Zündspule.
Mit der Entwicklung von Benzinmotoren hin zu hohen Drehzahlen, hohen Verdichtungsverhältnissen, hoher Leistung, niedrigem Kraftstoffverbrauch und geringen Emissionen genügen herkömmliche Zündanlagen nicht mehr den heutigen Anforderungen. Die Kernkomponenten einer Zündanlage sind die Zündspule und das Zündgerät. Eine verbesserte Zündspule ermöglicht es der Zündkerze, einen ausreichend energiereichen Zündfunken zu erzeugen. Dies ist die Grundvoraussetzung für den Betrieb moderner Motoren.
Prinzip
Die Zündspule enthält üblicherweise zwei Spulenpaare: die Primär- und die Sekundärspule. Die Primärspule besteht aus einem dickeren, lackisolierten Draht (ca. 0,5–1 mm Durchmesser) mit etwa 200–500 Windungen. Die Sekundärspule hingegen verwendet einen dünneren, lackisolierten Draht (ca. 0,1 mm Durchmesser) mit etwa 15.000–25.000 Windungen. Ein Ende der Primärspule ist mit dem Niederspannungsanschluss (+) des Fahrzeugs verbunden, das andere mit dem Zündschalter. Ein Ende der Sekundärspule ist mit der Primärspule verbunden, das andere mit dem Ausgang der Hochspannungsleitung, um die Hochspannung auszugeben.
Die Zündspule kann die Niederspannung im Auto in Hochspannung umwandeln, da sie die gleiche Bauform wie ein herkömmlicher Transformator aufweist und die Primärspule ein größeres Windungsverhältnis als die Sekundärspule besitzt. Die Funktionsweise der Zündspule unterscheidet sich jedoch von der eines herkömmlichen Transformators. Während ein herkömmlicher Transformator mit einer festen Frequenz von 50 Hz arbeitet und daher auch als Netzfrequenztransformator bekannt ist, arbeitet die Zündspule pulsierend und kann als Pulstransformator betrachtet werden. Sie speichert und entlädt Energie je nach Motordrehzahl mit unterschiedlichen Frequenzen wiederholt.
Wird die Primärspule eingeschaltet, entsteht mit steigendem Strom ein starkes Magnetfeld um sie herum, dessen Energie im Eisenkern gespeichert wird. Unterbricht der Schalter den Stromkreis der Primärspule, klingt das Magnetfeld rasch ab, und die Sekundärspule misst eine hohe Spannung. Je schneller das Magnetfeld der Primärspule verschwindet, desto höher ist der Strom im Moment der Stromunterbrechung, und je größer das Windungsverhältnis der beiden Spulen ist, desto höher ist die von der Sekundärspule induzierte Spannung.
Spulentyp
Zündspulen werden anhand ihres Magnetkreises in offene und geschlossene Zündspulen unterteilt. Die traditionelle Zündspule ist offen. Ihr Eisenkern besteht aus 0,3 mm dicken Siliziumstahlblechen, um die sich eine Primär- und eine Sekundärspule wickeln. Bei der geschlossenen Zündspule ist die Primärspule von einem Eisenkern (ähnlich einem III) umgeben, um den die Sekundärspule gewickelt ist. Das Magnetfeld wird vom Eisenkern gebildet. Vorteile der geschlossenen Zündspule sind geringere magnetische Streuung, niedrigere Energieverluste und eine kompakte Bauweise. Daher werden in elektronischen Zündsystemen üblicherweise geschlossene Zündspulen eingesetzt.
Numerische Steuerung der Zündung
In modernen Automobilen kommt bei schnelllaufenden Benzinmotoren ein mikroprozessorgesteuertes Zündsystem, auch bekannt als digitales elektronisches Zündsystem, zum Einsatz. Dieses Zündsystem besteht aus drei Komponenten: einem Mikrocomputer (Rechner), verschiedenen Sensoren und Zündaktuatoren.
Tatsächlich werden in modernen Motoren sowohl die Benzineinspritzung als auch die Zündanlage vom selben Steuergerät (ECU) gesteuert, das sich einen Satz Sensoren teilt. Diese Sensoren sind im Wesentlichen identisch mit denen der elektronisch gesteuerten Benzineinspritzung, wie beispielsweise Kurbelwellen-, Nockenwellen-, Drosselklappen-, Saugrohrdruck- und Klopfsensoren. Der Klopfsensor ist dabei ein besonders wichtiger Sensor für die elektronisch gesteuerte Zündung (insbesondere bei Motoren mit Turbolader). Er überwacht, ob und wie stark der Motor klopft, und liefert dem Steuergerät ein Feedback-Signal, um die Zündung vorzuverlegen. Dadurch wird Klopfen verhindert und eine höhere Verbrennungseffizienz erzielt.
Digitale elektronische Zündsysteme (ESA) werden bauartbedingt in zwei Typen unterteilt: Verteilerzündung und Direktzündung (DLI). Die Verteilerzündung nutzt nur eine Zündspule zur Erzeugung der Hochspannung. Der Verteiler zündet dann nacheinander die Zündkerzen der einzelnen Zylinder gemäß der Zündfolge. Da die Ein- und Ausschaltvorgänge der Primärspule von der elektronischen Zündschaltung übernommen werden, entfällt der Unterbrecher im Verteiler; dieser dient lediglich der Hochspannungsverteilung.
Zweizylinderzündung
Zweizylinderzündung bedeutet, dass sich zwei Zylinder eine Zündspule teilen. Daher ist diese Zündart nur bei Motoren mit gerader Zylinderzahl anwendbar. Befinden sich bei einem Vierzylindermotor zwei Zylinderkolben gleichzeitig nahe am oberen Totpunkt (OT) (einer im Kompressions-, der andere im Auslassbereich) und zünden die beiden Zündkerzen gleichzeitig an derselben Zündspule, so kommt es zu einer effektiven und einer ineffektiven Zündung. Erstere findet im Gemisch mit hohem Druck und niedriger Temperatur statt, letztere im Abgas mit niedrigem Druck und hoher Temperatur. Daher ist der Widerstand zwischen den Zündkerzenelektroden der beiden Zylinder völlig unterschiedlich, und die erzeugte Energie ist nicht gleich. Die effektive Zündung liefert einen wesentlich höheren Anteil der Gesamtenergie und macht etwa 80 % davon aus.
Getrennte Zündung
Die Einzelzündung verwendet für jeden Zylinder eine eigene Zündspule, die direkt auf der Zündkerze montiert ist. Dadurch entfällt die Hochspannungsleitung. Die Zündung erfolgt präzise über den Nockenwellensensor oder durch Überwachung der Zylinderkompression. Dieses Verfahren eignet sich für Motoren mit beliebiger Zylinderzahl, insbesondere für Vierventilmotoren. Da die Zündspulen-Zündkerzen-Einheit mittig bei zwei obenliegenden Nockenwellen (DOHC) angeordnet werden kann, wird der Zündspalt optimal genutzt. Durch den Wegfall von Verteiler und Hochspannungsleitung werden Energieverluste minimiert, mechanischer Verschleiß vermieden und die Zündspulen und Zündkerzen jedes Zylinders sind in einem Gehäuse integriert. Das externe Metallgehäuse reduziert elektromagnetische Störungen erheblich und gewährleistet so den einwandfreien Betrieb der Motorsteuerung.
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