Eine MCU im Verbrennungsmotor – So springt der Funke über

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Zündsteuerungen und Zündsysteme

Wir unterscheiden zwischen zwei Arten von Zündsteuerungen: eine Zündung mit induktiver (IDI) oder transistorgesteuerter (TCI) Entladung sowie eine Zündung über die Entladung eines Hochspannungskondensators (CDI) (Bild 2). Eine CDI-Zündung lässt sich über die Core-unabhängige Peripherie (CIP) in Microchips PIC-Mikrocontroller umsetzen. Dazu zählen der Angular Timer (AT), der Signal Measurement Timer (SMT), ein Mathematik-Beschleuniger und die konfigurierbare Logikzelle (CLC).

Bezüglich der CDI-Zündsysteme gibt es zwei Varianten: Wechselstrom- und Gleichstrom-Kondensator-Zündanlagen (AC-CDI und DC-CDI). In einer AC-CDI-Zündanlage erzeugt eine Lichtmaschine (Generator) oder ein Stator (Zündmagnet) genug Strom für alle Elektroniksysteme, einschließlich der CDI-Zündung. Der Kondensator wird über den gleichgerichteten Ausgang der Zündmagnet-AC-Versorgung geladen (200 bis 400 VDC).

Beim Anlassen des Motors (Kaltstart) ist ein Kick-Start erforderlich, um sowohl den Motor als auch den Zündmagneten in eine Drehbewegung zu versetzen. Der Zündmagnet erzeugt dabei keine ausreichende Energie, um den Kondensator vollständig zu laden, damit dieser einen Hochspannungsimpuls abgeben und somit einen Zündfunken erzeugen kann. Bei niedriger Drehzahl ist der Zündwinkel immer konstant. Daher wird bei einem negativen PIP-Ausgang seitens der Schwungrad-Impulsgeberspule des Zündmagneten ohne Berechnung der Drehzahl eine analoge Zündung verwendet.

In einem DC-CDI-System steht ein konstanter 12V-Gleichstrom von der Batterie zur Verfügung. Dabei ist ein zusätzlicher DC/DC-Wandler erforderlich, der die 12 VDC auf 200-400 VDC erhöht. Der zusätzliche Schaltkreis macht das CDI-Modul etwas größer als AC-CDI-Systeme. Bei stehendem Motor erfolgt der Start bei einem genau berechneten Zündwinkel, da die DC-Versorgung immer zur Verfügung steht.

Um den Funken in der Zündkerze zu erzeugen, wird ein Hochspannungskondensator mit hoher Kapazität aufgeladen – entweder über den Ausgang des DC/DC-Wandlers (DC-CDI) oder über den Ausgang des Zündmagneten, einer AC-Lichtmaschine (AC-CDI). Der Kondensator wird auf eine hohe Spannung geladen, meist 200 bis 400 V. Er ist mit einer Zündspule oder einem Aufwärtspulstransformator verbunden, der eine sehr hohe Spannung im Bereich von 40 kV oder mehr erzeugt.

Ein Schalter verbindet den Kondensator mit dem Primärkreis der Zündspule. Der Schalter wird betätigt, wenn die MCU am Gate des Schalters einen Impuls abgibt. Der plötzliche Einschaltstrom in der Primärspule erzeugt eine sehr hohe Spannung in der Sekundärspule, die den Funken zur Zündung des Luft-Kraftstoffgemischs erzeugt. Die MCU steuert so den Zündwinkel des Schalters, der den Funken generiert.

Ein Thyristor-Leistungssteller (SCR; Silicon-Controlled Rectifier) wird als Hochleistungsschalter in einer CDI-Zündung verwendet. Aufgrund der hohen Betriebsspannung und Ströme bei mäßigem Frequenzganz ist er äußerst langlebig. Der Nachteil ist, dass es ein einseitiger Schalter ist, d.h. er kann sich nur im Einschaltzustand befinden. Er geht automatisch aus, sobald der Eingang kleiner als die untere Ansprechschwelle wird. In modernen CDI-Systemen kommen ein IGBT und MOSFET zum Einsatz, da diese sich ein- und ausschalten lassen und in höheren Betriebsbereichen einen besseren Frequenzgang bieten.

Die Pulsgeberspule (bzw. Pick-up- und Timing-Spule) ist für das Taktsignal an die Zündsteuerung verantwortlich. Ein Magnet befindet sich auf einem Schwungrad, das an der Welle des Zündmagneten befestigt ist. Beginnt sich das Schwungrad zu drehen, bewegt sich der Magnet an der Pulsgeberspule vorbei, was einen Taktimpuls erzeugt. Pro Pol wird ein Impuls erzeugt. Bei jedem Magneten entstehen somit zwei Ausgangsimpulse: ein positiver Impuls gefolgt von einem negativen Impuls, womit ein Wechselimpulspaar entsteht. In einem PIP-Einzelsystem steht damit nur ein Paar zur Verfügung. In Mehrfach-Impulssystemen stehen mehrere Pulspaare zur Verfügung – je nach Anzahl der Magnete auf dem Schwungrad. Die alternierenden Impulse treten bei einem festen Winkelwert auf, der in Bezug zum oberen Totpunkt des Kolbens steht. Die Periode der Pulse löst die Drehung des Motors aus.

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