Zündung (Verbrennungsmotor)

Als Zündung bezeichnet man beim Verbrennungsmotor die Entflammung des verdichteten Kraftstoff-/Luftgemisches im Brennraum des Zylinders. Die Zündung erfolgt beim Ottomotor durch einen Hochspannungsfunken an der Zündkerze, beim Dieselmotor durch die Selbstzündung des hochverdichteten Kraftstoff-/Luftgemisches.

Die erste Form der Zündung war die Glührohrzündung, bei der mit einem kleinen Brenner ein Platinröhrchen im Verbrennungsraum des Zylinders zum Glühen gebracht wurde. Dies führte bei der Komprimierung des Gasgemisches zur Entzündung. Diese Vorrichtung war jedoch störanfällig und nicht regulierbar.

Anforderungen an die Zündung

Der Zündzeitpunkt ist optimalerweise so festzulegen, dass der Verbrennungshöchstdruck bei allen Drehzahlen und Lastfällen etwa 10° bis 20° Kurbelwinkel nach dem Oberen Totpunkt auftritt. Das Kraftstoff – Luft Gemisch muss daher schon vor dem Oberen Totpunkt gezündet werden.

Da die Verbrennungszeit des Kraftstoff – Luft Gemisches jedoch unabhängig von der Drehzahl circa 2 ms beträgt, muss der Zeitpunkt der Zündung mit zunehmender Motordrehzahl immer weiter vor dem OT liegen.

Falsch gewählter Zündzeitpunkt: Ist der Zündzeitpunkt zu früh eingestellt, entstehen unkontrollierte Verbrennungsvorgänge mit hohen Druck- und Temperaturspitzen. Dabei tritt eine klopfende Verbrennung auf, die die Motorenbauteile zu hoch beansprucht, was bis zur Zerstörung des Motors führen kann. Darüber hinaus: Verschlechterung der Abgaszusammensetzung und Leistungsverluste.

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. Der Motor hat weniger Leistung. Mehr Kraftstoffverbrauch, Überhitzungsprobleme, evtl. Zerstörung des Motors sind die Folge.

Mit elektronischen Bauteilen kann der Zündzeitpunkt durch ein Zündkennfeld optimal an den Betriebszustand des Motors angepasst werden. Dieses Zündkennfeld wird oft durch sogenanntes Chiptuning zugunsten von noch mehr Leistung verändert, was auf Kosten des Kraftstoffverbrauchs und der Umweltverträglichkeit geht.

Entwicklung der Zündanlagen

Magnetzündung

Von der Jahrhundertwende 1900 bis circa 1960 war die Magnetzündung die Standardvariante im Kfz. Danach wurde Leistungselektronik günstiger verfügbar und auch in der Kfz-Technik zur elektrischen Zündung eingesetzt. In Fahrzeugen ohne Bordnetz (Rasenmäher, Mofa) und bei Flugzeugmotoren findet die Magnetzündung nach wie vor Verwendung.

Es wird ein in einer elektrischen Spule erzeugter Stromfluss unterbrochen, wobei durch Zusammenbruch des Magnetfeldes eine Selbstinduktion entsteht, die eine Hochspannung erzeugt, die auf die Zündkerze geleitet wird. Dort erzeugt die Hochspannung einen Funkenüberschlag, der das zuvor verdichtete Kraftstoffgemisch entzündet. Die Unterbrechung des Spulenstromes erfolgt durch einen Zwangs-Mechanismus, der mit der Drehbewegung des Motors gekoppelt ist.

Bei der Niederspannungs-Magnetzündung, die 1882/83 Siegfried Marcus zum Patent angemeldet hatte, ragte ein Unterbrechermechanismus in den Verbrennungsraum des Zylinders. Der Spulen-Strom wurde dort bei der Umdrehung des Magnetankers "abgerissen", daher auch der Name Abreißzündung. Die Magnetzündung ist vom Batteriestrom unabhängig, da ein eigener Wechselstrom erzeugt wird. 1887 baute Robert Bosch eine verbesserte Version des Hochspannungs-Magnetzünders und brachte ihn 1902 zur Produktionsreife. Die Erfindung und Verbesserung der Magnetzündung führte zur notwendigen Zuverlässigkeit der Zündanlage.

Standard waren Magnetzündungen bei Motorrädern seit den Anfängen des 20. Jahrhunderts bis in die 1960er Jahre. Die Verwendung von Magnetzündungen ist heutzutage unüblich geworden, jedoch wurden bis in die 1980er Jahre kleine Motorräder und Mopeds mit Magnetzündanlagen betrieben, um auf eine schwere Batterie verzichten zu können. Jedoch wurden auch große Motorräder mit Magnetzündanlagen betrieben, zuletzt in Deutschland bis 1969 die BMW-Motorräder.

Magnetzündungen an Motorrädern kann man meist an ihren walzenförmigen Gehäusen in unmittelbarer Nähe des oder der Zylinder erkennen. In den Anfangsjahren wurden die Magnetzündungen oftmals vor dem Zylinder angeordnet, was sie aber störanfällig durch Steine und Schmutz machte, in späteren Jahren war oft eine Anordnung hinter den Zylindern üblich.

Magnetzündungen besitzen in der Regel eine drehzahlabhängige Verstelleinrichtung für das Vorverlegen des Zündzeitpunktes mit steigender Drehzahl mittels eines Fliehkraft-Reglers. Dieser Winkelverstellung wurde teils ein hand-beeinflusster Verstellwert vom Lenker über Seilzug aufgeschaltet, zur manuellen Anpassung des Zündzeitpunktes oder zur Erleichterung der Startprozedur. Das letzte Motorrad aus deutscher Produktion mit dieser aufwendig zu bedienenden Verstellung war die BMW R 68-Sportmaschine bis Baujahr 1955. Neben dem normalen rechten Gasdrehgriff war zur Zündverstellung auch der linke Griff als Drehgriff ausgebildet.

Darüberhinaus finden Magnetzündungen im Flugzeugbereich Anwendung. Fast sämtliche Flugzeuge mit Kolbenmotoren haben Magnetzündungen in doppelter Ausführung: In Flugzeugmotoren mit Fremdzündung ist aus Gründen der Ausfallsicherheit die Doppelzündung verpflichtend.

Unterbrecherzündung

Die Zündspannung wird in der Zündspule durch Selbstinduktion erzeugt. Dazu fließt ein Strom durch die Primärwicklung der Zündspule, der durch einen mechanischen Unterbrecherkontakt gesteuert wird. Um einen übermäßigen Abbrand der Unterbrecherkontakte zu verhindern, sind diese mit einem parallel geschalteten Zündkondensator zur Funkenlöschung ausgerüstet. Der Strom für die Zündspule kommt im Gegensatz zur Magnetzündung aus der Bordbatterie. Die Einstellung einer Zündanlage wird unter Lenzsche Regel beschrieben.

Transistorzündanlagen (TSZ-h/TSZ-i/TSZ-k)

Die Transistorzündanlage funktioniert im Prinzip wie die Unterbrecherzündung, allerdings mit dem Unterschied, dass ein Schaltgerät zwischengeschaltet und der Unterbrecherkontakt durch einen Transistor ersetzt wird. Das Zündsignal kommt meist von einem Hallgeber (TSZ-h) oder einem Induktivgeber (TSZ-i). Ältere Transistorzündanlagen erhalten diese Information noch von einem Unterbrecherkontakt (TSZ-k).

Transistorzündanlagen haben gegenüber Unterbrecherzündanlagen folgende Vorteile:

• Auch bei großen Funkenzahlen eine hohe gleichmäßige Zündspannung
• trägheitslose Arbeitsweise der elektronischen Bauelemente
• große Schaltleistung durch kontaktlos schaltende Leistungsstransistoren
• Ansteuerung des Schaltgerätes durch kontaktlose, verschleißfreie Zündimpulsgeber (nicht TSZ-k)

Die Zündzeitpunktverstellung wird noch mechanisch über Fliehgewichte und/oder pneumatisch über eine Unterdruckdose am Verteiler realisiert.

Thyristorzündung, Hochspannungskondensatorzündung (HKZ)

Bei der Hochspannungs-Kondensatorzündung, auch Thyristorzündung genannt, handelt es sich um ein Batteriezündsystem, bei der ein Kondensator über ein Ladeteil auf 300...400 V geladen wird. Im Ladeteil befindet sich ein Gleichspannungswandler, der die Batteriespannung in die höhere Ladegleichspannung umwandelt. Die Aufladung des Kondensators erfolgt durch Impulse entweder durch Einzelpuls- oder Mehrimpulsaufladung. Der Thyristor befindet sich im Primärstromkreis und hat die Funktion eines Leistungsschalters. Wird er mit einem Steuerimpuls angesteuert so wird er leitend und der Kondensator entlädt sich über die Primärwicklung des Zündtransformators. Der Entladestromstoss (bis zu 100A) induziert in die Sekundärwicklung eine hohe Spannung. Im Gegensatz zu allen anderen Zündanlagen wird die Zündspule dabei nicht als Energiespeicher benutzt und deshalb auch als Zündtransformator bezeichnet. Aufgrund der geringen Funkendauer ist die Entflammungswahrscheinlichkeit bei der Thyristorzündung geringer als bei der Transistorzündung. Die Vorteile sind eine höhere Spannungsreserve, Unempfindlichkeit gegen Nebenschlüsse und eine verbesserte Leistung im gesamten Drehzahlbereich. Sie kommt im Prinzip nur bei Rennmotoren, teilweise Sportwagen und besonders bei Wasserstoffmotoren zum Einsatz. Die Funkendauer hängt von dem Widerstand der Primärwicklung und der Kapazität des Zündkondensators ab, $T=R\cdot C$.

Elektronische Zündanlage (EZ)

Sie unterscheidet sich von der Transistorzündung dadurch, dass sie den Zündzeitpunkt elektronisch errechnet und mit den Werten von Zündkennfeldern vergleicht, die in einem Mikrocomputer abgespeichert sind. Der optimale Zündwinkel wird bestimmt und die Zündung elektronisch im Steuergerät ausgelöst, wobei es noch einen mechanischen Zündverteiler gibt.

Siehe auch: Kennfeldzündung

Vollelektronische Zündanlage (VEZ)

Sie ist die modernste und beste Zündanlage. Sie hat keine rotierende Hochspannungsverteilung mehr, sondern eine statische. Auch bezeichnet als ruhende Zündspannungsverteilung.

Vorteile:

• Keine Funken außerhalb des Verbrennungsraumes
• geringere Funkstörungen
• Geräuschminderung
• weniger Hochspannungsverbindungen
• ECM Regelung ermöglicht genaueste Signalverarbeitung
• Keine beweglichen mechanische Teile

Nachteile:

• meist hoher Bauteile- und Entwicklungsaufwand
• Standardbauteile können nicht verwendet werden, oft motorspezifische Herstellung der Bauteile

Die VEZ arbeitet nach vier Signalen:

• Lastsignal
• Drehzahlsignal
• Motortemperatur
• Klopfsensor

Man unterscheidet zwei Arten von Zündspulen, mit denen eine VEZ ausgestattet sein kann:

Einzelfunkenspulen

Jeder Zylinder hat seine eigene Zündspule, die vom Steuergerät bzw. vom ECM (Electronic Control Modul) angesteuert und geregelt wird.

Doppelfunkenspulen

Immer zwei Zylinder, die auf der Kurbelwelle in der gleichen Ebene liegen, werden von einem Spulenpaar mit Zündfunken versorgt. Dabei wird das Kraftstoff-Luftgemisch des im Arbeitstakt befindlichen Zylinders von einem Zündfunken gezündet. Der Zündkreis schließt sich über den parallel laufenden Zylinder, indem dort ein sogenannter Stützfunken erzeugt wird. Es werden also immer zwei Funken gleichzeitig erzeugt (Doppelfunke).

Das ECM arbeitet mit dem sogenannten EEPROM (Electric Erasable Programmable Read Only Memory)oder Flashspeicher. Bis in die 90er Jahre des letzten Jahrhunderts waren EPROMs (Erasable Programmable Read Only Memory), die nur umständlich umprogrammiert werden konnten, gebräuchlich. Bei der Verwendung von Flashspeicher und EEPROM kann das ECM ohne es zu öffnen umprogrammiert werden. Die Signalverarbeitung im ECM arbeitet mit Analog-Digital Wandlern, die die analogen Signale zum Beispiel vom Kühlflüssigkeitstemperatursensor in digitale Signale umwandelt, so dass 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, Vollast, Teillast, Schubbetrieb können Zündwinkelkorrekturen vorgenommen werden, wenn äußere Einflussgrößen (zum Beispiel Motortemperatur, Ansauglufttemperatur, Batteriespannung) dies erforderlich machen.

Weitere Zusatzfunktionen sind im ECM integriert zum Beispiel:

• Leerlaufdrehzahlregelung
• Drehzahlbegrenzung (variabel verschiebbar)
• Klopfregelung
• Notlaufprogramm
• Sensorüberwachung
• Eigendiagnose

Das Steuergerät ist in die Motronic und damit in alle anderen elektronischen System des Fahrzeuges integriert meist in einem kombinierten Zünd- und Einspritzsteuergerät, oft ist auch eine Verbindung zum CAN-Datenbus vorhanden. Seit 2004 ist ein CanBus obligatorisch bei Automobilen vorgeschrieben.

Entstörung

Die Zündfunken erzeugen hochfrequente Störimpulse, die bekämpft werden müssen. Dazu gibt es folgende Maßnahmen:

• Zündkerzen enthalten einen eingebauten Entstörwiderstand von ca. 5 kOhm. Das begrenzt den max. Strom und damit auch die erzeugte Störstrahlung
• Zündkabel werden möglichst nahe am Motorblock verlegt.
• Zündverteiler erhalten eine abschirmende Metallkappe

Man unterscheidet bei der Entstörung grundsätzlich 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 K Ohm pro Zündkreis). Die Nahentstörung bei Fahrzeugen mit eingebauten Rundfunkempfangsgeräten soll 15 K Ohm pro Zündkreis nicht überschreiten, da sonst der Zündfunke zu sehr geschwächt wird. Zum Zündkreis zählen: Hochspannungskabel 4, Verteilerläufer, Zündkerzenkabel mit Kerzenstecker und Zündkerze, manchmal auch noch ein Zündverteiler.