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. Das 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 höchste Verbrennungsdruck bei allen Drehzahlen und Lastfällen etwa 10° bis 20° Kurbelwinkel nach dem Oberen Totpunkt (OT) auftritt. 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.

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. Außerdem verschlechtert sich die Abgaszusammensetzung, und es entstehen 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. Höherer 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 meist auf Kosten von Lebensdauer, Kraftstoffverbrauch und Umweltverträglichkeit geht.

Entwicklung der Zündanlagen

Von der Jahrhundertwende 1900 bis circa 1960 war die Magnet- bzw. Unterbrecherzündung die Standardvariante in Kraftfahrzeugen. Danach war Leistungselektronik verfügbar und ermöglichte elektronische, verschleißfreie Zündanlagen. In Fahrzeugen ohne Bordnetz (Rasenmäher, Mofa) und bei Flugzeugmotoren findet die Magnetzündung nach wie vor Verwendung.

Magnetzündung

Ein in der Zündspule durch Induktion erzeugter Stromfluss wird unterbrochen, wobei durch den Zusammenbruch des Magnetfeldes durch Selbstinduktion ein Hochspannungsimpuls erzeugt wird, der auf die Zündkerze geleitet wird. Dort erzeugt er einen Funkenüberschlag, der das zuvor verdichtete Kraftstoffgemisch entzündet. Die Unterbrechung des Spulenstromes erfolgt durch einen Unterbrecherkontakt, der mit der Drehbewegung des Motors gekoppelt ist. Die Zündspule ist im Unterschied zur zylindrischen, aus der Batterie gespeisten Bauform mit Polschuhen versehen und befindet sich im Inneren eines mit Dauermagneten bestückten Außenläufers, der zugleich das Schwungrad des Motors bildet.

Bei der Niederspannungs-Magnetzündung, die 1882/83 Siegfried Marcus zum Patent angemeldet hatte, ragte ein Unterbrechermechanismus in den Verbrennungsraum des Zylinders. Der Spulenstrom wurde dort bei der Umdrehung des Magnetankers „abgerissen“, daher auch der Name Abreißzündung. Die Magnetzündung braucht keine Spannungsversorgung, 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.

Magnetzündungen besitzen in der Regel eine drehzahlabhängige Verstelleinrichtung für das Vorverlegen des Zündzeitpunktes mit steigender Drehzahl mittels eines Fliehkraft-Reglers. Dieser Winkelverstellung wird oft ein hand-beeinflusster Verstellwert per 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.

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

Magnetzündungen an Motorrädern kann man meist an ihren walzenförmigen Gehäusen (darunter oder offen das Schwungrad mit Magneten) in unmittelbarer Nähe des oder der Zylinder erkennen. In den Anfangsjahren wurden sie oftmals vor den Zylindern angeordnet, was sie aber störanfällig durch Steine und Schmutz machte, in späteren Jahren war die Anordnung hinter den Zylindern üblich.

Bis heute werden Magnetzündungen in Kleinmotoren, z. B. bei Rasenmähern oder Motorsägen verwendet. Darüber hinaus finden die 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 wie bei der Magnetzündung durch Selbstinduktion erzeugt. Der Strom für die Zündspule kommt im Gegensatz zur Schwunglicht­magnetzündung jedoch aus der Bordbatterie. Dazu fließt ein Strom durch die Primärwicklung der Zündspule, der durch einen mechanischen Unterbrecherkontakt unterbrochen wird. Durch die sehr schnelle Stromänderung ändert sich das Magnetfeld der Spule und es wird ein Spannungsimpuls induziert, der durch die Sekundärwicklung zu einer Hochspannung transformiert wird. Parallel zum Kontakt ist ein Zündkondensator geschaltet. Ohne ihn würde der Strom beim Öffnen des Kontaktes durch einen Schaltlichtbogen unkontrolliert weiterfließen, was einen Energieübergang in den Sekundärkreis der Zündspule verhindern würde. Es käme zu übermäßigem Abbrand der Kontakte und zu Energieverlust bis zum Ausbleiben des Zündfunkens. Der Kondensator übernimmt beim Öffnen des Kontaktes für eine kurze Zeit den Stromfluss anstelle des Kontaktes, wodurch die Spannung am Kontakt ausreichend langsam ansteigt, dass kaum ein Abreißfunke entsteht.
Bei Motoren, die mehr Zylinder als Unterbrecherkontakte haben, sorgt ein Zündverteiler (Umschalter auf der Hochspannungsseite der Zündspule) für eine Aufteilung der Zündspannungsimpulse auf die richtigen Zylinder.

Die Einstellung einer Zündanlage erfordert etwas Geschick und muss regelmäßig erfolgen:
Anders als oft vermutet, entsteht der Zündfunke an der Zündkerze, wenn der Zündkontakt geöffnet wird (Selbstinduktion). Dies muss man wissen, um den Zündzeitpunkt korrekt einzustellen. Dabei kann eine über den Unterbrecherkontakt angeschlossene kleine Meldelampe helfen. Beim Einstellen einer Zündanlage wird zunächst 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 Transistorzündanlage (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).

Transistorzündanlagen haben gegenüber Unterbrecherzündanlagen folgende Vorteile:

• Auch bei großen Funkenzahlen gleichmäßig hohe Zündspannung
• trägheitslose Arbeitsweise der elektronischen Bauelemente
• große Schaltleistung durch kontaktlos schaltende Leistungstransistoren
• bei Einsatz von Zündimpulsgebern ist die Zündanlage verschleißfrei

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

Thyristorzündung, Hochspannungskondensatorzündung (HKZ)

Bei der Hochspannungs-Kondensatorzündung, auch Thyristorzündung genannt, handelt es sich um ein Batteriezündsystem, bei dem ein Kondensator über ein Ladeteil auf 300…400 V geladen wird. Das Ladeteil ist ein Gleichspannungswandler, der die Batteriespannung in die höhere Ladegleichspannung umwandelt. Die Aufladung des Kondensators erfolgt vor der Zündung durch einen Impuls definierter Energie oder durch mehrere Impulse, bis die erforderliche Primärspannung erreicht ist. Der Thyristor befindet sich zusammen mit dem Kondensator im Primärkreis des Zündtransformators und hat die Funktion eines Leistungsschalters. Bekommt er zum Zündzeitpunkt über Magnetsensoren (Hall-Sensoren oder induktive Sensoren) einen Steuerimpuls, wird er leitend, und der Kondensator entlädt sich über die Primärwicklung des Zündtransformators. Der Entladestromstoß (bis zu 100A) induziert in der Sekundärwicklung nach dem Prinzip eines Transformators eine hohe Spannung. Im Gegensatz zu den anderen Zündanlagen wird der Transformator dabei nicht als Energiespeicher benutzt (keine Selbstinduktion); er wird deshalb als Zündtransformator bezeichnet.
Aufgrund der geringen Funkendauer ist die Entflammungswahrscheinlichkeit (Durchzündung) bei der Thyristorzündung geringer als bei der Transistorzündung. Die Vorteile sind eine höhere Spannungsreserve, Unempfindlichkeit gegen Nebenschlüsse (schlechte Isolierung) und eine sichere Funktion im gesamten Drehzahlbereich. Sie kommt auch bei Rennmotoren, teilweise Sportwagen und insbesondere bei Wasserstoffmotoren zum Einsatz. Die Funkendauer $T$ hängt vom Widerstand $R$ der Primärwicklung und der Kapazität $C$ des Zündkondensators ab, grob nach $T=R\cdot C$.

Elektronische Zündanlage (EZ)

Sie unterscheidet sich von der Transistorzündung dadurch, dass ein Mikrocomputer den Zündzeitpunkt aufgrund der fest abgespeicherten Werten eines Zündkennfeldes errechnet. Die Zündung wird elektronisch im Steuergerät ausgelöst.

Siehe auch: Kennfeldzündung

Ein mechanischer Zündverteiler ist bei den genannten Zündanlagen nicht mehr erforderlich, wenn - wie heute oft üblich - jeder Zylinder eine eigene Zündspule bzw. einen eigenen Zündtransformator besitzt.

Vollelektronische Zündanlage (VEZ)

Die VEZ ist die modernste Zündanlage. Sie hat keinen rotierenden Hochspannungsverteiler und wird deshalb auch als ruhende Zündverteilung bezeichnet.

Vorteile:

• Höhere Betriebssicherheit durch wenige Hochspannung führende Verbindungen
• Verschleißarm durch Verzicht auf bewegliche (rotierende) Teile.
• geringere Funkstörungen, da keine Funken außerhalb des Verbrennungsraumes entstehen
• Geräuschminderung
• ECM (Electronic Control Modul)-Regelung ermöglicht genaue Signalverarbeitung

Nachteile:

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

Die VEZ verarbeitet die Signale von vier Sensoren:

• Last
• Motordrehzahl
• 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-Luft-Gemisch 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).

Steuerung

Das ECM arbeitet mit einem sogenannten EEPROM (Electric 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 Signalverarbeitung im ECM arbeitet mit Analog-Digital-Wandlern, die die analogen Signale, zum Beispiel vom Kühlflüssigkeitstemperatursensor, in digitale Signale umwandeln, 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, Vollast, Teillast, Schubbetrieb können Zündwinkelkorrekturen vorgenommen werden, wenn äußere Einflussgrößen (zum Beispiel Motortemperatur, Ansauglufttemperatur, Batteriespannung) es erforderlich machen.

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.

Entstörung

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

• Zündkerzen-Stecker enthalten einen eingebauten Entstörwiderstand von ca. 5 kΩ. Er begrenzt den Maximalstrom, die Stromanstiegsgeschwindigkeit und damit auch die erzeugte Störstrahlung.
• Zündkabel werden möglichst nahe am Motorblock verlegt.
• Zündverteiler erhalten eine abschirmende Metallkappe.
• komplette Abschrimung der Zündung (Kerzenstecker, Kabel, Zündverteiler)
• Zündkondensatoren über den Unterbrecherkontakten (sind auch f. d. 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). Werte über 15 kΩ pro Zündkreis sollen 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 Audiotechnik durch zussätzliche Filter geschützt werden, um auch die Störungen der Lichtmaschine zu unterdrücken.