In een verbrandingsmotor wordt, de naam zegt het al, brandstof verbrand. De vrijgekomen energie wordt omgezet in bewegingsenergie. Om het brandstofmengsel te kunnen verbranden moet aan een aantal voorwaarden worden voldaan:

• ·         De brandstof moet gasvormig zijn
• ·         De brandstof moet in de juiste verhouding met zuurstrof zijn vermengd
• ·         De temperatuur moet dusdanig hoog zijn dat de verbranding in gang wordt gezet (ontstekingstemperatuur).

Bij dieselmotoren wordt de ontstekingstemperatuur door het comprimeren van het lucht-brandstof mengsel bereikt. Bij Otto-motoren is de compressieverhouding een stuk lager (om kloppen te voorkomen), waardoor de ontstekingstemperatuur niet door compressie kan worden bereikt. Het is dan nodig om de verbranding van buitenaf in gang te zetten. Om dit voor elkaar te krijgen is een Otto-motor voorzien van een ontstekingssysteem. Dat is dan ook meteen het doel van dit systeem:

Het initieren van de verbranding.

Voorwaarden aan het lucht-brandstof mengsel

Om de brandstof te kunnen verbranden, moet de brandstof in gasfase zijn en in de juiste verhouding met lucht zijn vermengd. Ook wel: Het mengsel moet binnen de ontsteekgrenzen liggen. Dat houdt in dat er niet te weinig en niet te veel brandstof met de luchthoeveelheid in de motor mag zijn vermengd .

Stoichiometrische mengverhouding

De stoichiometrische mengverhouding is de verhouding lucht/brandstof waarbij voor elk brandstof molecuul precies genoeg zuurstof moleculen beschikbaar zijn om volledig te verbranden. Bij benzine is dit 14,7. Dat houdt in dat er 14,7 kg lucht nodig is om 1 kg benzine te verbranden.

De stoichiometrische mengverhouding van diesel is 14,6 en van LPG 15,5.

Lambda

De meest gebruikte term als het over het lucht-brandstof mengsel gesproken wordt is het lucht overmaat getal. Dit wordt aangeduid met de griekse letter lambda.

Lambda wordt berekend door de werkelijke lucht/brandstof verhouding te delen door de stoichiometrische lucht/brandstof verhouding.

Een lambda waarde 1 betekent dat het mengsel precies de stoichiometrische mengverhouding heeft. Een mengsel waarbij meer lucht aanwezig is dan nodig voor de verbranding wordt een arm mengsel genoemd en heeft een lambda waarde groter dan 1. Een mengsel waarbij niet voldoende zuurstof aanwezig is om alle brandstof te verbranden (rijk mengsel) heeft een lambda waarde kleiner dan 1.

Om een lucht-benzine mengsel te kunnen ontsteken moet de lambda waarde van het mengsel tussen de 0,6 en 1,6 liggen. Licht de waarde hierbuiten, dan maakt het niet uit wat je probeert, het mengsel zal niet gaan branden.

Ontsteking

Nu het mengsel de juiste mengverhouding heeft moet de temperatuur (plaatselijk) boven de onstekingstemperatuur uitkomen. Wanneer aan deze eisen is voldaan zal vanzelf de verbranding op gang komen.

Bij een dieselmotor loopt de temperatuur in de verbrandingskamer tijdens de compressieslag zo hoog op dat de verbranding vanzelf op gang komt (zelfontbranding).

Bij een Ottomotor is dit niet het geval. Hierbij is het nodig om de verbranding van buitenaf in te leiden. Er moet van buitenaf energie aan het lucht brandstof  mengsel worden toegevoerd om het te doen onsteken. Bij een lucht-brandstofmengsel met lambda 1 te is 0,3 mJ (milli-Joule) aan energie nodig. Bij een arm of rijk mengsel is zelfs 3 mJ nodig om de ontsteking in te leiden.

Bougie

De benodigde warmte om het lucht-brandstofmengsel plaatselijk tot boven de ontstekingstemperatuur te verhitten wordt met behulp van een bougie toegevoerd. Een bougie is ontworpen om onder invloed van elektrische spanning een vonk (vlamboog) op te wekken tussen twee elektrodes die in de cilinder steken. De temperatuur van de vlamboog is zodanig hoog dat de ontsteektemperatuur van het mengsel in de directe nabijheid van de vonk ontstoken wordt.  Vlamfront

Zodra een deel van het lucht-brandstof mengsel op deze manier is ontstoken, zal de energie die bij de verbranding hiervan vrijkomt het overige mengsel in de directe omgeving van de vlam voldoende opwarmen om ook te kunnen ontsteken. De vlam ontwikkelt zich zo als een steeds groter wordende bolvorm vanuit de bougie. De grens tussen het ontstoken mengsel en het nog niet ontstoken mengsel wordt het vlamfront genoemd.

Dit gaat zo door totdat het in de cilinder aanwezige lucht-brandstofmengsel is verbrand, of dat het brandende mengsel zo weinig energie over heeft dat de ontstekingstemperatuur van de omringende lucht niet meer overschreden kan worden.

Bobine

De meeste auto’s hebben een boordnet van 12 volt, maar op zeeniveau is voor het opwekken van een vonk een spanning nodig van 30.000 volt per centimeter.  Wanneer de druk van het gas stijgt, neemt ook de benodigde spanning toe.  Nu is de elektrodeafstand van een bougie geen centimeter, maar slechts 1,5 millimeter. Toch is er voor de ontsteking een spanning nodig van zo’n 15 tot 20 kilovolt nodig.

Voor het opwekken van deze spanning, uit het 12 volt boordnet, wordt een bobine gebruikt. Een bobine is eigenlijk niet veel meer dan een transformator. Hij bestaat uit twee spoelen om een weekijzeren kern:

Een laagspanningsspoel met weinig windingen van dikke koperdraad en een hoogspanningsspoel met veel windingen en dunne koperdraad.

In de laagspanningsspoel wordt elektrische energie opgeslagen en op het moment dat een vonk nodig is, ontlaadt de bobine over de hoogspanningsspoel waarbij een spanning tussen de 15.000 en 25.000 Volt wordt opgewekt.

Onderbreker

De lagespanningsspoel wordt gevoed met een gelijkspanning van 12 Volt. Er gaat dus een stroom door de spoel lopen. Op het moment dat er moet worden ontstoken, wordt dit circuit onderbroken door de onderbreker.  De energie die op dat moment is opgeslagen in de laagspanningsspoel ontlaadt over de hoogspanningsspoel, wordt via de verdeler naar de juiste bougie gevoerd en veroorzaakt de vonk voor de ontsteking.

In oude motoren bestaat de onderbreker uit twee contactpuntjes die door een nok op de as van de verdeler uit elkaar gedrukt worden, waardoor het stroomcircuit wordt onderbroken.

In moderne motoren is deze mechanische variant vervangen door een elektronische onderbrekerschakeling. Hiebij wordt de stroomkring onderbroken door een mosfet transistor. Het voordeel hiervan is dat de contactpuntjes niet inbranden en vervangen moeten worden, waardoor het systeem onderhoudsvrij is. 

Verdeler

Bij wat oudere motoren is het ontstekingssysteem uitgevoerd met een enkele bobine. Deze moet dan voor alle cilinders de vonk verzorgen. In dat geval zorgt de verdeler er voor dat de stroom naar de juiste bougie wordt geleid. De verdeler bestaat in hoofdzaak uit de verdelerkap en een rotor.

De verdelerkap bestaat uit een kunststof kap met daarin een aantal contacten. Een centrale en vier tot acht in een cirkel daar omheen (afhankelijk van het aantal cilinders).

De rotor bevindt zich onder de verdelerkap en wordt aangedreven door de nokkenas. De rotor is voorzien van een metalen strip aan de bovenkant die contact maakt met de centrale stift van de verdelerkap. Wanneer de motor draait, draait de rotor mee en hierdoor komt de metalen strip van de rotor vlak langs de contacten in de verdelerkap. Dit gebeurt precies op het moment dat er een vonk nodig is voor de ontsteking. De stroom wordt dan vanuit de bobine over de centrale stift op de rotor overgedragen en door de rotor op de pen waarop de kabel van de betreffende bougie is aangesloten.

Door nu de verdelerkap ten opzichte van de rotor te verdraaien, komt de rotor iets eerder of juist iets later langs de pennen van de bougies, waardoor de ontsteking vervroegd of verlaat kan worden.

In modernere auto’s zijn is de verdelerkap niet meer terug te vinden. In plaats daarvan zijn er meerdere bobines toegepast. Voor elke 2 cilinders is er 1 bobine. Deze wordt zo aangestuurd dat hij elke omwenteling van de krukas een vonk afgeeft aan allebei de cilinders. Dit is mogelijk als ervoor wordt gezorgd dat de cilinder die aan de arbeidsslag begint gekoppeld is aan een cilinder die net aan de aanzuigslag begint. Zo weet men zeker dat er in de niet-vurende cilinder geen brandstof aanwezig is en kan het geen kwaad dat de bobine een vonk produceert. Een viercilinder motor heeft in dit geval 2 bobines die elk 2 cilinders bedienen. De bougies kunnen door de slimme koppeling van cilinders continue met de bobines in verbinding staan zodat de verdeler niet meer nodig is.

De jongste generatie auto's heeft zelfs voor elke cilinder een aparte bobine. Ook hier is geen verdeler meer nodig.

Conclusie

Ondanks dat benzine en gas als licht ontvlambaar te boek staan moeten de omstandigheden precies goed zijn om het lucht brandstof mengsel te kunnen ontsteken. Ondanks dat Otto brandstoffen als licht ontvlambaar te boek staan, steekt het erg nauw of de verbranding in de cilinder op kan kan komen of niet. Het ontstekingssysteem is een complex systeem met mechanische en elektrische onderdelen die er voor zorgt dat er precies op het gewenste moment een vlamboog wordt getrokken tussen de elektroden van de bougie die het lucht/brandstof mengsel ontsteekt. In het moderne systeem zijn de onderdelen die aan slijtage onderhevig waren vervangen door elektronische componenten, wat de betrouwbaarheid en levensduur van het systeem flink heeft doen toenemen.