Zündung (Verbrennungsmotor)
Als Zündung bezeichnet man beim Verbrennungsmotor die Entflammung des verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum des Zylinders. Bei Ottomotoren zündet ein Hochspannungsfunken an der Zündkerze das verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch, beim Dieselmotor entzündet sich der Brennstoff von selbst, wenn er durch eine Düse fein verteilt in hochverdichtete, heiße Luft eingespritzt wird. (Selbstzündung)
Die erste Form der Zündung war die Glührohrzündung, bei der mit einem kleinen Brenner ein Platinröhrchen im Verbrennungsraum des Zylinders zum Glühen gebracht wurde. Das führte bei der Komprimierung des Gasgemisches zur Entzündung. Diese Vorrichtung war jedoch störanfällig und nicht regulierbar.
Arten der Zündung
Magnetzündung
Die Magnetzündung benötigt für den Zündvorgang keinen zusätzlichen elektrischen Energiespeicher wie einen Akkumulator oder Batterie. Stattdessen wird die elektrische Energie für den Zündfunken aus einem vom Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator gewonnen. Sie ist eine der ältesten Zündmethoden für Verbrennungsmotoren, da in der Anfangszeit der ersten Verbrennungsmotoren Ende des 19. Jahrhunderts noch keine leistungsfähigen elektrischen Energiespeicher in Form von Batterien zur Verfügung standen.
Von der Jahrhundertwende 1900 bis etwa 1960 war die Magnetzündung die Standardvariante in Kraftfahrzeugen. Danach war Leistungselektronik verfügbar und ermöglichte elektronische, verschleißfreie Zündanlagen. In Anwendungen ohne eigene Stromversorgung wie Rasenmäher, Mofa und bei Flugmotoren findet die Magnetzündung nach wie vor Verwendung.
Batteriezündung
Die Zündspannung wird in der Zündspule wie bei der Magnetzündung durch Selbstinduktion erzeugt. Der Strom für die Zündspule kommt im Gegensatz zur Schwunglichtmagnetzündung jedoch aus der Bordbatterie (genauer: dem Bordakku). Dazu fließt ein Strom durch die Primärwicklung der Zündspule, der durch einen mechanischen Unterbrecherkontakt kurz unterbrochen wird. In dem kurzen Moment, in dem die elektrische Spannung in der Primärwicklung der Zündspule zusammenbricht, entsteht ein Magnetfeld, welches in der Sekundärwicklung der Zündspule wiederum Elektrizität hervorruft (induziert), und zwar mit hoher Spannung. Diese Spannung wird mit einem Kabel zu einer Zündkerze übertragen, an welcher ein Funke entsteht, der das Gasgemisch (aus Benzin und Luft) entflammt.
Parallel zum Kontakt ist ein Zündkondensator (meist 0,22 µF) geschaltet, der einerseits den Abbrand durch den Lichtbogen an den Unterbrecherkontakten verringert und andererseits mit der Primärspule einen Schwingkreis bildet, der die gleiche Resonanzfrequenz wie die Sekundärspule hat. Auf diese Weise wird die Energieübertragung vom Primär- auf den Sekundärkreis verbessert.
Bei Motoren mit mehreren Zylinder gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die einzelnen Zündkerzen anzusteuern: Im einfachsten Fall wird ein Zündverteiler eingesetzt, welcher die Hochspannung der Sekundärwicklung der Zündspule wahlweise auf eine der Zündkerzen leitet. Dazu besitzt der Zündverteiler einen rotierenden Finger, der nacheinander Kontakte berührt, welche über Kabel mit den Zündkerzen verbunden sind. Bei jeder Berührung des rotierenden Fingers mit einem der Kontakte muss der Zündunterbrecher einmal den Stromfluss zur Primärwicklung der Zündspule unterbrechen. Am aufwändigsten ist die Verwendung einer eigenen Zündanlage für jeden Zylinder, also bestehend aus Unterbrecherkontakt, Zündspüle und Zündkerze. Bei stärkeren Motoren verbreitet sind Mischformen, bei denen beispielsweise zwei Zündanlagen jeweils zwei Zündkerzen befeuern.
Die Einstellung einer Zündanlage erfordert etwas Geschick und muss regelmäßig erfolgen: Der Zündfunke an der Zündkerze entsteht, wenn der Zündkontakt geöffnet wird (Selbstinduktion). Bei der Einstellung des Zündzeitpunktes kann eine über den Unterbrecherkontakt angeschlossene kleine Meldelampe helfen. Zunächst wird der Zündkontaktabstand eingestellt und dann der Zündzeitpunkt, da umgekehrt der zunächst eingestellte Zündzeitpunkt durch eine nachträgliche Änderung des Kontaktabstands wieder verstellt würde.
Wichtig für die Funktion der Zündanlage ist der korrekte Zündkontaktabstand, der sich direkt auf den Schließwinkel auswirkt: Ein zu großer Kontaktabstand führt zu einem zu schwachen Magnetfeld (zu kurze Zeit zum Stromaufbau) und in der Folge insbesondere bei höheren Drehzahlen zu einem zu schwachen Zündfunken. Ein zu kleiner Kontaktabstand führt zu erhöhtem Abbrand des Unterbrecherkontakts, da durch das bei sich öffnendem Kontakt zusammenbrechende Magnetfeld der Strom auch dort weiterfließen kann (der Kontakt öffnet zu langsam). Hier hilft dann auch der Zündkondensator zur Funkenunterdrückung nur begrenzt – die Kontakte brennen schneller ab als üblich.
Die dynamische Einstellung des Zündzeitpunktes (Funktion der Fliehkraft-Verstellung des Zündzeitpunktes) wird mit einem Stroboskop vorgenommen, das induktiv über das Zündkabel des ersten Zylinders getriggert wird. Damit kann man die an der Motorwelle angebrachten Markierungen beobachten.
Transistorzündanlagen (TSZ-h/TSZ-i/TSZ-k)
Die Transistor-Spulenzündanlage (TSZ) funktioniert im Prinzip wie die Unterbrecherzündung, der Unterbrecherkontakt ist durch einen Transistor ersetzt. Das Zündsignal kommt meist von einem Geber, entweder dem Hallsensor (TSZ-h) oder einem Induktivgeber (TSZ-i). Ältere Transistorzündanlagen erhalten diese Information noch von einem mechanischen Unterbrecherkontakt (TSZ-k).
Elektronische Zündanlage (EZ)
Sie unterscheidet sich von der Transistorzündung dadurch, dass ein Mikrocomputer den Zündzeitpunkt aufgrund der fest abgespeicherten Werte eines Zündkennfeldes errechnet. Die Zündung wird elektronisch im Steuergerät ausgelöst.
Vollelektronische Zündanlage (VEZ)
Die VEZ ist eine elektronische Zündanlage, bei der auch der rotierende Verteiler durch Elektronik ersetzt wurde (als ruhende Zündverteilung bezeichnet)
Vorteile:
- Höhere Betriebssicherheit durch wenige Hochspannung führende Verbindungen
- Verschleißfrei durch Verzicht auf bewegliche (rotierende) Teile
- geringere Funkstörungen, da keine Funken außerhalb des Verbrennungsraumes entstehen
Nachteile:
- höherer Integrationsaufwand, weniger Standardbauteile, oft motorspezifische Herstellung der Bauteile
Die VEZ verarbeitet die Signale von vier Sensoren:
- Last
- Motordrehzahl
- Motortemperatur (optional)
- Klopfsensor (optional)
Man unterscheidet zwei Arten von Zündspulen, mit denen eine VEZ ausgestattet sein kann:
Einzelfunkenspule
Jeder Zylinder hat seine eigene Zündspule, die vom Steuergerät bzw. vom ECM (Electronic Control Modul) angesteuert und geregelt wird.
Doppelfunkenspule
Von einer Spule werden zwei Zylinder, deren Zündabstand 360° beträgt, gleichzeitig mit Zündfunken versorgt, daher die Bezeichnung Doppelfunkenspule. Dabei wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Zylinders am Ende des Verdichtungstaktes von einem Zündfunken gezündet. Der Zündkreis schließt sich über den parallel laufenden Zylinder, indem dort am Ende des Auspufftaktes ein sogenannter Stützfunken erzeugt wird.
Steuerung
Die elektronische Steuerung, englisch Electronic Control Module, ECM, arbeitet mit einem Festwertspeicher wie einem EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) oder Flashspeicher. Bis in die 1990er-Jahre waren EPROMs (Erasable Programmable Read Only Memory) gebräuchlich, die nur umständlich umprogrammiert werden konnten. Bei der Verwendung von Flashspeicher und EEPROM kann das ECM im geschlossenen Zustand umprogrammiert werden. Die analogen Signale, zum Beispiel vom Kühlflüssigkeitstemperatursensor, werden im ECM mit Analog-Digital-Wandlern in digitale Signale umgewandelt, damit der Mikroprozessor sie verarbeiten kann. Das Zündkennfeld im Mikroprozessor wird in der Regel nach folgenden Kriterien abgestimmt:
- Verbrauchsminderung
- Schadstoffreduzierung
- Drehmomenterhöhung bei niedriger Drehzahl
- Leistungserhöhung
- Verbesserung der Laufkultur des Motors
- Verbaute Teile, je nach Zulieferer.
In allen Betriebszuständen, wie Start, Volllast, Teillast, Schubbetrieb können Zündwinkelkorrekturen vorgenommen werden, wenn äußere Einflussgrößen (zum Beispiel Motortemperatur, Ansauglufttemperatur, Batteriespannung) es erfordern.
Weitere im ECM integrierte Zusatzfunktionen sind zum Beispiel:
- Leerlaufdrehzahlregelung
- Drehzahlbegrenzung (variabel verschiebbar)
- Klopfregelung
- Notlaufprogramm
- Sensorüberwachung
- Eigendiagnose
Das früher eigenständige Steuergerät ist heute meist in einem kombinierten Zünd- und Einspritzsteuergerät integriert, dadurch steht es mit allen anderen elektronischen Komponenten im Auto in Verbindung.
Hochspannungskondensatorzündung (HKZ), Thyristorzündung
Die Hochspannungskondensatorzündung (HKZ), auch als Thyristorzündung oder englisch Capacitor Discharging Ignition (CDI) bezeichnet, verwendet einen Kondensator, der auf eine Gleichungspannung von ca. 500 V aufgeladen und bei Zündung schlagartig über den Zündtransformator zu den Zündkerzen entladen wird. Als wesentliches Kriterium erfolgt die Energiespeicherung für die Zündung nicht in einer Zündspule sondern in dem namensgebenden Kondensator.
Laserzündung
Die Laserzündung ist ein Zündsystem, bei dem die Verbrennung durch einen fokussierten Laserstrahl ausgelöst wird. Im Brennpunkt des Laserstrahls wird durch Ionisation ein Plasma mit einer Kerntemperatur von über 10.000 Kelvin erzeugt. Die hohe Temperatur sowie eine mit Überschallgeschwindigkeit vom Plasmakern ausgehende Druckwelle entzündet das Gemisch.
Vorteil der Laserzündung ist unter anderem die freie Wahl des Zündortes; eine wandferne Zündung mit ihren Vorteilen bei Verschleiß und Verbrennungseffizienz lässt sich so leicht darstellen. Durch die hohe Zündenergie kann die Laserzündung im Gegensatz zur Funkenzündung auch sehr magere Gemische zünden.
Realisiert wurde die Laserzündung beispielsweise in einem Einzylinder-Versuchsmotor der TU Wien. Einige der großen Hürden für die Anwendung in Fahrzeugen sind Baugröße, Preis und Energiebedarf der Laserzündung. In einer Kooperation von CTR und AVL List wird eine Laserzündkerze entwickelt, die für mobile Anwendungen geeignet ist.
Insgesamt muss festgestellt werden, dass die Laserzündung sich noch im Forschungsstadium befindet.
Entstörung
Die Zündfunken erzeugen hochfrequente Störimpulse, die unterdrückt werden müssen. Dazu gibt es folgende Maßnahmen:
- Die Zündkerzenstecker oder die Zündkerzen enthalten einen eingebauten Entstörwiderstand von ca. 5 kΩ. Er begrenzt den Maximalstrom, die Stromanstiegsgeschwindigkeit und damit auch die erzeugte Störstrahlung.
- Die Zündkabel werden möglichst nahe am Motorblock verlegt.
- Der Zündverteiler erhält eine abschirmende Metallkappe.
- Komplette Abschirmung der Zündung (Kerzenstecker, Kabel, Zündverteiler)
- Zündkondensatoren über den Unterbrecherkontakten (sind für die Funktion erforderlich, vermindern jedoch auch die Störungen)
- Stützkondensatoren gegen Masse im Zünd-Versorgungsstromkreis; sie verhindern die Ausbreitung von Störungen im Bordnetz.
Man unterscheidet bei der Entstörung zwei Entstörklassen: Die gesetzlich für alle Kfz vorgeschriebene Fernentstörung und die nicht gesetzlich vorgeschriebene Nahentstörung.
Ziel der Fernentstörung ist die Herabsetzung der Störfeldstärke zum Schutz des Rundfunk- und Fernsehempfangs in der Umgebung des Kfz (gesetzlich vorgeschrieben sind mindestens 5 kΩ pro Zündkreis). 15 kΩ pro Zündkreis sollte nicht überschritten werden, da sonst der Zündfunke zu sehr geschwächt wird.
Die Nahentstörung bei Fahrzeugen mit eingebauten Rundfunkempfangsgeräten umfasst nicht nur einen ggf. höheren Entstörwiderstand, sondern insbesondere Abblockkondensatoren im Primär-Zündkreis. Oft muss die Audiotechnik im Auto durch zusätzliche Filter geschützt werden, um auch die Störungen der Lichtmaschine zu unterdrücken.
Zündzeitpunkt
Für eine effiziente Kraftentfaltung bei geringstmöglichem Kraftstoffeinsatz ist der Zündzeitpunkt so festzulegen, dass der höchste Verbrennungsdruck bei allen Drehzahlen und Lastfällen etwa 10° bis 20° Kurbelwellenwinkel vor dem Oberen Totpunkt (OT) auftritt. Der Verbrennungsschwerpunkt, das ist der Zeitpunkt bei dem 50 % der eingesetzten Kraftstoffmasse verbrannt sind, liegt dann bei etwa 5° bis 8° KW nach OT. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch muss daher schon vor dem OT gezündet werden.
Da die Verbrennungszeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches jedoch unabhängig von der Drehzahl ca. 2 ms beträgt, muss der Zeitpunkt der Zündung mit zunehmender Motordrehzahl immer weiter vor dem OT liegen.
Ist der Zündzeitpunkt zu früh eingestellt, können unkontrollierte Verbrennungsvorgänge mit hohen Druck- und Temperaturspitzen auftreten. Bei dieser klopfenden Verbrennung werden die Motorenbauteile, die den Brennraum bilden – Kolben und Zylinderkopf – sehr hoch mechanisch beansprucht, was zur Zerstörung des Motors führen kann. Außerdem verschlechtert sich die Abgaszusammensetzung und es entstehen Leistungsverluste. Diese Zusammenhänge lassen sich jedoch nicht verallgemeinern, da sie noch von anderen Parametern abhängen. So sind auch die Gemischzusammensetzung (zu fettes oder mageres Gemisch), die Brennraumform und die Zündkerzenlage im Brennraum entscheidend für die Klopfneigung des Motors.
Ist der Zündzeitpunkt zu spät gewählt, hat sich der Kolben schon weit in Richtung unterer Totpunkt bewegt, bevor das Kraftstoff-Luft-Gemisch vollständig verbrannt ist. Mehr Energie aus dem eingesetzten Kraftstoff geht mit den Abgasen verloren. Die Temperatur des Gases im Zylinder ist noch sehr hoch, wenn das Auslassventil öffnet. Die Folgen sind: Schlechter Wirkungsgrad, höherer Kraftstoffverbrauch, Überhitzungsprobleme, evtl. Zerstörung des Motors.
Mit einem elektronischen Rechner kann der Zündzeitpunkt durch ein Zündkennfeld besser an den Betriebszustand des Motors angepasst werden. Dieses Zündkennfeld wird oft durch sogenanntes Chiptuning zugunsten von mehr Leistung verändert, was meist auf Kosten von Lebensdauer, Kraftstoffverbrauch und Umweltverträglichkeit geht.
Fachliteratur
Fachbücher
- Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage. Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3.
- Jürgen Kasedorf, Richard Koch: Service-Fibel für die Kfz-Elektrik. Eine Einführung in die Kraftfahrzeug-Elektrik. 14. überarbeitete Auflage. Vogel Buchverlag, Würzburg 2001, ISBN 3-8023-1881-1, (Vogel-Fachbuch: Service-Fibel).
- Rudolf Hüppen, Dieter Korp: Autoelektrik. Zündung, Batterie, Lichtmaschine, Anlasser, Instrumente, Geräte, Beleuchtung. 7. Auflage. Motorbuchverlag, Stuttgart 1972, ISBN 3-87943-059-4, (Jetzt helfe ich mir selbst 20).
Fachbroschüren
- Bosch: Technische Unterrichtung Funkentstörung. 1. Ausgabe, Robert Bosch GmbH, Stuttgart, 1978, VDT-U 1/2 DE
- Bosch: Technische Unterrichtung Schaltzeichen und Schaltpläne der Kraftfahrzeugelektrik. 2. Ausgabe, Robert Bosch GmbH, Stuttgart, 1974, VDT-UBE 001/10