Dubbele ontsteking Evolutie

Dubbele ontsteking Evolutie

Twee bougies per cilinder,

de laatste stap in een evolutie

Ik werd geïnspireerd door een artikel van Thei Bruls in Koerier nr.100 (1991), waarin hij tot de conclusie komt dat je als je in een Panhard 24 twee bougies per cilinder monteert en de voorontsteking halveert, er meer pk’s beschikbaar komen.
Ik begreep dat en ging op zoek naar fabrieksvoorschriften betreffende de voorontsteking en… die zijn niet te vinden. Daarna raadpleegde ik diverse eigenaren van een Panhard boxer met vier bougies en ook dat leverde geen helder eenduidig beeld op.Tijd om het zelf te onderzoeken ik ging maar eens rekenen. Hieronder mijn relaas.
                                                                                                                  Kr.

De Evolutie

Panhard begon na WO II met de Dyna X, die voorzien was van een twee cilinder boxermotortje met een totale cylinderinhoud van 610 cc, dat bij zo’n 4000 rpm. wel 22 paarden uit de stal wist te halen. Een mooie prestatie maar al gauw bleek dat de nieuwe tijden om meer paarden vroegen.
Meer pk’s, dat werd geregeld door:

  • een hoger toerental;
  • een grotere cilinderinhoud;
  • een hogere compressieverhouding.

Een hoger toerental bereik je door, denk aan onze brommers van vroeger, een grotere carburateur en inlaat en bij viertakten ook een snellere nokkenas. De motor gaat dan vanzelf sneller lopen en zo meer pk’s afgeven. Maar het toerental van een motor kan niet oneindig verhoogd worden. Bij de Panhard boxer bleek het toerental, zonder ingrijpende maatregelen (= investeringen) uiteindelijk tot zo’n 6000 toeren/min verhoogd te kunnen worden.

Helaas leverde dat nog steeds te weinig paarden op, een grotere cilinderinhoud was noodzakelijk en dat betekende;

  • meer cilinders en/of
  • grotere cilinders.

Een motor met meer cilinders betekende grote investeringen en Panhard kon zich dat niet veroorloven. Dus werden de cilinders vergroot, de compressieverhouding ging wat omhoog en verder werd in de loop van deze evolutie de krukas wat versterkt / verbeterd. De slag van 75 mm bleef daarbij gehandhaafd.

Met een opmerkelijk hoog vermogen van 60 pk had de motor in 1967 (eigenlijk al in 1961 met de CD) zijn grens bereikt. Verhogen van toerental en/of compressie zaten er met het bestaande mechaniek en de beschikbare brandstof niet meer in. Vergroten van de cilinderinhoud was niet onmogelijk, maar was zonder een nieuwe, sterkere krukas en carter niet echt aan te raden. Bovendien zou een nog grotere cilinder bij dezelfde krukas/slag nog andere problemen opleveren.

Panhard liep met zijn grote boring van 85 mm namelijk al tegen een andere grens, de verbrandingssnelheid, aan!

Evolutie Panhard boxermotor

  Cilinderinhoud maximaal toerental compressie verhouding slag boring vermogen
Dyna X84 2 x 305 cc 4000 1 : 6,3 75 mm 72 mm 22 pk
24 BT/CT 2 x 425 cc 6000 1 : 7,8 75 mm 85 mm 60 pk

De verbrandingssnelheid

Als een (stochiometrisch) benzine/luchtmengsel in een verbrandingsruimte wordt aangestoken dan ontstaat geen explosie maar een bolvormig vlamfront dat zich ‘rustig’ met een snelheid van zo’n 30 m/sec door het mengsel voortbeweegt. Deze snelheid is overigens wel afhankelijk van de samenstelling van het mengsel, armere en rijkere mengsels kunnen afhankelijk van de mengverhouding een (veel) langzamere verbrandingssnelheid laten zien. Maar ook de nominale snelheid van 30m/sec kan in een motor problemen opleveren. De oplossing daarvoor is al heel lang geleden uitgevonden. Als iets te langzaam brandt, dan moet je het eerder aansteken. Vóórontsteking dus!

Na die vóórontsteking loopt de druk t.g.v. de warmteontwikkeling en de voortgaande compressie snel op. Het is wel zaak dat de maximum druk (aan het einde van de verbranding) op het juiste moment, ergens tussen de 10 en 20 graden voorbij het BDP, optreedt, want alleen dan wordt het maximale vermogen geleverd. De vraag die dan nog beantwoord moet worden is: ‘Wanneer moet de bougie precies vonken, hoeveel voorontsteking is daarvoor nodig’?

De vóórontsteking is afhankelijk van verbrandingsduur

Als we willen weten hoeveel de voorontsteking moet bedragen, kijken we natuurlijk in de specificaties van onze motor. Maar hier ga ik proberen aan de hand van de theorie, zelf de gewenste voorontsteking van de twee genoemde Panhard motoren te bepalen.

De verbrandingsduur is typerend voor een specifieke motor is en is hoofdzakelijk afhankelijk van twee natuurkundige gegevens:

  • de al genoemde verbrandingssnelheid van 30 m/sec en
  • de afstand tussen de bougiepunt en het verste punt in de verbrandingsruimte van de motor.

Hieronder reken ik voor zowel de Dyna X84 als voor de 24 motoren de gewenste voorontsteking uit.

Voorontsteking van de Dyna X

De Boring is 72 mm, maar de bougie is asymmetrisch geplaatst. Ik schat de afstand van de bougie tot het verste punt op 0,75 x boring = 54 mm, de verbrandingssnelheid is: 30 m/sec = 30000 mm/sec;

De verbranding duurt dan sec = 0,0018 sec = 1,8 µs. Dit is op zich een heel korte tijd, maar we moeten deze tijd beschouwen t.o.v. de tijd van één omwenteling van de motor.

4000 rpm = = 67 omw / sec >>>> 1 omw duurt sec = 15 ms
2000 rpm = = 33,5 omw / sec >>>> 1 omw duurt sec = 30 ms

De verbranding duurt omgerekend naar graden,bij:

2000 rpm : x 360 = 22º
4000 rpm : x 360 = 44º

Voor een goede vermogensafgifte plannen we het einde van de verbranding op 20º na BDP , dat betekent dan 2º vaste vóórontsteking, die m.b.v. de centrifugaal regeling bij 4000 toeren nog 20º verder vervroegd moet worden tot 22º en dat is precies wat Panhard voorschrijft! (max.22º).

Voorontsteking van de 24 (M8N, M10S)

Voor de M8S zie de laatste paragraaf aan het einde van dit artikel

De boring is 85 mm maar de bougie is asymmetrisch geplaatst, ik schat de afstand van de bougie tot het verste punt op 0,75 x boring = 64 mm, de verbrandingssnelheid is: 30 m/sec = 30000 mm/sec;

de verbranding duurt dan = 2,1 us

Ook hier gaan we deze tijd t.o.v. de tijd van één omwenteling bezien:

6000 rpm = 100 omw / sec >>> 1 omw. duurt 0,01 sec = 10 ms
2000 rpm = 33 omw/ sec >>> 1 omw. duurt 0,03 sec = 30 ms

  • 2000 rpm : x 360 = 25º
  • 6000 rpm : x 360 = 75º

Zouden we nu ook nu het einde van de verbranding op 20º na BDP plannen, dan betekent dit 5º vaste vóórontsteking, die m.b.v. de centrifugaal regeling bij 6000 toeren verder vervroegd moet worden tot 55º en is heel en zelfs te vroeg. Panhard koos daarom voor een vóórontsteking van 4,5 – 5,5 tanden (17º) die met de centrifugaal vervroeging op max. van 31º uitkomt. De maximum druk in de cilinder wordt dan bij hogere toerentallen pas heel laat, pas 44º na het BDP, bereikt en dat terwijl de uitlaatklep al in de buurt van de 55º open gaat. Zo wordt een deel van het grotere vermogen gewoon de uitlaat uit geblazen!

Conclusies

Uit het bovenstaande blijkt:

  • De asymmetrische plaatsing van de bougie in een cilinder met een boring van 72 mm veroorzaakt een behoorlijk lange verbrandingstijd, die bij de niet al te snelle (4000 rpm) Dyna X motor, nog net geen vermogensverlies veroorzaakt.
  • Het verder vergroten van de cilinderboring tot 85 mm, bedoeld om meer vermogen te genereren, had minder effect dan op basis van de toegenomen cilinderinhoud verwacht kon worden. Dit werd (en wordt) veroorzaakt doordat het einde van de verbranding c.q. de maximum cilinderdruk, veel later dan 20º na BDP bereikt wordt.

 

Twee bougies per cilinder

Natuurlijk besefte Panhard het probleem met de verbrandingstijd ook wel en dat blijkt heel duidelijk uit de CD Rallye die, het vergde niet veel denkwerk, al in 1961 met twee bougies per cilinder werd uitgerust, waarmee die lastige verbrandingstijd in één klap gehalveerd werd tot 1,05 µs / 37º. Met zo’n 20º voorontsteking moet de motor dan duidelijk meer dan dan 60 pk kunnen leveren. Panhard spreekt alleen van een vermogen ‘meer dam 60 pk’. D.B. noemt in zijn documentatie van de HBR-5, waarvan de cilinders van twee bougies zijn voorzien: 65PK

Toch werd de 24 door Panhard maar met één bougie per cilinder uitgerust. De reden? Er is er maar één te bedenken: de dubbele ontsteking was te duur!

Dus, als je het geld er voor over hebt, er zijn nog een paar etra PK’s uit de 850cc motor te persen, maar bedenk wel, de vóórontsteking moet worden aangepast. Plan die op een maximum cilinderdruk bij 20º na BDP, daarbij hoort dan bij het maximum toerental : – 20 = 11º vóórontsteking.

De 950 cc motor

Er zijn natuurlijk mensen die nog verder willen gaan. De cilinders voor in totaal 950 cc liggen op de plank en als krukas en carter het trekken, dan heb je nog meer PK’s, maar ook dan is de verbrandingstijd een factor en je kunt het eenvoudig uitrekenen: 4 bougies is dan een keiharde voorwaarde. Zie hieronder:

De boring is 90 mm maar de bougie is asymmetrisch geplaatst, ik schat de afstand van de bougie tot het verste punt op 0,75 x boring = 67,5 mm, de verbrandingssnelheid is: 30 m/sec = 30000 mm/sec;

de verbranding duurt dan = 2,25 us

Ook hier gaan we deze tijd t.o.v. de tijd van één omwenteling bezien:

6000 rpm = 100 omw / sec >>> 1 omw. duurt 0,01 sec = 10 ms
2000 rpm = 33 omw/ sec >>> 1 omw. duurt 0,03 sec = 30 ms

  • 2000 rpm : x 360 = 27º bij 4 bougies = 13,5º
  • 6000 rpm : x 360 = 81º bij 4 bougies = 40,5º

Uitgaande van 4 bougies, plannen we het einde van de verbranding op max. 20º na BDP. dan betekent dit 0º vaste vóórontsteking, die m.b.v. de centrifugaal regeling bij 6000 toeren vervroegd moet worden tot 20º.

Pingelen

Het pingelen staat in feite los van de kern van dit artikel, maar het wordt hieronder als ‘uit de hand gelopen verbranding’, toch even aangestipt

a. Bij hoge toerentallen

Na de ontsteking begint het mengsel bij de bougie te branden. De temperatuur en druk lopen snel op die kunnen onder bepaalde omstandigheden zo hoog oplopen, dat nog onverbrand mengsel, vaak op meerdere plekken tegelijk tot zelfontbranding komt. Die zelfontbranding of detonatie, die na het BDP optreedt, heeft een totaal ander karakter dan het ‘rustige’ vlamfront. Het gaat nu om regelrechte explosies met vlamsnelheden van meer dan 500 m/sec. en een verwoestende kracht. De motor ‘pingelt’ en met een beetje pech heb je een gat in je zuiger.

Dit pingelen wordt veroorzaakt door te hoge temperaturen, bijvoorbeeld veroorzaakt door een te arm mengsel/valse lucht en/of gloeiende deeltjes in de verbrandingsruimte.

b. Bij lage toerentallen

Dit pingelen is een heel ander verschijnsel en is een gevolg van te veel vóórontsteking. De druk in de cilinder bereikt dan nog vóór het BDP een maximum, waardoor de motor een klap in achterwaartse richting krijgt. De M8S motor die door Panhard werd opgezadeld met 31 graden voorontsteking over het gehele toeren bereik zou aan deze vorm van pingelen moeten leiden, zie hieronder.

De M8S motor

Panhard gebruikte op de M8N en M10S motoren zoals gebruikelijk een centrifugaal vervroeging en schreef daarbij een vaste vóórontsteking voor van 4,5 à 5,5 tanden (17º). Alleen bij de M8S motor, die qua verbrandingsruimte etc. gelijk is aan beide andere typen, moest het anders. Daarop zat geen centrifugaal vervroeging en de vaste vóórontsteking zou 9 à 9,5 tanden (1964, 32º) of 8,5 à 9,5 tanden (1965, 31º) moeten bedragen. Hier spot Panhard om onbegrijpelijke reden met de natuurwetten.

Bij 2000 toeren en een goede verbranding zou de maximum druk al 31 – 25 = 6º vóór het BDP moeten optreden en dus terugslag (pingel) moeten opleveren. Gelukkig is de praktijk anders en gebeurd dat niet. Waarom niet? Er is maar één verklaring mogelijk, het mengsel is bij 2000 rpm zo arm dat de verbrandingssnelheid aanmerkelijk lager ligt. Mengsel metingen aan mijn motor ondersteunen deze verklaring.

De echt goede ontsteking voor de M8S? Monteer een verdeler met een centrifugaal vervroeging of kies voor een elektronische ontsteking met daarin de ontstekingsgegevens van de M8N / M10S motoren. Ik deed dat laatste en het motortje loopt zeker niet slechter.

Naschrift

Ik ben in dit artikel uitgegaan van de bekende verbrandingssnelheid van 30 m/sec, een gegeven dat al tientallen jaren door de boeken zwerft. Gaat dit gegeven nog op voor de huidige, inmiddels heel andere benzine en voor de E10? Geen idee. Zo zijn er meer zaken in mijn betoog die niet exact zijn. Ik heb evenmin rekening gehouden met wervelingen in de cilinder en het in mijn geval verre van ideale mengsel dat de carburateur produceert. Kortom zie mijn berekende resultaten als een duw in de goede richting en niet meer. In individuele gevallen kan een rollenbank vaak meer betekenen dan en boel theorie!

Panhard Automobielclub Nederland

Dubbele ontsteking Evolutie

Dubbele ontsteking

In 1991 publiceerde Thei Bruls, toen al en nu nog steeds lid van onze vereniging, onderstaand artikel. Nu de laatste tijd, mede door de technische vaardigheden van Jelle Bethlehem, het aantal  ‘vierpitters met twee cilinders’ snel toeneemt, is dit artikel actueler dan ooit.

 

 

DUBBELE ONTSTEKING ALS DE REMEDIE VOOR DE PANHARD MOTOR?

Gerenommeerde autofabrikanten zoals Alfa Romeo hebben met veel ophef de dubbele ontsteking (TWIN SPARK) in bepaalde type auto’s geïntroduceerd. Niets nieuws! Zoals jullie waarschijnlijk weten reden 30 jaar geleden al Panhards rond met dit ontstekingssysteem. De CD is daar een nog altijd een ‘rijdend’ voorbeeld van. Na wat horten en stoten (in de meest letterlijke zin van het woord) is ondergetekende er in geslaagd een standaard motor te voorzien van een dubbele ontsteking die ook nog werkt.
Wat is de zin van deze ingreep? Om hierop een antwoord te geven moeten we onze kennis van de werking van de verbrandingsmotor eens wat opfrissen.

Ontsteking en Verbranding
Door de compressieslag wordt het brandstofmengsel samengeperst. Aan het einde van deze slag ontsteekt een vonk van de bougie dit mengsel. Er vindt geen explosie plaats, doch de vlam van het ontbrandende mengsel verplaatst zich in bolvorm vanuit de bougiepunt(en) door de hele compressiekamer. De snelheid waarmee dit gebeurt is 15-30 meter/seconde. De verbranding is dus een golfbeweging die op haar hoogste punt een drukverhoging geeft van 8 keer. Dit betekent bij een Panhard motor ongeveer 60 bar. De zuiger moet dan al begonnen zijn aan de neerwaartse (arbeids)slag. Deze druk op de zuiger bepaalt de kracht van de motor en is o.a. voor een belangrijk deel afhankelijk van de volgende factoren:

  • kwaliteit van de brandstof
  • mengverhouding van het gasmengsel
  • ontstekingstijdstip
  • plaats van de bougie
  • doorsnede van de verbrandingskamer
  • vorm van de verbrandingskamer
  • toerental van de motor.

Met de eerste 4 punten kan naar hartenlust geëxperimenteerd worden. Moeilijker wordt het als men wat wil wijzigen aan de plaats van de bougie of de verbrandingskamer. Toch is daar winst te behalen.
De vorm van de verbrandingskamer en de positie van de bougie beïnvloeden in hoge mate de verbrandingstijd. Bij een cilinder met grote doorsnede, waarbij de bougie bovendien uit het midden is geplaatst zoals dit bij de Panhard boxermotor het geval is, is de verbrandingstijd relatief lang en er kunnen dan twee dingen mis gaan:

het ontstekingstijdstip, dit moet bij elke toerental verandering bij geregeld worden om het grootste drukmoment bij de juiste stand van de zuiger te krijgen en
op het punt in de cilinder dat het verst van de bougie is verwijderd kan zelfontbranding ontstaan. Dit komt doordat de zuiger nog niet het bovenste dode punt bereikt heeft als het mengsel rond de bougie door diens vonk ontstoken wordt. Het gasmengsel nabij de zuigerwand wordt dan zowel door de beweging van de zuiger als door de drukgolf van de verbranding samengedrukt en ontbrandt spontaan met grote hevigheid. Dit laatste kan fatale gevolgen hebben voor de motor en is daarom interessant om er wat dieper op in te gaan.

Zelfontbranding: kloppen of pingelen
Zelfontbranding ontstaat zodra in een brandbaar gasmengsel een zodanig hoge temperatuur en druk ontstaan dat spontane ontbranding plaats vindt. Bij een verbrandingsmotor kan de oorzaak van dit pingelen liggen bij:

  • te hoge compressie door foutieve constructie of overbelasting.
  • te late ontsteking,
  • gloeiende (kool)delen in de verbrandingskamer of
  • te hoge temperatuur van de kop en de zuiger.

Waarom is pingelen zo schadelijk?
Zoals reeds gesteld kan zelfontbranding fataal zijn, als het ware een vorm van explosie: de verbrandingssnelheid ligt bij 150-300 meter per seconde. Daardoor is de opgebouwde drukgolf zeer kort maar ongekend hoog. Als het ware een klap met een hamer op de zuiger. Zo is niet alleen het geluid maar zijn ook de gevolgen. Bovendien valt de klap door de snelheid van de zelfontbranding zo vroeg, voor of op het
bovenste dode punt, dat deze geen enkele waarde heeft voor het rendement van de motor en zich volledig concentreert op het vernielen van de zuiger, drijfstang en krukaslagers …

Terug naar onze geliefde en vaak verwenste Panhard motor. Voor een
motor met een maximaal toerental van boven de 5000 rpm is de zuigerdoorsnede
groot met daarnaast een asymmetrische ontsteking, gegevens die bepalen dat de compressie verhouding niet te groot mag zijn. De verbrandingsgolf kan beïnvloed worden door het plaatsen van een tweede bougie tegenover de standaardbougie. Hiermee wordt de verbranding op een aantal punten verbeterd. Doordat de twee bougies tegelijk ontsteken wordt de ontbrandingstijd aanzienlijk verkort. De kans op zelfontbranding wordt kleiner en het mengsel wordt vollediger verbrand. Met deze verbetering van de verbranding komen de volgende punten aan de orde:

Doordat de verbrandingstijd korter is valt het hoogtepunt van de drukgolf ook vroeger. Om het dan toch op het juiste moment van de juiste zuigerstand te krijgen moet het ontstekingstijdstip 15 graden worden verlaat (4 tanden op de straterkrans door het spiekgaatje). Hierdoor wordt de vaak toegepaste koppeling van de stroomverdeler met de choke (vervroeging) overbodig. Bij toepassing van een centrifugaal vervroeging moet deze ook worden geblokkeerd op 15 graden vervroeging.
Als de ontsteking later staat wordt minder warmte overgedragen aan de cilinderwand omdat de zuiger enkele millimeters hoger staat bij de ontbranding.
De druk en ook de temperatuur van het mengsel zijn hoger op het moment van de ontbranding. Deze is daardoor vollediger en loopt dus ook sneller af waardoor ook in de eindfase van de verbranding minder warmte wordt overgedragen aan de kop.
De verbranding is vollediger waardoor de uitlaatgassen schoner zijn. U wordt beloond door de toewijding en noeste arbeid met een rendementsverhoging van de motor met 5 % ofwel 2,5 tot 3 pk en lopen als een trein …
 

Tot slot …
Door het aanbrengen van een dubbele ontsteking wordt de mogelijkheid geopend om de compressie te verhogen. Het rendement kan dan nog hoger worden opgevoerd. Door experimenten heb ik echter ervaren dat er dan weer adders onder het gras zitten. Zo ontstaan er problemen met de koeling van de cilinderkoppen en de keuze van de juiste bougies.
 

Thei Bruls. (Panhard Koerier nr.100, 1991)

 

 

 

Panhard Automobielclub Nederland