Funktion HKZ / TSZ

 

Begriffe:

Die Abkürzung HKZ steht für Hochspannungskondensatorzündung (auch Hochleistungskondensatorzündung)und wurde bis in die 1990er Jahre vorwiegend bei Rennmotoren eingesetzt. Die Standardlösung für Zündanlagen stellt die TSZ (Transistorzündung) dar.

Funktionsprinzip HKZ:

Das Funktionsprinzip der HKZ beruht darauf, dass ein Kondensator mit einer Spannung von 300V bis 500V geladen wird und im Zündmoment schlagartig über die Zündspule (Zündtransformator) entladen wird.

Der Zündtransformator transformiert diese Spannung nochmals um den Faktor 100 und es ergibt sich ein kurzer, kräftiger Zündfunken. Die Spannungen können dabei bis zu ca. 40.000V erreichen

Vorteile:

Nachteile:

Funktionsprinzip TSZ

Bei der Transistorzündung fließt ein Strom durch die Zündspule, wodurch sich in deren Kern bzw. im Kernspalt ein Magnetfeld aufbaut. Im Zündmoment unterbindet der Zündtransistor den Stromfluß, woraufhin dass Magnetfeld zusammenbricht. Die im Magnetfeld gespeicherte Energie entlädt sich daraufhin als lang brennender, schwächer Zündfunke.

Vorteile:

Nachteile:

Gründe für den Einsatz der HKZ im Porsche 911:

Hauptsächlich entschied man sich im Porsche 911 für das HKZ-System, um einen Sportwagen alltagstauglich zu machen. Die Erfahrungen mit den Spulenzündungen der Porsche 911 (vor 1968) zeigten typische Probleme, die sich bei der zunehmenden Leistungssteigerung der Motoren negativ ausgewirkt hätten. Eine Transistorzündung ist mit der Spulenzündung im Funktionsprinzip identisch und hätte zu erheblichen Problemen geführt.

Insbesondere die Neigung zur Verrußung bei Kurzstreckenbetrieb und die Startprobleme aufgrund von hoher Belastung der Batterie durch den Anlasser (höher verdichtete Motoren) waren Ausschlaggebend zum Einsatz des HKZ-Systems. Ferner war auch die hohe Zündrate des 6-zylindermotors bei bis zu ca. 7000 UPM (350 Hz) ein Kriterium für den Einsatz der HKZ.

Auch in anderen Fahrzeugen kam das HZK-System zum Einsatz. Vorwiegend in italienischen Sportwagen, aus gleichen Gründen, wie beim Porsche 911, aber auch beim Ro80 aufgrund von Verrußungsproblemen durch das Benzin-Ölgemisch, sowie beim Audi 100 als aufpreispflichtiges "Kurzstreckenpaket".

Historie:

Die HKZ-Systeme waren ab Mitte der 1960er Jahre technisch machbar und kamen im Porsche 911 von 1968 bis 1990 (nur noch 911 Turbo) über einen Zeitraum von mehr als 20 Jahren zum Einsatz.

Mit dem Aufkommen der  modernen Kennfeldzündungen (Bosch Motronic) Mitte der 1980er Jahre, die vom Funktionsprinzip Transistorzündungen sind, wurden die HKZ-Zündsysteme schrittweise ersetzt. Die Möglichkeiten zur Schließwinkelregelung, Spulenstromüberwachung und Gemischbeeinflussung machten den Einsatz des aufwändigen HKZ-Zündsystems weitgehend überflüssig.

Bei den ruhenden Zündsystemen der modernen Fahrzeuge spielen die Nachteile der Transistorzündung dann endgültig keine Rolle mehr. Jeder Zylinder hat seine eigene Transistorzündung und die Verluste durch Verteiler bzw. Zündkabel fallen weg.

Einsatzmöglichkeiten:

Die HKZ-Systeme können in jedem Fahrzeug mit Unterbrecherkontaktsteuerung oder Induktivgeber eingesetzt werden, ebenso zur Verbesserung aller Transistorzündungen mit "Offenem Kollektorausgang" (Bosch Motronic, 123-Ignition, Pertronix Ignitor I, Fulmax bzw. Powerspark).

Insbesondere bei 123.Ignition Verteilern ist der zusätzliche Einsatz einer HKZ empfehlenswert, da dieses Systeme ausgangsseitig nur eine Transistorzündung darstellen. Auch bei Einsatz eines Kombihallgebers mit Magnetring auf dem Verteilernocken, sollte das HKZ-System nicht entfernt werden. Die Ansteuerung der 3-pol HKZ-Geräte ist mit den Systemen Pertronix Ignitor I oder Fulmax  bzw. Powerspark problemlos möglich.

Auch in Mercedes-Benz Fahrzeugen mit Unterbrecherkontakt ist der Einsatz von HKZ-Zündgeräten empfehlenswert. Gute Erfahtungen wurden bei der Baureihe W113 (z.B. Pagode) gemacht. Die typischen Startprobleme und der teilweise unrunde Motorlauf lassen sich durch das HKZ-System beseitigen.

Verwechslungen:

Häufig sieht man gebrauchte Zündanlagen mit Kühlrippengehäusen von Bosch, die als HKZ-Zündungen angeboten werden. Bei diesen Systemen handelt es sich aber vorwiegend um Transistorzündungen. Die HKZ-Systeme kann man sehr leicht an den Boschnummen erkennen 0.227.200.00* bzw. 0.227.300.00* deutet auf HKZ-Systeme hin, 0.227.100.*** oder 0.227.051.*** sind herkömmliche Transistorzündungen.

Ansteuerung:

Die HKZ und TSZ-Systeme sind weiter untergliedert nach der Ansteuerung.

Unterbrecher:   TSZ-k oder HKZ-k (für Kontakte)
Induktivgeber:   TSZ-i oder HKZ-i
Hallgeber:        TSZ-h oder HKZ-h

Die HKZ-k Systeme lassen sich mit Unterbrecherkontakten oder auch mit den Ausgängen von Kombihallgebern (123-Ignition, Pertroniox Ignitor I, Fulmax, Powerspark) ansteuern (z.B. 0227200001, 0227200002, 0227200005, 0227200006, 0227200007, 0227200008).

Die Zündung erfolgt unmittelbar nach dem Öffnen des Unterbrecherkontaktes bzw. nach dem Unterbrechen des Stromflusses durch den Ausgangstransistors des Hallgebers.

Die HKZ-i Systeme werden von Induktivgebern im Verteiler angesteuert (z.B. 0227300003 und 0227300004).
Das magnetische Feld eines Permanentmagneten wird dabei von einem Kranz aus ferromagnetischem bzw. Diamagnetischem Metall abgeschirmt, wodurch in der Spule ein Stromfluß induziert wird.

Der Induktivgeber produziert sogenannte Gaus´sche Monopulse und die Zündung erfolgt kurz nach dem negativen Nulldurchgang des Signals. Unbelastet können am Induktivgeber durchaus Spannungen über 100V auftreten.

Oszillogramm eines Induktivgebers bei ca. 500 UPM:

HKZ-h Systeme hat es in der Großserie von BOSCH nach meinem Kenntnisstand nicht gegeben. Es gibt aber einige seltene Werksumbauten auf Basis des 8-pol HKZ.

Nachgerüstete Hallgeber an Zündverteilern sind weiterhin HKZ-k Systeme. Der Kombihallgeber bzw. der Leistungstransistor eines 123-Ignition Verteilers ahmt nur die Funktion des Unterbrecherkontaktes nach.

"Echten" Hallgebern, wie sie in moderneren Fahrzeugen zum Einsatz kommen, fehlt der Leistungstransistor in der Ausgangsstufe, weshalb diese nicht als direkter Ersatz für Unterbrecherkontakte eingesetzt werden können.

Reluktanzsensoren sind eine Sonderform von Induktivgebern, bei denen der Kompaktsensor bereits Spule und Permanentmagnet enthält. Vor dem Sensorkopf rotiert ein Zahnkranz aus Metall, der das Magnetfeld stört und dadurch die Zünd- oder Positionsimpulse erzeugt. Das Oszillogramm der Rekuktanzsensoren ist prinzipiell identisch mit denen des Induktivgebers.

Reluktanzsensoren kamen nur zusammen mit einigen werksumgebauten 8-pol BOSCH HKZ zum Einsatz.  Der Zündimpuls wurde dabei über Sensoren und Zahnkränze an den Kurbelwellen bzw. Nockenwellen abgenommen. Neben einigen italienischen Sportwagen wurden diese Systeme vorwiegend in Königswellenmotoren für den Rennsport um 1975 eingesetzt. Die HKZ-Geräte tragen Werksumbaunummern von BOSCH und zumeist Aufkleber mit der Abkürzung KW (Kurbelwelle).

Messungen an HKZ-Systemen:

Nicht umsonst kleben sowohl auf dem Steuergerät, als auch auf der Zündspule Aufkleber mit dem warnhinweis, auf Messungen an HKZ-Systemen zu verzichten. Die auftretenden Spannungen (bis 500V primär und bis 40.000V sekundär) sind lebensgefährlich.

Trotzdem ist in Fehlerbeschreibungen zu eingesandten HKZ-Steuergeräten immer wieder folgender Satz zu lesen: " 12V werden nicht auf die Zündspule durchgeschaltet".  Das verwundert auch nicht, da an der Zündspule nur im Zündmoment für ca. 20 Mikrosekunden ca. 400V anliegen. Mit Multimetern ist das Signal nicht meßbar. Messungen sind nur mit Oszilloskopen möglich, die über eine Zeitbasiseinstellung  im 5 oder 10 Mikrosekundenbereich verfügen sollten.

Bei ordnungsgemäßer Einstellungen stellen sich folgende Oszillogramme ein:

Bosch 8-pol HKZ                                                             Bosch 3- und 6-pol HKZ

Unterschiede von HKZ-Systemen

Neben den bereits beschriebenen Unterschieden hinsichtlich der Ansteuerung, gibt es auch Unterschiede in der Funktionsweise:

3- und 6-pol Bosch HKZ:

Die 3-und 6-pol BOSCH HKZ sind Systeme mit sogenannter "kontinuierlicher Aufladung". Der Zündkondensator, in dem die Zündenergie bereitgestellt wird, wird dabei ständig in kleineren Etappen nachgeladen (ca. 3000-4000 mal pro Sekunde).
 
Vorteil von dieser Variante ist der kleinere Transformator im HKZ-Gerät und die nicht so große Belastung des Bordnetzes mit Stromspitzen.

Weiterhin kommt dieses System ohne Ladediode aus. Der "Funkenschwanz" wird nicht unterdrückt und der Zündfunke brennt erheblich länger. Ferner wird ein Teil der Energie wieder in den Zündkondensator zurückgeführt.

Nachteil dieser Variante ist, dass spezielle Zündtransformatoren oder ausgewählte Zündspulen eingesetzt werden müssen, um zu verhindern, dass die 3000-4000 Ladeimpulse pro Sekunde kleinere Zündfunken erzeugen, die zu Fehlzündungen führen.

Zündtrafo                                                                       Zündspule

Das obige linke Oszillogramm zeigt eine Reihe Ladeimpulse an einem originalen Zündtrafo, die sekundärseitig etwa +/- 2000V produzieren, was für einen Überschlag nicht reicht. Die Ladepulse im rechten Oszillogramm (Zündspule) verursachen sekundärseitig Spannungen bis +/-4000V, was bereits recht nah an den ca. 5000V liegt, die zur Gemischzündung mindesten benötigt werden.

Ein weiterer Nachteil, insbesondere des ungeregelten Originalsystems ist, dass bei höherer Drehzahl der Kondensator bildlich gesprochen nicht mehr ganz voll wird, bzw. bei niedrigen Drehzahlen die Spannung am Zündkondensator extrem ansteigt. Als Folge davon ist die Zündleistung im unteren Drehzahlbereich weitaus höher als notwendig, dafür aber ab ca. 7000 UPM rapide schwächer. Für Serienmotoren spielt das keine Rolle, für Rennmotoren mit Drehzahlen über 7000 UPM oder hoher Verdichtung bzw. Aufladung empfiehlt sich die Nachrüstung einer Leistungssteigerung/Leistungsregelung.

8-pol Bosch HKZ:

Das 8-pol Bosch HKZ verfügt über eine Einzelaufladung. Der Zündkondensator wird dabei kurz nach der Zündung in einem einzelnen Vorgang wieder aufgeladen.

Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass das Bordsystem sehr stark durch Stromspitzen belastet wird und dass eine Ladediode notwendig wird, die den Zündfunken schwächt. Ferner ist ein größerer Transformator notwendig und auch die Wärmeentwicklung ist größer. Zusätzlich nachteilig ist, dass das HKZ-Gerät bei versehentlichem Betrieb ohne Zündspule häufig sofort defekt ist.

Vorteil des Systems ist, dass die Zündleistung nicht im oberen Drehzahlbereich abnimmt, sondern stabil bleibt, bis zur maximal möglichen Drehzahl von ca. 9500 UPM (Bosch HKZ) und 7800 UPM (ältere Permatune-Geräte). Weiterhin vorteilhaft ist, dass aufgrund der Ladediode kein ladefunken auftreten kann und das Zündgerät hinsichtlich der eingesetzten Zündspule (Zündtrafos) toleranter ist.

Das Zündoszillogramm finden Sie oben links.

Multispark HKZ:

Das Multispark HKZ funktioniert im Prinzip wie das zuvor beschriebene 8-pol HKZ, nur dass pro Zündzeitpunkt mehrere Zündfunken abgegeben werden. Dieses Verfahren soll den Nachteil der kurzen Brenndauer beseitigen.
Sofern der erste Zündfunke das Gemisch nicht zündet, zündet einer der nächsten Zündfunken dann, da das Gemisch aufgrund der "Spätzündung" ggf. zündwilliger ist.

Dieses Verfahren funktioniert bis ca. 2500 UPM. Oberhalb von ca. 2500 UPM schaltet das Gerät auf Einzelzündfunken, da die Zeit zum Aufladen des Kondensators nicht mehr ausreicht.

Entwickelt wurden diese HKZ-Systeme vorwiegend für US-Big Block Motoren, die aus vielerlei Gründen im unteren Drehzahlbereich Zündungsprobleme haben.

Oberhalb von ca. 2500 UPM haben die Multispark-Systeme dann keine Vorteile mehr.
Bei Hochleistungs- und Rennmotoren stellt sich allerdings die Frage, ob die ggf. erfolgende "Spätzündung" dieser Systeme erwünscht ist oder lieber nach der eigentlichen Ursache für das zündunwillige Gemisch gesucht werden sollte.

Im Folgenden sehen Sie die Zündoszillogramme eines hier untersuchten Multispark-Zündsystems.
Zumindest bei dem untersuchten Exemplar zeigte sich, dass es nur mit Spannungen ab 11V zuverlässig arbeitete.
Im betreffenden Fahrzeug sank die Spannung beim Anlassen jedoch deutlich unter 11V, weshalb das Zündsystem nicht einwandfrei funktionierte.

Bei Fahrzeugen der Baujahre vor 1971, mit Anschluss des Drehzahlmessers über ein Vorschaltgerät, sind Multispark-Zündsyteme nicht empfehlenswert, da der Drehzahlmesser die Zündimpulse als entsprechend höhere Drehzahl erkennt.

Typische Vertreter der Multisparksysteme sind MSD-Zündboxen, die sich teilweise in US-Importfahrzeugen finden, dort aber nicht original zum Einsatz kamen.

4 Zündimpulse bei 500 UPM                                           2 Zündimpulse bei 1200 UPM

Ein Zündimpuls ab 2000 UPM

Dual-Spark HKZ

Eine interessante Besonderheit stellt das Dual-Spark HKZ dar.
Es funktioniert prinzipiell 2-Stufig, bei der die erste Stufe eine hinreichend stabile 300-500V Spannung bereitstellt und ggf. in einem größeren Kondensator zwischenspeichert.

Im Zündmoment wird dann der eigentliche Zündkondensator (2. Stufe) über die Zündspule geladen und wieder entladen, was 2 Zündfunken ergibt, deren Abstand fast beliebig einstellbar ist. Dieses Verfahren funktioniert prinzipiell auch bei hohen Drehzahlen gut.

Problematisch ist, dass der 2. Zündfunke möglichst erst dann einsetzen sollte, wenn der erste Zündfunke bereits vollständig "erloschen" ist und das System hinreichend Zeit zur "Normalisierung" hatte. Das grenzt die Auswahl der Zündspulen auf echte Zündtrafos ein, die mittlerweile nur noch schwer erhältlich sind. Ggf. ist der Einsatz auch nur auf einen bestimmten Zündtrafotyp beschränkt.

Erkennbar sind die Dual-Spark Systeme daran, dass die 2 aufeinander folgenden Zündimpulse unterschiedliche Polarität besitzen. Bei klassischen Multisparksystemen ist die Polarität des Zündimpulses immer gleich.

Elektronische Zündzeitpunktverstellung.

Bei HKZ-Systemen mit elektronischer Zündzeitpunktverstellung ergeben sich 2 Probleme.

1. Der Fliehkraftversteller im Verteiler muss im Regelfall festgesetzt werden, damit sich die mechanische- und elektronische Verstellung nicht gegenseitig behindern. Dadurch bewegt sich aber auch der Verteilerfinger nicht mehr mit und der Verteilerfingerkontakt fluchtet ggf. nicht mehr mit dem Kappenkontakt. Bei nichtfluchtenden Kontakten kann es zu Überhitzungen der Verteilerkappe kommen, bzw. der Zündfunke wird durch die zu überbrückende Luftstrecke geschwächt. Ferner vergrößert sich die Gefahr, dass der Funke in den benachbarten Zylinder schlägt.

2. Die Elektronik bekommt nur 6 Positionsimpulse pro Verteilerumdrehung. Bei modernen Systemen würden hier bis zu mehreren 100 Positionsimpulsen zur Verfügung stehen.
Mit den 6 Positionsimpulsen muss die Elektronik den Zündzeitpunkt aus Drehzahl und Drehzahlveränderung berechnen, was möglich aber fehleranfällig ist. Insbesondere wenn die 6 Positionsimpulse nicht gleichmäßig vorliegen (z.B. bei Magnetringsystemen) kommt die Verstellung leicht durcheinander.

 

 

 

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