Eine MCU im Verbrennungsmotor – So springt der Funke über

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Basierend auf der Zahl alternierender Impulse von der Pick-up-Spule (pro Motorumdrehung) kann die Pulsgeberspule ein Einzel- oder Mehrfach-PIP-System sein. In einem Einfach-PIP-System stellt die Pulsgeberspule einen positiven Puls, gefolgt von einem negativen Referenzpuls bereit. Der Winkel zwischen den Impulsen und der Winkel zwischen negativem Puls und oberem Totpunkt ist fest. Die Zündung sollte bei einem bestimmten Winkelwert erfolgen – basierend auf der Betriebstemperatur des Motors, der Drosselklappenstellung und der Drehzahl. Dieser Winkel liegt in der Regel zwischen den positiven und negativen Impulsen.

Der negative Puls ist ein Referenzpunkt zum Zünden bei sehr niedrigen Drehzahlen. Der Zündwinkel ändert sich zu einem Winkel zwischen den Pulsen für höhere Drehzahlen. In einem Mehrfach-PIP-System stellt die Pulsgeberspule mehr als einen alternierenden Puls bereit. Der zweite negative Impuls ist der Referenzpunkt vor dem oberen Totpunkt. Dies ist der Mindestzündwinkel, bei dem der Zündfunke erzeugt werden sollte – für Motordrehzahlen unterhalb der unteren Drehzahlgrenze. Die ersten positiven und negativen Pulse können zur Berechnung der Motordrehzahl verwendet werden. Der zweite positive Puls kann Referenzpunkt zur Bestimmung des Zündwinkels bei höheren Drehzahlen sein.

Die Pulsgeberspule erzeugt die Taktsignale, die positive und negative Pulse enthalten. Diese Pulse liegen im Bereich ±3 bis ±90 V – je nach der Magnetfeldstärke des auf dem Schwungrad montierten Magneten. Ein Signalaufbereitungsschaltkreis invertiert den negativen Puls und begrenzt die Impulse auf 0 bis 5 V. Auch Störungen werden so herausgefiltert. Der Signalaufbereitungsschaltkreis stellt zwei positive Ausgänge zur Verfügung: einen entsprechend der positiven Pulse und einen anderen für die negativen Pulse. Der Ausgang des Signalaufbereitungsschaltkreises ist mit dem Mikrocontroller verbunden.

In einem digitalen CDI-Zündsystem hat der Mikrocontroller zwei wesentliche Funktionen: er muss den Zündverstellwinkel bestimmen, indem die Eingänge seitens der Sensoren verarbeitet werden. Dazu zählen die Impulsgeberspule, der Thermistor und die Position der Drosselklappe. Anschließend muss der Zündimpuls erzeugt und das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation (PWM) für den DC/DC-Wandler eingestellt werden.

Die Aufgaben und Funktionen eines Mikrocontrollers

Der Zündverstellwinkel ist erforderlich, um optimale Leistung aus dem Motor herauszuholen, was vor allem von der Drehzahl abhängt. Das System muss die aktuelle Drehzahl, die Temperatur und die Drosselklappenstellung wissen. Nachschlagetabellen (Look-up Tables) sind im Programmspeicher der MCU abgelegt und geben den entsprechenden Vorlaufwinkel entsprechend der Drehzahl vor. Mehrere Tabellen sind auf Basis der verschiedenen Drosselklappenstellungen und Temperaturbereiche gespeichert. Sobald der Controller die Drehzahl berechnet hat, steht über die Tabelle der entsprechende Voreilwinkel bereit.

MCU-Peripherie, wie Capture Compare oder PWM (CCP) und ein ADC, kann mit dem Interrupt-Pin INT zur Festlegung des Zündwinkels in CDI-Systemen verwendet werden. Der Ausgang für das positive PIP-Signal des Signalaufbereitungsschaltkreises wird an das Capture-Modul weitergeleitet. Das Modul misst die Zeit zwischen zwei positiven Pulsen, was der Periode des Impulsgeberspulen-Ausgangs entspricht. Die Periode der Pulse ergibt die Motordrehzahl.

Der Drosselklappenstellungs-Eingang kann analog oder digital sein. Bei einer digitalen Ermittlung der Drosselklappenstellung ist die Position für die weit geöffnete Drosselklappe (WOT) ein Zustand und für die teilweise geöffnete Drosselklappe (POT) ein anderer Zustand. Es gibt unterschiedliche Zündungstabellen für verschiedene Drosselklappenstellungen und Temperaturbereiche. Bild 3 beschreibt die herkömmliche Methode zur Umsetzung eines CDI-Zündsystems.

Die herkömmliche Methode zur Drehzahlberechnung verwendet einen 16-Bit-Timer und die Capture-Peripherie. Bei niedrigen Drehzahlwerten unter 60 U/min (entspricht einer Frequenz von 1 Hz) findet im 16-Bit-Timer ein Overflow statt, sobald die Taktfrequenz des Timers 1 MHz beträgt. Das Timer-Overflow-Bit sollte bei der Drehzahlberechnung mit berücksichtigt werden.

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