëvolueerd door technologie.

De verbrandingsmotoren van de overgrote meerderheid van voertuigen in de afgelopen 127 jaar hebben één van de twee basisontstekingstypen gebruikt; vonk of compressie, waarbij de bougie dominant is. Ongeacht de ontstekingsbron, als een motor zuigers of rotoren heeft en van tweetakt- of viertakt gebruik maakt, zijn enkele basisprincipes gebruikelijk. Lucht en brandstof worden in de verbrandingskamer getrokken, samengeperst, verbrand en vervolgens verdreven.

Ontbranding van diesel

Zoals we in de scheikunde hebben geleerd, als we een hoeveelheid gas zoals lucht comprimeren, neemt de druk en temperatuur toe. Als het voldoende word comprimeert met ingemengde brandstof, zal de temperatuurstijging ervoor zorgen dat de brandstof zelf ontsteekt. Het lukte Rudolf Diesel om compressieontsteking te ontwikkelen als het principe achter zijn gelijknamige motorontwerp. Dieselmotoren gebruiken hoge compressieverhoudingen van 14-20: 1 om de lucht te verwarmen voordat brandstof wordt toegevoegd, wat op zijn beurt de ontploffing genereert die de zuiger naar beneden drukt.

Een diesel heeft een gloeibougie om voor te verwarmen

Ontsteking van benzinemotoren

Hoewel zuinige diesels populair zijn in Europa, heeft de motor met vonkontsteking over het algemeen de voorkeur.
De vonkontsteking die we vandaag de dag nog steeds zien in de moderne benzinemotoren is voor het eerst gebruikt door Étienne Lenoir in 1860. Het basisprincipe om een vonk te creëren is nog steeds dezelfde manier dat al meer dan 150 jaar word gebruikt.

Bougies bestaan uit twee of meer elektroden met een kleine opening tussen de centrale elektrode en die aan de buitenkant. De bougies zijn in de cilinderkop gemonteerd met de elektroden in de verbrandingskamer. Een ontlading van hoogspanning elektriciteit wordt door de centrale elektrode geleid waar het over de opening springt waardoor een vonk ontstaat die de brandstof ontsteekt.

De bougie van een benzinemotor

De twee elektroden van een bougie laten de vonk overslaan

De bobine en zijn voorloper

Vroeger werden magneto's gebruikt om de pulsen van elektriciteit voor de vonk te leveren omdat ze geen batterij of ander elektrisch systeem nodig hadden. Terwijl magneto's nog steeds worden gebruikt op kleine motoren zoals grasmaaiers en zelfs vliegtuigen, maakten ze, in een auto, uiteindelijk plaats voor de bobine omdat auto’s een accu en dynamo kregen.

De spoel in de bobine is in wezen een type transformator die een elektromagnetische stroom opbouwt. Zodra de laagspanningsbron is afgesneden, stort de stroom in en zend een puls van hoogspanningsstroom uit. Aanvankelijk werd de vonk naar de juiste bougie gestuurd via een verdeler met stroomonderbrekingspunten of contactpunten. De bobinekabel werd in de midden aansluiting van de verdelerkap aangesloten. De rotor in de verdelerkap draaide met de toeren van de motor mee waardoor op het juiste moment een vonk werd afgegeven aan de juiste bougiekabel.

Met dit mechanische systeem kon bij de bougie’s ongeveer 10.000 volt geleverd worden, maar hadden beperkte flexibiliteit voor het omgaan met veranderend vermogen en snelheidsomstandigheden. Halverwege de jaren zeventig werden de punten vervangen door een halgever waardoor de spanning tot ongeveer 20 kV kon oplopen.

Bobinerail

Met de bobine rechtstreeks op de bougie heb je geen bougiekabels meer nodig.

Bobinepakketten en penbobines

Halverwege de jaren tachtig werden de eerste individuele bobine’s vervangen door elektronische pakketten met meerdere bobine’s die elk slechts twee cilinders bediende. Dit gaf elke bobine meer tijd om de stroom op te bouwen en zo een hogere spanning te creëren, nu tot 100.000 volt. De elektronica maakte een preciezere timing van de vonk mogelijk voor maximale brandstofefficiëntie, vermogen en schonere emissies. Veel motoren hebben tegenwoordig zelfs helemaal geen bougiekabels meer door een bobine direct op de bougie te monteren voor optimale timingregeling en vermogen.

De twee principes in één motor

Met het oog op de toekomst zullen, samen met de ontwikkeling van elektrische auto’s, de bougies en de compressieontsteking waarschijnlijk nog enige tijd domineren, maar we kunnen wel een samensmelting van deze twee concepten zien met homogene ladingcompressie-ontbranding (HCCI). HCCI-motoren werken op benzine in plaats van diesel en kunnen afhankelijk van de rijomstandigheden heen en weer schakelen tussen de twee ontstekingsmodi. HCCI-motoren hebben de potentie om de efficiëntie van benzinemotoren te verbeteren tot bijna dieselniveaus zonder de NOx- en roetemissies. Helaas zullen we deze evolutionaire stap waarschijnlijk pas laat in het volgende decennium op ons pad zien.