P2.1, 6_Zündsysteme

• Der Zündzeitpunkt beeinflusst
  • Drehmoment
  • Verbrauch
  • Abgastemperatur, Emissionen
  • Motorschutz
• maximale Verbrennungsdruck soll etwa 10–20° nach OT liegen
• wird zu früh gezündet, steigt der Druck vor oder nahe OT stark an
  • Klopfen, Kolben- und Lagerschäden
• Wird zu spät gezündet, sinkt der nutzbare Verbrennungsdruck
  • Leistung nimmt ab
  • die Abgastemperatur steigt

• Verbrennung beginnt zu früh. 
• Druck steigt bereits stark an, während der Kolben noch Richtung OT läuft
• Verbrennung wirkt dem Kolben entgegen
  • klopfende Verbrennung
  • hohe mechanische Belastung
  • Kolbenschäden
  • Lagerschäden
  • Leistungsverlust trotz früher Zündung

• Verbrennung beginnt zu spät
• Druckmaximum entsteht zu weit nach OT. Dadurch kann weniger Arbeit auf den Kolben übertragen werden
  • geringeres Drehmoment
  • höherer Kraftstoffverbrauch
  • höhere Abgastemperatur
  • thermische Belastung von Auslassventilen und Abgasanlage
  • mögliche Motorschäden

• Flammenausbreitung braucht eine gewisse Zeit.
• Bei höherer Drehzahl steht pro Kurbelgrad weniger Zeit zur Verfügung.
• Damit der maximale Verbrennungsdruck trotzdem etwa 10–20° nach OT erreicht wird, muss die Zündung früher eingeleitet werden.

• Im Teillastbereich ist das Gemisch häufig magerer und der Füllungsgrad geringer.
• Dadurch läuft die Verbrennung langsamer ab. 

• Zündkennfeld zeigt den optimalen Zündwinkel in Abhängigkeit von Betriebsgrössen,
  • hauptsächlich Drehzahl und Last.
• Im Motorsteuergerät sind diese Werte gespeichert.
• Das Steuergerät wählt daraus je nach Betriebszustand den passenden Zündzeitpunkt.

• Wenn der Primärstrom durch die Primärwicklung fliesst, baut sich ein Magnetfeld auf.
• Die Energie wird magnetisch im Eisenkern beziehungsweise im magnetischen Kreis gespeichert.
• Wird der Primärstrom abgeschaltet, bricht das Magnetfeld zusammen und induziert eine hohe Spannung in der Sekundärwicklung.
  • Abhängig von:
    • Windungsverhältnis Primär/Sekundär
    • Windungsdurchmesser
    • Stromstärke
    • Geschwindigkeit des Magnetfeldabbaus

• die Spannung, die nötig ist, um die Luft-Gas-Strecke zwischen den Elektroden der Zündkerze leitfähig zu machen.
• Erst wenn diese Spannung erreicht ist, kann der Funke überspringen

• Die Spannung, die während der Funkenbrenndauer nötig ist, um den Funken aufrechtzuerhalten.
• Sie ist deutlich niedriger als die Ionisierungsspannung.

• Die Zeit, während der der Zündfunke tatsächlich brennt.
• Typische Werte von etwa 1–2,5 ms genannt.
• Eine ausreichende Brenndauer ist wichtig für eine sichere Entzündung des Gemisches.

• Primärwicklung
  • Die Primärwicklung hat wenige Windungen aus dickem Draht. 
• Sekundärwicklung
  • Die Sekundärwicklung hat viele Windungen aus dünnem Draht.
• Eisenkern
• Isolierung, häufig Epoxidharz
• Gehäuse
• elektrischen Anschlüssen

• Primärwicklung
  • 100–200 Windungen
  • Widerstand 0,2–0,8 Ω
  • Induktivität 3–8 mH
  • Primärstrom 7–15 A
  • Ladezeit bis Nennstrom 1,5–4 ms
• Sekundärwicklung:
  • 8’000–20’000 Windungen
  • Widerstand 3–8 kΩ
  • Induktivität 10–35 H
  • Sekundärspannung bis etwa 30 kV
  • Funkenenergie 40–100 mJ

• Die Hochspannungsdiode verhindert einen unerwünschten Einschaltfunken beim Aufbau des Magnetfeldes.
• Sie blockiert die Einschaltspannung, lässt aber die hohe Zündspannung beim Abschalten durch.

• Schliesswinkel:
  • den Zeitraum bzw. Kurbelwinkel, während dem der Primärstrom eingeschaltet ist. In dieser Zeit wird das Magnetfeld der Zündspule aufgebaut.
• Regelung:
  • muss so angepasst werden, dass der Primärstrom sicher seinen Sollwert erreicht.
  • Bei hoher Drehzahl ist weniger Zeit vorhanden, daher muss früher eingeschaltet werden.
  • Bei niedriger Batteriespannung steigt der Strom langsamer an, deshalb muss ebenfalls länger geladen werden.

15% von 720° KW = 108° KW

ZZP: 30° vor OT - 108° KW = 138° vor OT

UT = 180° vor OT / 180° - 138° = 42° n. UT

• Primärstrombegrenzung verhindert, dass der Primärstrom zu hoch wird.
• Ohne Begrenzung könnten Zündspule und Endstufe thermisch überlastet werden.
• Die Regelung begrenzt den Strom zum Beispiel auf etwa 12 A.

• Die Ruhestromabschaltung verhindert, dass bei eingeschalteter Zündung und stehendem Motor dauerhaft Strom durch die Zündspule fliesst.
• Dadurch werden Batterie, Zündspule und Endstufe geschützt.

• Das Steuergerät kann Zündaussetzer über verschiedene Methoden erkennen:
  • Laufunruhe der Kurbelwelle
  • Auswertung der Verbrennung über Ionenstrommessung
  • Vergleich von Drehzahlschwankungen
  • Katalysator-Temperaturmodell

• Nach der Zündung entsteht im Brennraum ein ionisiertes Gasgemisch (Plasma).
• Dieses enthält geladene Teilchen (Ionen und Elektronen) → es wird elektrisch leitfähig.
  • Genau das nutzt das Steuergerät:
    • Die Zündkerze wird nach dem Funken als Sensor verwendet
    • Es wird eine kleine Messspannung (ca. 80–100 V) angelegt
    • Es fliesst ein sehr kleiner Strom (Ionenstrom) durch das ionisierte Gas

• Klopfende Verbrennung entsteht, wenn sich ein Teil des Gemisches selbst entzündet, meist im Endgasbereich.
• Dadurch entstehen sehr schnelle Druckanstiege und Druckschwingungen im Brennraum.
  • Diese können mechanische Schäden verursachen.
• Das klopfen entsteht durch die zwei Flammfronten, welche mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aufeinander treffen. 

• schlechte Kraftstoffqualität
• zu früher Zündzeitpunkt
• hohe Verdichtung
• hohe Ansauglufttemperatur
• hohe Motortemperatur
• Ablagerungen im Brennraum
• ungünstige Brennraumform

• erkennt Klopfen über Klopfsensoren.
• Wird Klopfen erkannt, stellt das Steuergerät den Zündzeitpunkt des betroffenen Zylinders Richtung spät.
• Danach wird der Zündzeitpunkt schrittweise wieder Richtung früh zurückgeführt, bis die Klopfgrenze erneut erreicht wird.

• Ein piezoelektrischer Körperschallsensor.
• Er misst Schwingungen am Motorblock.
• Klopfende Verbrennung erzeugt charakteristische hochfrequente Schwingungen, die vom Steuergerät ausgewertet werden.
• Anzugsdrehmoment sehr wichtig, da es sonst zu Signalverfälschungen kommen kann. 

• Wie gut die Zündkerze Wärme aus dem Brennraum ableitet.
• Eine Kerze mit hohem Wärmewert hat eine längere Isolatorfussstrecke und leitet Wärme schlechter ab.
• Eine Kerze mit niedrigem Wärmewert leitet Wärme besser ab und bleibt kühler.
• Die richtige Kerze ist wichtig, um Verrussung, Glühzündung und Überhitzung zu vermeiden.

• Die Zeit bzw. ca. 30° KW n. OT, damit das Gemisch vollständig entzündet ist, wenn der Pleuel 90° zur KW steht.
  • Ziel: max. Kraft auf Pleuel

• OBD, sämtliche Abgasrelevanten Teile
• Drehzahl-Erkennung
• Klopfsensoren
• Lambda-Sonde
• Zündspule Anschluss 4b, Ionenstrom-Messung

• Kraftstoffzusammensetzung
• Hohe Oktanzahl = hohe Klopffestigkeit 

• STG und Zündspule vor thermischer Überlastung schützen
• Sicherstellen, dass Zündspule in jedem Betriebszustand Zündspannung zur Verfügung stellt.
• Tiefer Primär-Widerstand zur schnellen Sättigung der Spule
  • Da hoher Stromfluss, Hohe Leistung, viel Wärme
  • Primärstrom begrenzen durch Antakten des Transistors (nicht ganz durchsteuern)

• Batteriespannung
• Drehzahl
• (Regelgrösse: Primärstrommessung)
  • Verschleiss
  • Wärmeentwicklung
• Merke:
  • Die Zündspule, muss auf max, Drehzahl ausgelegt sein.
  • Sämtliche weiteren Drehzahlen werden durch Primär-Strombegrenzung geregelt.
    • Um unnötige Wärmeentwicklung in der Spule zu verhindern

• HC steigt
• CO steigt
• O2 steigt

• Sekundärseitig, Masse über Messwiderstand im STG
• Bei Zündung gibt es einen Spannungsabfall über Widerstand
• Reproduzierbar, welcher Zylinder nicht gezündet hat

• Vorteile:
  • Hohe Zündleistung (hohe Zündspannung und lange Funkenbrenndauer) auch bei hoher Drehzahl. 
  • geringerer elektomagnetischer Störpegel, da kein offener Funken (kein Zündverteiler)
  • keine rotierende Teile
  • weniger Hochspannungsverbindungen
  • geringere Geräuschentwicklung
• Nachteile: 
  • Preis 

• Downsizing Motoren
• Hohe Last bei tiefer Drehzahl
• Ablagerungen im Motor welche sich plötzliche entzünden könnten (800-1000 m/s)
• Schäden von Kolben, Ringen, Pleuel, Pleuellager treten auf
• Daher geben einiger Fahrzeughersteller bei Servicearbeiten Aditive zum Kraftstoff, welche die Brenntemperatur erhöhen und Ablagerungen lösen sollen