VKM_I_Kap.8

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 ~ n_M). 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)

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

Ein Strom I_V 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 U_G 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 I_C ferngehalten. Die Flussdichte an der Hallschicht verschwindet bis auf einen kleinen Rest, der vom Streufeld herrührt. Die Spannung U_H erreicht ein Minimum.

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

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 t_Z 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).

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)

Der Schließwinkel wird in Abhängigkeit von:

• Drehzahl
• Batteriespannung

gesteuert. Das Zündwinkelkennfeld in Abbildung 8-7 zeigt die Vorteile der elektronischen Zündung auf, in dem der Zündwinkel bzw. der ZZP nach den oben genannten Gesichtspunkten für jeden Betriebspunkt optimal gewählt ist. Eine elektronische Zündverstellung ist im Rahmen verschiedener elektronischer Zündsysteme möglich. Vollintegrierte Zündverstellung gibt es z.B. bei der Motronic der Robert Bosch GmbH. Die Einbindung der Zündwinkelbestimmung in ein modernes Motor–Managementsystem ist im Kapitel „otorelektronik" beschrieben

Die vollelektronische Zündung ist das heute übliche Zündsystem. Sie enthält die Funktionen der elektrischen Zündung, wobei die rotierende Spannungsverteilung, die den bisher erwähnten Systemen gemein war, entfällt. Die Spannungsverteilung erfolgt im Steuergerät (ruhende Spannungsverteilung). Die Zündspulen sind direkt mit den Zündkerzen verbunden und die Spannungsverteilung geschieht auf der Primärseite der Zündspulen. Die Vorteile der ruhenden Spannungsverteilung sind:

• Keine offenen Funken (geringere Störpegel)
• Keine rotierenden Teile
• Kein Kontaktverschleiß im Verteiler
• Geringere Zahl von Hochspannungsverbindungen

In Abbildung 8-33 ist der Aufbau einer vollelektronischen Zündanlage dargestellt.

Die ruhende Spannungsverteilung wird in zwei Arten unterschieden.

Einzelfunken-Zündspule

Hier sind jedem Zylinder eine Zündungsendstufe und eine Zündspule zugeordnet. Die Zündspulen sind üblicherweise direkt über der Zündkerze angeordnet. Bei der Einzelfunken-Zündspule gibt es keine Einschränkungen bezüglich des Zündwinkelverstellbereichs. Für die Bezugspunktbestimmung muss die Zündanlage mit der Nockenwelle synchronisiert werden.

Zweifunken-Zündspule

Eine Zündungsendstufe und eine Zündspule sind jeweils zwei Zylindern zugeordnet. Die Enden der Sekundärwicklung sind an jeweils eine Zündkerze in unterschiedlichen Zylindern angeschlossen. Die Zylinder sind so gewählt, dass sich im Verdichtungstakt des einen Zylinders der zweite gerade im Ausstoßtakt befindet. Im Zündzeitpunkt erfolgt an beiden Zündkerzen ein Funkenüberschlag. Da der Funken im Ausstoßtakt kein Restgas oder Frischgas entflammen darf ist der Zündwinkelverstellbereich eingeschränkt. Die Zweifunken-Zündspule ist nur für gerade Zylinderzahlen geeignet. Die Anlage muss nicht mit der Nockenwelle synchronisiert werden.

Die HKZ, auch Thyristor-Zündung genannt, arbeitet nach einem anderen Prinzip als die bisher beschriebenen Zündsysteme. Sie wurde für hochdrehende und leistungsstarke Hubkolben-Vierzylinder-Motoren des Rennsports und für Kreiskolbenmotoren entwickelt. Bei der HKZ wird die Zündenergie im elektrischen Feld eines Kondensators gespeichert. Der Zündtransformator transformiert die im ZZP durch Entladung des Kondensators entstehende Primärspannung auf die nötige Hochspannung. Als Leistungsschalter dient ein Thyristor, der entweder mechanisch mit einem Unterbrecher oder kontaktlos angesteuert wird, um so die Kondensatorentladung herbeizuführen. Abbildung 8-34 zeigt den Lade- und Entladevorgang bei einer HKZ.

Durch den Schwingkreis aus Kondensator und Transformatorwicklung entstehen Schwingungen von Strom und Spannung, deren Frequenz gegenüber SZ und TSZ etwa 10mal höher ist. Daher steigt die induzierte Hochspannung entsprechend schneller an, woraus die Nebenschlussunempfindlichkeit der HKZ resultiert (siehe Abbildung 8-37). Die Funkendauer ist mit 0,1 - 0,2ms für viele Motoren zu kurz, um das Entflammen des Gemisches zu sichern. Durch das Angebot an Hochspannung kann jedoch der Elektrodenabstand und damit die Funkenlänge vergrößert werden. In Abbildung 8-35 ist ein Vergleich zwischen TSZ und HKZ dargestellt

Kennzeichen für Leistungsfähigkeit und Güte einer Zündanlage sind:

• Abhängigkeit der Hochspannung/ Zündenergie von der Funkenzahl (bestimmend hier: Induktivität, Widerstand und damit Aufladezeit des Energiespeichers)
• Rückgang der Hochspannung durch Nebenschlüsse (bestimmend hier: Eigenfrequenz des Systems bzw. der Gradient der Sekundärspannung über der Zeit)
• Funkendauer (bestimmend hier: gespeicherte Energie, Elektrodenabstand und Strömung und Zustand des Gemisches)
• Leistungsaufnahme (Größe des Speichers, Verluste)
• Lebensdauer der Teile (insbesondere Schalter)
• Wartungsaufwand und Diagnosemöglichkeit

Abbildung 8-36 und Abbildung 8-37 zeigen die Unterschiede zwischen SZ, TSZ und HKZ bezüglich Spannungsangebot und Nebenschlussempfindlichkeit.

Der Abbildung 8-36 ist zu entnehmen, dass das Hochspannungsangebot der HKZ, aufgrund der schnellen Aufladezeit bei zunehmender Funkenzahl konstant bleibt. Bei SZ und TSZ sinkt mit steigender Funkenzahl das Hochspannungsangebot, da die für die Aufladung zur Verfügung stehende Zeit abnimmt.

Die Abbildung 8-37 links stellt den zeitlichen Verlauf der Sekundärspannung bezogen auf die Scheitelspannung (≙100%) der 1. Halbwelle im sog. Spannungsleerlauf ohne Zündfunken dar (vgl. Abbildung 8-23). In Abbildung 8-37 ist rechts der Einfluss elektrischer Nebenschlüsse auf das Hochspannungsangebot dargestellt

Magnetzünder arbeiten unabhängig von einer Spannungsquelle und werden überall dort eingesetzt, wo man von einer Batterie unabhängig sein möchte (leichte und kompakte Baueinheiten sind geeignet zum Einbau in leichte Zwei- und Viertaktmotoren). Die Höhe der Zündspannung ist drehzahlabhängig.

Aufbau

In Abbildung 8-38 ist der Schaltplan eines Magnetzünders dargestellt. Er besteht aus einem umlaufenden, mit Dauermagneten versehenen Polrad, das auf der Kurbelwelle des Motors befestigt ist und aus einer feststehenden Ankerplatte, die den Zündanker mit den Primär- und Sekundärwicklungen und den Unterbrecher mit dem Kondensator trägt. Die Betätigung des Unterbrecherhebels erfolgt meist über einen Nocken, der die Polradnabe bildet. Das Polrad stellt einen Teil der Motorschwungmasse dar.

Wirkungsweise

Der durch den umlaufenden Magneten N-S im Anker sich ändernde magnetische Fluss TETA_a erzeugt in der geschlossenen Primärwicklung P einen Strom I, der auf verschiedene Weise zur Erzeugung eines Hochspannungsstoßes verwendet wird.

Die Höhe der Zündspannung ist im Wesentlichen von der Höhe des Erregerflusses TETA_a abhängig, der Änderungsgeschwindigkeit des Flusses (Drehzahl) und den Windungszahlen sowie den ohmschen Widerständen der Primär- und Sekundärwicklungen.

Zum Abschalten des Motors wird der Kurzschluss-Schalter geschlossen (Kurzschluss).

Hochspannungsaufbau

Magnetzünder mit mechanischem Unterbrecher, Hochspannungswicklung im Magnetzünder (konventionelle Ausführung):

Das umlaufende Polrad erzeugt im Zündanker einen sich periodisch ändernden magnetischen Fluss TETAo. Dieser wiederum erzeugt in der Zündankerwicklung bei geschlossenem Unterbrecher einen Strom, der einen entgegen gerichteten magnetischen Fluss TETAi zur Folge hat. Aus der Überlagerung beider entsteht der resultierende Fluss TETAres. Beim Öffnen des Unterbrechers verschwindet TETAi, d.h. dTETAresRes/dt wird sehr groß und der Anker wird nur noch von seinem ursprünglichen Fluss TETAo durchsetzt. Diese im Anker eintretende große Flussänderung dTETAares/dt (TETAres->TETAo) erzeugt in der Sekundärwicklung einen Hochspannungsstoß, der an den Elektroden der Zündkerze zum Zündfunken führt.

Bauarten

Magnetzündungen werden kontaktgesteuert oder kontaktlos ausgeführt. Für die kontaktlose Steuerung sprechen die gleichen Gründe wie bei den Batteriezündanlagen: Höhere Zündenergie bei hoher Schaltfrequenz, Eliminierung von Kontaktabbrand und Kontaktprellen sowie von Korrosion und Verschmutzung. Vorteil dieses Zündsystems ist der sehr einfache Aufbau und dass keine Batterie benötigt wird. Da die Magnetzündung keine Spannungsreserven bietet, findet das System nur in Randbereichen Anwendung.

Zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und zur Erzielung eines hohen Drehmomentes wird ein hohes Verdichtungsverhältnis angestrebt. Mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis wächst jedoch die Gefahr einer unkontrollierten Verbrennung - Selbstentflammung des Gemischs - welche sich durch Klopfen oder Klingeln bemerkbar macht.

Abbildung 8-39 zeigt schematisch den Druckverlauf bei klopfender Verbrennung. Durch die frühe Zündung und die damit einsetzende (noch kontrollierte) Verbrennung steigen Druck und Temperatur im Brennraum stark an. Dadurch entzündet sich ein Teil des Gemisches an heißen Stellen, meist in der Nähe des Auslassventils, selbst, bevor die Flammenfront ausgehend von der Zündkerze diese Bereiche erreicht hat. Durch die Selbstzündung kommt es zu einem steilen Druckanstieg. Infolgedessen entstehen Druckwellen und es kommt lokal zu hohem Wärmeübergang, der Motorschäden auslösen kann.

Da Druck- und Temperaturverlauf stark vom Zündzeitpunkt abhängen, hängt auch das Auftreten von Klopfen vom Zündzeitpunkt ab. Eine frühe Zündung führt zu hohen Drücken und somit zum Klopfen. Verschiebt man den Zündzeitpunkt nach vorne, d.h. erhöht den Zündwinkel, so bezeichnet man den Zündwinkel, ab dem Klopfen auftritt, als Klopfgrenze. Diese Klopfgrenze ist von der Oktanzahl des Kraftstoffs abhängig (siehe Kapitel Kraftstoffe). Wird spät gezündet, wird wie vorher beschrieben nur ein geringeres Moment erreicht und der Motor damit im schlechteren Wirkungsgrad betrieben. Abbildung 8-40 zeigt schematisch den Druckverlauf für verschiedene Zündzeitpunkte.

Bei den heute üblichen Verdichtungsverhältnissen liegt der Zündwinkel für optimalen Wirkungsgrad in vielen Betriebspunkten im Bereich oder jenseits der Klopfgrenze. Man ist deshalb bestrebt den Zündwinkel möglichst nahe an der Klopfgrenze zu wählen. Durch unterschiedliche Kraftstoff-qualitäten, Alterungseffekte, Umwelteinflüsse und Motortemperaturen variiert die Klopfgrenze. Bei einer konventionellen, rein gesteuerten Festlegung des Zündwinkels muss deshalb ein Sicherheitsabstand zur in Versuchen gemessenen Klopfgrenze eingehalten werden. Das hat ein geringeres Moment und verminderten Wirkungsgrad zur Folge.

Durch die Verwendung einer Klopfregelung wird aus der ZZP-Steuerung eine ZZP-Regelung, die ohne Sicherheitsreserve auskommt. Abbildung 8-41 zeigt das Schema der Klopfregelung.

Der Klopfsensor nimmt den Körperschall an einer geeigneten Stelle am Motor auf und wandelt diesen in elektrische Spannungssignale um. Im Regelgerät wird das Klopfsignal dem jeweiligen Zylinder zugeordnet, wodurch eine individuelle Anpassung für jeden Zylinder möglich ist.

Wenn Klopfen auftritt, nimmt die Regelungsschaltung den ZZP der nächstfolgenden Zündung des betreffenden Zylinders um z.B. 1,5 °KW zurück (weniger Vorzündung). Dieser Vorgang wiederholt sich bei jedem weiteren Zündvorgang falls der Sensor weiterhin Klopfen signalisiert. Dies geschieht solange bis keine Klopfgeräusche mehr auftreten; anschließend geht die Regelanlage Schritt für Schritt wieder auf den Kennfeldwert zurück, um so den Motorwirkungsgrad und den Kraftstoffverbrauch optimal zu halten. Bei turboaufgeladenen Motoren kann neben dem Zündwinkel auch auf den Ladedruck Einfluss genommen werden. Abbildung 8-42 zeigt den zeitlichen Verlauf des Zündwinkels im geregelten Betrieb.

Eine Sicherheitsschaltung sorgt bei Ausfall der Klopfregelung dafür, dass der Motor nicht im klopfgefährdeten Bereich gefahren wird, indem der ZZP auf den Kennfeldwert für ungeregelten (konventionellen) Betrieb verstellt wird. Abbildung 8-43 zeigt den Zündhaken für einen Volllast-Betriebspunkt mit den Vorsteuerwerten für geregelten und ungeregelten Betrieb. Es wird deutlich, dass bei Verwendung der oben beschriebenen Klopfregelung ein höheres Moment erreicht werden kann. Außerdem zeigt die Darstellung, dass die Verwendung eines Kraftstoffs mit höherer Oktanzahl bei aktiver Klopfregelung das Motormoment erhöhen kann. Die Momentenerhöhung und damit die Leistungssteigerungen bei Volllastpunkten verschiedener Drehzahlen durch die Klopfregelung zeigt Abbildung 8-44

Die Klopfregelung kann entweder als selbstständiges Gerät mit der Transistorzündung kombiniert oder in ein komplexes System wie die Motronic oder ein Motorsteuergerät integriert werden. Der Klopfsensor besteht aus einer piezokeramischen Scheibe mit seismischer Masse im Kunststoffverguss, die am Motorblock angeschraubt ist. Aufbau und Applikationsmöglichkeiten des Sensors zeigen Abbildung 8-45 und Abbildung 8-46.

Zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs werden Brennverfahren mit Ladungsschichtung sowie Magerbetrieb entwickelt. Mit verbesserten Zündsystemen können dabei die Bereiche des Schicht- bzw. Magerbetriebs durch sicherere Entflammung deutlich erweitert werden.

Besonders interessante Vertreter sind dabei Mehrfachzündsysteme sowie Laserzündsysteme. Bei Mehrfachzündsystemen (multi spark ignition – MSI) wird grundsätzlich konventionelle Zündkerzentechnologie verwendet, die Elektronik unterscheidet sich aber von herkömmlichen Zündanlagen.

Das Grundprinzip besteht darin, in einem mit dem ersten Zündfunken gebildeten Plasmakanal mehrmals hintereinander Zündfunken auszubilden, womit die effektive Zünddauer deutlich erhöht wird. Damit steigt im geschichteten Betrieb die Wahrscheinlichkeit, dass zündfähiges Gemisch an den Zündort gelangt, außerdem ist das System robuster gegenüber Kraftstofftropfen. Neben dem erhöhten Elektronikaufwand besteht ein potentieller Nachteil in einem schnelleren Abbrand der Elektroden und damit verkürzter Kerzenlebensdauer.

Abbildung 8-47 zeigt die Zündcharakteristik eines Mehrfachzündsystems. Der erste Zündfunke schlägt an der Stelle des kürzesten Abstands zwischen den beiden Elektroden über. Durch die Luftströmung bewegt sich der gebildete Plasmakanal von der Zündkerze weg, sodass sich bei den anschließenden Zündungen der Zündfunken auf einem Bogen in den Brennraum hinaus ausbreitet. Für den ersten Durchbruch wird eine hohe Sekundärspannung benötigt. Durch den bereits ausgebildeten Plasmakanal ist bei den folgenden Zündungen nur eine geringere Spannung notwendig, bevor der Spannungsbedarf bei den späteren Zündungen durch die erhöhte Länge des Kanals wieder zunimmt. Das lässt sich in den Ausschlägen im Sekundärspannungsverlauf erkennen.

Bei dem in der Abbildung 8-47 gezeigten System handelt es sich um ein stromgeregeltes System. Der Zündfunke wird so lange aktiv gehalten (Zeit t

Burn), bis der Strom auf der Sekundärseite eine bestimmte Schwelle unterschreitet. Anschließend wird die Zündspule mit dem Primärstrom geladen, bis er seine Schwelle überschreitet und dadurch eine neue Zündung ausgelöst wird

In den Daimler-Motoren M276 und 278, die seit Herbst 2010 eingesetzt werden, ist ein Mehrfachzünd-system verbaut. In Bereichen geringer Last werden diese Motoren geschichtet betrieben. Durch den Einsatz des MSI wird der Zündwinkelbereich erweitert, in dem eine robuste Entflammung erreicht wird. Damit können thermodynamisch günstigere, i.d.R. frühere, Zündwinkel eingestellt werden. Abbildung 8-48 zeigt, welche Verbesserungen bezüglich Verbrauchs- und Emissionswerten in statio-nären Betriebspunkten mit dem Mehrfachzündsystem gegenüber einer Transistor-Spulenzündung erreicht werden können.

Noch in der Forschungsphase befinden sich Laserzündanlagen, mit denen ebenfalls die Entflammung von mageren Gemischen verbessert werden soll. Vorteilhaft bei einem Laserzündsystem ist vor allem die – fokussierbare – Eindringtiefe des Laserstrahls in den Brennraum. Damit ist man nicht mehr an einen wandnahen und kleinräumigen Zündort gebunden. Ein erster Einsatz ist bei Großgasmotoren zu erwarten, die mit dieser Technologie noch magerer betrieben werden können, da die Verbrennung schneller und sicherer erfolgt. Damit können Vorteile bei der NO_x-Emission erwartet werden, für den Betreiber reduziert der Wegfall des Elektrodenverschleißes den Wartungsaufwand.

Bei Fahrzeuganwendungen entscheidet vor allem die weitere Entwicklung von Kosten und Baugröße über den zukünftigen Serieneinsatz. Diesbezüglich konnten schon große Fortschritte erzielt werden, der Größenvergleich ist für einen DI-Ottomotor in Abbildung 8-48 ersichtlich. Auch der Leistungsbedarf von 125W ist bereits auf einem niedrigen Niveau. Aktuelle Untersuchungen analysieren u. a. den Einfluss des Zündortes bei strahlgeführter Verbrennung auf die Emissionen. Beste Ergebnisse werden einer Zündung im Randbereich zugesprochen.

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)

In Abbildung 8-13 ist der Aufbau einer Zündkerze mit Verbundelektroden dargestellt. Der Anschlussbolzen aus Stahl (1) ist im Isolator (2), der aus einer Spezialkeramik(Al

2O3) besteht und die Aufgabe hat den Anschlussbolzen und die Mittelelektrode (9) vom Gehäuse (3) zu isolieren, gasdicht eingeschmolzen. Das herausragende Ende des Anschlussbolzens ist mit der Zündleitung verbunden. Die Hochspannung wird über eine leitfähige Glasschmelze (5), die auch zur Gasabdichtung des Brennraums dient, vom Anschlussbolzen zur Mittelelektrode geleitet. Die Mittelektrode ist im Isolatorfuß gasdicht eingeschmolzen. Um die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Elektrodenmaterial und Isolatorkeramik zu berücksichtigen, hat die Mittelelektrode einen geringeren Durchmesser als die Bohrung, woraus Luftspalt ein (8) entsteht. Form und Werkstoff der Elektroden hängen von den gegebenen Betriebsbedingungen ab. Ihr Verschleiß, der eine Erhöhung der Zündspannung bewirkt, beruht auf Erosion (Abbrand durch den Zündfunken) und Korrosion (chemisch-thermischer Angriff). Um das Wärmeableitverhalten der Elektroden, was einen maßgeblichen Einfluss auf die Dauerstandfestigkeit hat, zu verbessern, werden Verbundelektroden aus Nickel mit einem Kupferkern eingesetzt. Für besondere Anforderungen werden Silber oder Platin als Elektrodenwerkstoff verwendet. Die Masseelektrode, in Abbildung 8-13 als Dachelektrode ausgeführt, ist am Gehäuse befestigt und dient somit als zweites Potenzial, das mit der Motormasse verbunden ist. Über das Gehäuse aus Stahl wird die Zündkerze am Zylinderkopf befestigt.

Während des Verbrennungsvorgangs werden Bestandteile des Kraftstoffs und des Schmieröls in Partikelform frei. Mit der Zeit können sich diese Bestandteile an der Zündkerze und insbesondere am Isolatorfuß ablagern und ihn verschmutzen, wodurch sich eine mehr oder weniger leitfähige Verbindung zwischen Mittelelektrode und Zündkerzengehäuse aufbaut. Diese Verbindung leitet einen Teil der Zündenergie als Nebenschlussstrom ab und schwächt damit den Zündfunken. Dieser Ablagerungsvorgang ist temperaturabhängig und findet vorwiegend unterhalb von 400 °C statt, da bei höheren Temperaturen die kohlenstoffhaltigen Rückstände auf dem Isolatorfuß verbrennen. Man ist also bestrebt, die Temperatur der Zündkerze oberhalb der 400 °C-Grenze, der so genannten „Freibrenngrenze" zu legen, und diese Mindesttemperatur möglichst schnell nach dem Start zu erreichen.

Die obere Temperaturgrenze einer Zündkerze liegt bei 900 °C, da sich das Gemisch sonst an den heißen, glühenden Zündkerzenteilen entzünden könnte (Glühzündung).

Die Arbeitstemperatur einer Zündkerze (Soll: 400-900 °C) stellt sich als Gleichgewichtstemperatur zwischen Wärmeaufnahme und Wärmeabfuhr ein (rund 80 % wird abgeleitet und 20 % wird wieder an das Frischgas abgegeben)

Ein großer Anteil der von der Zündkerze aus dem Brennraum aufgenommenen Wärme wird durch Wärmeleitung abgeführt (Anteil der Kühlung von ca. 20 % durch vorbeiströmendes Frischgemisch ist nicht berücksichtigt). Die Höhe der Wärmezufuhr und -abfuhr ist vom jeweiligen Motor abhängig: Motoren mit sehr hoher spezifischer Leistung weisen in der Regel höhere Brennraumtemperaturen auf als Motoren mit niedriger spezifischer Leistung. Ein und dieselbe Zündkerze würde sich in dem einen Motor sehr stark und im anderen dagegen nur geringfügig erhitzen. Zur Anpassung der Zündkerze an die verschiedenen Motortypen kann das Gleichgewicht zwischen zu- und abgeführter Wärme durch zwei wesentliche Maßnahmen beeinflusst werden. Durch:

• Gestaltung des Isolatorfußes
• Werkstoff der Elektroden

Zu beobachten ist hierbei, dass bei Teillast/ Leerlauf in erster Näherung ähnliche thermische Bedingungen vorliegen. Ein Motor mit hoher spezifischer Leistung (z.B. Turbomotor) hat also eine entsprechend höhere Spreizung in der thermischen Belastung.

Einfluss des Isolatorfußes:

Die Größe der Isolatorfußoberfläche bestimmt die Wärmeaufnahme siehe (Abbildung 8-15):

• Große Fläche (langer Isolatorfuß)- große Wärmeaufnahme
• Kleine Fläche (kurzer Isolatorfuß)-geringe Wärmeaufnahme

Die Wärmeabgabe erfolgt über die Mittelelektrode und durch den inneren Dichtring zum Zündkerzengehäuse.

Daraus folgt, dass Zündkerzen mit einem langen Isolatorfuß mehr Wärme aufnehmen und weniger abführen können:

• Kalte Kerze-kurzer Isolatorfuß
• Heiße Kerze- langer Isolatorfuß

Einfluss des Elektrodenwerkstoffs

Die aufgenommene Wärme wird durch die Isolatorfußoberfläche bestimmt - die Wärmeabfuhr durch die Mittelelektrode. Um die Nebenschlussempfindlichkeit zu verringern, wird ein langer Isolatorfuß angestrebt. Um dennoch eine kalte Kerze zu erhalten, muss ein Werkstoff für die Mittelelektrode verwendet werden, der die Wärme sehr gut leitet: Silber, Kupfer (Verbundelektrode).

Quantitative Angabe des Wärmewertes

Der Wärmewert einer Zündkerze wird durch eine Wärmewert-Kennzahl beschrieben. Eine niedrige Wärmewert-Kennzahl bedeutet „Kalte Kerze" mit geringer Wärmeaufnahme durch einen kurzen Isolatorfuß (geringe Glühzündungsneigung). Eine hohe Kennzahl dagegen bedeutet „Heiße Kerze" mit hoher Wärmeaufnahme durch langen Isolatorfuß (hoher Widerstand gegen Verschmutzung)

Der Elektrodenabstand ist die kürzeste Entfernung zwischen Mittel- und Masseelektrode und beträgt üblicherweise 0,6 - 0,9mm.

Funkenlage

Unter der Funkenlage versteht man die Anordnung der Funkenstrecke im Brennraum (siehe Abbildung 8-18). Sie wird auf die Stirnseite des Gehäuses bezogen und ist ca. 3,5mm lang. Je weiter die Funkenlage in den Brennraum hineinragt, desto besser ist der Zugang des Gemischs zum Zündfunken. Durch eine weit vorgezogene Funkenlage besteht aber die Gefahr einer zu starken thermischen Belastung der Kerze (Glühzündung). Im Rennmotor werden aus diesem Grund Kerzen mit zurückgezogener Funkenlage verwendet, die aber nicht über längere Zeit im Leerlauf betrieben werden dürfen, da sie sonst zum Verrußen neigen.

Funkenstrecke:

• Luftfunkenstrecke:

Der Zündfunke durchschlägt auf seinem Weg zwischen den Elektroden das dort befindliche Gemisch und entzündet es (siehe Abbildung 8-19 A und B). Diese bei normalen Kerzen übliche Anordnung ermöglicht einen guten Gemischzutritt.

• Luftgleitfunkenstrecke:

Bei thermisch hoch belasteten Motoren reicht es oftmals nicht mehr aus, durch eine zurückgezogene Funkenlage Glühzündungen zu vermeiden. In diesen Fällen können Kerzen mit Ringelektroden eingesetzt werden. Ihre weit zurückgezogenen Elektroden sind weniger empfindlich gegen thermische Überhitzung (gute Wärmeabfuhr und Lage außerhalb des Brennraumzentrums). Um der Gefahr von Nebenschlüssen zu begegnen, erfolgt die Anordnung der Elektroden so, dass der Zündfunke über den Isolator hinweg gleiten muss, um dabei mögliche Ablagerungen wegzubrennen (siehe Abbildung 8-19 C und D)

Durch Nebenschlüsse („Schwitzwasser", Verbrennungsrückstände etc.) kann das Hochspannungsangebot an den Elektroden stark vermindert werden. Eine Vorfunkenstrecke (in der Zündkerze oder im Kerzenstecker) leitet erst beim Erreichen einer bestimmten Spannungsgrenze, die höher liegen muss als die Überschlagsspannung an den Elektroden, die Hochspannung an die Elektroden weiter. Der Spannungsaufbau an den Elektroden erfolgt hierdurch so schnell, dass nur sehr wenig Energie über den Nebenschluss abfließen kann. Ohne Vorfunkenstrecke ist die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung wegen der Spule als induktivem Speicher bei stark verschmutzter Kerze so gering, dass Zündenergie über den Nebenfluss abfließt und das Spannungsangebot nicht zur Funkenbildung ausreicht (Zündaussetzer).

Zündkerzenbeurteilung

„Zündkerzengesichter" geben Aufschluss über das Betriebsverhalten von Motor und Zündkerze. Normalerweise ist der Isolatorfuß grau-weiß oder grau-gelb bis rehbraun und der pulverförmige Niederschlag lässt sich leicht entfernen. Verrußte Zündkerzen werden verursacht durch fehlerhafte Gemischzusammensetzung (zu fett), Kurzstreckenverkehr oder zu kalte Kerzen. Verölte Kerzen lassen auf starken Motorverschleiß oder - bei 2-Takt-Motoren - auf falsches Kraftstoff-Öl-Gemisch schließen. Überhitzte Kerzen sind an abgeschmolzenen Elektroden erkennbar. Ihre thermische Überlastung ist z.B. verursacht durch zu frühen ZZP oder zu hohen Wärmewert

Die zur Zündung erforderliche Hochspannung wird erst im Moment des Zündzeitpunktes erzeugt. Die dafür nötige Energie wird einem Zwischenspeicher (Spule, Kondensator) entnommen.

Man unterscheidet je nach Art des Speichers folgende Zündanlagen:

• Spulenzündung (SZ)
• Hochspannungskondensatorzündung (HKZ)

8.4.1. Konventionelle Spulenzündung (SZ)

Kennzeichen der konventionellen Spulenzündung (in Europa bis ca. Mitte der 80er Jahre Standard) ist der mechanische Kontakt (Unterbrecher), der den Zündrhythmus steuert. Er ist sowohl mechanisch als auch elektrisch hoch beansprucht, da er Ströme von mehreren Ampere bis zu 18000mal in der Minute schaltet und somit Steuer- und Leistungsschalter. Die Schaltung der Bauteile ist in Abbildung 8-21 dargestellt. Bei geschlossenem Zünd-Start-Schalter (2) liegt die Batteriespannung (1) an der Klemme (15) (Verbindung zwischen Batteriespannung und Zündspule) und somit an der Zündspule (5) an. Ist der Unterbrecher (7) geschlossen, so fließt ein Strom I (Primärstrom) durch die Primärwicklung L1 der Zündspule, wodurch ein Magnetfeld aufgebaut und die Zündenergie darin gespeichert wird. Der Primärstrom steigt, wie in Abbildung 8-22 dargestellt, nach einer e-Funktion auf seinen Endwert, den Ruhestrom Io, an. Dieser verzögerte Stromanstieg ist dadurch bedingt, dass das in der Primärwicklung mit der Induktivität L1 (10mH) entstehende Magnetfeld eine der Batteriespannung UB entgegenwirkende Spannung induziert. Es gilt die Differentialgleichung: Bild

Der Widerstand R stellt alle ohmschen Widerstände (Vorwiderstand (3) + parasitäre Widerstände) im Primärkreis dar. Nach der Zeit t = 3·L1/R (=10ms) hat der Strom etwa 95 % seines Endwertes (=4A) erreicht (Endwert: Io = UB/R). Die in der Primärspule gespeicherte magnetische Energie beträgt: Bild