Motoren aus technischer Sicht/ Zündsysteme

Einleitung

Beim Dieselmotor handelt es sich um einen Verbrennungsmotor, der das Treibstoff-Luft-Gemisch so stark komprimiert, dass die durch die Komprimierung entstehende Hitze genügt, um den Dieselkraftstoff zu entzünden. Somit erfolgen beim Dieselmotor Selbstzündungen. Ganz anders verhält sich die Zündung bei Ottomotoren. Bei diesen Motoren wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch eine Fremdzündung mittels eines Zündfunkens entflammt. Das Zündsystem hat bei Ottomotoren folgende Aufgaben:

• Das Zündsystem stellt die erforderliche Zündenergie zur Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs bereit.
• Ebenfalls ist das Zündsystem für das Verstellen des Zündzeitpunktes in Abhängigkeit der unterschiedlichen Betriebsbedingungen verantwortlich. Das exakte Erfüllen dieser Aufgabe ist von hoher Wichtigkeit, weil dadurch der Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission erheblich gesenkt werden können. Ebenfalls wird dadurch die Leistung des Kraftfahrzeuges gesteigert.
• Schließlich übernimmt das Zündsystem auch die Aufgabe, die induzierte Hochspannung auf die einzelnen Zündkerzen zu verteilen.

Zu früherer Zeit wurden ausschließlich konventionelle Spulenzündungen eingesetzt, bei welchen alle Vorgänge des Zündsystems mechanisch abgewickelt wurden. Beispielsweise erfolgte bei einer konventionellen Spulenzündung die Zündauslösung durch einen mechanischen Unterbrecherkontakt. Da jedoch bei konventionellen Spulenzündungen oft Zündaussetzer auftraten, die aufgrund unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu Überhitzung und somit zur Zerstörung des Katalysators führten, wurden die mechanischen Vorgänge des Zündsystems immer mehr durch elektronische Zündvorgänge abgelöst. So werden heute in modernen Kraftfahrzeugen überwiegend vollelektronische Zündsysteme eingesetzt.

Funktionsablauf im Zündsystem

Die Energie, die zur Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer benötigt wird, beträgt 0,2 mJ bei homogenem Gemisch, d.h. bei optimaler Kraftstoff-Luft-Gemisch-Zubereitung, und 3 mJ bei fettem oder magerem Gemisch. Diese Energie wird in Form von Wärme, die durch einen Zündfunken an der Zündkerze entsteht, freigesetzt. Wenn nun eine ausreichend hohe Temperatur, die Entzündungstemperatur, auf das Kraftstoff-Luft-Gemisch einwirkt, erfolgt die Zündung. Erst wenn die Zündkerze mit einer genügend hohen Spannung, der so genannten Durchbruchsspannung, versorgt wird, erfolgt die Zündung. Diese Durchbruchsspannung wird in der Zündspule entwickelt.

Die Zündspule besteht aus einer Primär- und einer Sekundärwicklung. Diese sind um einen Eisenkern, der in der Mitte der Zündspule gelagert ist, gewickelt. Wenn der Zündstartschalter betätigt wird, entsteht eine Verbindung zwischen der Fahrzeugbatterie und der Primärwicklung. Die Primärwicklung wird also mit Strom versorgt und es wird eine Spannung induziert, weil der elektrische Leiter, also die Primärwicklung, vom sich ständig ändernden Magnetfeld geschnitten wird. Diese durch den Batteriestrom induzierte Spannung reicht aber nicht aus, um einen genügend starken Zündfunken an der Zündkerze auszulösen. Somit lautet die Aufgabe der Zündspule die schwache Primärspannung von in der Regel 12 V in die Durchbruchsspannung von 8000 V bis 15000 V zu transformieren. Diese Durchbruchsspannung entsteht in der Sekundärwicklung und wird deshalb auch Sekundärspannung genannt. Die Höhe von der in der Zündspule erzielten Sekundärspannung hängt von verschiedenen Faktoren ab, die nachfolgend aufgelistet sind:

• Je höher die Änderung des Primärstroms, desto höher die induzierte Spannung.
• Je höher das Verhältnis zwischen den Windungen der Sekundärwicklung und den Windungen der Primärwicklung, desto höher die induzierte Spannung U_IND.
• Je kürzer die Zeit ist, in der sich das Magnetfeld ändert, desto öfter wird der elektrische Leiter, also die Primärwicklung, vom Magnetfeld geschnitten, und desto höher die Induktionsspannung.

In der Regel besitzt jeder Zylinder des Motors eine Zündkerze. Demnach hat ein Vierzylindermotor vier Zündkerzen. Die Aufgabe des Zündverteilers ist nun, die von der Zündspule gebildete Spannung auf die einzelnen Zündkerzen zu übergeben. Die Zündkerzen sind im Zylinderkopf fest eingeschraubt. Deshalb ist ihr Gehäuse aus galvanisch vernickeltem Stahl, um Korrosion und Festfressen im Zylinderkopf zu vermeiden. In der Zündkerze liegen zwei Elektroden, die Masse- und die Mittelelektrode. Die Masseelektrode ist am Gehäuse befestigt und die Mittelelektrode ist im Innern der Zündkerze eingebaut. Zwischen diesen beiden Elektroden überspringt nun der Zündfunke, welcher zur Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs führt. Dabei ereignet sich im Brennraum nicht eine Explosion des Gemischs, sondern eine kontrollierte Verbrennung.

Zündzeitpunkt

Damit eine hohe Motorleistung bei geringem Kraftstoffverbrauch und geringer Schadstoffemission ohne klopfende Verbrennung erzielt wird, ist der optimale Zündzeitpunkt so zu wählen, dass der Verbrennungsdruck genau kurz nach dem Oberen Totpunkt seinen Höchstwert erreicht. Nun kann der tatsächliche Zündzeitpunkt aber auch vor oder nach dem optimalen Zündzeitpunkt erfolgen:

• Erfolgt der tatsächliche Zündzeitpunkt vor dem optimalen Zündzeitpunkt, so wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu früh gezündet und der Druck in der Verbrennungskammer steigt bereits während der Aufwärtsbewegung des Kolbens so stark an, dass dieser abgebremst wird (Klopfen). Aufgrund des gesteigerten Druckes entsteht eine hohe Kompressionswärme, die zur Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs führt. Dadurch entstehen gleichzeitig mehrere Zündkerne im Brennraum und es treffen mehrere Flammfronten aufeinander, die die starken Druckschwankungen verursachen. Diese sind bei niedrigen Motordrehzahlen hörbar. Bei hohen Drehzahlen verursachen die Druckschwankungen starke Motorschäden.
• Erfolgt der tatsächliche Zündzeitpunkt nach dem optimalen Zündzeitpunkt, sinken der Verbrennungsdruck und somit auch die Motorleistung. Der Kraftstoffverbrauch nimmt bei gleicher Leistung zu.