Workshop Zündung
Takt 1: Ansaugen.
Der Kolben bewegt sich durch den Schwung des Motors nach unten und erzeugt so im Brennraum einen Unterdruck. Durch das geöffnete Einlassventil strömt frisches Luft-Benzingemisch vom Vergaser in den Brennraum.
Takt 2: Verdichten.
Das Einlassventil hat sich geschlossen. Der Kolben bewegt sich wieder nach oben und verdichtet so das Gemisch im Brennraum.
Takt 3: Verbrennen.
Kurz bevor der Kolben oben angekommen ist wird das verdichtete Gemisch von der Zündkerze entzündet (siehe Grundlagen zur Zündung). Das verbrennende Gemisch erzeugt einen hohen Druck im Brennraum wodurch der Kolben nach unten gedrückt wird. Dieser Arbeitstakt erzeugt die Kraft des Motors!
Takt 4: Ausstossen.
Durch den Schwung des Motors bewegt sich der Kolben wieder nach oben. Das Auslassventil öffnet sich und das verbrannte Gemisch (Abgase) wird vom Kolben aus dem Brennraum hinaus gedrückt und gelangt über den Auspuff ins Freie.
Wie entsteht der Zündfunke?
Wirkungsweise:
Primärstromkreis:
Die Primärseite der Spule ist mit dem Pluspol der Batterie verbunden (Natürlich abschaltbar über das Zündschloß). Der Minuspol der Spule wird vom Unterbrecherkontakt ein- und ausgeschaltet. Ist der Kontakt geschlossen, so fließt ein Strom vom Batterie + über die Spule und den Kontakt. Dieser Strom erzeugt in der Primärspule ein Magnetfeld. Zum Zündzeitpunkt wird der Unterbrecher durch den Unterbrechernocken geöffnet und dadurch der Stromkreis unterbrochen. Das zusammenbrechende magnetische Feld induziert in der Sekundärseite der Zündspule eine elektrische Spannung. Diese Spannung beträgt mehrere tausend Volt und verursacht an der Zündkerze den Zündfunken.
Erinnerung an den Physikunterricht:
Schneiden Magnetfeldlinien einen elektrischen Leiter, so wird in diesem Leiter eine Spannung induziert.
Der dem Unterbrecher parallel geschaltete Kondensator beschleunigt das Zusammenbrechen des Primärfeldes, indem es die Selbstinduktionspannung der Primärwicklung aufnimmt. Gleichzeitig wird dadurch ein überschnelles Abrennen des Unterbrecherkontaktes verhindert.
Beim Schließen der Unterbrecherkontaktes wirkt die Selbstinduktionsspannung dem Primärstrom entgegen. Dadurch wird der Aufbau des Magnetfeldes verzögert. Es muß deshalb eine Mindestschließzeit des Unterbrechers eingehalten werden.
Sekundärstromkreis:
Die beim Öffnen des Unterbrecherkontaktes erzeugte Hochspannung gelangt über das Zündkabel zur Zündkerze. Die Primärspannung ist so hoch, daß an der Elektrode der Zündkerze ein Funke überschlägt. Der Verteilerfinger unter der Verteilerkappe steht immer gerade dort, wo eine Zündung benötigt wird. Daher sollte man es vermeiden, die Kabel zu vertauschen J
Der Zündzeitpunkt
Über dieses Thema haben andere schon Bücher geschrieben. Ich werde also auch hier nur auf das Wichtigste eingehen können.
Der Zündzeitpunkt ist im wesentlichen abhängig von der Motordrehzahl und von der Motorbelastung.
Wir erinnern uns an das Prinzip des Viertakters. Während des zweiten Arbeitstaktes bewegt sich der Kolben nach oben und verdichtet das Gemisch bis es schließlich von der Zündkerze entzündet wird und das brennende Gemisch den Kolben wieder nach unten drückt
( Beginn des 3. Takts).
Die Zündung muß genau im richtigen Augenblick erfolgen.
Warum ist der Zündzeitpunkt drehzahlabhängig ?
Wird das Gemisch entzündet, dann explodiert es nicht, wie oft irrtümlich angenommen, sondern es verbrennt. Deshalb dauert es auch einige Augenblicke bis das ganze Gemisch 'Feuer gefangen' hat und der maximale Verbrennungsdruck entsteht. Aus diesem Grund zündet man das Gemisch schon kurz bevor der Kolben zum oberen Totpunkt (OT) gelangt ist. So erreicht man, dass der max. Druck genau dann zur Verfügung steht, wenn der Kolben gerade eben den OT überschritten hat. Die Zeit vom entzünden bis zum max. Verbrennungsdruck ist annähernd konstant (das ist nicht ganz richtig aber für unsere Betrachtung ausreichend), d.h die Zeit ist drehzahlunabhängig. Bei höherer Drehzahl legt der Kolben aber in der gleichen Zeit eine größere Strecke zurück als bei niedriger Drehzahl. Deshalb muß mit steigender Drehzahl auch das Gemisch früher gezündet werden, damit der max. Verbrennungsdruck wieder im richtigen Moment anliegt. Man benötigt also eine drehzahlabhängige Verstellung des Zündzeitpunktes. Diese Arbeit übernimmt der Fliehkraftregler.
Wie funktioniert die Verstellung des Zündzeitpunktes?
Die Anpassung des Zündzeitpunktes übernimmt der Fliehkraftregler. Der Fliehkraftregler befindet sich hinter dem Unterbrechergehäuse und besteht aus zwei Gewichten mit Spannfedern und dem Nockenkörper.
Mit steigender Drehzahl steigt die Zentrifugalkraft, die auf die Gewichte wirkt und drückt diese nach außen. Dadurch verdreht sich die Nocke auf ihrer Führung und verstellt somit den Zündzeitpunkt in Richtung früh. Die maximale Frühzündung wird durch zwei Anschläge begrenzt.
Leerlauf Vollgas
Zündzeitpunkt zu früh oder zu spät:
Erfolgt die Zündung zu spät, dann verliert der Motor an Leistung und braucht Unmengen an Treibstoff. Mechanische Schäden sind aber nur bei hoffnungslos zu später Zündung möglich, da der Motor sich überhitzt und eher unwahrscheinlich.
Erreicht das verbrennende Gemisch seinen max. Druck schon bevor der Kolben den oberen Totpunkt (OT) erreicht hat, d.h. die Zündung erfolgte zu früh, dann bekommt der Kolben gewaltig eins auf die Mütze. Er wird nach unten gedrückt, obwohl er eigentlich noch ein Stück nach oben müßte. Es entsteht ein enormer Druck im Brennraum. Dies verursacht eine starke mechanische Belastung für den Motor und führt in kürzester Zeit ( innerhalb von Sekunden) wegen starker Hitzeentwicklung der Zylinderwände und des Kolbens zu einem Kolbenklemmer und- oder zu Lagerschäden. Auf jeden Fall ist der Motor dann Schrott. Deshalb muß man bei Experimenten mit dem Zündzeitpunkt sehr vorsichtig sein.
Des weiteren gibt es eine Unterdruckverstellung des Früh-Verstellsystems.
Diese stellt den Zündzeitpunkt nach früh bei geringer Last, weil das Kraftstoff-Luft-Gemisch dann langsamer verbrennt.
Der Schliesswinkel
Über den Schließwinkel habe ich von so manchem 'Spezialisten' schon viele tolle Sachen gehört.
Hier nun die wahre Geschichte:
Der Unterbrecherkontakt wird von einer Nocke zum Zündzeitpunkt geöffnet. Der Schließwinkel gibt nun die Dauer an für die der Unterbrecherkontakt geschlossen ist. Diese Angabe erfolgt in Winkelgrad. Den Winkel, während dessen der Kontakt geöffnet ist, nennt man Öffnungswinkel.
Auf dieser Zeichnung sind die beiden Winkel gut zu erkennen. Lasse dich nicht davon irritieren, daß es hier vier Nocken sind. 'Normale' Autos haben eben meist vier, sofern sie keine elektronische Zündanlage haben.
Die Nocke drückt auf den Hebelarm des Unterbrechers und öffnet diesen für eine bestimmte Dauer. Der Schließwinkel läßt sich durch den Unterbrecherabstand verändern. Hier im Bild gezeigt mit den blauen und roten Werten.
Blau: Größerer Unterbrecherabstand. Der Schließwinkel wird kleiner, der Öffnungswinkel wird größer.
Rot: Geringerer Unterbrecherabstand. Der Schließwinkel wird größer, der Öffnungswinkel wird kleiner.
Wenn man den Schließwinkel mißt, dann mißt man eigentlich nur indirekt den Unterbrecherkontaktabstand. Dies ist natürlich sehr praktisch, da man ohne irgendwelche Demontage von Teilen auskommt. Wogegen an den Unterbrecher nur schwer heranzukommen ist.
Warum ist der richtige Unterbrecherabstand, bzw. der Schließwinkel so wichtig ?
Wird der Unterbrecher geschlossen, so baut sich in der Primärseite der Zündspule ein Magnetfeld auf. Bis dieses Magnetfeld seine maximale Größe erreicht hat dauert es aber einen kurzen Augenblick, da die Selbstinduktion der Spule zunächst dem eigenen Magnetfeld entgegen wirkt. Der Unterbrecher muß also mindestens für diesen Zeitraum geschlossen sein, damit das Primärfeld seine maximale Stärke erreicht und somit auch der Zündfunke seine max. Stärke hat. Andererseits sollte der Schließwinkel nicht unnötig lange sein, da die Zündspule durch den Spulenstrom ( 2 - 3 Ampere) stark erhitzt wird, was Zündspule oft dazu führt, dass die Zündspule ausläuft und damit kaputt ist. Bei einer Beispiels-Zündspule beträgt die nötige Zeit des Stromflusses bis zur Sättigung ca. 3ms. Der Schliesswinkel sollte also gross genug sein, damit die Spule mind. 3ms mit Spannung versorgt wird.
Hierzu eine kleine Rechnung an einem Beispielmotor
Leerlauf: 850 U/min
D.h. eine Umdrehung dauert 70 ms. Um nun auf die 3ms zu kommen muss der Unterbrecher
( 360° / 70ms ) * 3ms = 15.4° geschlossen sein. D.h das theoretisch ein Schliesswinkel von
nur 15.4° !! anstelle von 108° in Leerlauf ausreichen würde!
Vollgas: 7000 U/min
Eine Umdrehung dauert nun nur noch 8.6ms. Es ist also ein Schliesswinkel von ca. 125° notwenig um die Spule zu sättigen.
Wie du siehst ist der Bereich des optimalen Schliesswinkels sehr gross. Moderne elektronische Zündanlagen,wie sie mittlerweile in allen Autos vorhanden sind, regeln daher den Schließwinkel automatisch, abhängig von der Drehzahl und dem tatsächlich fliesenden Spulenstrom.
Bei mechanischen Zündanlagen, wie bei unseren Benzen, ist nur eine statische Einstellung möglich. D.h. unabhängig von der Motordrehzahl und den tatsächlichen Bedürfnissen der Zündspule ist der Schliesswinkel immer gleich. Es gilt nun, einen Schließwinkel bzw. Unterbrecherabstand einzustellen, der die Zündspule im Leerlauf nicht zu warm werden läßt und bei Vollgas immer noch lange genug ist, um das Magnetfeld der Zündspule zu sättigen. Jetzt ist es nicht so, dass der Zündfunke schlagartig an Qualität verliert, sobald die oben genannten 3ms unterschritten werden. Auch bei 2ms ist der Funke noch stark genug. Ein Schließwinkel von 80-90° reicht für die Zündspule theoretisch auch bei Vollgas noch voll und ganz aus. Jetzt kommt aber ein völlig neuer Gesichtspunkt: Die Massenträgheit des Unterbrecherkontakts. Wird der Unterbrecherabstand zu gross ( kleiner Schliesswinkel), dann kann der Unterbrecherarm das Flattern anfangen. Dieser wird ja von der Nocke beim Öffnen stark beschleunigt und beim Schliessen klatscht er wieder nach unten und kann durch den Aufprall unter Umständen wieder zurück schlagen. Ist der Unterbrecherabstand zu klein ( grosser Schliesswinkel) dann trennt er den Spulenstrom nicht schnell genug, und die Funkenqualität leidet.
Der Sollwert ist für den Schliesswinkel liest man im tabellenbuch nach und ist bei diesem Beispielmotor 108°. Dies entspricht hier einem Unterbrecherabstand von ca. 0.4mm.
Der Laie gibt sich oft viel Mühe den Unterbrecherabstand exakt mit der Fühlerlehre auf 0.4 mm einzustellen. Es ist aber völlig egal ob der Abstand jetzt 0.3mm oder 0.5 mm beträgt. Der Schließwinkel ist in jedem Falle im Leerlauf ausreichend. Für optimale Startbedingungen (15° Schliesswinkel würden reichen. Siehe oben.) und bei Höchstdrehzahl reicht eine geringere Spulensättigung aus. Es ist also im Prinzip völlig albern, wenn so ein wichtiger AU Fuzzi in der Werkstatt oder beim TÜV dir einen erzählt von wegen die Zündung muß eingestellt werden nur weil der Schließwinkel anstatt der vorgeschriebenen 108° nur 100° oder 114° hat. Das Problem ist nur, dass man bei den neueren AU Testgeräten die Testergebnisse oft nicht mehr von Hand nachträglich abändern kann, und somit der Schliesswinkel exakt auf den vorgeschriebenen Sollwert einzustellen ist, auch wenn es aus technischer Sicht wenig Sinn macht. Im Gegensatz dazu kann man durch eine exakte Einstellung diese Fehlerquelle ausschliesen und sich anderen Widmen.