Bougies

Techniek van naaldje tot draadje

In de meeste van onze geliefde motorfietsen huist een verbrandingsmotor. Die verstookt dus één of ander brandbaar goedje, maar dat verloopt niet zomaar uit de losse pols. We spreken immers over een ‘ontploffingsmotor’ en al dat knallen houd je maar beter goed in de hand. Eén van de belangrijkste hulpmiddelen daarbij is de bougie…    

In de motor wordt een mengsel van benzine en lucht aangestoken. Dat moet heel snel en op het juiste moment gebeuren. En net daarvoor zorgt de bougie. Die bestaat uit twee metalen contacten, die minder dan een millimeter van elkaar staan. Op deze twee elektroden wordt een enorm hoge elektrische spanning van zo’n 30.000 volt gezet, waardoor er een vonk tussen de elektroden overspringt. De vonk steekt het mengsel aan. Dat gaat allemaal razendsnel. Sommige motoren halen tegenwoordig bijna 17.000 toeren per minuut en dat betekent dat er in elke cilinder meer dan 140 verbrandingen per seconde plaatsvinden! 

Vlamfront

Een verbranding duurt typisch amper 2 milliseconden. Toch is het geen explosie. Bij een explosie verbrandt een mengsel wild en spontaan, op diverse plaatsen tegelijk. Dat gebeurt als het mengsel te arm is, de motor te heet, of als er een slechte kwaliteit brandstof wordt getankt. Die explosies noemen we ‘pingelen’. Daarbij ontstaan drukpieken, die de motor ernstig kunnen beschadigen. Een normale verbranding loopt juist heel geordend. Eerst worden de lucht- en brandstofdeeltjes, die tussen de twee bougie-elektroden passeren, door de hoge elektrische “ontsteekspanning” gevangen en gericht – of beter, geïoniseerd. Als de deeltjes netjes op een rij staan, kan via de deeltjes een stroom gaan lopen van de ene elektrode naar de andere. Dat is de vonk. Als de stroom eenmaal loopt, daalt de elektrische spanning tot een lager niveau, de zogenaamde ‘brandspanning’. In die periode loopt de temperatuur tussen de elektroden op tot enkele duizenden graden. Dat is genoeg om het benzine-luchtmengsel in brand te steken. Het laagje benzine rond de elektroden van de bougie brandt en steekt het volgende laagje aan. En zo loopt er razendsnel, maar heel gelijkmatig en gecontroleerd, een brandend laagje of een ‘vlamfront’ door de verbrandingskamer heen.

Isolator

Bij een bougie is het met andere woorden niet alleen belangrijk dat de vonk op het juiste moment ontstaat, maar ook dat die op de juiste plaats overspringt, meer bepaald exact tussen de twee elektroden. Daarom worden de binnenste elektrode en de metalen buitenhuls, waaraan de massa-elektrode zit, van elkaar gescheiden door een isolerende porseleinen huls. Het porselein is aan de buitenzijde geglazuurd om te voorkomen dat er vuildeeltjes op komen, omdat die ‘kruipstromen’ kunnen veroorzaken en dat soort ongecontroleerde toestanden willen we in deze gereguleerde omgeving niet. Om te zorgen dat de bougie niet te heet wordt, is er aluminiumoxide in het porselein meegebakken. Aluminium geleidt warmte heel snel, zodat het porselein overtollige warmte goed kan afvoeren. Anders zouden de elektroden kunnen smelten, of het porselein zou kunnen barsten. De warmteafvoer mag echter ook niet te groot zijn, want dan ontstaan er koolstofafzettingen op de massa-elektrode en de isolatorvoet. Koolstof geleidt elektriciteit en dus zou de elektriciteit via de koolstof kunnen gaan lopen, zonder dat er een vonk ontstaat. De bougie moet dus wel heet genoeg worden om schoon te branden. 

Ontstoring

Niet elke motor wordt even heet. Dus moet ook de mate van warmteafvoer van bougies voor elke motor individueel worden aangepast. Dat gebeurt door de lengte van de isolatorvoet aan te passen. Daarmee varieert de grootte van het contactvlak met de metalen buitenhuls, die in de cilinderkop is geschroefd. Er is in dat kader ook enige tijd geëxperimenteerd met ‘glijvonk’ bougies, waarbij de vonk via de isolatorneus moest glijden om naar een van de vier aan de zijkant geplaatste elektroden over te springen. De glijvonk verbrandt eventuele koolstofaanslag.

Een andere uitdaging bij de fabricage van een bougie is de ontstoring. Hoge ontsteekspanningen wekken elektromagnetische pulsen op, die de boordelektronica en elektronica van apparaten in de buurt storen. Daarom is de centrale elektrode van de bougie met een pasta van gesmolten glas aan de centrale aansluitpen verbonden. De glaspasta is verontreinigd met ijzeroxide, de mate van verontreiniging bepaalt de weerstand en daarmee de mate van ontstoring. De weerstand ligt in de orde grootte van 6 Kilo-ohm.

Ontwikkelingen

Vroeger was de afstand tussen de elektroden van een bougie typisch zo’n 0,6 mm. Tegenwoordig draaien motoren vanwege emissie- en verbruikseisen regelmatig met hele arme mengsels, terwijl er vaak ook uitlaatgassen naar de cilinder worden teruggevoerd (EGR) om de uitstoot van stikstofoxiden (NOx) terug te dringen. Het gevolg is dat de afstand tussen de elektroden omhoog moet, gewoon om er genoeg brandbaar mengsel tussen te krijgen. Tegenwoordig is 1 mm de norm. Daarnaast worden tegenwoordig ook hogere compressieverhoudingen gebruikt om motoren zuiniger te maken. Door die beide factoren is er tegenwoordig een hogere vonkspanning nodig dan vroeger. Vroeger leverde de bobine een spanning van 10.000 volt, tegenwoordig is dat vaak 30.000 tot 40.000 volt. Bij een dergelijke spanning branden de nikkelelektroden van gewone bougies te snel weg. Daarom zijn er betere bougies ontwikkeld, met elektroden van zeer slijtvaste materialen als platina, iridium of titanium. Door het hoge smeltpunt - 2454° Celsius voor iridium tegenover 1769° voor platina en 1453° voor nikkel - en de betere corrosiebestendigheid gaan iridium bougies veel langer mee, tot wel 60.000 km! 

TT-bougie

Een probleem dat moderne, propere en zuinige motoren hebben, is dat de mengsels moeilijker ontbranden en de heftige wervelingen de vonk uit kunnen blazen. Daarom is het belangrijk dat het mengsel snel wordt aangestoken en het vlamfront zich snel kan uitbreiden. Daar gaat het bij gewone bougies mis. Door de brede elektroden, waarbij de massa elektrode vaak 2,5 mm dik is, kan het vlamfront zich alleen horizontaal tussen de elektroden verplaatsen. Het duurt dus langer voor het vlamfront “het ruime sop” kan kiezen. In die tijd kan het zoveel warmte aan de elektroden verliezen, dat de temperatuur te laag wordt om de rest van het mengsel aan te steken. Onder andere Suzuki gebruikt daarom in de V-Strom 650 een speciale ‘Twin Tip’ bougie, die door Denso is ontwikkeld. Deze Twin-Tip bougie heeft nikkel elektroden, waarbij de centrale elektrode slechts 1,5 mm dik is. Op de massa-elektrode is een ‘punt’ geponst, ook 1,5 mm van doorsnede. Door deze ‘Twin Tip’ kan de vonk het mengsel beter en sneller bereiken, waardoor er een snellere, krachtigere en meer volledige verbranding plaatsvindt, met minder ‘misfire’. Hierdoor zal een motor beter aanslaan en beter lopen, met meer vermogen en schonere emissies. Er zijn overigens ook nog iridium Twin Tip bougies ontwikkeld. Die tillen dit idee naar een nog hoger niveau met een centrale elektrode met een iridium punt van slechts 0,4 mm, terwijl op de massa-elektrode een platina tip van 0,7 mm is geplaatst. Deze bougie gaat 120.000 km mee.

Plug-Top 

Een verdere verbetering, die we in de nabije toekomst gaan zien, is de Plug-Top bougie. Bij deze bougies is de isolator met 8,5 mm verlengd, terwijl de hoogspanning via een spiraalveer wordt overgebracht naar een komvormige connector, die bovenop de isolator is geplaatst. Door deze nieuwe verbinding ontstaat een beter elektrisch contact en is er minder risico op doorslaan. Ook de elektromechanische storingspuls is kleiner. De nieuwe plug-top bougies zijn verder voorzien van “dubbelplatina”-elektroden, waarbij zowel de massa-elektrode als de centrale elektrode via een laser-lasproces zijn voorzien van een platina slijtlaag. Zowel Bosch als Beru produceren deze bougie, die in de autotechniek al wordt toegepast.

Ecoflash vervangt bougie

Bougies met elektroden gaan in de toekomst wellicht helemaal verdwijnen. De Duitse bougiefabrikant Beru heeft namelijk een geheel nieuw ontstekingssysteem ontwikkeld. Bij dit zogenaamde ‘Ecoflash’-systeem wordt geen bougievonk meer gebruikt, maar wordt een hoogfrequent elektromagnetisch veld in de verbrandingskamer opgewekt. Dit veld zorgt voor een ionische voorlading en geeft vervolgens een energie-explosie, waardoor een breed verbrandingsveld ontstaat. Dit zorgt voor een snelle en volledige verbranding. De verbranding kan in principe op elke gewenste plek in de cilinder kan beginnen, aangezien je niet bent gebonden aan de plek van de elektroden. Er zijn hierdoor ook andere verbrandingsvormen mogelijk, die ook toerentalafhankelijk kunnen worden gestuurd. De Ecoflash ontsteking geeft veel betere emissies en meer vermogen en daar kunnen we alleen maar blij mee zijn. 


© Motoren & Toerisme