Zündanlage Funktion
Beigesteuert von gerd_
31.01.2010
Was macht die Zündanlage eigentlich?
Aufbau
Ein Anschluss der Primärseite der Zündspule liegt (geschaltet über das Zündschloss) an der Versorgungsspannung, der andere, bei alten Fahrzeugen über den Unterbrecherkontakt, bei neueren über irgendeine Elektronik, an Masse.
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Sowohl Unterbrecherkontakt wie auch Elektronik sind nichts Grossartigeres als ein Schalter („Unterbrecherkontakt“) der im Rhythmus der Zündfolge des Motors geöffnet(!) wird.
Die dabei auftretenden elektrischen Komplikationen, Verluste und Randbedingungen lassen wir mal weg. zuend01
Die Beschreibungen ignorieren auch die Möglichkeit elektronischer Steuerungen die variable Schliesswinkel ermöglichen. Bei einzeln gesteuerten Spulen sind Werte möglich die fast 2 KW-Umdrehungen entsprechen! (bei bisher keiner Q!)

Zündspule
Die Zündspule ist nichts Anderes als ein Trafo.
Ist der besagte „Schalter“ geschlossen fliesst Strom durch die Primärspule und es baut sich ein Magnetfeld in ihr auf. Das ist in jeder Spule so und es wird noch grösser wenn man sie nicht „um Luft“ sondern um einen Eisenkern wickelt. Der Aufbau des Magnetfeldes dauert umso länger, je kleiner der Primärstrom und je mehr Windungen die Primärspule hat.
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Ein sich aufbauendes Magnetfeld - ist ein sich veränderndes Magnetfeld. Dieses veränderliche Magnetfeld induziert eine Spannung, die nach der Lenzschen Regel der Ursache ihrer Entstehung entgegenwirkt. Durch die Induktion in der Spule behindert diese also den Stromfluss. Die Spule stellt also nicht nur einen ohmschen Widerstand, sondern auch einen induktiven Widerstand dar. Da der induzierte Strom stets kleiner sein muss als der Induktionsstrom, (sonst wäre es ein Perpetuum mobile) nimmt der Strom langsam zu, bis er nach einiger Zeit seinen Maximalwert erreicht hat. Je stärker das Magnetfeld, desto langsamer vollzieht sich sein Aufbau. (zuend02)

Unterbrecherkontakt
Die Schließzeit der „Kontakte“ sollte im Idealfall so bemessen sein, dass sie zum Aufbau des Magnetfeldes bei jeder Drehzahl ausreicht. Bei zu langer Schließzeit wird der Strom in Wärme umgewandelt.
Die Zeit in welcher der Schalter geschlossen ist, also Strom fliesst und das Magnetfeld aufgebaut werden kann wird als „Schliesswinkel“ ausgedrückt. „Schliesswinkel“ ist eine Grösse aus der Zeit der mechanischen Unterbrecherkontakte und Verteiler.

Schliesswinkel
In Sekunden kann man diesen Wert nicht ausdrücken weil bei steigender Drehzahl zwar der Schliesswinkel, nicht aber die Zeit konstant bleibt.
Die Welle eines Verteilers dreht sich mit der Nockenwellendrehzahl (NW-Drehzahl = halbe KW-Drehzahl).
Bei einem Zweizylinder muss 2 mal pro NW Umdrehung ein Zündfunke erzeugt werden, folglich stehen pro Umdrehung 180 NW-Winkelgrad zur Verfügung. In der Praxis ist der (mechanische) Schalter ca. 50% davon geschlossen. Folglich steht eine Lade“zeit“ von 90 NW-Winkelgraden zur Verfügung.
Nicht nur mit abnehmender Zeit (steigende Drehzahl), sondern auch mit der Anzahl der Zylinder wird es zunehmend kritischer
Bei einem Vierzylinder sind es 45, bei einem 8-Zylinder nur 22,5 Grad.
Die Ladezeit sinkt, folglich müssen die Zündspulen leistungsfähiger (grössere Ströme) und damit leider auch empfindlicher sein. Alte 8-Zylinder haben daher teilweise 2 Verteiler und versorgen damit je 4 Zylinder! (zuend03)

zuend03
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Wird der Unterbrecherkontakt zum „Zündzeitpunkt“ geöffnet (der durch die Spule fließende Gleichstrom ab(!)geschaltet), baut sich das Magnetfeld im Eisenkern ab. Wenn diese Energie in Form eines Stroms nicht abfließen kann (der Schalter ist offen!), dann entsteht kurzzeitig eine viel höhere Spannung (300…400V) als vorher an der Spule angelegt war. Der Effekt der kurzzeitigen Spannungserhöhung durch die Stromkreisunterbrechung nennt man Selbstinduktion. Die Selbstinduktionsspannung wirkt immer der Änderung des elektrischen Stroms entgegen.

Nachdem ein Trafo nur mit Wechselspannung funktioniert tut sich nichts solange nur Gleichstrom fliesst. Wenn sich allerdings die, zudem relativ hohe, Selbstinduktionsspannung aufbaut betrachtet er das als „Wechsel“ und sie wird im Verhältnis seiner Wicklungszahlen transformiert. Ist die so erreichte Spannung an der Sekundärseite genügend hoch, so schlägt sie am, am wenigsten gut isolierten Punkt, der Kerze, gegen Masse über.

Überlegung der Eckdaten:
Der Motor einer Q läuft mit Drehzahlen von 900 bis 7200 min (rechnet sich schöner :-) )
Bei 900 [1/min] braucht er pro Umdrehung  60 [s/min] / 900[1/min] = 0,0666[s], also etwa 66 Millisekunden
Bei 7200 [1/min] braucht er pro Umdrehung  60 [s/min] / 7200[1/min] = 0,0083[s], also etwa 8 Millisekunden
Jeder Zylinder eines 4T Motors muss pro 2 KW-Umdrehungen 1 Mal gezündet werden.
Bei fast allen Motorrad Motoren wird aber jeder Zylinder pro 1 Umdrehung 1 Mal gezündet, also doppelt so häufig wie nötig. Jeder zweite Zündvorgang funkt in’s Leere weil gerade zum Ende des Auslassvorgangs (sinnlos) gezündet wird.
Wozu der Quatsch? Ganz einfach: Es schadet nicht und man spart den Verteiler. Allerdings verbraucht es sinnlos Zündenergie.

Wie viel Zündenergie steht zur Verfügung

Lässt man Verluste, Anlaufkurven und andere Dinge der Praxis einfach mal unbetrachtet, dann ergibt sich:
Die Bordspannung ist 12V, der Innenwiderstand der Zündspule (es ist nur eine!!) beträgt 0,5 Ohm. Folglich kann der fliessende Strom (I=U/R) maximal 24A sein. Das ist eine Leistung von maximal (P=U*I) 12*24=288 [W]. In der Praxis brennt da bei Motorstillstand nach kürzerer Zeit die Zündspule durch weil sie den hohen Dauerstrom nicht verkraftet. Daher soll man (bei älteren Fahrzeugen) die Zündung nicht anlassen. Die modernen mit Zündelektronik „wissen“ das und „regeln das intern“ :-). Ist der Motor in Betrieb, wird der Stromfluss im Takt zur Drehzahl unterbrochen.
Fliessen beim Laden 24A bei 12V, dann sind es bei angenommener Selbstinduktionsspannung von 360V noch 0,8A (Die Leistung 24A x 12V=288VA=360V x 0,8A bleibt gleich!) Transformiert um den Faktor 100 stehen dann 36 000V für den Funken zur Verfügung. Dabei kann ein maximaler Strom von 0,008A fliessen.
Watt ist aber nur die Leistung, die Energie bemisst sich in Ws (Wattsekunden)!

Nehmen wir die Information von „oben“, so wissen wir, dass pro 1 Umdrehung der Kurbelwelle 1x gezündet werden muss weil pro KW-U zwar nur ein Zylinder einen Arbeitstakt macht aber die Zündung ohne Verteiler nicht weiss welcher und folglich mal für beide einen Funken zur Verfügung stellt. Ausserdem ist bekannt, dass nur ungefähr die Hälfte der Umdrehung (=Schliesswinkel) zum Aufbau des Magnetfeldes zur Verfügung steht.
Im besten Fall stehen also ca. 66ms, im übelsten Fall gerade mal 4ms zur Verfügung um ein ausreichendes Magnetfeld aufzubauen.
Daher ist die zur Verfügung stehende Energie variabel. Im Leerlauf stehen theoretisch bis zu 288 VA x 0,066s = 19 VAs, bei maximaler Drehzahl gerade noch 1,2 VAs zur Verfügung.

Zündzeitpunkt
Natürlich kann der „Schalter“ nicht „irgendwann“ geöffnet werden. Der Zündfunke soll ja passend zur Stellung des Kolbens zum Zündzeitpunkt ausgelöst werden. In erster Näherung ist das dann, wenn das Gemisch verdichtet ist, der Kolben also gerade am oberen Totpunkt steht (Zünd-OT). Nachdem das in der Praxis etwas komplizierter ist, gibt’s dazu einen eigenen Beitrag „Zündzeitpunkt“

Links
Zündanlage
Zündzeitpunkt-und-Zündfunke
Zündkabel
2V-Kondensator-Zündkabel-mit-Silent-Hektik-Doppelzündspule
Kondensatorzündkabel-im-Eigenbau
Letzte Aktualisierung ( 13.02.2010 )
 
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