NIEUWE TECHNOLOGIEEN PERFECTIONEREN OUDE TECHNIEK

BOUGIES HELPEN ONTSTEKINGSSYSTEMEN OM EURONORMEN TE HALEN

Een klein, maar niet te onderschatten stukje techniek in het ontstekingssysteem van een verbrandingsmotor is de bougie. Bij benzinemotoren moet die de moeilijk controleerbare ontsteking van het lucht-brandstofmengsel zo veel mogelijk in goede banen leiden. Dit artikel neemt u mee door de technologische evolutie gedurende het ruim honderdjarige bestaan van de bougies.

ELEKTRISCHE ONTSTEKING

In een (compressie)verbrandingsmotor is er steeds een ontsteking nodig. Sinds de start van de vorige eeuw gebruiken benzinemotoren daarvoor een bougie. Die staat onder hoogspanning en geeft, wanneer ontsteking gewenst is, een stroomstoot (elektrische vonk) af in de verbrandingskamer, waardoor het lucht-brandstofmengsel ontstoken wordt. Van dit principe werd in het ruim honderdjarige bestaan van de bougie weinig afgeweken.

HISTORISCHE EVOLUTIE

Ontwikkelingen

De eerste bougie met hoogspanningsmagneetontsteking kwam er rond 1902. In 1975 kwam de eerste noemenswaardige ontwikkeling met koper in de elektrodes. Koper in de centrale en de massa-elektrode verbetert de warmteafvoer. Daardoor werd ook de slijtage beperkt. Rond 1983 werden de eerste bougies met centrale elektrodes van platina vermarkt.
Die zijn zeer goed bestand tegen slijtage en hebben dus een langere levensduur. Vanaf 1998 neemt de gemiddelde levensduur van de bougies toe. Platina wordt nu lasergelast op de twee elektroden, met sterkere vonken en volledige verbranding tot gevolg.

Euronormen

De evolutie van de bougies loopt gelijk met de technologische ontwikkelingen van het ontstekingssysteem. Die lopen op hun beurt dan weer parallel met de Euronormen (zie tabel). Sinds de eerste norm (midden 1992) werken fabrikanten hard aan de levensduur van bougies, zodat die de emissie binnen de norm kunnen houden.

Vonktechniek

Een betere ontbranding helpt ook om de emissie laag te houden door een meer volledige verbranding. Sinds de jaren 80 worden daarom bougies met multi-elektrodes gebruikt. Meerdere elektrodes geven namelijk altijd een vonk, die de kortste weg neemt. Zo zijn er drie soorten vonken (zie afbeelding linksonder op de volgende pagina):

• een vonk door de lucht;
• een glijdende vonk;
• een semiglijdende vonk.

Glijdende vonken hebben echter wel het nadeel dat ze zorgen voor ontploffing binnen de bougie, wat nadelig is voor de uitstoot. Rond 2005 kwamen producenten tot de conclusie dat een vonk door de lucht de beste ontstekingsmethode is. Dus wordt er teruggegrepen naar bougies met één elektrode, maar met meer hoogwaardige materialen, waardoor de levensduur verlengd wordt. Deze bougies zijn zeker noodzakelijk in de 'gedownsizede' motoren in kleinere wagens. Het nadeel is natuurlijk dat de prijs van de bougies naar boven toe aangepast moest worden.

Vandaag

De hedendaagse bougies zijn smaller en langer. De plaats die bougies in de cilinderkop innemen, wordt ook steeds kleiner, dit onder invloed van de 'downsizing' van motoren. Ook gebruiken fabrikanten steeds meer edelmetalen zoals platina, iridium, rodium en titanium. Daardoor zijn de elektroden beter bestand tegen corrosie en erosie. Dat is ook nodig omdat de bougies een centralere (hetere) positie krijgen in de verbrandingskamer. Het isolatiemateriaal verbetert steeds, om aan de gevraagde weerstand tegen de hoge elektrische stromen in nieuwe motoren te kunnen beantwoorden. Het gebruik van hoogwaardig keramiek kwam in zwang.

BOUW VAN DE BOUGIE

Het werkingsprincipe van de bougie bleef steeds overeind; een feit dat eveneens opgaat voor de bouw van dit element uit het ontstekingssysteem. Het is namelijk samengesteld uit de drie onderstaande onderdelen.

Huls

Het metalen stuk met metrische schroefdraad en zeskant is de bougiehuls. Deze huls is voorzien van een of meerdere massa-elektroden. De sleutelwijdtes van de bougieschroefdraad werd zo gekozen opdat het gebruik van speciale bougiesleutels noodzakelijk zou zijn. Gewone steeksleutels zouden de bougiehuls namelijk kunnen beschadigen.

Isolator

Aan de metalen bougiehuls vastgehecht hangt de porseleinen/keramische isolator. Die biedt een goede isolatie bij hoge temperaturen en een grote thermische vastheid.

Elektrode

Geconnecteerd aan de bovenzijde met een bougiekabel is de centrale elektrode. Die geleidt hoogspanning naar de massa-elektrode. Daarnaast moet de elektrode ook de warmte van de isolatorneus afvoeren. Daarom is deze vervaardigd uit goed warmtegeleidend materiaal.

WERKING

De bougie is aan de bovenzijde aangesloten op een bobine (transformator) die de hoogspanning levert voor de vonk. De elektronen stromen naar deelektroden, waardoor er zich een voltage opbouwt tussen de centrale en de zijelektrodes. Het lucht-brandstofmengsel fungeert als isolator tussen de twee, maar zodra de spanning nog stijgt, wordt de gasstructuur aangepast. Wanneer het voltage de diëlektrische kracht van de gassen overstijgt, wordt het gas geïoniseerd. Zo geleidt het gas en laat het elektronen toe om de afstand te overbruggen. Die elektronenstroom doet de temperatuur enorm stijgen, waardoor het geïoniseerde gas snel uitzet (explodeert). Warmte en druk doen de gassen met elkaar reageren, het vlammenfront plant zich voort en de inhoud van de verbrandingsruimte wordt tot ontbranding gebracht.

FUNCTIONEREN

Een goede werking van de bougie hangt af van de volgende drie aandachtspunten.

Elektrodeafstand

Bij gebruik brandt de elektrode telkens iets af. Daarom moet de elektrodeafstand regelmatig worden gecontroleerd. Een te grote afstand leidt tot hogere ontstekingsspanning, ten koste van de vonkduur.

Warmtegraad

Optimale prestaties levert de bougie bij temperaturen tussen 400 en 850 °C. Een te hoge temperatuur doet het gasmengsel ontbranden door de gloeiende isolator. Bij een te lage temperatuur wordt de zelfreinigingstemperatuur niet bereikt en kan (elektrisch geleidende) roetvorming plaatsvinden.

Er zijn 'koude' en 'warme' bougies:

• bij koude bougies is het isolatorgedeelte dat blootgesteld wordt aan de hitte van de verbrandingsgassen relatief kort. De warmte wordt snel aan de cilinderkop afgegeven;
• warme bougies hebben een langere isolatorneus waardoor de warmteopname groter is.
  
  

Algemene toestand

De bougies mogen niet vervuild zijn door koolafzetting of loodresten. Bij het gebruik in normale omstandigheden met de juiste bedrijfstemperatuur heeft een bougie wat aanslag die licht gekleurd of grijs kan zijn.

VERVANGING

Slijtage

Tijdens het rijden wordt de ontstekingsbougie blootgesteld aan slijtage en koolaanslag. Daarom moet die regelmatig worden vervangen. De veranderingen aan de bougie leiden namelijk tot een verhoogde behoefte aan ontstekingsspanning. Als die behoefte de hoogspanningsreserve overschrijdt, leidt dit tot storing bij ontsteking. Gevolgen daarvan zijn een substantiële verhoging van het brandstofverbruik (versleten bougie doet chauffeur dieper het gaspedaal intrappen) en het oplichten van een EOBD-waarschuwing.

Montage

Voor correcte montage van bougies gebruikt men een momentsleutel en respecteert men de aanbevolen aandraaimomenten. Die hangen samen met het soort materiaal waaruit de bougie bestaat, het soort dichting en de specifieke omstandigheden waarin het voertuig moet functioneren (zie tabel).

 

BOUGIES VAN VANDAAG EN MORGEN

Inkepingen

Recentelijk zijn er bougies op de markt gekomen met groeven of kammen op de massa-elektrode of met een V-inkeping op de middenelektrode. De groeven zorgen voor een vijfvoudige elektrische werking, zodat vonken beter overspringen door de lucht. De V-inkeping op de elektrode zorgt ervoor dat de vonk aan de zijkant van de elektrode plaatsvindt, zo dicht mogelijk bij het brandstofmengsel.

Coronaontlading

Sommige bougies maken gebruik van corona-ontlading, hetzij als opzettelijke voorontlading, hetzij in een verlengde vorm als middel ter ontsteking. Corona is een elektrische ontlading die net als de bliksem vele vertakkingen heeft. In haar korte variant ontstaat er geen compleet ontladingspad (reiniging bougie). Indien de coronaontlading lang genoeg wordt aangehouden, dan kan ze de brandbarecilinderinhoud over een heel breed front aansteken. Dit systeem laat toe om armere brandstofmengsels op een betrouwbare manier te ontsteken.

Hoge frequentie

Er zijn diverse systemen die gebruikmaken van bougies met magnetische stroom rond de tip. Dat concept zorgt voor een beter controleerbare ontlading, met de stroomsterkte die afhankelijk is van de druk op het gaspedaal. Deze bougies maken ook het apart aansturen van cilinders mogelijk. Zo kan men minder cilinders gebruiken tijdens het filerijden. Dit systeem zou stikstof met 80 en CO2 met 50% verminderen, en zo al klaar zijn voor Euro 7. De eerste montage van deze ontstekingsmechanismes is pas gestart, dus het kan nog even wachten zijn voor we deze ontstekingssystemen in de werkplaats te zien krijgen.