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.

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 erzeugt die Spannung, der Verteiler verteilt diese auf die richtige Zündkerze zum richtigen Zeitpunkt und die Zündkerze erzeugt den Zündfunken.

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 gehenden Kolben und beschleunigt diesen. Daher muss die Zündung, je nach Fahrzustand, vor dem OT erfolgen.
Die Zündzeitpunkt wird vor dem OT von der Klopfgrenze bestimmt, nach 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 kapitalen 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.

Veränderung des Zündzeitpunkts

Der Zündzeitpunkt ist keine statische Größe, er wird neben anderen Parametern wesentlich von zwei Faktoren beeinflusst: Drehzahl und Last. Die anderen Faktoren sind Größe und Form der Brennkammer, Position der Zündkerze, Ventilzeiten (geöffnet, geschlossen), Motortemperatur, Gemischtemperatur und 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 (0°/360°) 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. Aber nie zu früh. Bei einer elektomechanischen Zündung wird die Drehzal zumeist über ein Fliehkraftgewicht verstellt. 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.

Die Last beeinflusst hingegen die Explosionsdauer und muss somit für den Zündzeitpunkt berücksichtigt werden. Bei geringer Last ist das Zündgemisch magerer und die Verbrennung verläuft langsamer, 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. Dann 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. Die Drehzahl hat mehr Einfluss auf den Zündzeitpunkt als die Last. Beim Starten des Motors muss die Frühzündung ebenfalls berücksichtig werden, um nicht mit den ersten Zündungen, wenn der Motor noch nicht vollends läuft, ein Rückschlagen zu verursachen. Da 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. Diese gelten für den Leerlauf und werden je nach Oktanzahl der verwendeten Spritsorte gewählt. Bei dem Land Rover 2¼ Liter Motor liegen diese 6° für 95 Oktan und 3° für 90 Oktan. Elektronisch gesteuerte Zündungen verstellen heute eher der Zündungszeitpunkt um dem Leerlauf zu stabilisieren, als die Spritmenge die gegeben wird, so wie es früher am Vergaser eingestellt wurde.

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.