Werking voorontsteking

Gijs Ankoné, Arnhem 14-1-2012
   
 
 

Inleiding

Hoe je bij een wat oudere motor de ontsteking afstelt is bij de meeste sleutelaars wel ongeveer bekend.
Een stroboscooplampje aansluiten, de bout die de distributeur vastzet op het motorblok iets losdraaien, de motor opwarmen en stationair laten draaien, de stroboscooplamp op het merkteken van de poelie/demper richten en dan aan de verdeler draaien om de ontsteking op de juiste tijd te zetten.

Maar wat is de invloed van de verschillende soorten voorontsteking zoals, vaste voorontsteking, centrifugaalvervroeging en vacuümvervroeging? Inzicht krijgen in en begrijpen hoe deze drie methodes elkaar beïnvloeden is van groot belang om de voorontsteking van een motor met een carburateur op de juiste manier af te kunnen stellen.

Ik hoop met dit verhaal e.e.a. op hoofdlijnen een beetje duidelijker te kunnen maken.

 
 

Waarom voorontsteking?

Voorontsteking is nodig omdat er een vertraging (looptijd) zit tussen het moment dat de bougie vonkt en een moment net iets later dat het brandstof/lucht mengsel ontbrandt.
Deze vertraging is per brandstofsoort anders, maar blijft wel ongeveer gelijk bij ieder toerental.

In theorie, wanneer deze vertraging er niet zou zijn, zou je op het moment dat de zuiger precies bovenin de cilinder staat (Top Dead Center) de ontsteking kunnen laten plaatsvinden voor een optimale verbranding en rendement.
Maarrrr, vanwege deze vertragingstijd moet de bougie al vonken voordat de zuiger bovenin de cilinder is aangekomen, dus al vooraf ontsteken simpel gezegd. Zodoende valt het moment van maximale compressie van het brandstofmengsel alsnog samen met het moment dat het mengsel begint te ontbranden en ontstaat er qua ontsteking een optimaal rendement van het verbrandingsproces.  Deze hoeveelheid voorontsteking wordt uitgedrukt in krukasgraden.

Er zijn een aantal soorten typeringen van vervroeging of voorontsteking namelijk:

1)      Vaste vervroeging

2)      Mechanische of centrifugaalvervroeging

3)      Vacuümvervroeging

4)      Totale vervroeging

 
 

Vaste voorontsteking (Initial Advance/Timing)

De vaste voorontsteking wordt gemeten bij een opgewarmde stationair draaiende motor bij ongeveer 600-800 toeren (rpm). 
Het toerental is dan nog zo laag dat een gemiddelde centrifugaalvervroeging nog niets doet en dus nog geen invloed heeft op de hoeveelheid voorontsteking.
Om de invloed van de vacuümvervroeging uit te sluiten bij het bepalen van de vaste voorontsteking moet de slang van de vacuümvervroeger worden losgemaakt én worden afgedopt zodat geen vacuümlek ontstaat.

De vaste voorontsteking moet volgens de specificaties van de motor worden ingesteld maar zal in de praktijk meestal ergens tussen de 6 en de 16 graden worden ingesteld.

 

Let op:

  • Te veel voorontsteking / vervroeging kan ervoor zorgen dat een motor bij een combinatie van weinig toeren en hoge belasting (zwaar moeten trekken) gaat pingelen of kloppen.
    Pingelen is een soort knikkerbak- of dieselachtig geluid en is zeer ongewenst!
    De verbranding begint bij te veel voorontsteking te vroeg, namelijk al voordat de zuiger in het TDC staat. De verbranding remt hierdoor de omhoog bewegende zuiger af.
    Dit levert vermogensverlies op, maar wat erger is, pingelen sloopt de zuigers, zuigerveren en uiteindelijk de motor. Dus zodra je gepingel hoort altijd de verdeler zo snel mogelijk een paar graden terug draaien om de ontsteking weer te verlaten i.p.v. te vervroegen.

  • Te veel vaste voorontsteking kan er ook voor zorgen dat de startmotor tijdens het starten tegen de te vroege ontbranding in staat te werken. Wanneer je dit merkt ook weer een paar graden minder vervroegen!

  • Te weinig voorontsteking / vervroeging betekent dat het ontstekingsmoment te laat komt ten opzichte van het moment van  maximale compressie van het brandstofmengsel. Dit levert  vermogensverlies op. Een deel van het brandstofmengsel  verbrandt bovendien onvolledig, met te veel emissie van  CO/NOx en koolwaterstoffen als gevolg.
    Tevens is het zo dat door de late verbranding een deel dat nog aan het verbranden is  dan al weer via de uitlaatpoort naar buiten gaat zónder dat het z’n verbrandingsenergie heeft kunnen omzetten in druk op de zuiger.
    Te weinig voorontsteking levert dus een slecht rendement, te hoge emissiewaarden en op termijn verbrande uitlaatkleppen op.
 
 

Centrifugaalvervroeging (Centrifugal/Mechanical  Advance/Timing)

In iedere verdeler zit een mechanisme dat ervoor zorgt dat er meer voorontsteking ontstaat wanneer het toerental van de motor stijgt. Dit is nodig omdat de vertraging tussen het moment van vonken en het moment van ontbranden bij gelijkblijvende brandstof en mengselverhouding ongeveer gelijk blijft.

Even kort door de bocht, wanneer je bij bijvoorbeeld 1000 toeren 10 graden voorontsteking nodig hebt, dan heb je bij 3000 toeren ongeveer een factor drie meer voorontsteking nodig, wat neer zou komen op ongeveer 30 graden bij 3000 rpm.
Centrifugaalvervroeging is alleen afhankelijk van het toerental van de motor!

De centrifugaalvervroeger is een mechanisme dat ervoor zorgt dat er meer voorontsteking ontstaat bij een hoger toerental. De centrifugaalvervroeger is een systeem van twee gewichtjes en twee veertjes in de verdeler dat afhankelijk van het aantal toeren een verdraaiing in de verdeler zelf veroorzaakt en daardoor meer voorontsteking veroorzaakt. Dit mechanisme treedt in werking bij een bepaald minimaal toerental en is begrensd bij een maximaal toerental en is in dit gebied lineair werkzaam.
Het maximum toerental voor performance motoren kan het beste ergens tussen de 2500-3000 rpm gekozen worden. Het maximum toerental voor trekkende voertuigen kan het beste rond de 3500 rpm worden gekozen.  

Een motor heeft centrifugaalvervroeging nodig bij een combinatie van vol gas en veel toeren én bij een combinatie van acceleratie bij een middelmatig toerental.  Het doel van centrifugaal voorontsteking is het leveren van maximaal vermogen in deze twee situaties.

Het is mogelijk om het gedrag van de centrifugaalvervroeging te beïnvloeden door andere gewichtjes en/of andere veertjes te gebruiken. Slappere veertjes zorgen ervoor dat de centrifugaalvervroeging eerder  begint en de vervroegingcurve steiler loopt.
De maximale centrifugale vervroeging is d.m.v. stops in te stellen.
Om dit te kunnen tunen zijn er zogenaamde “ignition advance kits” verkrijgbaar.

 
  Centrifugaal vervroeging set  
 
Een standaard HEI (General Motors model) verdeler kan maximaal ongeveer 20 krukas graden extra centrifugaal voorontsteking geven (dit zijn 10 nokkenasgraden) . 
Omdat de verdeler gekoppeld is aan de nokkenas zie je het aantal nokkenasgraden terugkomen op sommige advance kits. 
Een 10L aanduiding betekent dan 10x2=20 krukas graden en 13L betekent dus 26 krukas graden).
De extra voorontsteking die een centrifugaalvervroeging maximaal kan bewerkstelligen is dus mechanisch beperkt in de verdeler. Hierdoor wordt er vanaf een bepaald toerental niet extra meer vervroegd.
 
Met verschillende veertjes kunnen verschillende centrifugaalvervroegingcurves ingesteld worden.
 
 

Timing Curves

 
 
 

Totale vervroeging

De totale vervroeging is de som van de vaste voorontsteking plus de maximale centrifugale vervroeging.
Bij een zware auto wil je bijvoorbeeld bij 3000 toeren een totale voorontsteking van 34-36 graden instellen. Er vanuit gaande dat je bij dit toerental ook daadwerkelijk maximale centrifugale vervroeging hebt (de sterkte van de veertjes zijn dus  van invloed) zou dit betekenen dat bij 20 graden maximale centrifugaalvervroeging dus  34 - 20 = 14 graden vaste voorontsteking zou moeten instellen bij stationair toerental. Dit is dus zonder de invloed van vacuümvervroeging!

De te kiezen totale vervroeging en daardoor ook de hoeveelheid totale voorontsteking is afhankelijk van enkele factoren waaronder :

  • de statische compressieverhouding (1 op ...)
  • de dynamische compressieverhouding (type nokkenas)
  • het materiaal van de cilinderkoppen (ijzer of aluminium)
  • de koeling van de cilinderkoppen
  • de temperatuur van zowel de buitenlucht als het inlaatspruitstuk
  • het octaangetal (uitgedrukt in RON), een maat voor de klopvastheid van brandstof.
    Benzine heeft in Nederland een octaangetal van 95 of 98.
    LPG heeft een natuurlijk octaangetal ergens tussen de 100-108
  • de mengverhouding (brandstof /lucht)
  • de atmosferische druk (hoogte waarop de auto rijdt)
  • de vorm van de verbrandingskamers
  • de vullingsgraad van de cilinders op dat moment
  • de belasting van de motor inclusief de overbrengingsverhouding v/d achteras
  • de te kiezen totale vervroeging  is door al deze variabelen per motor verschillend. 

De meeste wat grotere V8 motorblokken leveren hun maximale vermogen bij vol gas wanneer de totale mechanische (vaste+centrifugaalvervroeging) op 36 graden wordt ingeregeld.
Zorg er bovendien voor dat de totale mechanische vervroeging nooit meer is dan 38 graden!
Bij lage belasting en constant snelweg rijgedrag mag de totale vervroeging bij dit soort motorblokken (vast + centrifugaal+ vacuüm) oplopen tot ongeveer 52 graden.

 
 

Vacuumvervroeging (Vacuum  Advance/Timing)

Een armer mengsel doet er langer over om te ontbranden dan een rijk mengsel.
Dit feit ligt ten grondslag aan het gebruik van vacuümvervroeging.
Een armer mengsel  dat ontstaat bij stationair en constant snelweg rijgedrag heeft hierdoor meer voorontsteking nodig dan een rijk mengsel.
We zien dus dat de vertraging (looptijd) waar we het eerder al over hadden (bij een gelijkblijvend toerental) wél afhankelijk is van de mengverhouding.

De mengverhouding wordt door de carburateur geregeld welke afhankelijk is van hoe je het gaspedaal gebruikt. Wanneer de gasklep dicht is en de motor draait stationair, dan is er veel vacuüm onder de gasklep en in het inlaatspruitstuk. De vacuümvervroeger maakt gebruik van dit vacuüm om de ontsteking te kunnen  vervroegen bij stationair toerental en constant snelweg rijgedrag.

Weinig belasting > veel vacuüm
Veel belasting > weinig vacuüm.

Hoe meer vacuüm, hoe meer vervroeging totdat het maximum van de vacuümvervroeger bereikt wordt.

Vacuümvervroeging helpt de centrifugaalvervroeging om extra te vervroegen op momenten dat de centrifugaalvervroeging te kort schiet. Het effect hiervan is een schonere verbranding, een beter rendement en daardoor een minder hete motor omdat de brandstof wordt omgezet in kracht i.p.v. in warmte.
De slang die is aangesloten op de vacuümvervroeger is meestal aangesloten onder de gasklep in de carburateur of zit direct op het inlaatspruitstuk. Op deze plekken is de reactie op een veranderend vacuüm namelijk het sterkst.
Vacuüm ontstaat wanneer de zuigers bewegen en de gasklep in de carburateur dicht of deels dicht is.
Wanneer je bij stationair toerental de vacuümvervroegerslang aansluit op het vacuüm zal er gelijk extra vervroeging optreden. De hoeveelheid is afhankelijk van het model vacuümvervroeger maar zal bij een standaardmodel ongeveer 15 graden extra zijn bovenop de vaste voorontsteking die is ingesteld door het draaien van de verdeler.
Bij rustig rijden op de snelweg is de totale hoeveelheid voorontsteking best groot:

Voorbeeld:  10 (vast) + 15 (centrifugaal  ¾ van 20 graden) + 15 (vacuüm) = 40 graden

Bij acceleratie zorgt de acceleratiepomp voor een rijker mengsel. Door het openen van de gasklep ontstaat er minder vacuüm onder de gasklep en daardoor zorgt de vacuümvervroeger op zijn beurt weer voor minder voorontsteking, wat ook niet nodig is bij een rijker mengsel. Wanneer het gas weer wordt losgelaten ontstaat de omgekeerde situatie en hierdoor is de cirkel weer rond.
De hoeveelheid vacuümvervroeging is dus afhankelijk van de belasting van de motor.

Bij vol gas zorgt een vacuümvervroeger niet voor extra vervroeging domweg  omdat er dan geen vacuüm is onder de gasklep. Het gebruik van een vacuümvervroeger zorgt er dus niet voor dat het vermogen beperkt wordt bij vol gas. Vacuümvervroeging zorgt wél voor een goede reactie op het gaspedaal, een  gunstig brandstof verbruik,  en het voorkomt oververhitting tijdens stationair en snelweg toerental.

Voor de “racers” onder ons:
Vacuümvervroeging is bijzonder nuttig én het beperkt het maximale vermogen van je auto niet!
Bij dragsters die constant vol gas geven is vacuümvervroeging simpelweg niet zinvol, vandaar dat vacuümvervroeging op dit soort motoren niet gebruikt wordt. Dus voor de duidelijkheid; je krijgt geen snellere wagen door de vacuümvervroeging eraf te halen. Integendeel, je motor gaat er wanneer je even normaal rijdt gewoon slechter van lopen. Het extra brandstofverbruik kan door het niet gebruiken van vacuümvervroeging bovendien oplopen tot wel 20%!

Het doel van vacuümvervroeging is een zuinigere en schonere verbranding en een koelere motor bij stationair toerental en snelweg gebruik.

Om ook de hoeveelheid en het verloop van de vacuümvervroeging te kunnen inregelen zijn er los verkrijgbare instelbare vacuüm units te koop.

 
  Vacuum vervroeging set  
 
  • Met het zwarte plaatje wordt de totale hoeveelheid vacuümvervroeging beperkt. Telkens in stapjes van 2 graden gelijktijdig wordt hierdoor de vaste voorontsteking telkens met 2 graden vervroegd!
  • Met het inbussleuteltje is de steilheid van de vacuümvervroegingcurve in te stellen.

Wanneer een instelbare vacuüm unit wordt aangeschaft is het belangrijk om vooraf even te meten hoeveel vacuüm je eigenlijk hebt bij stationair toerental (bijv. 20psi) Kies er vervolgens een die bij een 10-20% lagere waarde al volledige vacuümvervroeging geeft (bijv. 16 psi).
Dit om pendelen tegen te gaan.

 
 

Ported vs Manifold vacuüm

In  principe sluit je de vacuümvervroeger aan op een vacuümaansluiting op het inlaatspruitstuk of op een vacuümaansluiting op je carburateur die onder de gasklep zit en dus het gelijke vacuümsignaal krijgt als het inlaatspruitstuk.

Ported vacuüm is een vacuümaansluiting boven de gasklep. Bij stationair toerental is hier geen of weinig vacuüm doordat de gasklep dicht staat. Hierdoor is er geen extra vacuümvervroeging, waardoor de motor relatief verlaat wordt en de verbranding daardoor schoner is.
Ported vacuüm kom je tegen bij auto’s vanaf ongeveer 1972, toen er in de USA geleidelijk aan strengere emissie-eisen kwamen.

 
 

Instellingen Ford 460 motor

 

 

  Brandstof Benzine LPG
       
  Maximale totale voorontsteking 52 graden 46 graden
  Maximale centrifugaal voorontsteking 22 graden 16-18 graden
  Maximale mechanische voorontsteking 36 graden bij 3000 rpm 32 graden bij 2250 rpm
  Maximale vaste voorontsteking (Max_mech. - Max_centr.) 14 graden bij 750 rpm 16-18 graden bij 750 rpm
  Maximale vacuüm voorontsteking (totaal - Max_mech.) 16 graden 14 graden
  Toerentalbereik mechanische voorontsteking 1000-3000 rpm 1000-2250 rpm
  Stationair toerental 750 rpm 750 rpm


Opmerkingen over LPG en de gevolgen voor de ontstekingsafstelling op LPG:

  • LPG heeft meer tijd nodig om te ontsteken t.o.v. benzine.
  • De vaste voorontsteking mag bij LPG een paar graden (2-4) meer zijn dan bij benzine.
  • Een zwaardere bobine, met een hogere spanning en meer stroom levert op LPG merkbaar meer vermogen op.
  • LPG heeft ongeveer 4KV meer spanning nodig om te ontsteken t.o.v. benzine bij dezelfde elektrodeafstand.
  • Bij gelijkblijvende ontsteekspanning wordt daardoor op LPG vaak de elektrodeafstand iets verkleind.
  • De calorische waarde van LPG is lager dan die van benzine, vandaar dat het vermogen iets minder is.
  • LPG koelt en smeert een motor minder dan benzine en vereist daardoor geharde klepzetels.
  • Het is verstandig om bougies te kiezen die één warmtegraad kouder zijn (de hitte sneller afvoeren).
  • De maximale totale voorontsteking mag niet meer dan 46 graden zijn.
    Dit is 6 graden minder dan bij benzine, waar de maximale totale voorontsteking ongeveer 52 graden is.
  • De centrifugale vervroegingcurve loopt steiler en is korter (slapper veertje gebruiken).
  • Het octaangetal van LPG daalt bij oplopende temperatuur van het mengsel.
  • Een te arm LPG mengsel, vacuümlekkage in het inlaatspruitstuk of te veel vervroeging kan “back fires” veroorzaken.
 
 

Elektrodeafstand Bougies

  • Wanneer een  standaard ontstekingssysteem wordt vervangen door een performance upgrade zoals een HEI verdeler of een zwaardere bobine dan kan de elektrodeafstand van de bougies worden vergroot.

  • Wanneer i.p.v. op benzine op LPG wordt gereden  dan kan de elektrodeafstand het best iets worden verkleint. (maximaal 0,2 mm minder)

  • Bij de combinatie van beide bovenstaande (HEI ontsteking op LPG) hoef je niks te veranderen aan de electrodeafstand t.o.v. op benzine. De verhoogde spanning compenseert in dit geval de benodigde kleinere elektrodeafstand grotendeels.

  • Op benzine i.c.m. een standaard ontsteking de elektrodeafstand op 0,85 mm instellen.

  • Op LPG i.c.m. standaard ontsteking de elektrodeafstand op 0,70 mm instellen.

  • Op LPG i.c.m. performance ontsteking de elektrodeafstand op 1 mm instellen (maximaal op 1,4 mm afhankelijk van het ontstekingssysteem).

N.b.: Dit zijn "best practice" richtlijnen.
Zorg ervoor dat je, wanneer je gaat experimenteren met de elektrodeafstand, je de specificaties van je eigen motor kent en daar niet teveel van afwijkt. Je merkt vanzelf wel welke elektrodeafstand optimaal is aan het gedrag van de motor.

 
 

Stroboscooplamp

Het meten en instellen van de ontsteking doe je met je met behulp van een stroboscooplamp.
De plus en min draden aansluiten op de accu en de sensordraad (die met dat blokje met de pijl erop) om de bougiekabel klemmen die naar cilinder nummer 1 loopt. Let op; de pijl MOET naar de bougie wijzen!
Bij het onderstaand model kan het aantal cilinders worden ingesteld, de accuspanning, de contacthoek en het toerental  worden afgelezen.

Met de draaiknop op 0 kan wanneer de flits op de krukasdemper worden gericht de hoek worden afgelezen op de schaalverdeling op de krukasdemper zelf t.o.v. de markering op het motorblok.

Wanneer er alleen een TDC markering op de demper staat kun je deze krukasmarkering ook gelijk zetten met de markering op het motorblok door aan de draaiknop te draaien en vervolgens de stand af te lezen, maar dat vind ik persoonlijk minder nauwkeurig.

     
  Stroboscooplamp  
 
Veel sleutelplezier!
 

Copyright 2012, Gijs Ankoné