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Stufe Grundschule
Erstellt / Aktualisiert 17.11.2013 / 24.11.2019
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8.4. Batteriezündanlagen

Aufgabe des Zündkondensators

Zündeenergie und Motordrehzahl

 

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Aufgabe des Zündkondensators

Durch das plötzliche Zusammenbrechen des Magnetfeldes wird in der Primärwicklung der Zündspule kurzzeitig eine Spannung von 300-400V induziert. Ohne Vorkehrungen würde sie beim Öffnen des Unterbrechers einen starken Funken hervorrufen. Dies hat nachteilige Folgen auf das Zündverhalten der Anlage:

  • Energieverbrauch auf Kosten der Zündenergie
  • Starker Kontaktabbrand und Kontaktverschleiß
  • Hoher Übergangswiderstand durch hohe Temperatur und schlecht leitenden Schmorbelag. Dadurch Spannungsabfall und verminderte Zündleistung.

Im Augenblick der Stromunterbrechung nimmt der parallel zum Unterbrecher geschaltete Zündkondensator den Induktionsstromstoß auf. Er wird auf die primär induzierte Scheitelspannung aufgeladen, wozu er eine gewisse Zeit braucht. Die Kontaktstellen sind mittlerweile so weit auseinandergerückt, dass kein Funken mehr überschlagen kann (erforderliche Überschlagspannung am Kontakt  induzierte Spannung). Zu einer schwachen Funkenbildung kann es bei Funkenzahlen unter 3000min-1 kommen. Hier ist die Abhebegeschwindigkeit des Unterbrecherhebels so klein, dass die induzierte Primärspannung schneller ansteigt als die Überschlagspannung im größer werdenden Luftspalt des Kontakts (Öffnungsfunke).

Zündeenergie und Motordrehzahl:

Ein Maß für die im Magnetfeld der Zündspule gespeicherten Energie ist die Fläche E = ½·L·I2 in Abbildung 8-24. Sie hängt stark von der Stromstärke ab, bei der der Primärkreis unterbrochen wird. Die maximale Energie wird gespeichert wenn die Schließzeit (t1) lang genug ist. Verkürzte Schließzeit (t2) führt zu verminderter Energiespeicherung (E2). Mit zunehmender Funkenzahl (Motordrehzahl, Zylinderzahl) verkürzt sich die Schließzeit (t2) und der Primärstrom wird schon während seines Anstiegs unterbrochen (E2 < E1).

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8.4. Batteriezündanlagen

Fazit

konventionellen Zündsystemen

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Fazit:

Die in der Zündspule gespeicherte Energie nimmt mit steigender Funkenzahl ab. Den daraus resultierenden Abfall der erreichbaren Hochspannung mit zunehmender Funkenzahl zeigt die Abbildung 8-25.

Hochspannungsverteilung und ZZP-Verstellung bei konventionellen Zündsystemen:

Die Verteilung der Hochspannung auf die Zündkerzen übernimmt ein im Zündverteiler rotierender Verteilerläufer mit einem Kontakt (rotierende Spannungsverteilung). Bis auf den Unterbrecher ist der Zündverteiler nahezu wartungsfrei. Da der Unterbrechernocken ebenfalls von der Verteilerwelle angetrieben wird, führt ein Verdrehen der Welle zu einer Verschiebung des ZZPs. Deshalb sind Fliehkraft- und Unterdruckzündversteller im Verteiler untergebracht. Der Fliehkraftzündversteller bewirkt bei steigender Drehzahl eine Verstellung des ZZPs in Richtung „früh". Der Unterdruckversteller verstellt den ZZP in Abhängigkeit der Motorlast, wobei der Unterdruck nahe der Drosselklappe als Maß für die Last dient. Im Teillastbetrieb wird der ZZP, aufgrund der langsamer ablaufenden Verbrennung, in Richtung „früh" verstellt. Beide Verstellsysteme sind so miteinander verknüpft, dass sich beide Verstellungen addieren (elektronische Zündung siehe Kapitel 8.4.4)

 

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

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Abbildung 8-26 zeigt den vereinfachten Schaltplan einer kontaktgesteuerten Spulenzündung. Kennzeichen der Transistor-Spulenzündung ist die Schaltung des Primärstromes durch einen Transistor. Er tritt als Leistungsschalter an die Stelle des Unterbrechers, da sich mit ihm höhere Primärströme schalten lassen (vgl. mit Abbildung 8-21). Durch einen Steuerstrom IS wird der Transistor ähnlich einem Relais zum Schalten veranlasst. Ein nockenbetätigter Unterbrecher (Steuerschalter) schaltet den Steuerstrom, der ca. um den Faktor 10 geringer ist als der Primärstrom, ein und aus. Bei geschlossenem Steuerschalter fließt ein Steuerstrom IS in die Basis B und der Transistor wird zwischen Emitter E und Kollektor C leitend, so dass ein Primärstrom fließt (siehe Abbildung 8-27). Im ZZP unterbricht der Steuerschalter den Steuerstrom, der Transistor wird gesperrt und der Primärstrom unterbrochen (Entstehung der Hochspannung und des Funkens siehe SZ). Die besonders leistungsfähige Zündspule der TSZ hat eine viel kleinere Induktivität und ist deshalb in der Lage, mehr Energie in noch kürzerer Zeit zu speichern (vgl. Kapitel 8.4.1. Stromanstieg in der Spule; siehe Abbildung 8-25, genügendes Hochspannungsangebot auch bei hohen Drehzahlen). Durch die Verwendung eines Transistors als Leistungsschalter können zwar höhere Primärströme geschaltet werden, der Schließwinkel (Dauer des geschlossenen Leistungsschalters über °KW, um die Zündspule aufzuladen) kann jedoch nicht drehzahlabhängig variiert werden. Die rein mechanischen Probleme des Unterbrechers bleiben erhalten, lediglich der durch den Abreißfunken verursachte Kontaktabbrand und die damit verbundene Änderung des ZZP und des Schließwinkels werden unterbunden.

 

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8.4.3. Transistor-Spulenzündung, elektronisch gesteuert

Durch den Einsatz von Elektronik kann das Zündsystem optimiert werden:

  • Geringerer Wartungsaufwand durch das Fehlen mechanischer Bauteile
  • Genauere Anpassung an den Motorbetriebspunkt und Zeitkonstanz der Größen ZZP, Schließwinkel und Primärstrom

Grundlage dieser Systeme bildet die Transistor-Spulenzündung mit transistorgeschaltetem Primärstrom

Elektronische Zündauslösung

Der Steuer- bzw. Zündkontakt wird durch berührungsfrei (verschleißfrei) arbeitende Geber ausgelöst, die die Schalttransistoren im Schaltgerät ansteuern. Dabei wird zwischen zwei Transistor-Zündsystemen, nämlich dem Hall- oder Induktionsauslösesystem (TSZ-h/ TSZ-i) unterschieden. Bei TSZ-i-Systemen werden zum einen Induktionsgeber im Zündverteiler und zum anderen Induktionsgeber an der Kurbelwelle verwendet

 

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8.4.3. Transistor-Spulenzündung, elektronisch gesteuert

Induktionsgeber im Zündverteiler

Induktionsgeber an der Kurbelwelle

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Induktionsgeber im Zündverteiler (TSZ - i)

Den Aufbau des Zündimpulsgebers nach dem Induktionsprinzip zeigt Abbildung 8-28. Der Stator besteht aus Dauermagneten (1) und Induktionswicklungen mit Kern (2). Die Anzahl der Zähne/ Zacken am Rotor entspricht der Zylinderzahl des Motors. Beim Drehen des Rotors (4) ändert sich der Luftspalt (3) periodisch und mit ihm der magnetische Kraftfluss. Die Flussänderung induziert in der Induktionsspule eine Spannung, deren Scheitelwert von der Drehzahl abhängt:

  • Niedrige Drehzahl U  0,5V
  • Hohe Drehzahl U  100V

Die einphasige Wechselspannung, deren Frequenz der Funkenfrequenz entspricht, wird dem Schaltgerät zugeführt, umgeformt und zur Zündsteuerung benutzt.

Induktionsgeber an der Kurbelwelle (TSZ - i)

Ein induktiver Geber, wie in Abbildung 8-29 dargestellt, liefert mittels einer Zahnscheibe auf der Kurbelwelle sowohl ein Signal für die Drehzahl als auch für die Kurbelwellenstellung. Das Prinzip ist dasselbe wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, sodass im Geber aufgrund der Rotation der Zahnscheibe eine Wechselspannung induziert wird (Frequenz ~ nM). Durch das Fehlen eines Zahnes kann die Kurbelwellenstellung und damit die Stellung der einzelnen Zylinder zugeordnet werden. Die auf diese Weise direkt an der Kurbelwelle ermittelten Werte sind genauer als die, die am Zündverteiler gemessen werden (geringere Anzahl mechanischer Übertragungsglieder)

 

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8.4.3. Transistor-Spulenzündung, elektronisch gesteuert

Hallgeber im Zündverteiler

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Der Zündimpulsgeber nach dem Hall-Prinzip nutzt den in Abbildung 8-30 dargestellten Hall-Effekt.

Ein Strom IV durchfließt die Halbleiterschicht. Wird die Schicht senkrecht von einem Magnetfeld durchsetzt, so entsteht zwischen den Kontaktflächen A1 und A2 eine Spannung im mV-Bereich.

Abbildung 8-31 zeigt die Zündauslösung durch den Hall-Geber im Verteiler. Dreht sich die Zündverteilerwelle, so laufen die Blenden (1) des Rotors berührungslos durch den Luftspalt (4) der Magnetschranke (2). Ist der Luftspalt frei, so wird das Hall-IC (Integrated Circuit) und mit ihm die Hallschicht vom Magnetfeld durchsetzt. An der Hallschicht ist die magnetische Flussdichte B hoch und die Geberspannung UG hat ein Maximum. Der Hall-IC ist eingeschaltet. Sobald eine der Blenden in den Luftspalt eintaucht, verläuft der magnetische Fluss größtenteils im Blendenbereich und wird auf diese Weise vom IC ferngehalten. Die Flussdichte an der Hallschicht verschwindet bis auf einen kleinen Rest, der vom Streufeld herrührt. Die Spannung UH erreicht ein Minimum.

Die elektronische Primärstromschaltung dient zur Umformung und Verstärkung der von den Zündauslösesystemen abgegebenen Signalspannungen.

 

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8.4.3. Elektronische Schließwinkelsteuerung

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Je nach Drehzahl ist der zeitliche Abstand der Steuersignale des Auslösesystems unterschiedlich. Zur Erzielung einer konstanten Zündenergie ist aber ein Mindest-Primärstrom erforderlich und somit ein drehzahlabhängiger Mindest-Schließwinkel bzw. eine für alle Drehzahlen mindestens gleiche Schließzeit (bei konstantem Schließwinkel nimmt die Schließzeit mit steigender Drehzahl ab). Für hohe Drehzahlen wird die Schließzeit überproportional lang gewählt, um einen kräftigen Zündfunken zu erzeugen. Wie in Abbildung 8-32 dargestellt, kann durch Vorverlegen des Einschaltbeginns des Primärstroms von t1 auf t2, d.h. beim Vergrößern der Schließzeit, der Primärstrom und damit die Energie in der Zündspule bis zum Zündzeitpunkt tZ von I1 auf I2 steigen.

Die Stromfließzeit der Zündspule wird in Abhängigkeit von Drehzahl und Batteriespannung so vorgesteuert, dass im stationären Betrieb am Ende der Stromfließzeit gerade der gewünschte Soll-Primärstrom erreicht wird. Eine dynamische Korrektur bei niedrigen Drehzahlen ist überlagert, damit bei Beschleunigungsvorgängen trotz der dann kleinen Schließzeit der Sollwert erreicht wird.

Um eine Mindestoffenzeit und Mindestfunkendauer zu gewährleisten, wird der Schließwinkel auf einen maximalen Wert begrenzt (max.: 75% geschlossen, 25% offen).

 

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8.4.4. Elektronische Zündung

Durch Fliehkraft- und Unterdruckversteller, wie sie bei allen bisher beschriebenen Zündanlagen zu finden sind, können nur einfache Verstellkennlinien realisiert werden.

Anstelle der mechanischen Zündversteller verwendet die elektronische Zündung für die Verstellung von Schließwinkel und Zündzeitpunkt die Sensorsignale für die Drehzahl- und Lastbestimmung. Die Drehzahl wird induktiv an der Kurbelwelle abgetastet. Der im Saugrohr herrschende Druck dient als Lastsignal und wird einem im Steuergerät untergebrachten Drucksensor mittels Schlauchverbindung zugeführt. Mit diesen Daten ermittelt das Steuergerät das dem Betriebspunkt entsprechende Ansteuersignal für die Zündendstufe. Die Zündungsendstufe hat die Aufgabe, den Primärstrom in der Zündspule zu schalten und somit die Schließwinkelregelung zu übernehmen (Interne Zündungsendstufen befinden sich auf der Leiterplatte des Motorsteuergeräts, externe Endstufen sind in einem eigenen Gehäuse oder an der Zündspule untergebracht). Das Motorsteuergerät schaltet die Zündungsendstufe während der berechneten Schließzeit ein. Innerhalb dieser Zeit steigt der Primärstrom der Zündspule auf seinen Sollwert und baut dabei ein Magnetfeld auf. Im Zündzeitpunkt unterbricht die Zündungsendstufe den Stromfluss.

Die Auswahl des Zündwinkels erfolgt nach den Gesichtspunkten:

  • Gefordertes Drehmoment
  • Kraftstoffverbrauch (bzw. Wirkungsgrad, Klopfgrenze)
  • Fahrbarkeit (Motortemperatur)