VKM_I_Kap.8

8.1. Allgemeine Gesichtspunkte eines Zündsystems 8-6

8.2. Bestimmung des Zündzeitpunkts 8-7

8.3. Zündkerze 8-10

8.3.1. Anforderungen 8-10

8.3.2. Aufbau 8-11

8.3.3. Wärmewert 8-12

8.3.4. Elektrodenabstand 8-16

8.4. Batteriezündanlagen 8-20

8.4.1. Konventionelle Spulenzündung (SZ) 8-20

8.4.2. Transistor-Spulenzündung, kontaktgesteuert (TSZ-k) 8-26

8.4.3. Transistor-Spulenzündung, elektronisch gesteuert 8-27

8.4.4. Elektronische Zündung 8-31

8.4.5. Vollelektronische Zündung 8-32

8.4.6. Hochspannungskondensatorzündung (HKZ) 8-33

8.4.7. Vergleich der Batteriezündsysteme 8-34

8.5. Magnetzündung 8-37

8.6. Klopfregelung 8-39

8.7. Weiterentwicklung von Zündsystemen 8-44

Ottomotoren entzünden das weitgehend homogene Kraftstoff-Luft-Gemisch kurz vor dem Verdichtungstotpunkt (°KW v. ZOT) durch einen elektrischen Funken (Fremdzündung), der zum Zündzeitpunkt an den Elektroden der Zündkerze überspringt. Der Vorgang des Zündens wiederholt sich in rascher Folge während des Motorlaufs (4-Takt: Periodendauer T = 2/n; M; 2-Takt: T = 1/nM), wobei die Gemischentzündung nur das letzte Glied einer Kette ist:

Nach der Art der Energiequelle, die den Primärstrom erzeugt bzw. bereitstellt, unterscheidet man Magnet- und Batteriezündanlagen. Letztere verwenden als Energiespeicher entweder eine Spule (Induktivität) oder einen Kondensator (Kapazität).

Um das Luft-Kraftstoffgemisch entzünden zu können, muss an den im Brennraum befindlichen Elektroden ein Zündfunke überspringen. Dabei sind folgende Vorgänge zu beachten:

• Alle Gase sind normalerweise Nichtleiter. Um sie leitend zu machen, müssen in ihnen oder an den sie begrenzenden Flächen Ladungsträger gebildet werden (Aufbau einer Potenzial-differenz). Durch die Potenzialdifferenz werden die dazwischenliegenden Moleküle ionisiert, d.h. die elektrisch neutralen Moleküle werden durch Elektronenentzug oder -anlagerung in Ionen (Ladungsträger) zerlegt.
• Legt man an ein in einem Gas befindlichen Elektrodenpaar eine Gleichspannung an, hängen Spannung U und Strom I wie in Abbildung 8-2 gezeigt zusammen: Zunächst steigt der Strom mit wachsender Spannung nur gering an (hoher elektrischer Widerstand des Gases) und nur geringe Elektrizitätsmengen gehen über (Stromstärke ca. 10-10-10-7A). Von einer gewissen Spannung, der Überschlagspannung, an setzt die Bildung von Ionen durch Stoßionisation ein. Die Spannung sinkt mit wachsendem Strom (geringerer Widerstand durch Ionisation)

Die zur Funkenbildung notwendige Überspannung ist von den Elektroden und dem Gemischzustand abhängig. Damit richtet sich der Hochspannungsbedarf zur Entzündung des Luft-/ Kraftstoffgemischs nach folgenden Größen:

• Elektroden (Elektrodenabstand, Temperatur, Material, Anordnung, Oberflächenzustand)
• Gemischzustand (Druck, Temperatur, Zusammensetzung (Lambda, Restgasgehalt), Strömungszustand)

Für ein bestimmtes Gas lässt sich die Überschlagspannung näherungsweise wie folgt formulieren:

mit:

• k Die Konstante k berücksichtigt die Elektrodenform und die Art des Gases zwischen den Elektroden
• ρ Gasdichte
• s Elektrodenabstand

Mit der Gasdichte ergibt sich über das Gasgesetz auch eine Abhängigkeit von Gasdruck und–temperatur. Abbildung 8-3 bis Abbildung 8-5 stellen die Abhängigkeiten dar.

Folgende Parameter müssen für den gewünschten Ablauf der Verbrennung richtig gewählt werden:

1. Zündspannung (Sekundärspannung), die unter allen Betriebsbedingungen eine sichere Gemischentzündung gewährleistet von 10-15kV (normaler Betrieb) bis 25-30kV (Kaltstart).

2. Zündenergie, die um ein Vielfaches höher sein muss (30-150mJ) als zur Einleitung einer sicheren Verbrennung notwendig ist (0,1-3,0mJ). Bei stöchiometrischem Gemisch (=1) und betriebswarmem Motor genügen theoretisch 0,1-1,0mJ. Sowohl magerere als auch fettere Gemische benötigen eine höhere Zündenergie. Dies ist auch der Grund, warum Zündsysteme mit erhöhter Zündenergie nur bei besonderen motorischen Anforderungen (z.B. extremer Magerbetrieb) eine Verbesserung gegenüber konventionellen Systemen zeigen. Konventionelle Zündsysteme stellen ca. 40mJ mit einer Funkendauer von 1ms an der Zündkerze zur Verfügung um die Entflammung sicherzustellen.

Eine höhere Zündenergie bewirkt allerdings auch einen erhöhten Zündkerzenabbrand an den Elektroden, so dass für zukünftige Zündsysteme zwei Entwicklungsziele vorliegen:

• Unabhängige und stufenlose Variation von Funkendauer und Energie für eine optimale Einstellung auf den jeweiligen Betriebspunkt
• Gewährleistung einer sicheren Entflammung des Luft-/ Kraftstoffgemischs, insbesondere auch bei sehr mageren Betriebspunkten, hohem Restgasgehalt und Strömungsgeschwindigkeiten in dem Bereich der Zündelektroden

3. Funkendauer (Funkenkopf + Funkenschwanz) 0,3 - 1,5ms, bei sehr mageren Gemischen auch bis 2ms (ähnliche Gesichtspunkte wie zuvor bei der Zündenergie)

4. Zündzeitpunkt (ZZP), der in Abhängigkeit des Motorbetriebspunkts (Drehzahl, Last) eingestellt werden muss

Der Zündzeitpunkt ist entscheidend für den richtigen Ablauf der Verbrennung. Er wird entweder als Zeitpunkt oder als Zündwinkel bezogen auf die Stellung der Kurbelwelle (°KW) angegeben. Dabei wird von der OT-Stellung rückwärts gezählt. Damit sich das maximal mögliche Moment einstellt, muss die Zündung so erfolgen, dass der höchste Verbrennungsdruck kurz nach OT erreicht wird. (Schwerpunkt des Brennverlaufs soll etwa 8 °KW nach OT liegen).

Einfluss der Drehzahl

Bei der Verdoppelung der Drehzahl (, ZZP unverändert) würde die für die Verbrennung zur Verfügung stehende Zeit halb so groß. Da die Flammengeschwindigkeit nicht im selben Verhältnis zunimmt (nur ca. 1,8-fach) wie die Drehzahl, muss der ZZP mit zunehmender Drehzahl immer weiter in Richtung früh verstellt werden.

Einfluss der Last

Wird der Motor bei Teillast betrieben, so erfolgt die Verbrennung langsamer, weil:

• Der Brennraumdruck sinkt (Quantitätsreglung) und die Flammengeschwindigkeit nimmt damit ab
• Der Restgasgehalt steigt an (m_R= const., m_{L ungleich-} const.) Verbrennungsgeschwindigkeit sinkt

Außerdem nimmt der Zündverzug zu. Die Zündung muss deshalb noch früher erfolgen.

Frühere PKW-Zündsysteme hatten einen selbsttätig arbeitenden Zündversteller bestehend aus Fliehkraftregler (drehzahlabhängig) und Unterdruckversteller (lastabhängig). Er sorgt für die drehzahl- und lastabhängige Verstellung des Zündzeitpunktes. Der Fliehkraftregler wurde meist für Volllastbetrieb ausgelegt, während der Unterdruckversteller lediglich für die teillastabhängige zusätzliche Verstellung sorgt. Damit sind nur einfache Verstellkennlinien, wie in Abbildung 8-7 dargestellt, realisierbar und entsprechen nur bedingt den Erfordernissen eines optimalen Motorbetriebs. Heutige digitale Motorelektronik-Systeme arbeiten mit beliebig veränderlichen Zündkennfeldern (siehe auch Kapitel Motorelektronik), um in jedem Betriebspunkt den günstigsten Zündwinkel bezüglich bestimmter Größen wie Emissionen, Verbrauch etc. auszuwählen.

Wie schon zuvor erwähnt, besteht zwischen ZZP und Schwerpunkt der Verbrennung (50 % der Brennstoffenergie sind umgesetzt) ein zeitlicher Abstand, der sich aus Zündverzug und Brenngeschwindigkeit ergibt. Realisiert man nun diese Verbrennung in einem Kolbenmotor, so bewirkt dies je nach zeitlicher Zuordnung zum Volumenverlauf unterschiedliche Brennraumdruckverläufe, was in Abbildung 8-8 dargestellt ist.

Damit ergibt sich ein unterschiedlicher Verlauf des Arbeitsprozesses mit entsprechenden Auswirkungen auf den Wirkungsgrad (Kraftstoffverbrauch) und über die geänderten Druck- und Temperaturbedingungen auf das Abgasemissionsverhalten des Motors. Abbildung 8-9 zeigt die Tendenzen bei einem mittleren Betriebspunkt des Motors.

Wie zuvor gezeigt, kann durch Verschiebung des ZZP der Verbrennungsverlauf und damit das Moment beeinflusst werden. Der Zusammenhang zwischen ZZP und Moment ist in Abbildung 8-10 dargestellt. Er wird Zündhaken genannt.

In heutigen Motorelektroniksystemen wird dieser Effekt verwendet, um schnell auf wechselnde Drehmomentanforderungen zu reagieren (z.B. Schaltvorgang von Automatikgetrieben, zu-/ abschalten des Klimakompressors, Anfahrvorgang, Schalten von Saugrohrklappen, etc.). Der Vorteil ist ein wesentlich schnelleres Ansprechverhalten, als es über eine Anpassung der Luft-/ Kraftstoffmenge realisierbar ist

Die Zündkerze bringt die Zündenergie in den Brennraum ein und löst durch den elektrischen Funken zwischen den Elektroden die Verbrennung aus. Sie ist möglichst zentral im Brennraum angeordnet um kurze Flammwege zu realisieren.

8.3.1. Anforderungen

Im Folgenden sind einige Anforderungen an die Zündkerze aufgeführt:

1. Anforderungen an die Elektrik: Es können Spannungen bis über 30kV und örtlich Temperaturen bis zu 1000 °C auftreten. Hinzu kommen Rückstände wie Ruß, Ölkohle und Asche aus Kraftstoff und Öl. Dennoch muss der Isolator einen ausreichend hohen elektrischen Widerstand aufweisen.

2. Mechanische Anforderungen: Periodisch auftretende Gasdrücke bis etwa 100bar. Gasdichtheit und ausreichende mechanische Festigkeit – besonders der Keramik – bei Montage und Betrieb.

3. Chemische Beanspruchung: Speziell die Elektroden sind den chemischen Reaktionen während der Verbrennung ausgesetzt. Dies und aggressive Rückstände aus dem Kraftstoff können die Lebensdauer einer Zündkerze wesentlich beeinträchtigen.

4. Anforderungen an die thermische Belastbarkeit: "Thermoschock"-Beanspruchung durch Wechsel von kaltem Luft-/ Kraftstoffgemisch und heißem Verbrennungsgas. Der Isolierkeramikwerkstoff muss gut wärmeleitend sein, um die vom Gas abgegebene Wärme abführen zu können. Als Beispiel für die stark wechselnden Beanspruchungen sind in Abbildung 8-11 und Abbildung 8-12 die typischen Betriebsbedingungen für 2- und 4-Takt-Motoren dargestellt.

Trotz der enormen elektrischen, mechanischen, chemischen und thermischen Beanspruchungen ist man heute bestrebt, die Lebensdauer einer Zündkerze immer weiter zu erhöhen. Ziel ist eine Zündkerze für ein "Motorleben" (da Zündkerzenwechsel relativ aufwändig sind bzw. zur allgemeinen Reduzierung der Wartungskosten und -intervalle)