| Wie funktioniert eine Zündspule?
Also, die meisten wissen, daß da irgendwo ein Kabel vom Unterbrecher
drangeht und daß ein dickes Kabel mit viel Spannung weiter
zur Zündkerze führt...und das da irgendwo ein Unterbrecher
und Kondensator sein muss. Nur, was passiert denn da wirklich?
So einfach zu erkären ist das nicht, es hat jedenfalls etwas
mit Induktion zu tun. Hier erst einmal etwas Theorie.
Induktion:
| Wird ein Leiter
in einem Magnetfeld senkrecht zum Magnetfeld bewegt,
so wird in ihm während der Bewegung eine Spannung
induziert. (Induktion der Bewegung) |
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Die Grösse der Spannung nimmt in
gleichen Verhältnis zu, wie die magnetische
Flussdichte B, die Bewegungsgeschwindigkeit
v, und die wirksame Leiterlänge l
(Leiterlänge im Magnetfeld). Die Formel lautet:
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Uq |
induzierte Spannung in Volt |
| B |
magnetische Flussdichte in
Tesla |
| v |
Geschwindigkeit in m/s |
| l |
wirksame Leiterlänge
in m |
Es ist jetzt aber egal, ob der Leiter im Magnetfeld oder ob das
Manetfeld um den Leiter bewegt wird, der Effekt ist der gleiche.
Hauptsache ist, es kommt zu einer relativen Bewegung beider Objekte
zueinander. Noch ein Schritt weiter könnte man ebenso das Magnetfeld,
sprich Flussdichte, verändern. Und so kommen wir zur Induktion
der Ruhe (Transformatorprinzip).
| In einer Spule
wird eine Spannung induziert, wenn sich in dieser
der magnetische Fluß ändert. |
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Die induzierte Spannung Uq
ist um so größer, je größer die Flussänderung,
je kürzer die Zeit der Flussänderung und je größer
die Windungszahl, auf die die Flussänderung einwirkt.
Und so kommt man zum allgemeinen Induktionsgesetz:
Uq
= -N · |
ΔΦ |
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| Δt |
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Uq |
induzierte Spannung in Volt |
| ΔΦ |
magnetische Flussänderung
in Weber |
| Δt |
Zeitänderung in s |
| N |
Windungszahl |
Wie aus der Formel zu erkennen ist, erfolgt auf ein sehr schnelle
Fluss- bzw. Magnetfeldänderung eine sehr hohe Spannung. Die
schnelle Änderung ist dann gegeben, wenn der Strom durch die
Spule abgeschaltet wird und das Feld zusammenbricht (was einen weichmagnetischen
Kernwerkstoff vorraussetzt). Die daraus resultierende Spannung
heisst Selbstinduktionsspannung.
Auf-Entladebeispiel einer 1,2Ω
Spule an 12V |
Die Selbstinduktionsspannung ist beim
Einschalten der Spule so gerichtet, daß sie der anliegenden
Spannung entgegenwirkt und somit dem Magnetfeldaufbau verzögert.
Der volle Strom kann erst dann fliessen, wenn das Feld vollständig
aufgebaut ist. Ab dem Zeitpunkt ist die Spule gesättigt und es
fließt der volle Wirkstrom.
Ein optimaler Schliesswinkel wäre also genau so lang, wie der
Feldaufbau dauert.
Die Höhe der Selbstinduktionsspannung Uq ist um so grösser,
je größer die Stromänderung, je kürzer die Zeit
der Stromänderung und je besser die Konstruktion der Spule (Induktivität
L) ist. Induktionsspannung:
Uq
= -L· |
ΔI |
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| Δt |
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L |
Induktivität in H (Vs/A) |
| ΔI |
Stromänderung in A |
| Δt |
Zeitänderung in s |
| Uq |
Selbstinduktionsspannung
in V |
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Alle jetzigen Betrachtungen beziehen sich auf
eine einzelne Spule, eine Zündspule besteht jedoch aus zwei
Wicklungen, einer niederohmigen Primärwicklung mit wenigen
Windungen, die für den Feldaufbau sorgt, und einer hochohmigen
Sekundärwicklung mit sehr vielen Windungen für die Hochspannungserzeugung.
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Die Selbstinduktion greift bei einer Zünspule
nur auf die Primärwicklung (durch die Sekundärwicklung
fliesst kein Strom) und ist eigentlich ein unerwünschter Nebeneffekt,
denn sie verzögert die Aufladung der Spule und beim Ausschalten
entsteht am Unterbrecher ein Funken, der die Kontaktflächen
sehr schnell verbrennen würde. Bei Hochleistungszündspulen
ist die Windungszahl der Primärwicklung auf ein Minimum reduziert,
um die Selbstinduktion möglichst klein zu halten und schnell
den maximalen Stromfluss zu erreichen. Das erfordert aber andere
Ansteuertechniken (elektronische Schaltsysteme), Kontakte wären
mit dem Stromfluss völlig überfordert.
Ist die Spule, besser gesagt der Kern, magnetisch gesättigt
(max. magnetischer
Fluss phi erreicht) und der Strom durch die Primärspule
wird abgeschaltet (Zündzeitpunkt), dann wird in der Sekundärwicklung
durch das zusammenfallende Magetfeld und die hohe Windungsanzahl
eine sehr hohe Spannung induziert (Induktionsgesetz, siehe oben),
die dann für den Funken sorgt.
Wie schon erwähnt, entsteht auch an der Primärwicklung
eine hohe Spannung, die zu einem Lichtbogen am Kontakt führt.
Würde man die Primärspule in diesem Zeitpunkt kurzschliessen,
dann würde der durch die Induktionsspannung hervorgerufene
Strom wiederum ein Feld erzeugen, dass dem eigentlichen abfallenden
Feld entgegenwirkt.
Mit anderen Worten: das Feld würde langsam in sich
zusammenfallen = kein Zündfunken. Auch ein Lichtbogen am Kontakt
ist nichts anderes als ein Kurzschluss und hat den gleichen Effekt.
Daher ist der Kondensator als 'Funkenstreckenunterdrücker'
so wichtig!
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Schauen wir uns mal einen Zündungsvorgang genauer an. Die Oszillogramme
stammen von einer Digitalzündung kombiniert mit einer normalen
Bosch-Zündspule. Die Oszillogramme von einer Kontaktzündung
sehen ähnlich aus.
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Am Punkt x beginnt der Schliesswinkel, die Spannung
an der Zündspule geht gegen 0, der Strom in der Primärwicklung
steigt infolge der Selbstinduktion langsam an. Im Zeitpunkt -1ms
sind alle Molekularmagnete
im Kern ausgerichtet, der max. magn. Fluss ist erreicht, die Spule
ist jetzt fast nur noch ein reiner ohmscher Widerstand (in diesem
Fall 1,2 OHM).
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blau = Primärspannung (Kontakt),
rot = Sekundärspannung (Zündkerze) |
Im Zeitpunkt 0ms wird der Strom abgeschaltet (=öffnet
der Kontakt), die Molekularmagnete fallen in ihre ursprüngliche
Lage zurück und erzeugen die Selbstinduktionsspannung (s.o.)
an der Primärwicklung, die hier durch interne Schutzschaltungen
in der Zündung auf 200V begrenzt wird. Optimal wäre es,
diese Spannung, die ohne Beschaltung auf mehrere tausend Volt ansteigen
kann, zu ignorieren, nur leider halten das die Endstufentransistoren
nicht aus (am Kontakt ensteht ein zweiter 'Zündfunken').
In der Sekundärwicklung wird durch die Induktion (Induktionsgesetz,
s.o.) die Zündspannung erzeugt. Der Lichtbogen des Zündfunkens
lässt dann die Spannung auf ca. 2-3kV zusammenbrechen. Im Zeitpunkt
x2 ist die Energie der Spule verbraucht und der Züdfunke erlöscht.
Was dann folgt, ist ein Auspendeln der Resternergie (Schwingkreisvorgänge
mit internen und externen Kapazitäten und der Spuleninduktivität).
An der Anzahl der Schwingungen kann man die Qualität der Spule
erkennen, weniger als 3 Schwingungen sollten es nicht sein. |
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