Wie Auto-Zündsysteme funktionieren | Shenzhen Lily Pond Co., Ltd

Der Verbrennungsmotor ist eine erstaunliche Maschine, die sich über mehr als 100 Jahre hinweg weiterentwickelt hat. Es entwickelt sich weiter, da es den Automobilherstellern gelingt, jedes Jahr ein wenig mehr Effizienz oder etwas weniger Umweltverschmutzung herauszuholen. Das Ergebnis ist eine unglaublich komplizierte, überraschend zuverlässige Maschine.

Andere HowStuffWorks-Artikel erläutern die Mechanik des Motors und vieler seiner Subsysteme, einschließlich Kraftstoffsystem, Kühlsystem, Nockenwellen, Turbolader und Getriebe. Man könnte argumentieren, dass das Zündsystem dafür verantwortlich ist, dass alles mit einem perfekt abgestimmten Funken zusammenläuft.

In diesem Artikel erfahren Sie mehr über Zündsysteme, beginnend mit dem Zündzeitpunkt. Dann schauen wir uns alle Komponenten an, die zur Entstehung des Funkens beitragen, einschließlich Zündkerzen, Spulen und Verteiler. Und schließlich sprechen wir über Systeme, die anstelle des Verteilers Solid-State-Komponenten verwenden.

Das Zündsystem Ihres Autos muss perfekt mit dem Rest des Motors zusammenarbeiten. Ziel ist es, den Brennstoff genau zum richtigen Zeitpunkt zu zünden, damit die expandierenden Gase die größtmögliche Arbeit verrichten können. Wenn das Zündsystem zum falschen Zeitpunkt zündet, sinkt die Leistung und der Gasverbrauch und die Emissionen können steigen.

Wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder verbrennt, steigt die Temperatur und der Kraftstoff wird in Abgas umgewandelt. Durch diese Umwandlung steigt der Druck im Zylinder dramatisch an und drückt den Kolben nach unten.

Um das meiste Drehmoment und die größtmögliche Leistung aus dem Motor herauszuholen, besteht das Ziel darin, den Druck im Zylinder während des Arbeitstakts zu maximieren. Durch die Maximierung des Drucks wird auch die beste Motoreffizienz erzielt, was sich direkt in einer besseren Kilometerleistung niederschlägt. Der Zeitpunkt des Funkens ist entscheidend für den Erfolg.

Es gibt eine kleine Verzögerung vom Zeitpunkt des Funkens bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch vollständig verbrennt und der Druck im Zylinder sein Maximum erreicht. Wenn der Funke genau dann auftritt, wenn der Kolben den oberen Teil des Kompressionshubs erreicht, hat sich der Kolben bereits einen Teil des Wegs in seinen Arbeitstakt nach unten bewegt, bevor die Gase im Zylinder ihren höchsten Druck erreicht haben.

Um den Kraftstoff optimal zu nutzen, sollte der Funke entstehen, bevor der Kolben den oberen Teil des Kompressionshubs erreicht. Wenn der Kolben dann in den Arbeitshub übergeht, sind die Drücke also hoch genug, um nützliche Arbeit zu leisten.

In einem Zylinder:

Wenn wir also von einem Zylinder sprechen, gilt: Arbeit = Druck×Kolbenfläche×Hublänge. Und da die Länge des Hubs und die Fläche des Kolbens fest sind, besteht die einzige Möglichkeit, die Arbeit zu maximieren, darin, den Druck zu erhöhen.

Der Zeitpunkt des Zündfunkens ist wichtig und kann je nach Bedingungen entweder vorverlegt oder verzögert werden.

Die Zeit, die der Kraftstoff zum Verbrennen benötigt, ist ungefähr konstant. Allerdings nimmt die Geschwindigkeit der Kolben mit zunehmender Motordrehzahl zu. Das heißt, je schneller der Motor läuft, desto früher muss der Funke entstehen. Dies nennt man Vorzündung: Je höher die Motordrehzahl, desto mehr Vorverstellung ist erforderlich.

Andere Ziele wie die Minimierung von Emissionen haben Vorrang, wenn nicht die maximale Leistung erforderlich ist. Beispielsweise können die maximalen Zylinderdrücke und -temperaturen reduziert werden, indem der Zündzeitpunkt nach spät verschoben wird (der Zündfunke näher an den oberen Ende des Verdichtungstakts bewegt wird). Eine Senkung der Temperaturen trägt dazu bei, die Bildung von Stickoxiden (NOx) zu reduzieren, die zu den regulierten Schadstoffen zählen. Durch eine Verzögerung des Timings kann das Klopfen ebenfalls vermieden werden. Einige Autos, die über Klopfsensoren verfügen, tun dies automatisch.

Als nächstes gehen wir die Komponenten durch, die den Funken erzeugen.

Die Zündkerze ist in der Theorie ganz einfach: Sie zwingt Elektrizität dazu, einen Lichtbogen über einen Spalt zu leiten, genau wie ein Blitz. Der Strom muss eine sehr hohe Spannung haben, um über die Lücke zu gelangen und einen guten Funken zu erzeugen. Die Spannung an der Zündkerze kann zwischen 40.000 und 100.000 Volt betragen.

Die Zündkerze muss über einen isolierten Durchgang verfügen, damit diese Hochspannung zur Elektrode gelangen kann, wo sie den Spalt überspringen und von dort in den Motorblock geleitet und geerdet werden kann. Der Stopfen muss außerdem der extremen Hitze und dem Druck im Inneren des Zylinders standhalten und so konstruiert sein, dass sich keine Ablagerungen durch Kraftstoffzusätze auf dem Stopfen bilden.

Zündkerzen verwenden einen Keramikeinsatz, um die Hochspannung an der Elektrode zu isolieren und sicherzustellen, dass der Funke an der Spitze der Elektrode und nicht an einer anderen Stelle der Kerze entsteht. Dieser Einsatz erfüllt eine doppelte Aufgabe, indem er beim Abbrennen von Ablagerungen hilft. Keramik ist ein relativ schlechter Wärmeleiter und speichert daher die Wärme während des Betriebs.

Einige Autos benötigen einen Hot-Plug. Dieser Steckertyp ist mit einem Keramikeinsatz ausgestattet, der eine kleinere Kontaktfläche mit dem Metallteil des Steckers hat. Dadurch verringert sich die Wärmeübertragung von der Keramik, wodurch diese heißer wird und dadurch mehr Ablagerungen wegbrennen. Kaltstecker haben eine größere Kontaktfläche, sodass sie kühler laufen.

Die Spule ist ein einfaches Gerät – im Wesentlichen ein Hochspannungstransformator, der aus zwei Drahtspulen besteht. Eine Drahtspule wird als Primärspule bezeichnet. Um ihn herum ist die Sekundärspule gewickelt. Die Sekundärspule hat normalerweise hundertmal mehr Drahtwindungen als die Primärspule.

Strom fließt von der Batterie durch die Primärwicklung der Spule.

Der Strom der Primärspule kann durch die Unterbrecherkontakte oder durch ein Halbleiterbauelement in einer elektronischen Zündung plötzlich unterbrochen werden.

Wenn Sie denken, dass die Spule wie ein Elektromagnet aussieht, haben Sie Recht – aber es ist auch ein Induktor. Der Schlüssel zum Betrieb der Spule liegt darin, was passiert, wenn der Stromkreis plötzlich durch die Weichen unterbrochen wird. Das Magnetfeld der Primärspule bricht schnell zusammen. Die Sekundärspule wird von einem starken und sich verändernden Magnetfeld umhüllt. Dieses Feld induziert einen Strom in den Spulen – aufgrund der Anzahl der Spulen in der Sekundärwicklung einen sehr hohen Spannungsstrom (bis zu 100.000 Volt). Die Sekundärspule leitet diese Spannung über einen sehr gut isolierten Hochspannungsdraht an den Verteiler weiter.

Schließlich braucht ein Zündsystem einen Verteiler.

Der Distributor übernimmt mehrere Aufgaben. Seine erste Aufgabe besteht darin, die Hochspannung von der Spule auf den richtigen Zylinder zu verteilen. Dies geschieht durch die Kappe und den Rotor. Die Spule ist mit dem Rotor verbunden, der sich im Inneren der Kappe dreht. Der Rotor dreht sich an einer Reihe von Kontakten vorbei, einem Kontakt pro Zylinder. Wenn die Spitze des Rotors jeden Kontakt passiert, kommt von der Spule ein Hochspannungsimpuls. Der Impuls breitet sich über den kleinen Spalt zwischen dem Rotor und dem Kontakt aus (sie berühren sich eigentlich nicht) und setzt sich dann über das Zündkerzenkabel zur Zündkerze am entsprechenden Zylinder fort. Wenn Sie eine Wartung durchführen, tauschen Sie an Ihrem Motor unter anderem die Kappe und den Rotor aus – diese verschleißen mit der Zeit aufgrund der Lichtbogenbildung. Außerdem verschleißen die Zündkerzenkabel mit der Zeit und verlieren einen Teil ihrer elektrischen Isolierung. Dies kann die Ursache für einige sehr mysteriöse Motorprobleme sein.

Ältere Verteiler mit Unterbrecherpunkten haben einen weiteren Abschnitt in der unteren Hälfte des Verteilers – dieser Abschnitt unterbricht den Strom zur Spule. Die Erdungsseite der Spule ist mit den Unterbrecherpunkten verbunden.

Eine Nocke in der Mitte des Verteilers drückt auf einen Hebel, der mit einem der Punkte verbunden ist. Immer wenn die Nocke den Hebel drückt, öffnet sie die Weichen. Dadurch verliert die Spule plötzlich ihre Masse und es entsteht ein Hochspannungsimpuls.

Die Punkte steuern auch den Zeitpunkt des Funkens. Sie können einen Vakuumvorschub oder einen Zentrifugalvorschub haben. Diese Mechanismen verstellen den Zeitpunkt proportional zur Motorlast oder Motordrehzahl.

Der Zündzeitpunkt ist für die Leistung eines Motors so entscheidend, dass die meisten Autos keine Punkte erhalten. Stattdessen verwenden sie einen Sensor, der dem Motorsteuergerät (ECU) die genaue Position der Kolben mitteilt. Der Motorcomputer steuert dann einen Transistor, der den Strom zur Spule öffnet und schließt.

Im nächsten Abschnitt werfen wir einen Blick auf eine Weiterentwicklung moderner Zündsysteme: die verteilerlose Zündung.

Bei Fahrzeugen mit verteilerloser Zündung ist die erste Wartung in der Regel erst nach 100.000 Meilen erforderlich. Die Spule in diesem Systemtyp funktioniert auf die gleiche Weise wie die größeren, zentral angeordneten Spulen. Das Motorsteuergerät steuert die Transistoren, die die Masseseite des Stromkreises unterbrechen und so den Funken erzeugen. Dadurch erhält das Steuergerät die vollständige Kontrolle über den Zündzeitpunkt.

Systeme wie diese haben einige wesentliche Vorteile. Erstens gibt es keinen Verteiler, was ein Teil ist, das sich mit der Zeit abnutzt. Außerdem gibt es keine Hochspannungs-Zündkerzenkabel, die ebenfalls verschleißen. Und schließlich ermöglichen sie eine präzisere Steuerung des Zündzeitpunkts, was die Effizienz und die Emissionen verbessern und die Gesamtleistung eines Fahrzeugs steigern kann.

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