Woher weiss die Motronik wann sie zünden muss?

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Die wichtigste Information für die Motronik ist zu wissen welche Position die Kurbelwelle gerade einnimmt, bzw. wenigstens einmal pro Umdrehung exakt zu wissen wann die KW an einer bestimmten Position ist. Aus historischen Gründen ist als "bestimmte Position“ "oben tot“ (OT) festgelegt. Früher war da mal ein simpler Schalter an der Nockenwelle, dann (noch nicht allzu lange her) der Unterbrecherkontakt.

Inzwischen macht diesen Job ein elektronisches Bauteil, meist ein Hallgeber. Witzigerweise, aber interessant zu wissen, funkt die Zündspule (eigentlich "Zündtransformator“) erst in dem Moment wenn man ihr den Strom klaut (unterbricht!!)!
In der Theorie wird das Gemisch exakt zu Beginn des Arbeitstaktes gezündet und brennt schlagartig (Link: „4 Takte“).

ZündzeitPUNKT?
Jetzt mal die Vorgänge beim Zünden ganz langsam betrachtet:
Einzelne Gemischpartikel des unter Druck stehenden Gemischs werden mit der Zündkerze gezündet. Sie brennen und setzen andere Partikel in Brand. Der Druck im Brennraum steigt an. Nach "einiger Zeit" brennt das gesamte Gemisch, der Druck erreicht sein Maximum.
"Einige Zeit" ist eine Zeitspanne in der Grössenordnung von 2 ms (Millisekunden; die Literatur nennt Werte von 0,3 bis 5ms)!
Nachdem das Gemisch also NICHT schlagartig sondern, gemessen an den schnellen Abläufen im Motor, halbwegs gemütlich abbrennt, stellt sich die Frage wann der ideale Zeitpunkt ist um den Zündablauf zu starten.
Zu berücksichtigen ist also, dass vom Funken an der Kerze bis zum tatsächlichen vollen Entflammen des Gemisches "einige Zeit" verstreicht.

 Wann ist der "erwünschte Zeitpunkt"?
lean-03.gifZuerst wieder die Theorie: Das Gemisch wird exakt zu Beginn des Arbeitstaktes gezündet, brennt schlagartig und der Druck steigt explosionsartig.
Exakt zu Beginn des Arbeitstaktes stehen Kolben, Pleuel und Hubzapfen des Zylinders vollkommen gestreckt in einer Linie. Würde in diesem Augenblick gezündet, und steigt der Druck im Brennraum schlagartig an und es tut sich nichts!
Es wäre sogar fatal. Der größte Teil der Energie würde auf die vollkommen gestreckte Linie Kolben, Pleuel, Kurbelwelle wirken. Eine Kraftübertragung ist hier mangels Hebelarm nicht möglich und alle Energie wirkte nur auf die Lager.
Fazit: Es entsteht viel Wärme, eine hohe Lagerbelastung und wenig Antrieb. Nachdem sich das Drehmoment aus Kraft x Hebelarm errechnet ist es in diesem Punkt gleich Null! Damit ist auch die aus Drehzahl und Drehmoment zu errechnende Leistung = Null!
Interessant ist somit eigentlich gar nicht der Zündzeitpunkt sondern das Druckmaximum des Brennvorganges!
Richtig gut umgesetzt wird die Energie dann wenn das Pleuel senkrecht zur Kurbelwange ausgerichtet ist weil da der beste Hebel zur Verfügung steht.
Dann passt das „gemütliche“ Brennen ja bestens? Exakt an OT gezündet entwickelt sich zuerst wenig Druck, belastet die Lager gering und während sich die Kurbelwelle durch ihre Schwungmassen weiterdreht wird steigt der Druck an. Dabei wird der Hebelarm immer günstiger und gut is?
In der Praxis hat sich herausgestellt, dass es am günstigsten ist im Hauptarbeitsbereich (2000…4500 1/min) das Druckmaximum ca. 15° nach OT zu legen. Bei niedrigeren Drehzahlen darf es etwas früher, bei höheren Bereichen, zugunsten des Wärmehaushaltes später liegen.
Bei 1000 U/min legt die Kurbelwelle 360000 Grad /min zurück. Das entspricht 6000 Grad /sec, also 6 Grad /ms. Voilá, soll der Verbrennungsdruck etwa 15 Grad nach dem OT sein Maximum erreichen, und benötigt das gezündete Gemisch dazu 2 ms, muss der Steuerbefehl dazu etwa 12 Grad früher, also 6 Grad vor OT erfolgen (= Frühzündung im Leerlauf)!

 


 



Jetzt wird's unlogisch
Bei höherer Drehzahl wird entsprechend früher gezündet (6600U/min ~ 40 Grad)!
Die Mathematiker merken sofort, dass diese einfache Beziehung für die höhere Drehzahl nicht stimmt. Wie so oft im Leben wirken noch andere Einflüsse. Beispielsweise stimmen die 15 Grad nicht für alle Drehzahlen und auch die Geschwindigkeit mit der verdichtet wird spielt eine Rolle. Doch prinzipiell gilt, dass bei höheren Drehzahlen früher gezündet wird da die Kurbelwelle in den 2ms mehr Winkelgrade zurücklegt. Hier spielen Erfahrungs- und Prüfstandwerte die entscheidende Rolle.
Hier spielen Erfahrungs- und Prüfstandwerte die entscheidende Rolle und es wird ab ca.4500…500 1/min nicht weiter verstellt, und die Frühzündung wird meist, zugunsten einiger anderer Parameter, auf z.B. 45 Grad begrenzt.

Logisch ist wieder
dass der Zündzeitpunkt lastabhängig ist. Bei geschlossenen Drosselklappen wird zugunsten optimaler Verbrennung und zur Motorschonung in Richtung "spät" verstellt. Bei Vollgas wird der Zündzeitpunkt ebenfalls etwas zurückgenommen bzw. die Verstellung in Richtung "früh" endet schon weit vor der Maximaldrehzahl. Diese Maßnahmen taugen in erster Linie für Haltbarkeit und Wärmehaushalt des Motors.

Ergebnis
Die Kunst besteht darin das Gasgemisch zu einem Zeitpunkt  zu zünden, dass es „etwas“ nach OT „gut brennt“ und den optimalen (nicht den maximalen!!) Druck aufgebaut hat um den Kolben maximal zu beschleunigen.
Zündet es zu früh, dann behindert der bereits zu stark ansteigende Gasdruck den noch in Richtung Zylinderkopf schiebenden Kolben, der Motor klopft! (Klingeln dagegen entsteht bei Selbstentzündung!). Zündet es zu spät, dann wird Leistung verschenkt.
Folglich wird der Zündzeitpunkt drehzahlabhängig (aber motorspezifisch), und nach weiteren Parametern verstellt.


 

M-Sche01t.gif
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Wie genau ist der Zündzeitpunkt mit welchen Mitteln einstellbar?
Vorgegeben ist ein, bei allen 11x0-4-V-Kurbelwellen identischer Hub von 70,5 mm.
Als erstes eine kurze Tabelle welcher Kurbelwinkel welchen Hub bedeutet. UT bezeichne ich mit –90, OT mit +90 Grad. Ob nun Zünd-OT oder nicht, ist für die Betrachtung völlig egal. Man sieht, dass der Kolben im mittleren Bereich zwischen UT und OT pro Winkelgrad Umdrehung der KW viel Weg zurücklegt, sich aber im Bereich der Totpunkte am Hub relativ wenig ändert. Dementsprechend schwierig und aufwendig ist es den OT zu messen, geschweige denn zu fühlen. Glaubt man (ich nicht!) die Aussage von "Spezialisten“, dass sie 1/10mm mit dem Schraubendreher im Kerzenloch fühlen können, bedeutet dies noch immer einen Toleranzbereich von fast 10 Grad.

 

Das war vielleicht beim VW Käfer ausreichend genau.

 

 

 

Die Differenz beim Hub von 1 Grad vor OT nach OT beträgt 5/1000mm! Das schaffen gerade mal gute Messuhren!

 

 

 

 

 

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Fazit:
Bei den Zündverstellkurven gehen alle Hersteller Kompromisse ein: Der Motor soll auch mit "nicht optimalem" Benzin vernünftig laufen, Abgaswerte verschiedener Länder müssen erfüllt sein, die Lebensdauer des Motors soll nicht gegen "Null" tendieren.

Prinzipiell gilt zwar "mehr Leistung durch mehr Frühzündung", doch zum einen ist diese Logik nicht beliebig dehnbar, zum anderen wirken noch einige andere Parameter wie Motor-/Lufttemperatur etc. auf solche Entscheidungen ein. Speziell bei "früher zünden UND mehr Sprit" wird der Kurbektrieb extrem mehr belastet und, wenn überhaupt, führte ein späterer(!) Zündzeitpunkt zu mehr Leistung (siehe: Leistungssteigerung durch mehr Sprit?)!

Die Hersteller werden eher zu Beginn des mittleren  Drehzahlbereichs optimieren da die Motoren hier weitaus öfter als bei "absolut Vollgas" betrieben werden und weniger Spitzenleistung der Haltbarkeit dient.
Leistungsfreaks wollen Spitzenwerte sehen und dann kommen die mehr oder weniger guten Tuner in' s Spiel. Die "mehr guten" bewegen sich im sichereren Umfeld, nutzen nur die "Angstbereiche" der Hersteller (bei uns IST das Benzin OK) und optimieren die Werte tatsächlich. Die "weniger guten" setzen auf "Leistung, egal wie". Ein kleines Indiz kann der Hinweis "nur für den Sportgebrauch" sein. Nicht immer soll diese Bemerkung nur ausdrücken, dass der Chip keine ABE hat, somit nicht auf öffentlichen Strassen verwendet werden darf, sondern schliesst auch die Gewährleistung für Motorschäden aus.
Bild "Verbrennung" zeigt die Temperaturfestigkeit von Aluminium, also des Materials der Zylinder und Kolben. Die Werte sind zwar etwas veraltet und die Grenztemperaturen haben sich um ca.10 Grad nach oben verschoben, doch ist deutlich zu sehen, dass moderne Motoren ziemlich nahe an den Materialgrenzen betrieben werden.

Links
Leistung - Drehzahl - Drehmoment
Leistung und Zündzeitpunkt
Leistungssteigerung durch mehr Sprit?
Leistungssteigerung ganz einfach?
Leistungssteigerung mit Ansaugrohren
Gemisch fetter - mehr Leistung in der Praxis?