Zündspulen

 

Informationen zu Zündspulen für HKZ Zündanlagen 

 

Überblick:

Für HKZ-Zündanlagen werden spezielle Zündspulen eingesetzt. Technisch korrekt wäre eigentlich der Begriff Zündübertrager oder Zündtrafo, da es sich um einen Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von etwa 1 : 100 handelt.

Der Zündtrafo spannt den 280V-480V Zündimpuls des HKZ auf eine Zündspannung von 28.000V bis 48.000V hoch (je nach Drehzahl).

Zündspulen für direkte Unterbrecherzündanlagen können nicht eingesetzt werden, da diese aufgrund ihrer Konstruktion mit stark permeablen Blechpaketen dem Zündimpuls des HKZ entgegenwirken. Ebenfalls kontraproduktiv wirkt sich der oftmals vorhandene Luftspalt in diesen Zündspulen aus. Falls es überhaupt zu einem Funkenübeschlag kommt, ist dessen Brenndauer zu kurz oder zu schwach, um das Benzin-Luft-Gemisch sicher zu zünden.

Ein weiteres Kriterium bei den kontinuierlich aufladenden HKZ-Systemen (Bosch 3-pol und 6-pol) ist die Gefahr des Überspringens eines Ladefunkens. Die genannten HKZ-Systeme laden ihren Zündkondensator (im HKZ-Gerät) ca. 3000 bis 4000 mal pro Sekunde schrittweise auf. Dieser Ladestrom fließt über die Zündspule und kann bei ungeeigneten Spulen kleinere Ladefunken auslösen, die zu Fehlzündungen führen.

Die 8-pol Bosch Geräte (0227300003) und alle mir bekannten Zubehörsysteme besitzen eine Ladediode, die dieses Problem umgeht. Aus diesem Grunde sind diese Systeme etwas toleranter in Bezug auf die Auswahl der Zündspule. Leider unterdrückt die Ladediode den "Funkenschwanz" des Zündfunkens, was zu einem etwas kürzeren und schwächeren Funken führt. Im Original wurde für das 8-pol Bosch Gerät die Zündspule mit der Nummer 0221121010 (für Einzelfunkenaufladung) eingesetzt, welches man im Regelfall nicht für die 3-pol und 6-pol Geräte einsetzen sollte. Umgekehr lassen sich die Spulen der 3- und 6-pol Geräte problemlos auch an der 8-pol-Version betreiben.

Links(bzw. oben) 3-und 6-pol mit langer Funkenbrenndauer. Rechts (bzw. unten) 8-pol und Zubehör mit kurzer Brenndauer. Gut sichtbar als kleine Störung ist in beiden Bildern auch der Zeitpunkt des Überschlages des Zündfunkens.

Alternativen:

Die originalen historischen Bosch Zündspulen sind recht selten defekt, da in ihnen (im Gegensatz zu Transistorzündsystemen) nur geringe Energiien umgesetzt werden. Obwohl die Originalspulen im Brasilien-Werk von Bosch neu aufgelegt wurden besteht aus vielerlei Gründen kundenseitig oftmals der Wunsch eine alternative Spule einzusetzen.

Leider gibt es im Prinzip alternativ keine entsprechenden Zündtrafos.

Einsetzbar ist erfahrungsgemäß aber das Modell BERU ZS-109 (ca. 60-70 Euro). Es handelt sich bei dieser Spule um eine Hochleistungszündspule mit geringem Primärwiderstand, fast identisch zu dem des Originals.

Leider sind sowohl Primär-, als ausch Sekundärinduktivität im Prinzip deutlich zu hoch (Luftspalt und hochpermeables Blechpaket), was der Idee einer HKZ-Zündung im Prinzip entgegensteht.

Spannungsverlauf Original Bosch 

Spannungsverlauf BERU

Die gelbe Linie in den obigen Oszillogrammen stellt das Zündimpulssignal dar. Zündzeitpunkt ist das Abfallen des gelben Signals. Kurze Zeit später sind auf der gelben Linie 2 Störungen sichbar. Die 2. Störung stellt den Überschlag des Zündfunkens dar. Misst man die Unterschiede genauer, zeigt sich, dass bei der BERU-Zündspule der Funken 5 Mikrosekunden später überschlägt, was irrelvant ist (ca. 0,1 Grad Verteilerwelle bei 6000 UPM).

Das spätere Überschlagen passt gut zur Theorie, da die hohen Induktivitäten schnellen Änderungen entgegenwirken.
Im blauen Primärspannungsverlauf an der Zündspule ist dann auch sehr gut sichtbar, dass bei der BERU-Zündspule der Funke länger brennt (ca. 3x länger), da die gespeicherte Energie über einen längeren Zeitraum abgegeben wird.

Dieses eigentlich unerwünschte Verhalten beeinflusst jedoch nicht die maximale Zündspannung. Diese ist bei beiden Spulen ungefähr gleich, da sich die Spannung theoretisch bis unendlich steigern würde, sofern sie keine Weg findet, überzuschlagen. Bei der BERU-Spule dauert es allerdings etwas länger, da die hohen Induktivitäten gegen ein zu schnelles Aufbauen der Spannung wirken.

Trotzdem gilt natürlich auch hier der Energieerhaltungssatz: Der Stromfluß während des Funkenüberschlages ist bei der BERU-Spule geringer, als bei der Bosch-Spule, dafür brennt der Funke entsprechend länger, wie die folgenden Oszillogramme zeigen.

Stromverlauf Bosch (blaue Linie)

Stromverlauf BERU (blaue Linie)

Der Unterschied in den Stromverläufen ist erheblich und auch nicht verwunderlich, wenn man die hohe Eingangsinduktivität der BERU-Spule beachtet. 

Es stellt sich zuletzt natürlich noch die Frage, ob die BERU-Spule den auftretenden Spannungen bis 40.000V stand halten kann, was aus den bekennten technischen Daten nicht klar hervorgeht. In diesem Fall hilft aber die Erfahrung weiter und die besagt, dass ich auf meinem Labortisch noch keine defekte BERU-ZS109 (aus HKZ-Betrieb) gesehen habe. Weiterehin gibt es Kunden, die diese Spule bereits seit ca. 15 Jahren ununterbrochen im Fahrzeug einsetzen. Aus diesem Grunde kann man (wenn auch etwas unwissenschaftlich) davon ausgehen, dass die BERU-Spule langfristig einsetzbar ist und keinen Schaden durch den nicht bestimmungsgemäßen Betrieb nimmt

Interessant sind auch die Vergleiche Primär zu Sekundärverlauf. In den anliegenden Oszillogrammen wurde der Sekundärverlauf mittels Kapazitivabnehmer gemessen.

Bosch (Blau primär / gelb sekundär)

BERU (blau primär / gelb sekundär)

Die Oszillogramme bestätigen nochmals, die bisherigen Erkenntnisse (Bosch kurzer und kräftiger / BERU langer aber schwächerer Zündfunken).

Interessant hier ist, dass der Zündfunke nicht im Nulldurchgang der Primärspannung (Bosch ca. 15uS / BERU ca. 60us) abreisst, sondern weiter brennt (Bosch ca. 25-35us / BERU um 100 us).

Nicht  zu vergleichen sind diese Zündbilder mit denen einfacher Spulen- oder Transistorzündungen. Viele Motoroszilloskope sind nicht einmal in der Lage, die Zündoszillogramme von HKZ-Zündanlagen korrekt wiederzugeben. Falsch ist auch die Annahme, dass an Klemme A(15) 12V (wie bei Transistorzündungen) anliegen müsste. Aus vorgenannten Gründen kommt es häufig zu Fehldiagnosen

Hinweis: uS = Mikrosekunden

Letzte und wichtigste Frage ist: Was bedeutet das im Fahrzeug?

Technisches Fazit:

Die "Überschlagsfreudigkeit" des Zündfunkens wird nicht beeinflusst, da die Überschlagsspannung bei beiden Typen gleiche Absolutwerte erreicht. Damit sind beide Spulen in der Lage, auch bei verrußten Zündkerzen, schlechten Zündkabeln, oder hohen Gemischdrücken einen Funken zu produzieren.

Die Funkenenergie ist insgesamt naturgemäß annähernd identisch (Energieerhaltungssatz). Die Bosch Spule gibt diese Energie aber schneller mit stärkerem Stromfluß ab, die BERU-Zündspule mit schwächerem Stromfluß, dafür aber über einen längeren Zeitraum.

Die Gefahr von zündfähigen Ladefunken ist bei der BERU-Spule nicht gegeben, da die Ladespannungen nur bei ca 2-3kV liegen.

Jetzt könnte man über Poisson-Gleichungen und Zündfähigkeiten von realen Gasgemischen weitere theoretische Überlegungen anstellen, was sicher interessant wäre aber eher akademischer Natur.

Einfacher ist es, auf einem Motorenprüfstand unter gleichen Bedingungen beide Spulen zu prüfen, was mehrere Kunden gemacht haben und keinen Unterschied in der Motorleistung feststellen konnten.

Vorteile Bosch Spule: Sehr kräftiger Funken (großer Strom) / Nachteil Bosch Spule: Sehr kurzer Funken

Vorteile BERU Spule: Sehr lange Funkenbrenndauer / Nachteil BERU Spule: Zündfunke ist weniger kräftig (niedriger Strom)


Quintessenz:

Das unterschiedliche Zündverhalten der Bosch-Spule und der der BERU-Spule ist sowohl theoretisch als auch meßtechnisch deutlich festzustellen. Im realen Einsatz in originalen Zündsystemen des Porsche 911 zeigen sich aber keine signifikanten Unterschiede in der Motorleistung. Beide Zündbilder zeigen Vor- und Nachteile, die sich in Summe gegeneinander aufheben und für den gewünschten Einsatzzweck gleichermaßen geeignet sind.

Hinweis zum Vorwiderstand:

Die BERU ZS-109 Zündspulen tragen den Hinweis, dassein Betrieb nur mit Vorwiderstand erfolgen soll. Dieser Hinweis bezieht sich nur auf den Betrieb in einfachen Transistorzündanlagen (Pertronix Ignitor I, 123-Ignition, Fulmax), da die Ladeströme zu hoch würden. Hinweis: Vorgenannte Systeme sollten im Porsche 911 nicht ohne HKZ eingesetzt werden, da das Zündbild für den Motor nicht optimal ist. In Verbindung mit einer HKZ ist der Einsatz aber möglich und auch durchaus sinnvoll.

Bei Bosch HKZ-Zündungen ist im Zusammenhang mit der BERU ZS-109 Zündspule kein Vorwiderstand einzusetzen!

Weitere Alternativen.

Es mag noch eine Reihe weiter Hochleistungszündspulen geben, die auch gut mit den Bosch HKZ-Geräten zusammenarbeiten. Da die BERU-Spule aber gut verfügbar und preisgünstig ist, besteht im Prinzip keine Notwendigkeit derzeit weitere Alternativen zu evaluieren.

Auf dem Zubehörmarkt (vorwiegend USA) gibt es eine Reihe Spulen, die explizit für HKZ-Systeme angeboten werden. Vermutlich funktionieren diese Spulen gut, aber alle meine Messungen zeigten bisher bei diesen Spulen eindeutig, dass es sich um Hochleistungszündspulen und keine Zündtrafos handelt. Ferner sind diese Spulen häufig mit Öl  anstatt Asphalt (Bitumen) gefüllt (hört man beim Schütteln). Ob sich diese Spulen langfristig für die übliche Überkopfmontage eignen, wage ich zu bezweifeln. Die Gefahr auslaufenden Öls ist relativ groß.

Eine Ausnahme bildet die  MSD Blaster High Vibration Ignition Coil (MSD-8222), welche mit Epoxyd gefüllt ist und für ca. 70 Euro im deutschen Handel erhältlich ist. Teilweise wird von dieser Spule der Originalaufkleber entfernt und die Spule als spezielle HKZ-Spule verkauft. Grundsätzlich handelt es sich aber auch um eine Hochleistungszündspule.

Kennwerte zum Vergleich:

Die originalen Bosch Spulen besitzen folgende (gemessenen) Kenndaten (Primärwiderstand: ca.0,6 Ohm / Primärinduktivität um 0,2mH / Sekundärwiderstand: ca.1,5kOhm / Sekundärinduktivität: ca. 1H / Übersetzungsverhältnis ca. 1:100).
Die Hochleistungszündspulen sind leicht an den deutlich höheren Induktivitäten (Primär ab 5mH /Sekundär: ab ca. 18H) und am hohen Sekundärwiderstand (ab 4kOhm) erkennbar.

Verwechslungsgefahr:

Unglücklicher Weise sind Zündspulen und HKZ-Zündtrafos optisch nahezu identisch. Prüfen Sie bitte anhand der Artikelnummer der Zündspule, ob diese für den Einsatz am HKZ geeignet ist. Im Falle von Bosch HKZ in Porsche Fahrzeugen sind dieses nach unserem Kenntnisstand zumindest folgende Bosch Artikelnummern: 0221121001 / 0221121006 / 0221121009 (ohne Gewähr). Für das 8-pol HKZ-Gerät: 0221121010 / 0221121007 / 0221121004 /0221121002/0221121005)

Defekte Zündspulen:

Defekte an Zündspulen lassen sich nur schwer feststellen, da einfache Meßverfahren versagen bzw. aufgrund der entstehenden Hochspannung lebensgefährlich sind..

Der klassiche Zündspulendefekt ist ein Isolationsfehler zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung oder ein Windungsschluss in der Sekundärwicklung

Oftmals tritt dieser Fehler nur im betriebswarmem Zustand auf, sodass das Fahrzeug nach wenigen Kilometern Fahrtstrecke mit Fehlzündungen liegen bleibt, aber nach einer Abkühlphase wieder problemölos anspringt.
Leider zeigt auch ein defekes HKZ häufig die gleichen Symptome, sodass nicht eindeutig zu klären ist, ob HKZ oder Zündspule (oder beide Komponenten) defekt sind.

In vielen Fällen verursacht auch eine defekte Zündspule durch einen internen Überschlag zusätzlich den Defekt des HKZ-Gerätes, sodass erst eine Reparatur des HKZ mit gleichzeitigem Tausch der Zündspule zum Reparaturerfolg führt.

Rückwärtige Überschläge:

Rückwärtige Überschläge gehören zu den häufigsten Ursachen für defekte HKZ-Einheiten.
Die Zündspannung (bis 40.000 V) kann in diesem Fall aufgrund eines weiteren Defekts am Zündsystem nicht über die Zündkerze abfließen, sondern sucht sich einen anderen Weg zur Fahrzeugmasse. Da der Funken bei 40.000V bis zu 40cm (kein Tippfehler) lang werden kann, sind die möglichen Funkenstreckenverläufe vielfältig.

Leider ist eine der kürzesten Strecken der, aus dem Zündspulendom, über die meist stark verschmutze Zündspulenkappe, direkt zur Klemme A und dann in das HKZ. Folgendes Fotos verdeutlichen den Effekt:

Schlägt die Zündspannung, wie im oberen Bild in das HKZ zurück, wird dieses bereits nach wenigen Überschlägen schwer beschädigt.

Wohin die Zündspannung zurück schlägt, hängt davon ab, welcher der kürzeste und leitfähigste Weg zur Fahrzeugmasse ist. Wir empfehlen aus diesem Grunde die Zündspule und den Stecker an der Zündspule gründlich zu reinigen und auf einen festen, ruckelfreien Sitz des Stecker zu achten.

Es sollte ferner dafür gesorgt werden, dass die Anschlusskabel an Klemme A weiter vom Flansch der Zündspule entfernt sind, als die Anschlüsse an Klemme 1. Sofern bei einem rückwärtigen Überschlag die Zündspannung auf Klemme 1 überschlägt, wird das HKZ nicht geschädigt.

Im folgenden Bild wurde eine Lötöse auf Klemme 1 geschraubt, welche deutlich näher am Flansch der Zündspuule ist, als die Klemme A. Der rückwärtige Überschlag erfolgt somit relativ sicher auf Klemme 1.

Das folgende Bild verdeutlicht die Montage der Lötöse an Klemme 1:

Möchte man noch mehr Sicherheit, ist auch ein Massekabel rund um den Zündkerzenflansch empfehlenswert, welches an Klemme 1 der Zündspule angeschlossen wird.


 

Ursachen des rückwärtigen Überschlages:

Der rückwärtige Überschlag erfolgt immer dann, wenn der Zündfunke nicht an einer der Zündkerzen überschlagen kann. Die Spannung steigt dann von ca. 15.000V bei einem normalen Überschlag an der Zündkerze auf über 40.000V und kann somit bis zu 40cm Luftstrecke überbrücken.

Gründe:

Prüfmöglichkeiten:

Fehler an Zündkabel, Zündkerzensteckern und Zündkerzen können leicht mit einem handelsüblichen Ohmmeter geprüft werden. Das Bauteil ist vollständig auszubauen und der Widerstand ist zu messen. Nicht entstörte Bauteile besitzen einen Widersand von wenigen Ohm (ca. 5 Ohm). Entstörte Bauteile besitzen Widerstandswerte von 1kOhm (Stecker am Verteiler), 3kOhm (Zündkerzenstecker) oder 5 kOhm (Verteilerfinger). Die Widerstandswerte können modellweise variieren und nicht alle Fahrzeuge besitzen umfassend entstörte Zündanlagen.  Defeke Komponenten weisen zumeist Widerstände von mehren 10 kOhm bis in den Megaohmbereich auf, sodass ein Fehler relativ sicher festzustellen ist.

Führt dieses nicht zum Erfolg, hilft nur ein Motoroszilloskop, welches möglichst alle 6 Zündbilder der einzelnen Zylinder gleichzeitig darstellen kann. Der Vergleich der Zündbilder liefert zumeist recht schnell zumindest den Zündpfad, welcher für den Überschlag verantwortlich ist. Sofern keiner der Zylinder zündet, ist der Fehler im oder vor dem Zündverteiler zu suchen.

Steht kein Motoroszilloskop zur Verfügung, kann auch mit einem Zündstroboskop (mit berührungslosem Signalaufnehmer) in jedem Zündpfad und zwischen Spule und Verteiler überprüft werden, ob eine Zündung erfolgt.
Bei genauem Betrachten der Blitzfolge im Leerlauf oder bei Anblitzen des Zündzeitpunktmarkers können auch einzelne Zündaussetzer festgstellt werden.

Warnhinweis und Haftungsausschluß:

Obige Hinweise erfolgen unter Ausschluß jeglicher Gewähr und Haftung. Es besteht kein Anspruch auf Richtigkeit. Beachten Sie bitte, dass jegliche Änderung am Fahrzeug eine Bauartveränderung darstellt und in alleiniger Verantwortung der ausführenden Person liegt.

Von Arbeiten an unter Spannung stehenden Zündanlagen raten wir grundsätzlich ab. Halten Sie bitte von allen spannungsführenden Teilen der Zündanlage mindestens 1m Abstand und berühren Sie nicht die Masse des Fahzeuges.

Dem Laien wird grundsätzlich von Arbeiten an Kraftfahrzeugen und insbesondere Zündanlagen abgeraten. Obige Hinweise richten sich aus diesem Grunde nur an Kfz-Mechatronikermeister, denen Funktionsweise und Gefahren von HKZ Zündanlagen bekannt sind.

Fragen: