Bougiekabels - Zin & Onzin

[Zaagauto]

Om het bougietopic niet teveel te storen...

Komt u maarrrrrrrrrrrrrrrrr!

[Stef33]

Skineffect heeft idd met frequentie te maken. Als je al aan zou nemen dat je 3000rpm/60sec*4cyl (bobine naar verderlerkabel)= 200Hz en hoogstwaarschijnlijk vele malen hoger zie je het effect al duidelijk optreden.

Dus is natuurlijk 3000rpm op de rotor,is 6000rpm motor, geeft 200Hz = 5ms slagen. Je wilt natuurlijk alleen op het ontstekingstijdstip een vonk, niet de hele slag, dus zeg even 1% van die 5ms = 50us. Als dit nu precies een halve sinus is, dan is de frequentie van de 'vonk' 10kHz. Stel je wilt ook nog wat harmonischen, dan ga je voor de zekerheid voor 100kHz. Nu kun je bijvoorbeeld met deze calculator de skin diepte uitrekenen. Die geeft voor 100kHz (0.1MHz) 0.24mm (240um), dat betekent dus dat je pas vanaf een geleiderdikte van 0.5mm de invloed van het skineffect gaat merken. dat betekent nog niet eens dat dikker maken geen zin meer heeft, alleen dat de de geleiding minder hard toeneemt dan je zou verwachten. Tot 0.5mm kun je gewoon uitgaan van een massieve draad en heeft het skineffect geen invloed.

Met deze calculator kun je vervolgens de weerstand van een meter koperdraad met een dikte van 0.5mm uitrekenen. Dan kom je op ongeveer 0.1 Ohm. Een dikkere kabel zal altijd minder weerstand hebben, al is het voor 100kHz wat minder effectief dan je zou verwachten. Je moet dan eigenlijk gaan rekenen met een buis met een wanddikte van 0.24mm en niet met een massieve draad.

Maar zoals al opgemerkt (en jij hier onder nog eens) is die lage weerstand niet eens belankrijk, je steekt er nog eens doppen op met 1 - 10 kOhm weerstand.

Als je daarnaast door het hoge voltage een magnetisch veld krijgt waardoor de energie zich kan transporteren blijkt iig dat het meten met een multimeter niet ter zake doet, en daardoor dus ook het idee dat 'low resistance wires' beter zijn.

Een spanning geeft geen magnetisch veld, maar een elektrisch veld.
Enig energietransport dat je daarmee kunt krijgen is via een capaciteit. Nu heb ik geen idee wat de capaciteit tussen je bobine en een bougie is, maar gezien de afstand zou het me verbazen als dat boven de picofarad komt. Rekenen we de impedantie van 1pf bij 100kHz uit, dan kom je op ongeveer (1/(2*pi*f*C)) 1.6 Mega Ohm. Totaal verwaarloosbaar dus t.o.v. die 0.1 Ohm. Daarnaast staat deze extra geleiding parallel aan die kleine weerstand waarvan de waarde toch al niet van belang was.

Ik weet niet wie denkt dat 'low resistance wires' beter zijn, ik in ieder geval niet. En ook fabrikanten van bougiekabels niet, ze gebruiken weerstandsdraad of doppen met weerstand.

Naar mijn weten hebben koperkern (of voor mijn part staalkabel) kabels 2 voordelen:

1) Mechanisch steviger en beter bestand tegen trillingen. Gaan dus langer mee.
2) Alle weerstand zit in de doppen, dus de weerstand is onafhankelijk van de lengte. (Bij grafietkern kan een korte kabel zo maar 2 kOhm zijn en een lange 20kOhm).

[Zaagauto]

Maar die weerstanddoppen zijn toch alleen ter ontstoring? Of zie ik dat verkeerd?

Wat als je dergelijke terminals gebruikt?
http://www.rdae.nl/kabelschoenen-div/on ... ts_id/2473
http://www.rdae.nl/kabelschoenen-div/on ... ts_id/2943

http://www.rdae.nl/kabelschoenen-div/on ... ts_id/2949

[Gordon]

Wanneer je de bougie beschouwt als een condensator, dan volgt daaruit dat de weerstand een bepalende factor is voor de tijd die nodig is om de voor de vonk benodigde spanning te bereiken. Een hoge weerstand biedt voordeel omdat daarmee kleine variaties in de kabelweerstand slechts een zeer minieme invloed op het ontstekingstijdstip kunnen hebben. De weerstand mag daarentegen natuurlijk niet te hoog zijn, want er moet wel gedurende de volledige duur van de tijdvertraging spanning toegevoerd worden.

[WhizzMan]

Aftrap:

Een lage weerstand is niet perse wat je zoekt, je zoekt een stabiele totaalweerstand van de kring, die je zelf kan bepalen aan de hand van wat het beste bij je bobine(s) past, de electrodenafstand van de bougie en de druk/temperatuur in de verbrandingsruimte. Als de weerstand te laag is, zal je vonk te kort duren en krijg je relatief veel "storing" op je radio en ECU en dergelijke. Is de weerstand te hoog, dan krijg je geen, of een te zwakke vonk.

Omdat een ontstekingspuls in principe door z'n snelle stijging in voltage en korte tijdsduur als "hoogfrequent" gezien kan worden, is het wel degelijk van belang dat je stroomkring niet alleen berekend is op hoge stromen, maar ook op snelle veranderingen van de stroomsterkte. De secundaire wikkeling van de bobine en de weerstand van de totale stroomkring voor hoog frequente wisselspanning is bijna nog belangrijker dan de ohmse weerstand.

Mijn natuurkunde is dermate roestig dat ik dit allemaal op moet gaan zoeken, maar ik meen dat je het hoogspanningsdeel voor berekeningen kan vervangen voor een 1e orde butterworth filter. Een weerstand (totale ohmse weerstand stroomcircuit) en de bobine (spoelelement) samen als low-pass filter. Hoe hoger de weerstand, hoe langer het zal duren voordat de spanning zodanig gestegen is dat er een vonk zal overspringen. Omdat de stroom tijdens het opbouwen van de spanning practisch 0 is, zal de weerstand daar weinig uitmaken en gaat het vooral om de impedantie van de bobine. Zodra er een stroomkring is (ionisatie tussen electroden bougie, geleiding tussen electroden dus een vonk) zal de spanning zakken tot er te weinig energie over is om de vlamboog in stand te houden. De snelheid waarmee de energie vrij kan komen is dan ineens wel afhankelijk van de ohmse weerstand van de totale kring. Omdat de ohmse weerstand van de bobine hooguit een paar honderd ohm is, ben je voor het grootste deel van de weerstand van je kabels, pluggen en intern in de bougie afhankelijk. De impedantie van de bobine zal snel afnemen van de spanning ook tegenwerken, want een snelle verandering betekent een hoge frequentie als je naar de volledige sinus zou kijken waar dit een onderdeel van is. Hoeveel dat is, is afhankelijk van de hoeveelheid joules die je in een puls weet te krijgen en alle andere factoren hierboven genoemd.

Uiteindelijk kan je er een heel proefschift over volzetten, maar gelukkig hebben de makers van ontstekingen al het rekenwerk voor ons gedaan. Ze schrijven keurig voor welke weerstanden we mee moeten werken en met welke kabels hun setup het beste werkt. Als je kabels gaat gebruiken die niet stabiel zijn in hun weerstand, of die niet "duurzaam" zijn ga je met deze parameters rotzooien en kan je verwachten dat je geen optimale ontsteking krijgt.

De praktijk leert dat kabels met een koperen snoer (geen draad, dat is 1 massieve kern) redelijk stabiel zijn in hun interne weerstand en kwalitatief niet snel daarin veranderen. Kabels met een koper omwonden kern (al dan niet om grafietkern heen) zijn ook goed. Ze zijn wat soepeler en vaak zit er ook een hoogwaardige siliconenmantel omheen, waardoor ze langer meegaan.

De PVCmantel om veel bougiekabels is gevoeliger voor hoge temperaturen in de motorruimte en de PVC wordt dan poreus en hard, waardoor er water in de mantel kan komen. Dit geeft dan weer "doorslaan" tot gevolg.


Oude pluggen moet je goed inspecteren op slijtage, doorslag en breuken en dergelijke. Op zich kan je ze vaak prima hergebruiken, maar ga er niet van uit dat dat altijd maar zo lukt.


Edit: boven mij hebben terwijl ik dit typte ook al een aantal mensen veel interessante en nuttige dingen gezegd. De condensatorwerking van de bougie die bepaalt hoe lang het duurt voor je spanning stijgt is bijvoorbeeld heel nuttig als je wilt rekenen. Deze condensatorwerking verdwijnt zodra je ionisatie groot genoeg is, dus het is nog eens een dynamische stroomkring ook.

[WhizzMan]

Nog wat extra informatie: bij MSD, die er toch wel wat van af weten, stoppen ze meer dan 100 mJ in een enkele puls. Ze streven naar een vonkduur van "20 graden krukasrotatie" en vonken zo mogelijk meerdere keren binnen die 20 graden, als het toerental laag genoeg is om dat toe te staan.

[Gordon]

@Whizzman

Die condensatorwaarde is wel nog best lastig te bepalen omdat het brandstofmengsel als diëlektricum fungeert. Het type (LPG of benzine) of samenstelling van de brandstof kan dus tot een verschil leiden. Het al dan niet gebruiken van drukvulling zal daarbij ook een andere variatie in de dichtheid opleveren. Ik denk dat het een flink dik proefschrift kan gaan worden.

[WhizzMan]

Ik denk dat de HBOer die er op afstudeert een mooi cijfer kan krijgen. Je kan er vast ook wel een TU scriptie van maken, maar dan zal je toch serieus veel moeten neerzetten om hoger dan een 8 te krijgen.

Ik vraag me wel af of de condensatorwaarde significant genoeg is om van invloed te zijn. Het punt waarop er voldoende ionisatie is ontstaan om een vonk te doen ontstaan is dat zeker weten wel. Dat is ook van al die factoren afhankelijk. Ik heb veel te weinig aan dit soort dingen gerekend om even snel de invloed van die condensatorwaarde in te kunnen schatten. Iemand die een voorbeeld heeft?

[Stef33]

Op deze site: http://www.halfbakery.com/idea/Spark_20 ... apacitance
hebben ze het over ca. 10pF voor een bougie, en een klein deel daarvan komt voor rekening van de vonkopening, elektrode door schroefdraad/porcelein is de grootste bijdrage.

Ik heb het verder niet nagerekend en ga het ook niet nameten, dus even uitgaande van die 10pF en 10kOhm weerstand in het circuit:
RC tijd = 10kOhm * 10pF = 100nS
Neem weer 6000rpm: 1/(6000 / 60) = 10ms per omwenteling, oftewel 0.0036 krukasgraden in 100ns.
Lijkt mij niet significant, zelfs niet als bovenstaande aannames er een factor 10-100 naast zitten.

Ik weet ook niet de precisie waarmee een normale ECU de vonken kan timen. Maar het zou mij verbazen als dat beter is dan een microseconde, gebaseerd op m'n eigen ervaringen met microcontrollers, timers en interrupt-latency.

[WhizzMan]

Lijkt mij niet significant, zelfs niet als bovenstaande aannames er een factor 10-100 naast zitten.

Ik weet ook niet de precisie waarmee een normale ECU de vonken kan timen. Maar het zou mij verbazen als dat beter is dan een microseconde, gebaseerd op m'n eigen ervaringen met microcontrollers, timers en interrupt-latency.

Timers werken met MHz en dan tellen ze het aantal klokpulsen voordat de 5 graden van het volgende nokje voorbij komen. Bij 6000 rpm en 2MHz kloksnelheid (Ik meen dat de M4.1 van de 75TS ergens in die buurt zit) heb je 60*100=6000 pulsen in een seconde. Per puls van het krukaswiel heb je dan 333 klokpulsen voor die 5 graden. Dat geeft 0.015 graad per klokpuls wat de ECU als theoretisch maximale resolutie kan hebben voor de precisie waarop de krukaspositie bepaald wordt. In de praktijk zijn de parameters van het ontstekingstijdstip bij de 75TS ergens op de halve graad te tunen, dus die capaciteit is inderdaad niet significant voor het ontstekingstijdstip. Het kan misschien wel significant zijn voor eventuele resonanties/reflecties in het hoogspanningscircuit, die weer storing opleveren op de 12V en "in de ether"? Hoe groot is de parasitaire capaciteit van de bougiekabel zelf? Ik kan me goed voorstellen dat zeker PVCmantelkabels een behoorlijke dielectrische constante hebben?

[Stef33]

De timer kan dan wel op 2MHz of hoger draaien en een theoretische resolutie geven van 0.5us. Maar als die timer afloopt moet er nog iets gebeuren en ook moet er weer een timer gezet worden. Afhankelijk van de timer implementatie is daar meer of minder processor interventie voor nodig. Dat gaat dan vaak op basis van interrupts en dat kan dan best variaties geven die die 0.5us te boven gaan. Maar dat alles weer afhankelijk van de gebruikte microcontroller.

(zacht) PVC heeft inderdaad een vrij hoge relatieve dielectrische constante van 7.5. Maar een bougiekabel is een enkele geleider en niet bijv. een coax. Dus de capaciteit moet bepaald worden t.o.v. (o.a.) het motorblok en dan heb je het over relatief grote afstanden (met een hoop lucht er in) en dientengevolge kleine capaciteiten. Voor bijv. een willekeurige RG58 coax wordt in de datasheet een capaciteit gegeven van 100pF/m. Van een enkele draad kan men geen capaciteit opgeven omdat die afhangt van de montage. En als je die capaciteit dan kunt berekenen of meten, schat ik dat deze veel lager uit komt dan die van de coax.

[WhizzMan]

De ECUs in de 75TS en dergelijke zijn "real time" en draaien een permanente loop. In die loop is exact bekend hoeveel tijd/cycles een bepaalde subroutine duurt, dus de tijd die nodig is om een signaal te processen wordt gewoon meegenomen in de berekeningen. Modernere ECUs in, noem eens wat, de MiTo, zijn zwaar overbemeten in hun processorkracht en gaan uit van het principe dat de ECU zo snel is, dat vertraging niet relevant is. Dat gaat niet altijd op voor alle circuits. Zo meen ik dat er voor bijvoorbeeld de krukas-sensor een apart circuit in de microcontroller zit wat (wel real time) de krukaspositie en acceleratie meet en berekent. De acceleratie van de krukas wordt onder meer gebruikt om de brandstofverrijking te berekenen en om het injectietijdstip/duur en ontstekingstijdstip per cylinder afzonderlijk te regelen. Zo kunnen minieme afwijkingen in de cylinders/injectors onderling, toch een schone, trillingsvrije en sterke motor geven.

Wat betreft de dielectrische constante van bougiekabel ten opzichte van coax: goed punt dat het een enkele kabel is. Loopt die constante niet extreem op als er vocht in de PVCkabel kan dringen? Watermoleculen zijn extreem dielectrisch, dus ik kan me voorstellen dat een oude, vochtige kabel die langs het motorblok ligt toch nog wel wat invloed kan gaan hebben die wel significant is. Los van het doorslaan lijkt het me niet ondenkbaar dat de stijging van het voltage behoorlijk geremd wordt, genoeg om een boel energie weg te laten lekken en een zwakkere vonk op te leveren, al dan niet significant later dan bedoeld? Saillant detail: "Nology" levert coax bougiekabel, met claims dat het de vonk boelveel keer sterker maakt.

Ik zie bij Magnecor verschillende kernmaterialen aangeboden. Koper en hun "ferro" speciale superduper kabel die beter zou zijn met EMI en storingen op ECUs en dergelijke. Ze hebben ook hele verhandelingen over wat goed en fout zou zijn voor bougiekabels op hun site staan.

[Stef33]

"Real time" wil in algemene zin en kort door de bocht niet veel meer zeggen dan dat er een garantie is van een maximale reactietijd op een gebeurtenis. Wat die maximale tijd mag zijn wordt bepaald door de toepassing. Voor een langzaam industrieel proces zou dat best een seconde kunnen zijn, voor een ECU moet dat een stuk sneller. Die vraag staat dus eigenlijk nog steeds open: wat mag die reactietijd zijn voor een ECU? We hadden al eens gezegd dat die 100ns in ieder geval snel genoeg was en ergens zeg je dat de 75TS op ca. een halve graad te tunen is. Als we daar nu 0.36 graden bij 6000rpm van maken, komen we mooi op een tijd van 10us. Dus dan kunnen we in ieder geval zeggen dat de maximale reactietijd van deze ecu ergens tussen de 100ns en 10us moet zitten.

Je kunt dat op verschillende manieren bereiken. Het kan met interrupts en ook met de genoemde loop. Maar ook bij een loop met vaste verwerkingstijd is er een onzekerheid in het bepalen van het exacte moment van een puls. En die onzekerheid is gelijk aan de lengte van de loop die op die puls staat te wachten. Een kort wachtlusje dat op de krukassensor en misschien nog een paar voorwaarden staat te wachten kan op een niet te snelle processor (ECU uit de jaren '80) zo maar een paar microseconden duren. En daarmee heb je dus een onzekerheid van een paar microseconden in het bepalen van de krukaspuls. Maar wat voor processor zit er in de 75TS ECU, hoe snel draait die en hoe lang is dat wachtlusje?

Dat een moderne ECU met een veel snellere processor automatisch ook veel nauwkeuriger is, daar zou ik niet direct van uit gaan. In veel toepassingen zie je dat de extra rekenkracht vaak ingezet wordt om extra mogelijkheden te geven en het de programmeur gemakkelijker te maken (hoe veel sneller is je huidige MS Word op je xxGHz quad core dan WP5.1 was op je 12MHz 286?). Daarnaast zijn de huidige, grotere, microcontrollers ook een stuk complexer, met pipelining, caches, verschillende klokdomeinen voor core en IO, etc. Dit geeft veel meer flexibiliteit en doorvoorsnelheid, maar is vaak niet optimaal voor het supersnel reageren op het veranderen van een ingang. Let wel, ik heb het hier over mijn algemene ervaring met microcontrollers van klein tot groot, met ECU's heb ik geen ervaring.


Water heeft inderdaad een nog hogere relative dielektrische constante dan PVC, 80 tegenover 7,5. De verliesfactor is volgens mij ook een stuk hoger. Maar wil je dat significant gaan merken, dan moet er ook een significant deel van de isolatie vervangen zijn door water en dat zie ik niet gebeuren door een wat vochtopname en wat scheurtjes. Ik denk toch dat het grootste probleem hier het doorslaan zal zijn.

Die Nology claim wordt door Magnecor juist weer onderuit gehaald. Die speciale Magnecor zou weer een smoorspoel zijn die EMI moet onderdrukken. Maar de waarde van die smoorspoel is dan weer afhankelijk van de lengte van de kabel. Er staat best wat info op die site (niet alles gelezen), maar ik neem het zo hier en daar met een korrel zout. Het blijft natuurlijk een verkoopverhaal. Verder mogen ze het wel eens updaten, ze hebben het ergens over een "recent" article en vermelden dan dat het uit een blad van 1996 komt.

[WhizzMan]

De ECUs uit de 75TS en z'n directe opvolgers zijn gebaseerd op de 8051. Deze werken met interrupts, maar doordat deze alleen door de krukassensor worden veroorzaakt (voor zover ik me nu kan herinneren) en het aantal cycles altijd hetzelfde is (old school real time programmeren, klokpulsen tellen om je C64 buiten de border te laten kleuren), is er een heel hoge precisie mogelijk. Het zou kunnen zijn dat een error in bepaalde sensoren ook een interrupt genereert, maar dat zijn relatief weinig voorkomende events. Vergeet ook niet dat de feitelijke krukaspositie zoals bekend in de ECU een afgeleide is van een meetwaarde en je daar in het geval van een interrupt gewoon de vorige waarde voor kan nemen. Die zal in 5 graden rotatie niet veel zijn veranderd en je kan hercalibreren op het moment dat de 2 missing teeth voorbij komen. Deze oudere generaties ECU doen bij mijn weten nog niets met de acceleratie van de krukas, dus zo ingewikkeld is het gelukkig niet.

Zodra je barstjes krijgt of een poreuze buitenkabel, krijg je vuil water (veel hogere electrische geleiding dan puur H2O) dat de hele boel natuurlijk kan beinvloeden. Of dat de dielectrische constante van de hele kabel gaat zijn of dat de boel gewoon weglekt of doorslaat?

[Stef33]

De orginele 8051 komt uit 1980, de snellere varianten kwamen volgens mij pas in de jaren '90. Dus we kunnen uitgaan van de orginele versie of een derivaat daarvan? Die orginele versie draait op maximaal 12MHz, maar met 12 fasen van decodering, zonder pipeline. Dus dat komt neer op een "machine cycle" van 1MHz/1us. Veel instructies duren 1 machine cycle, maar er zijn er ook die er 4 duren. Met een enkele interrupt actief varieert de interrupt respons van de 8051 tussen de 3 en 9 cycles. En dat alleen al geeft dus een onzekerheid van 6us op de pulsbepaling, nog zonder dat er ergens anders in het systeem onzekerheden zitten. Als de programmeur dan in het midden van die 6us is gaan zitten en de rest heel exact getimed heeft, kan hij dus in het beste geval op een tolerantie van +/- 3us uitgekomen zijn. Daarmee kunnen we de benodigde precisie voor de 75TS ECU weer wat strakker inperken. 3 - 10us. En daarmee is dus die evt. 100ns vertraging door kabels behoorlijk insignificant geworden.