Zündung Benzinmotor
Dieses Theme ist in den vergangenen Jahren für den normalen Autofahrer immer mehr in Vergessenheit geraten. Ich kann mich noch erinnern, dass mein Vater oft an der elektro-mechanischen Zündung hantiert hat, den Unterbrecherkontakt oder die Zündkabel wechselte und danach alles neu einstellte. Heute muss sich darum kein Fahrer eines Benziners mehr kümmern, das ganze wurde von der elektronischen Motorsteuerung übernommen. Wer sich jedoch mit alten Land Rovern mit Benzinmotoren beschäftig, wird an dem Thema nicht vorbei kommen.
Inhaltsverzeichnis
Der Zündvorgang
Ein Benzinmotor ist kein Selbstzünder wie der Diesel. Er benötigt eine Zündquelle, die im richtigen Moment einen Funken in der Brennkammer des Zylinders erzeugt, um das Luft-Treibstoff Gemisch (kein Gas, sondern fein zerstäubte Benzintropfen) zur Explosion zu bringen. Nicht zu früh und nicht zu spät. Dazu besitzt er eine Zündspule und einen Zündverteiler sowie mindestens eine Zündkerze pro Zylinder. Die Spule wird mit bis zu 14 Volt versorgt und erzeugt die Spannung, der Verteiler verteilt diese auf die richtige Zündkerze zum richtigen Zeitpunkt und die Zündkerze erzeugt den Zündfunken. Dazu befinden sich im Zündverteiler ein oder mehrere Unterbrecherkontakte. Über die vom Motor angetriebene Welle des Verteilers, wird dieser Kontakt per Exzenter geschlossen. Nun fliesst Strom durch die Primärwicklung der Zündspule, es entsteht ein Magnetfeld (die Zündspule lädt sich auf). Je länger der Kontakt geschlossen bleibt, also je langsamer der Motor dreht, desto höher die Aufadung und desto stärker wird der Zündfunke. Sobald sich der Kontakt öffnet, entlädt sich die Zündspule: Das Megnetfeld bricht zusammen und induziert einen Strom in der Sekundärspule während der Verteilerfinger immer noch die richtige Zündkerze mit der der Sekundärspule verbindet.
Limitierung der elektromechanischen Zündung
Die Zeit, die die Spule zum Aufbau eines ausreichend großen Magnetfeldes benötigt, um noch einen ausreichend starken Zündfunken zu erzeugen, limitiert das System. Elektromagnetische Zündungen kommen hier auf ca. 18.0000 Zündungen pro Minute, was einer maximalen Motordrehzahl von ca. 9.000 U/min bei Vierzylindern und 6.000 U/min bei Sechszylindern bedeutet (4 Zylinder = 2 Zündungen pro Umdrehung / 6 Zylinder = 3 Zündungen pro Umdrehung). Um diese Limitierungen bei Motoren mit 6 oder noch mehr Zylindern zu umgehen, werden dann z.T. zwei Zündspulen mit einem oder auch mehreren Verteilern mit mehreren Unterbrecherkontakten versorgt.
Zündzeitpunkt
Die Zeit von dem Zündfunken bis zur vollständigen Entzündung des Gemischs liegt im Durchschnitt bei 2 Millisekunden, unabhängig von der Drehzahl. Um die maximale Kraftausbeute dieser Explosion zu erhalten, sollten 50% des Gemischs kurz nach dem oberen Totpunkt (OT) des Kolbens explodiert sein. Dann wirkt der maximale Druck auf den wieder nach unten schnellenden Kolben und beschleunigt diesen. Daher muss die Zündung, je nach Fahrzustand, bereits vor dem OT erfolgen.
Der maximale Früh-Zündzeitpunkt vor dem OT wird von der Klopfgrenze bestimmt, nach dem OT von der Brenngrenze und der Abgastemperatur.
Wird erheblich zu früh gezündet (noch vor der Klopfgrenze) fängt der Motor mit [http://de.wikipedia.org/wiki/Klopfen_%28Verbrennungsmotor%29 Klopfen) an. Das belastet die Kolben, Pleuel, Lager und Kurbelwelle so stark, dass es zu einem Schaden kommen kann. Wird zu spät gezündet, kann nicht mehr die ganze Kraft auf den bereits wieder nach unten laufenden Kolben wirken und die Abgastemperatur steigt. Der Zeitpunkt der Zündung ist also entscheidend für einen effizient laufenden Motor.
Automatische Veränderung des Zündzeitpunkts
Der Zündzeitpunkt ist keine statische Größe, er wird neben anderen Parametern wesentlich von drei Faktoren beeinflusst: Drehzahl, Füllgrad des Zylinders und Luft-/Kraftstoffverhältnis. Die anderen Faktoren sind Größe und Form der Brennkammer, Position der Zündkerze, Ventilzeiten (geöffnet, geschlossen), Motortemperatur, Gemischtemperatur und gesetzliche Abgasanforderungen (Umweltschutz). Ein weiterer starker Einfussfaktor ist noch der Treibstoff und seine Oktanzahl. Um wieviel der Zündzeitpunkt verändert wird, wird als Winkel in Grad angegeben. Eine Frühzündung von 10° bedeutet, dass 10° bevor der Kolben den OT erreicht, also bei 350° der Umdreheung, gezündet wird.
Die ca. 2 ms Dauer der Explosion ist unabhängig von der Drehzahl des Motors, oder anders gesagt, von der Geschwindigkeit mit der der Kolben zum OT und vom OT wegläuft. Läuft der Motor schneller, muss also der Zündzeitpunkt immer früher gewählt werden, um der Verbrennung noch ausreichend Zeit zu geben. Aber nie zu früh. Bei einer elektomechanischen Zündung wird der Zündzeitpunkt zumeist über ein Fliehkraftgewicht verstellt, welches auf die Motordrehzahl reagiert. Je schneller der Motor und somit auch die mit der Kurbelwelle gekoppelte Zündung dreht, desto mehr driften die Gewichte nach aussen und verstellen den Zündzeitpunkt in Richtung früh.
Eine geringere Zylinderfüllung oder ein mageres Gemisch verlangen auch eine früheren Zündung, da die Explosion in diesem Fällen langsamer verläuft. Bei geringer Last ist das Zündgemisch magerer, es muss also früher gezündet werden. Steigt die Last und das Gemisch wird fetter (mehr Treibstoff) verläuft der Prozess schneller und es muss wieder später gezündet werden. Die Last wird meistens über den Unterdruck gemessen, der im Vergaser je nach Lastsituation entsteht. Läuft der Motor z.B. im Leerlauf, ist die Drosselklappe im Vergaser fast geschlossen. Dadurch entsteht im Ansaugrohr des Vergasers ein hoher Unterdruck. Dieser wird über einen Schlauch an die Zündung weitergegeben. Gibt der Fahrer Gas, öffnet er im Vergaser die Drosselklappe und es kann mehr Luft einströmen, der Unterdruck sinkt.
Beide Einflussgrößen müssen aufeinander abgestimmt sein, aber die Drehzahl hat mehr Einfluss auf den Zündzeitpunkt als die Last. Beim Starten des Motors muss der Zündzeitpunkt richtig gewählt werden, um nicht mit den ersten Zündungen, wenn der Motor noch nicht vollends läuft, ein Rückschlagen zu verursachen. Dabei spielt die Verdichtung des Motors eine Rolle. Je höher der Motor verdichtet, desto kleiner muss der Frühstartwinkel sein. Hier mal ein paar gängige Werte:
- 8:1 bis 20°
- 10:1 bis 15°
- 11:1 bis 12°
- 12:1 oder mehr: keine Frühzündung
Bei elektromechanischen Zündungen sind am Motor Markierungen für die statische Voreinstellung der Frühzündung angebracht. Diese gelten für den Leerlauf und werden je nach Oktanzahl der verwendeten Spritsorte gewählt. Bei dem Land Rover 2¼ Liter Motor liegen diese bei 6° für 95 Oktan und 3° für 90 Oktan und 0° für noch oktanärmeren Sprit. Elektronisch gesteuerte Zündungen stabilisieren mittels Zündungszeitpunkt den Leerlauf.
Elektronische Zündungen können auch weitere Parameter in die Einstellung mit einfliessen lassen um so das Optimum an Leistung im Verhältnis zur Ökonomie herauszuholen. Dazu zählt z.B. die Geschwindigkeit, mit der die Zündung verstellt wird um sich an die Last und den Fahrbefehl des Fahrers anzupassen.
Bestandteile der Zündung
Zündspule
Die Zündspule liefert der Zündkerze die Energie um einen Zündfunken abgeben zu können. Sie ist wie ein Transformator aufgebaut. Sie hat zwei Spulen, die über einen Magnetkern gekoppelt sind. Während der Ladezeit, fliesst Strom durch die Primärspule, die wesentlich weniger Wicklungen als die Sekundärspule hat. Dabei baut sich eine Magnetfeld auf, welches die Energie speichert. Die Ladezeit ist genau berechnet um ein bestimmtes Energielevel zum Entladezeitpunkt zu erreichen. Wenn der Zündfunke benötigt wird, unterbricht der Unterbrecherkontakt die Verbindung zwischen Spule und Stromquelle, wodurch das zusammenbrechende Magnetfeld eine Flussänderung erfährt. Bestimmt durch den Aufbau der Spulen und des Magnetes wird in der Sekundärspule durch Induktion in diesem Moment eine hohe Spannung (> 30.000 Volt) erzeugt. Die Spule wird durch den Zündverteiler mit der Zündkerze verbunden. Erreicht die Spannung der Spule an den Elektroden der Zündkerze einen bestimmten Wert, bricht die Spannung auf ca. 1.000 Volt zusammen und es fliesst ein Funkenstrom der die Spannung weiter abfallen lässt. Die gesamte gespeicherte Energie wurde nun abgegeben.
Zündspulen werden in verschieden Typen angeboten. Es gibt Zündspulen die auf den Zündkerzen sitzen, welche mit mehr als einem Ausgang (um z.B. zwei Zündkerzen zu versorgen).
Zündkerze
Die unscheinbare Zündkerze ist ein sehr wichtiges Motorteil, an welches eine Menge Anforderungen gestellt wird. Sie muss thermisch hoch belastbar sein, was sowohl die Temperatur als auch die schnellen thermischen Schwankungen (kalte Ansaugluft, heisse Explosion) angeht, ohne Schaden zu nehmen. Im Motor ist sie großer Hitze (1.000° Celsius) und aussen den klimatischen Bedingungen ausgesetzt. Sie muss dem Druck (ca. 100 bar) der Explosion im Zylinder standhalten und diesen gleichzeitig abdichten. Die hohen Zündspannungen dürfen nicht durchschlagen. Sie muss den ständigen Vibrationen und den agressiven Stoffen der Verbrennung standhalten.
