Ontstekingssysteem

Onderwerpen:

Algemeen
Bobine-ontsteking
Conventionele verdelerontsteking met contactpuntjes
Computergestuurde ontsteking
Verbrandingsdruk en ontstekingstijdstip
Ontstekingsvervroeging
Dwell-tijd
DIS ontsteking
Een bobine per cilinder
Primair ontstekingsbeeld meten met de oscilloscoop

Algemeen:
In een benzinemotor moet aan het einde van de compressieslag het brandstof- /luchtmengsel ontstoken worden. Dat gebeurt doordat de bougie een vonk geeft. Om de bougie te laten vonken is er een spanning tussen de 20.000 en 30.000 volt nodig. Een bobine zet de accuspanning (rond de 12 á 14,8 volt) om in deze hoogspanning.
Bij oudere systemen zit er vaak 1 bobine ergens op het motorblok geschroefd, die door middel van bougiekabels verbonden is met de bougies. Nieuwere motoren hebben vaak penbobines. Op elke bougie zit dan een eigen bobine. Het aantal bobines op de motor kan simpel herkend worden aan de aanwezigheid van bougiekabels. Als er bougiekabels naar elke cilinder lopen, heeft de auto 1 vaste bobine of een DIS-bobine. Als er geen bougiekabels lopen, dan zit er op elke bougie een aparte bobine. Vaak moet er wel een motor afdekplaat gedemonteerd worden om dit te zien.

Bobine-ontsteking:
Een ontstekingssysteem maakt gebruik van een bobine. Ongeacht het type (conventioneel of computergestuurd) komt het principe op hetzelfde neer. In de bobine zitten er 2 spoelen van koperdraad om een ijzeren staaf (kern). De primaire spoel (aan de contactslot kant) heeft weinig windingen van dik draad. De secundaire spoel heeft heel veel wikkelingen van dun draad. Op de primaire spoel staat een spanning van 12 volt. Door deze primaire spoel wordt een stroom gestuurd van 3 tot 8 Ampère. Hiermee wordt een magnetische veld opgewekt. Wanneer dit magnetische velt wegvalt, wordt in de primaire spoel een spanning opgewekt van 250 tot 400 volt. Door het verschil in het aantal wikkelingen, wordt daardoor in de secundaire spoel een spanning tot soms wel 40.000 volt opgewekt.

De primaire spoel van de bobine heeft een ohmse en inductieve weerstand. De ohmse weerstand kan met de multimeter worden gemeten, of worden berekend uit de stroom- of spanningsmetingen. De inductieve weerstand heeft betrekking op het magnetische veld dat in de primaire spoel wordt ontwikkeld en hangt af van de snelheid waarmee de stroomsterkte verandert en de magnetische eigenschappen van de spoel (de L-waarde). Iedere bobine heeft een vaste L-waarde, die afhangt van het aantal windingen en de afmetingen van de spoel en de eigenschappen en afmetingen van de kern.

Conventionele verdelerontsteking met contactpuntjes:
Het conventionele ontstekingssysteem bestaat uit een enkelvoudige bobine die wordt in- en uitgeschakeld met contactpuntjes, bobinekabel, bougiekabels en een mechanische verdeler met ontstekingstijdstip-vervroeging.

In rust staan de contactpunten gesloten. Er loopt een stroom door de primaire spoel, via de contactpuntjes naar de massa. Op dat moment is er een magnetisch veld in de primaire spoel aanwezig. Wanneer het nokje de hefboom optilt, wordt het contact tussen de contactpuntjes verbroken en ontstaat er een inductiespanning. Deze inductiespanning wordt in de secundaire spoel versterkt en via de bobinekabel doorgegeven aan de verdeler. Het nokje in de verdeler wijst naar één van de aansluitingen van de bougiekabels. De spanning wordt doorgegeven aan de bougie, die daardoor een vonk produceert.

De bobine geeft een hoge voltage via de aansluiting van de bobinekabel door naar de rotor in de verdeler. De rotor in de verdeler draait met het halve krukastoerental. Dat wordt mogelijk gemaakt doordat er, afhankelijk van de constructie, een directe verbinding is tussen de krukas en de verdeler (zoals in de afbeelding is te zien), of doordat de rotor direct door de nokkenas aan wordt gedreven. De nokkenas draait immers al met halve snelheid t.o.v. de krukas. In de afbeelding is een exploded-view van de verdeler te zien.

De rotor is wel gevoelig voor onderhoud. De contactdeeltjes tussen de rotor en de verdelerkap gaan op ten duur corroderen, waardoor de kwaliteit van de bougievonk achteruit gaat. Door af en toe de corrosie weg te schuren, of door de versleten onderdeeltjes te vervangen, blijft de kwaliteit van de vonk optimaal. Door de verdelerkap op de rotor te draaien, wordt het ontstekingstijdstip aangepast.

Computergestuurde ontsteking:
Moderne auto’s zijn uitgevoerd met computergestuurde ontstekingssystemen. Het motormanagementsysteem zorgt voor de aansturing van de bobine. Een impulsgever (krukaspositiesensor en eventueel een nokkenaspositiesensor) geeft een referentiepuls dat synchroon loopt met de kruk- of nokkenas. In een ring of op de poelie bevindt zich vaak een ontbrekende tand die als referentiepunt dient. In de afbeelding is de bewerkte krukaspoelie te zien van het MegaSquirt project. De poelie heeft 36 tanden, waarvan er 1 is weggeslepen. Daarom wordt het ook wel een 36-1 referentiewiel genoemd. Bij iedere 10 graden passeert er 1 tand langs de sensor (360/36).

Telkens wanneer de ontbrekende tand langs de sensor draait, wordt er een signaal naar de ECU gestuurd.
Dit referentiepunt is niet het bovenste dode punt (BDP) zoals de naam vaak doet beweren. In werkelijkheid bevindt dit referentiepunt zich tussen de 90 en 120 graden voor het BDP. Dit komt erop neer dat wanneer er geen sprake is van ontstekingsvervroeging, de ontstekingspuls 9 tot 12 tanden na het referentiepunt plaatsvindt.

In de afbeelding is het krukassignaal (geel) ten opzichte van de aanstuurpuls van de bobine (blauw) te zien. In het krukassignaal is de ontbrekende tand zichtbaar waar de puls ontbreekt. Bij deze motor bevindt de ontbrekende tand zich 90 graden voor het BDP (dat zijn 9 tanden van het pulswiel).

Tussen de ontbrekende tand (referentiepunt, geel) en de aanstuurpuls (blauw) zijn 8 tanden zichtbaar; er is hier sprake van 10 graden voorontsteking.

Het vervroegen van de ontsteking heeft te maken met de verbrandingssnelheid; de verbranding heeft tijd nodig om op zijn maximale verbrandingsdruk te komen. Deze maximale verbrandingsdruk is bij een krukaspositie van 15 tot 20 graden na BDP optimaal. Dit dient bij alle bedrijfsomstandigheden optimaal te zijn. In de volgende paragrafen wordt uitgelegd welke invloed het ontstekingstijdstip op de verbrandingsdruk heeft, hoe de ontstekingsvervroeging plaatsvindt en hoe je de dwell-tijd in het scoopbeeld kunt aflezen.

Verbrandingsdruk en ontstekingstijdstip:
Het ontstekingssysteem moet ervoor zorgen dat het mengsel in de cilinderruimte op het juiste moment ontsteekt. Op het moment dat de zuiger het BDP heeft gepasseerd moet de verbrandingsdruk het hoogst zijn. Omdat er tijd zit tussen het ontsteken en ontbranden van het mengsel (daar wordt de maximale verbrandingsdruk bereikt), moet het mengsel al geruime tijd vóór het BDP worden ontstoken. Kortom: de bougie moet al hebben gevonkt voordat de zuiger het BDP heeft bereikt.

In het volgende diagram zien we het drukverloop (rode lijn) ten opzichte van de krukasgraden. Op punt a vonkt de bougie. De zuiger beweegt verder naar het BDP (0) en de verbrandingsdruk stijgt. Ongeveer 10 tot 15 graden na het BDP (op punt b) is de maximale verbrandingsdruk bereikt.

als punt b te ver naar links verplaatst, wordt het mengsel te vroeg ontstoken en wordt de zuiger tegengehouden bij het omhoog bewegen;
bij het naar rechts verplaatsen van punt b vindt de verbranding te laat plaats. De zuiger is al te ver naar het ODP bewogen. De arbeidsslag is niet meer effectief genoeg.

Ontstekingsvervroeging:
Om de drukpiek op de juiste krukaspositie te laten plaatsvinden, is het belangrijk om de ontsteking te vervroegen wanneer het toerental wordt verhoogd. Punt b (de maximale verbrandingsdruk) mag niet worden verplaatst. Bij het vervroegen en verlaten van het ontstekingstijdstip wordt punt a (ontstekingsmoment) naar links of rechts geschoven. De verbrandingstijd hangt af van de vullingsgraad van de motor en de actuele mengverhouding. De ontstekingsvervroeging is daarom bij iedere motor verschillend. Dit is ook de reden waarom het krukasreferentiepunt een aantal graden vóór het BDP is ingesteld: tussen het referentiepunt en het BDP is er tijd om de ontstekingsvervroeging te berekenen.

Bij een DIS-bobine (verderop op de pagina beschreven) is de krukaspositiesensor voldoende om het ontstekingstijdstip te bepalen. De eerste puls na de ontbrekende tand wordt gebruikt voor bijvoorbeeld de secundaire spoel van cilinders 1 en 4 te laden. Vervolgens wordt het aantal tanden geteld (in dit geval 18) om de puls voor de secundaire spoel van cilinders 2 en 3 te genereren. Wanneer de motor is uitgevoerd met COP-bobines, is één referentiepunt niet voldoende. In dat geval is een nokkenaspositiesensor nodig om meerdere referentiepunten te detecteren.

De onderstaande twee afbeeldingen (ontstekingsvervroegingstabel en de 3D-weergave) tonen de instellingen van de ignition-map in het MegaSquirt project. Dit worden de opzoektabellen, referentie- of kernvelden genoemd.

De ontstekingsvervroeging wordt vastgesteld aan de hand van de motorconfiguratie. De grafieken tonen de vollastontstekingsvervroegingscurves bij (conventionele) mechanische verdelerontsteking (roze lijn) en een computergestuurd systeem (blauwe lijn). De knik in de roze lijn is het punt waar de vacuümvervroeging in werking treedt. Verder zijn de lijnen kaarsrecht; dit komt door mechanische beperkingen. Bij een computergestuurd systeem is dit nauwkeuriger te regelen; daarom verloopt de ontstekingscurve als een kromme. Tussen de 1200 en 2600 rpm is de blauwe lijn iets naar beneden getrokken; dit heeft met het deellast pingelgebied te maken. Verder is te zien dat zowel de conventionele, als de computergestuurde vervroegingslijnen eindigen bij ongeveer 25 graden. De vervroeging mag niet verder oplopen, omdat er dan gevaar is voor de “high speed knock”, oftewel het pingelgebied bij een hoog toerental.

De ignition-map dient als basis voor de ontstekingsvervroeging. Vanaf dit punt zal het motormanagementsysteem de ontsteking zo veel mogelijk proberen te vervroegen. Teveel vervroeging zal leiden tot pingelen; dit wordt geregistreerd door pingelsensoren. Op het moment dat de pingelsensoren registreren dat de motor neigt te gaan pingelen, zal het motormanagementsysteem het ontstekingstijdstip weer een paar graden verlaten. Vervolgens zal er weer opnieuw worden vervroegd tot de pingelsensoren een signaal geven.

Dwell-tijd:
Bij het inschakelen van de primaire stroom wordt een magnetisch veld opgebouwd. De stroom door de spoel zal niet direct zijn maximale waarde bereiken; dit kost tijd. In de spoel is sprake van een weerstand die wordt verkregen uit een tegengewerkte inductiespanning. Ook zal de stroom niet verder oplopen dan 6 tot 8 Ampère. Er is in 2,3 milliseconden voldoende energie opgewekt om door de bougie een vonk over te laten springen, die voldoende is om het lucht- brandstofmengsel te ontsteken. Het punt t=2,3 ms is het ontstekingstijdstip. De stroomopbouw van tijdstip t0 naar t=2,3 ms noemen we de laadtijd van de primaire spoel, oftewel de dwell-tijd.

De stroomopbouw in de primaire spoel stopt bij ca. 7,5 Ampère. De stroom mag niet verder oplopen, want dan kan de primaire spoel te warm worden. Wanneer de boordspanning van de auto daalt, is er meer tijd nodig om de primaire spoel op te laden. Het ontstekingstijdstip wijzigt niet. Er moet dus eerder worden begonnen met het laden. Dit is te zien in de afbeelding, waarbij de groene lijn het inschakelverschijnsel van de spoel weergeeft bij een lagere spanning. Het ladingsproces begint eerder (delta t) en eindigt op hetzelfde moment als de zwarte lijn bij 7,5 A.

De aansturing van de bobine verandert; de breedte van de aanstuurpuls heeft invloed op de laadtijd van de primaire spoel. Hoe langer de puls is, hoe langer de spoel de tijd krijgt om op te laden.
In beide afbeeldingen vindt de ontsteking plaats bij de achtste tand (80 graden voor het BDP). De rechter afbeelding toont de langere dwell-tijd.

DIS ontsteking:
DIS staat voor Distributorless Ignition System. Het is, zoals de naam het al zegt, een elektronische verdelerloze ontsteking. Het signaal om te ontsteken komt direct vanaf de ECU, wat het een computergestuurde ontsteking maakt. Bij dit ontstekingssysteem zijn er 2 bobines gecombineerd in 1 behuizing. Elke bobine zorgt voor de vonk voor 2 cilinders. Er zit een één spoel bobine gemonteerd op de cilinders 1 en 4, en de andere spoel zit op de cilinders 2 en 3.

Als voorbeeld nemen we de DIS-bobine met de aansluitingen voor cilinder 2 en 3. Er is geen rotor aanwezig, wat betekent dat ze beide tegelijk zullen vonken. Cilinder 2 is aan het einde van de compressieslag en de bobine geeft een vonk om met mengsel te ontbranden. Dat betekent dat de bobine ook vonkt op cilinder 3, die dan met de inlaatslag start, maar omdat deze nu geen brandbaar mengsel heeft maakt dat niet uit. Als later cilinder 3 bezig is met de compressieslag, zal cilinder 2 bezig zijn met de inlaatslag en krijgt dan de onnodige vonk. De loze vonk in de cilinder waar geen verbranding plaatsvindt, veroorzaakt niet een snellere veroudering van de bougie. De vonk heeft dan maar een spanning van 1kV (1000V) nodig i.p.v. de 30kV bij het verbranden van een mengsel.

Het voordeel van de DIS-bobine is dat er eigenlijk geen onderhoud nodig is. De bobine is onderhoudsvrij. Het nadeel van deze bobine is dat er nog wel eens vocht binnen dringt tussen de kabel en de aansluitschacht in de bobine. Vocht veroorzaakt corrosie aan de contacten, die wit of groen uit slaan. De vonkspanning daalt door het grote spanningsverlies wat door de corrosie ontstaat. De motor zal iets kunnen gaan schudden en trillen, zonder dat er daadwerkelijk een storing in het geheugen van de ECU komt te staan. Bij een klacht als dit, is het verstandig om één voor één de kabels van de bobine te demonteren (terwijl de motor uit staat!!) en te kijken of de contacten mooi goudkleurig zijn en er geen corrosie sporen in de kabel en in de schacht te zien zijn. De corrosie is erg agressief, en zal na het schoonmaken weer langzaam terug komen. De beste oplossing is om de complete bobine met de desbetreffende kabel te vervangen.

Een bobine per cilinder:
Bij dit ontstekingssysteem zijn de (staaf-)bobines, ook wel COP (coil on plug) bobines genoemd, direct op de bougie gemonteerd. Ook hier regelt het motorregelapparaat (ECU) de ontsteking. Zowel de stroomsterkte als het ontstekingstijdstip worden door het regelapparaat berekend. De werking geldt als een oudere bobine; deze bobine heeft ook een primaire en secundaire spoel. Via de stekker aan de bovenkant wordt de primaire spoel van spanning voorzien en inwendig via een transistor onderbroken.
Het nadeel van deze bobines is dat ze in de bougieschacht gemonteerd zitten en daar door enorm warm worden. Alhoewel ze daar voor gemaakt zijn, willen ze nog wel eens kapot gaan. Dat is te herkennen dat een auto een cilinder overslaat en dat dan de motor gaat schudden. Wanneer dit gebeurt, zal de lambdasonde herkennen dat er een bobine de brandstof niet ontsteekt en wordt de brandstofinspuiting op de desbetreffende cilinder gestopt. De cilinder doet dan helemaal niet meer mee. Zo wordt er voorkomen dat er onverbrande brandstof in de uitlaat komt, waardoor de katalysator kapot zal gaan. Een kapotte bobine kan vaak worden herkend aan het feit dat de motor erg onregelmatig draait (en het motorlampje brandt, al kan het branden van dit lampje talloze oorzaken hebben).

Meer informatie en oorzaken van cilinderoverslag zijn te vinden op de pagina cilinderoverslag.

Bij een vermoeden dat de bobine defect is, kan men het primaire ontstekingsbeeld met de oscilloscoop bekijken, indien de motor in de noodloop is en de ontsteking en inspuiting tijdens het draaien van de motor heeft uitgeschakeld.

Primair ontstekingsbeeld meten met de oscilloscoop:
De bobine wekt de spanning op zodat zich aan de onderzijde van de bougie een sterke vonk kan ontwikkelen. De bobine moet een spanning van circa 30.000 tot 40.000 volt opwekken om een vonk in de bougie over te laten springen. Hiervoor moet in de primaire spoel een ionisatiespanning van 300 tot 400 volt worden opgewekt. In het verloop van de spanning door de primaire spoel kunnen we zien of dit proces goed gaat. De spanningen van de primaire en secundaire spoelen worden aan elkaar doorgegeven, al zijn de niveaus in de secundaire spoel ongeveer 100x zo hoog. Dat maakt het mogelijk om in het primaire spanningsverloop te zien of de bobine in orde is en of de bougie op een goede manier vonkt. Het onderstaande scoopbeeld is gemeten op de primaire spoel van een bobine.

Van links naar rechts:

14 volt: in rust meten we 14 volt aan de plus- en massazijde van de spoel in de bobine;
Contacttijd: de primaire spoel wordt aan één zijde aan massa gelegd. Er ontstaat een differentiaalspanning van 14 volt tussen + en massa, waardoor er stroom door de spoel gaat lopen;
300 volt (inductie): de eindtrap in de ECU of ontstekingsmodule beëindigt de aansturing en er ontstaat een inductie van ongeveer 300 volt in de primaire spoel. Dit noemen we de ionisatiespanning. In de secundaire spoel wordt een spanning van 30.000 volt opgewekt. Deze spanning is nodig om de lucht tussen de elektroden van de bougie geleidend te maken en een vonk over te laten springen;
Vonken van de bougie: aan de vonklijn kunnen we zien dat de bougie vonkt;
Uitslingering: hierin vloeit de restenergie af. Deze hangt af van de LCR-waarde van het circuit (L-waarde van de bobine en de capaciteit van de condensator).

Met de openingstijd in het scoopbeeld bedoelen we de openingstijd van de contactpunten. Bij een computergestuurde ontsteking is dit niet meer van toepassing. Wel kunnen we aan de hand van het punt waarop de ionisatiespanning van de tweede vonk in beeld komt het toerental bepalen. In de onderstaande scoopbeelden zijn de primaire ontstekingsbeelden bij een laag toerental (links) en hoog toerental (rechts) te zien.

Met een oscilloscoop kunnen we het ontstekingsbeeld en injectiebeeld ten opzichte van het krukassignaal weergeven. Het referentiewiel bevat één referentiepunt. Na iedere omwenteling van de krukas vindt een ontstekingsmoment plaats. We weten dat de krukas twee rotaties moet draaien voor één volledige arbeidscyclus. Daaruit kunnen we herkennen dat we te maken hebben met een DIS-bobine. Er vindt dus een “wasted spark” plaats. De injectorbeelden bevestigen dit: de injectie vindt iedere tweede krukasomwenteling plaats.

Als het vermoeden ontstaat dat er een bobine defect is, kan men met het bekijken van het secundaire ontstekingsbeeld bepalen of zich een probleem in de secundaire ontsteking voordoet. De ontstaande afbeelding toont het ontstekingsbeeld van cilinder 6 (blauw) en van cilinder 4 (rood) waarin een storing aanwezig is. De uitleg volgt onder de afbeelding.

In het primaire beeld van cilinder 4 is de ionisatiespanning te zien, maar vervolgens vloeit de energie weg. Het beeld heeft nu overeenkomsten met het kenmerkende spanningsverloop van een magneetspoelinjector. Wat kunnen we in dit beeld herkennen:

Cilinder 6 (blauw) is in orde. Dit beeld gebruiken we als referentie;
Cilinder 4: de ionisatiespanning is in orde. Er wordt energie in de primaire spoel opgewekt. De primaire spoel is goed;
De aansturing van de motor-ECU of de externe ontstekingsmodule is in orde;
Het secundaire verloop is niet zichtbaar;
De primaire en secundaire spoel wisselen dus geen energie uit;
De secundaire spoel is onderbroken.

De ervaring leert dat de secundaire spoel van een bobine door hitte defect kan gaan. Met een oscilloscoop kunnen we dit defect opsporen. Let wel: als de motor in noodloop is gegaan, wordt de aansturing mogelijk beeïndigt. Voer daarom de meting direct na, of tijdens het starten van de motor uit.