Wednesday, November 6, 2013

Ein Gewitter zur rechten Zeit



Wie kräftig muss ein Zündfunke sein und wann soll er überspringen? Das sind zwei Fragen die geneigte Motortuner immer wieder beschäftigen.

Wenn das Temperament des neu aufgebauten und frisierten Motors zu Wünschen übrig lässt oder der gute alte Originalmotor das Gas nicht mehr so richtig annehmen will dann kann es durchaus sein dass die Zündung überfordert ist oder wegen alten Komponente durchschlägt.

Ein kleiner Tipp:

Wenn man wissen will ob Komponenten der Zündung durchschlagen dann gibt es mehrere wirksame Methoden…. man fasst alle Komponenten an und merkt sich die Stelle bei der es weh tat… diese Methode sollte tunlichst vermieden werden.
Eine andere recht teure Variante ist man wechselt alle Komponenten der Zündung aus bis der Motor wieder rund läuft… oder man klaut der Frau einen Wasserzerstäuber vom Balkon und vernebelt den laufenden Motor in der Dunkelheit mit einem feinen Wassernebel. Wenn es jetzt ein Gewitter gibt sieht man die Funken springen und kann das oder die entsprechenden Teile ersetzen.


Gehen wir zurück zum neu aufgebauten Monstermotor… keine fein gewuchtete Kurbelwelle mit 308° Nockenwelle und 48er Dellorto’s nützt etwas wenn die Zündung dem Motor nicht gewachsen ist. Der Zündverteiler ist der Herzschrittmacher des Motors. Wenn die Herzfrequenz nicht stimmt dann sind Performance Probleme angezeigt. Beim Motor ist es nicht so schlimm wie bei uns Menschen doch die Ursache ist vergleichbar.

Die volle Leistung des Motors ist nur dann gegeben wenn jeder Kolben zur richtigen Zeit abwärts geschickt wird. Stellt euch ein Vierer vor (Ruderboot). Die volle Leistung wird nur dann erzielt wenn alle gleichmässig die Riemen (Ruder) ziehen. Kommt einer aus dem Takt oder rudert nicht richtig mit dann verliert das Boot an Geschwindigkeit (Leistung).

Generell kann man sagen dass eine geänderte Brennraumgeometrie im Kopf, eine höhere Verdichtung einen stärkeren Zündfunken benötigt. Geänderte Steuerzeiten der Nockenwelle passen unter umständen nicht mehr zur Zündkennlinie, zur Zündverstellung des originalen Verteilers.

Für die Leser die  jetzt noch an diesem Thema interessiert sind erläutere ich zuerst ein paar Grundlagen der Zündung bevor wir in die Abgründe der MSD und Mallory Zündungen abtauchen.
Die Hochspannung welche den Funken an der Zündkerze tanzen lässt kommt von der Zündspule. Der Aufbau der Zündspule entspricht einem Transformator und besteht aus einer Primärwicklung welche mit Batteriespannung versorgt wird und einer Sekundärwicklung welche durch Induktion Spannungen von mehreren tausend Volt erzeugt. Bei eingeschalteter Zündung wird die Primärwicklung der Zündspule von Strom durchflossen, wodurch sich ein Magnetfeld um die Spule bildet. Dieses Magnetfeld wird durch den gemeinsamen Eisenkern beider Wicklungen auch auf die Sekundärwicklung übertragen. Das Öffnen des Unterbrechers im Primärkreis der Zündspule verursacht dann im Sekundärkreis einen Hochspannungsimpuls, da das Magnetfeld rasch zusammenbricht. Die Hochspannung gelangt durch das Zündkabel zur Zündkerze. Damit dies zum richtigen Zeitpunkt passiert gibt es den Unterbrecher. Wenn der Unterbrecher schliesst, fliesst Strom durch die Primärwicklung und ladet dabei quasi den Hochspannungsteil auf. Je länger der Unterbrecher geschlossen bleibt je stärker kann sich die Zündspule aufladen und je kräftiger kann der Zündfunken ausfallen. Wenn der Unterbreccher öffnet entlädt sich die Hochspannung der Spule an der entsprechenden Zündkerze.

Jetzt wird schnell klar dass die Anzahl der Zylinder und die Drehzahl massgebend für die Aufladezeit der Zündspule und dementsprechend die Stärke des Funkens verantwortlich sind. 8 Zylinder und grössere Motoren haben aus diesem Grund oft 2 oder mehrere Zündspulen die von einem Verteiler mit 2 Unterbrechern oder von mehreren Zündverteiler bei Laune gehalten werden. So verlängert sich die Zeit in der der Unterbrecher geschlossen bleibt und somit verlängert sich die Ladezeit der Zündspule…

Macht das soweit Sinn?

Ja? Dann wird es jetzt noch ein wenig komplizierter… Bezogen auf die volle Umdrehung des Verteilerfingers (360°) nennt man die Zeit in der der Unterbrecher geschlossen bleibt den Schliesswinkel (z.B. 50°). Dieser Schliesswinkel sollte möglichst gross sein weil er die Ladezeit der Zündspule beeinflusst. Der Unterbrecherkontakt Abstand spielt hier eine wesentliche Rolle. Je kleiner dieser Abstand ist je länger kann der Kontakt geschlossen bleiben weil der Unterbrecher in der gleichen Zeit weniger weg machen muss. Bei einem kleinen Unterbrecherabstand springt aber der Strom beim Schalten in Form eines Funkens unkontrolliert früh über da die sogenannte Luft und Kriechstrecke zu klein ist (Luft ist ein Isolator). Dieser Funke ist für den Kontaktabbrand am Unterbrecher verantwortlich und wird durch den Kondensator gezähmt. Um diese unnötige Funkenbildung zu verhindern wird ein Kondensator parallel zum Unterbrecher geschaltet welcher die Spannung aufnimmt und den Funken am Unterbrecher löscht.

Weiter?

Der Unterbrecher wird über die Verteilerwelle über Nocken geschaltet. Diese Nocken drücken über ein Gleitstück am Unterbrecher diesen auf und die Feder des Unterbrecher wirkt dagegen um ihn wieder zu schliessen. Das muss sanft geschehen da sonst der Unterbrecherkontakt bei hoher Drehzahl anfängt zu hüpfen. Das Problem hierbei ist ein mechanisches, die Masse der Teile macht das System träge. Da dieses öffnen und schliessen sanft geschehen muss geht Schliesswinkel und demnach Ladezeit der Zündspule verloren.

Hier kommt die Kontaktlose Zündung zur Hilfe. Eine elektronische Steuerung hat kein Trägheitsproblem und schaltet ohne Funken und Zeitverlust was einen grösseren Schliesswinkel und höhere Drehzahlen zulässt. Meistens arbeiten diese kontaktlosen Zündungen mit einem Impulsgeber der auf Magnetbasis arbeitet. Pro Zylinder ein Magnet an der Verteilerwelle welche beim passieren am Hall-Sensor (benennt nach dem Physiker Edwin Hall) ein Schaltimpuls an die Zündspule abgegeben.
Ein weitere Vorteil dieser Zündung ist, wie bereits erwähnt, sie hat kein Trägheitsproblem. Das heisst bei hoher Drehzahl kann der Kontakt nicht unkontrolliert springen was zu Kontaktprellen führen kann was der Motor mit stottern und Zündaussetzern quittiert.

Eine Unterbrecherzündung kann ca. 18000 Zündungen pro Minute auslösen. Das reicht theoretisch für 9000 U/min bei einem 4 Zylinder Motor. Bei 6 Zylinder reicht es aber nur noch für 6000 U/min. Bei einem kontaklosen System sind da ca. 24000 Zündungen pro Minute drin. Das reicht dann auch beim Porsche für 8000 U/min.

Die nächste Limitation ist die Zündspule selbst. So ein Bosch Blue Coil schafft ca 17000 Volt.
Die schwarze Version 23000 Volt und der Bosch Red Coil 26000 Volt.

Eigentlich reichen auch bei einem Motor mit hoher Verdichtung 10000 Volt aus doch die steigende Drehzahl verkürzt die Ladezeit (zur Erinnerung… Schliesswinkel) der Spule und deshalb sinkt die Zündspannung merklich. Deshalb sind Hochleistungszündspulen wichtig da nur diese genügend Reserven haben.

Die Hochleistungszündspule belastet aber den herkömmlichen Unterbrecher und Kondensator zusätzlich, spätestens hier leuchtet ein warum eine Kontaktlose Zündung (oder ein Turbolader… GRINS) Vorteile hat. Zusätzlich schaltet die kontaktlose Zündung viel genauer. Beim 4 Zylinder müsste theoretisch alle 90° ein Funke fliegen. Bei einer Unterbrecherzündung sind da Abweichungen von bis zu 3° normal. Bezogen auf die Kurbelwelle sind das dann bereits 6° Toleranz bei welchen der Funke zu früh oder zu spät kommt. (Kurbelwelle läuft mit halber Drehzahl zum Verteiler).

Die elektronische Zündung arbeitet da punktgenau und man kann den Motor so viel genauer an die Klopfgrenze bringen. (maximaler Wert der Frühzündung).

Frühzündung?? Die richtige Frühzündung bedeutet mehr drehzahlpotential und Leistung.

Ja genau, nicht nur die Spannung spielt eine Rolle sondern vor allem auch der Zündzeitpunkt.

Schauen wir unseren Käfermotor an, die gesamte fliehkraftgesteuerte Vorzündung eines 009 Verteilers liegt bei ca. 21° (der 050er ca. 26°). Der originale Zündverteiler mit Unterdruck und Fliehkraftverstellung brachte es je nach Typ auf erstaunliche 32-35°.

Frühzündung ist notwendig (Zündung bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat) weil der Brennraum im Kopf und vor allem der lange Ansaugweg des Hirschgeweihs unvorteilhaft sind. Die Flammenfront welche sich nach erfolgter Zündung mit 20 m/s ausbreitet braucht relativ lange bis sie alle Winkel des Brennraums erreicht hat. Deshalb muss die Zündung erfolgen bevor der Verdichtungstakt abgeschlossen ist.

Bei einem 911er Motor reichen bereits 25° Gesamtvorzündung bei 6000 U/min für die volle Leistung. Die Brennraumform und die perfekte Gemischaufbereitung bestimmen den Zündzeitpunkt.

Für eine optimale Leistungsausbeute wäre es ideal man könnte den Zündzeitpunkt möglich nahe an den oberen Totpunkt bringen. Formel 1 Motoren mit dem Rennbenzin zünden tatsächlich erst kurz vor dem oberen Totpunkt damit das verbrennende Gemisch seine Kraft genau in dem Moment entfaltet wenn sich der Kolben im Arbeitstakt befindet.

Hier ist eine Doppelzündung (mit 2 Zündkerzen) vorteilhaft will sich so die Flammenfront nahezu doppelt so schnell bewegt.

Jeder Motor braucht eine individuelle Frühzündung für die höheren Drehzahlbereiche.
Deshalb hat der Zündverteiler eine dynamische Verstellung über Fliehkraftgewichte sowie ein Lastabhängige Verstellung über Ansaugunterdruck. Diese Verstellung ist jedoch relativ ungenau. Für den Rennbetrieb gibt es da eine einfache Lösung, man blockiert die dynamische Verstellung ganz einfach da eh nur Vollgas gefahren wird.

Das ist natürlich unpraktisch da sich so ein Motor nur unwillig starten lässt und er im unteren Drehzahlbereich unkultiviert läuft. Im Standgas kann er sogar ausgehen (ausser beim Turbo…).

Hier hilft die moderne Elektronik einer digitalen MSD oder Mallory Zündung. Diese modernen Zündsystem sind sogenannte Kennlinienzündungen. Hier wird der aktuell gemessenen Drehzahl eine zuvor individuell definierte Frühzündung zugewiesen. Ein weiterer Vorteil der Kennlinienzündung ist dass beim Startvorgang die Zündung bis zum oberen Totpunkt zurück genommen werden kann was einen extrem schönen Leerlauf zur Folge hat. Gleichzeitig ermöglicht die Kennline dass die passende Frühzündung auch bei höchster Drehzahl perfekt und genau anliegt. Das ist einer der Gründe warum ein hoch gezüchteter GT2 mit X hundert PS lammfromm durch die Stadt bewegt werden kann.

Noch moderner ist die Kennfeldzündung der neusten Generation der MSD Digital und z.B. der CB Performance Zündung. Hier wird eine sogenannte 3D Map angelegt bei welcher allerlei elektronische Sensoren nicht nur die Drehzahl des Motors berücksichtigen sondern auch Aussentemperatur, Motortemperatur, Luftdruck, Drosselklappenstellung, Saugdruck, Lambdawert und wenn ein Turbolader verwendet wird auch der Ladedruck an das Steuergerät weitergeleitet wird. Diese Steuergeräte regeln dann nicht nur die Zündung sondern bei eingespritzten Motoren auch die Benzinzufuhr. Klopfsensoren ermöglichen dass der Motor immer genau unterhalb der Klopfgrenze laufen kann.

Weitere Vorteile der MSD Zündung ist die Mehrfachabgabe des Zündimpulses. MSD bedeutet nämlich Multi Spark Discharge. Die Zündelektronik zündet nicht nur einmal pro Arbeitstakt sondern mehrmals. Dies hält die Flammenfront stabil, gerade bei sehr hoch Verdichteten Motoren bei welchem hochoktaniges Benzin gefahren wird ist dies Vorteilhaft.

Klar diese letzte Evolutionsstufe mag für eingefleischte old school 48IDA Fahrer zu viel des Guten sein doch möchte ich mit diesem Beitrag etwas zum Mythos Zündung beitragen. Es reicht einfach nicht bei einem teuer frisierten Motor einen billigen Chinesischen 009er einzubauen mit einer blauen Zündspule. Das bringt gar nichts, wenn teure Kurbelwellen, Köpfe, Vergaser und Auspuffsysteme verbaut werden muss die Zündung mithalten. Da die wenigsten Tuner die Möglichkeit haben die Kennlinie eines Verteilers einzustellen ist eine Elektronische Kennfeldzündung trotz allem nicht verkehrt da man dies am Computer optimal einstellen kann. 

Nur Mut!




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