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Sprache Italiano
Stufe Grundschule
Erstellt / Aktualisiert 17.11.2013 / 24.11.2019
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8.4.4. Elektronische Zündung II

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

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8.4.5. Vollelektronische Zündung

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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.

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8.4.6 Hochspannungskondesatorzündung(HKZ)

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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

 

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8.4.7. Vergleich der Batteriezündsysteme

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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

 

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8.5. Magnetzündung

Aufbau

Wirkweise

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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 TETAa 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 TETAa 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).

 

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8.5. Magnetzündung

Hochspannungsaufbau

Bauarten

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.

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8.6 Klopfregelung

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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.

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8.6. Klopfregelung II

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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.