VKM_I_Kap.8

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.