Ingenieurbüro Gerberding

Leistungssteigerung der HKZ

Im Folgenden erhlaten Sie, auf vielfachen Kundenwuch, einige Informationen zu Leistungssteigerungen von HKZ und Zündsystemen

Wofür wird eine Leistungssteigerung benötigt?

Prinzipbedingt nimmt die Zündenergie von 3- und 6-poligen HKZ mit der Drehzahl ab.
Die folgenden 2 Oszillogramme zeigen die Zündverläufe einer 3-poligen Bosch HKZ an Klemme A, bei Einzelzündung und bei 8000 UPM:

Einzelzündimpuls:

Zündimpuls bei 8.000 UPM

Wie leicht zu erkennen ist, lässt die Zündspannung erheblich nach. Da die Zündenergie vom Quadrat der Zündspannung abhängig ist ergibt sich bei konkreten Zahlenwerten noch ein viel deutlicheres Bild:

Zündenergie im Einzelschuss: W= 122 mJ (Millijoule)
Zündenergie bei 8.000 UPM:    W=  47 mJ (Millijoule)

Die benötigte Zündenergie zur sicheren Gemischentflammung ist ganz erheblich von der realen Verdichtung des Gemisches und von den Verlusten im Zündsystem abhängig .
Es sind im Regelfall Zündenergien zwischen 40 und 60 mJ notwendig, um das Gemisch optimal zu entflammen.

Hier sieht man deutlich, dass bei 8.000 UPM die Zündenergie vermutlich - selbst bei geringer Verdichtung - nicht ausreicht. Die zugehörigen Motoren waren aber im Originalzustand auch nur für Drehzahlen bis ca. 6.500 UPM ausgelegt.

Im Folgenden Diagramm finden Sie den Verlauf der Ausgangsspannung des HKZ und der zugehörigen Zündenergie (jeweils in %) über den gesamten Drehzahlbereich.
Es ist sehr gut zu erkennen, dass die Zündenergie, im Gegensatz zum fast linearen Ausgangsspanungsverlauf, nicht linear sondern parabelförmig abnimmt. Diese Beobachtung entspricht der mathematischen Theorie zur Berechnung der Zündenergie, in deren Formel die Zündspannung quadratisch eingeht.

Zündspannung und Zündenergie in Abhängigkeit der Drehzahl. Beide Meßwerte sind normiert auf 100%  bei 440V, 145mJ und Drehzahl 0 UPM (andere HKZ als obig betrachtet):

 

Sehr gut ist auch erkennbar, dass der Verlauf der Kurven ab ca. 7000 UPM (prinzipbedingt) unregelmäßig verläuft. Das HKZ war auch nur auf den Drehzahlbereich bis etwa 7000 UPM ausgelegt.

Wann benötige ich ggf. eine leistungsgesteigerte HKZ?

Wir können davon ausgehen, dass die Bosch HKZ sehr gewissenhaft konstruiert wurde und auf die zugehörigen Motoren im Originalzustand abgestimmt ist. Ein Hinweis dafür ist z. B. auch, dass im Porsche 930 (Turbo) eine 8-polige HKZ zum Einsatz kommt, welche eine erheblich höhere Zündenergie im oberen Drehzahlbereich besitzt.

Sofern Ihr Motor nicht nachträglich leistungsgesteigert wurde, alle Komponengen des Zündsystems korrekt arbeiten und mit der original zugehörigen HKZ betrieben werden, benötigen Sie keine Leistungssteigerung.

Sofern Ihr Motor leistungsgesteigert wurde oder als 930 Turbo (z. B.) nur mit einer 6-poligen HKZ ausgestattet ist, könnte die Leistungsentfaltung im oberen Drehzahlbereich zu Wünschen übrig lassen, bzw. die gewünschte Maximaldrehzahl nicht erreicht werden.

Diesem Problem wird oftmals auch durch Umrüstung auf Doppelzündalange begegnet, was in jedem Fall zu besserer Motorleistung führt, das Problem aber nicht an der Wurzel packt. Bei nicht leistungsgesteigerter  Doppelzündung wird das Gemisch zwar an 2 verschiedenen Orten entflammt, jedoch ggf. an beiden Orten nicht mit der notwendigen Energie, um eine optimale Flammfront zu erzeugen.

Das folgende Diagramm zeigt die Zündleistungen der normalen HKZ, der leistungsgesteigerten HKZ und der 8-pol HKZ. Normiert ist das Diagramm wieder auf die Leistung der 3-pol HKZ bei Einzelzündfunken (= 100%)

Man erkennt gut die überraschend geringe Zündleistung der 8-pol HKZ im unteren Drehzahlbereich. Diese spielt ihre Vorteile erst oberhalb von ca. 3000 UPM aus. Die geringere Zündleistung im unteren Drehzahlbereich stellt aber auch keinen Nachteil dar.

Die leistungsgesteigerte HKZ kann mit der 8-pol HKZ bis knapp unterhalb von 7000 UPM mithalten. Weitere Leistungssteigerungen sind in der Originaltechnik nicht machbar, da die Verlustleistung und damit die Wärmeentwicklung zu stark ansteigt. Das 3- und 6pol HKZ hat bei 10.000 UPM etwa eine Leistungsaufnahme bis 45W. Das 8-pol HKZ nimmt bis zu 70W Leistung auf und kann die entstehende Wärme über das gerößere Gehäuse besser abführen.

Bei der leistungsgesteigerten HKZ ist die maximale Zündleistung aufetwa 130% begrenzt, da die Zündspannung andernfalls kritische Werte erreichen würde.

Möglichkeiten der Leistungssteigerung:

Die 3- und 6-poligen HKZ besitzen Potential zur Leistungssteigerung, da ein Teil der Ladeenergie durch eine Schutzschaltung in Wärme umgewandelt wird und für den Zündfunken nicht mehr zur Verfügung steht.

Diese Schutzschaltung war notwendig, um die betreffenden Bauteile vor zu hoher Spannung zu schützen. Hierbei muss bedacht werden, dass dieser Teil der Schaltung im Prinzip Mitte der 1960er Jahre entwickelt wurde, als Leistungselektronik sehr teuer war und auch bei weitem nicht die Grenzdaten von modernen Bauteilen erreichte.

Die Leistungssteigerung selbst wird durch den Einsatz spannungsfesterer Bauteile und Veränderung der Einschaltschwelle der Schutzbeschaltung erreicht.

Die Gesamtenergiebilanz und Stromaufnahme der HKZ ändert sich fast nicht, da die freigesetzte Energie zuvor innerhalb der HKZ in Wärme umgewandelt wurde. Nach der Modifikation kommt diese Energie dem Zündimpuls zugute.

Es ändert sich selbstverständlich die Energiebilanz der Zündspule (Zündtrafo), welche mehr Energie zugeführt bekommt und dadurch auch mehr Verlustleistung produziert und mehr Wärme abgibt. Dieser Effekt hat aufgrund der sehr robusten Konstruktion der Bosch Zündspule aber keine negativen Auswirkungen (Tests mit Zubehörzundspulen liegen nicht vor). 

Resultate der Leistungssteigerung:

Grundsätzlich gibt es 2 Möglichkeiten, die Leistungssteigerung zu nutzen:

1. Höhere Zündspannung

Die Zündspannung wird gesteigert, dadurch wird der Zündfunke kräftiger, was insbesondere Probleme mit verrußten Zündkerzen, schlechten Verteilerkontakten, porösen Zündkabeln, etc. verbessert. Durch die höhere Zündspannung wird selbstverständlich auch die Gemischentflammung im oberen Drehzahlbereich verbessert, jedoch nicht unbedingt sehr deutlich.

2. Längere Funkendauer

Die zur Verfügung stehende Mehrleistung kann auch zur Verlängerung der Funkendauer bei gleichbleibender Zündspannung genutzt werden. Die zuverlässie Gemischentflammung bei hoher Verdichtung ist sehr stark von der Brenndauer des Zündfunkens abhängig.

Folgende Oszillogramme verdeutlichen die Erhöung der Funkenbrenndauer:
(zur besseren Sichtbarkeit wurden die Zeitmeßpunkte nicht normgerecht eingestellt)

Normale Brenndauer:

Erhöhte Brenndauer bei gleicher Zündspannung.

Da es leider nicht möglich ist, die beiden Parameter einfach über ein Stellrad zu verstellen und eine Optimierung nur auf einem Leistungsprüfstand unter erheblichen Aufwand möglich wäre, optimieren wir die HKZ im Regelfall ausgewogen, was Zündspannung und Funkendauer angeht.

Bei Doppelzündungen ist es durchaus interessant, eine HKZ hinsichtlich der Zündspannung und eine HKZ hinsichtlich der Brenndauer zu optimieren.

Vorsicht vor Marketingaussagen!

Oftmals wird für verschiedenste Produkte (Zündkabel, Zündkerzen, HKZ Nachbauten) mit dem Schlagwort "Leistungsgesteigert" geworben. Hier raten wir zur Vorsicht!

Der Begriff Leistung in der Elektrotechnik ist nicht automatisch als Dauerleistung definiert. Zu vergleichen ist dieses mit den alten Spielchen, rund um die Leistung von HiFi-Anlagen. Hier wurden oftmals extreme Impulsspitzenleistungen angegeben und die relativ geringe (aber relevante) Sinusleistung verschwiegen.

Interessant ist die Zündimpulsenergie, welche die HKZ abgibt.

Lassen Sie sich immer bestätigen, welche Energie das beworbene Gerät bei Einzelzündung bzw. Leerlauf und bei Maximaldrehzahl abgibt und vergleichen Sie diese Angaben mit den obigen Werten einer durchschnittlichen 3-poligen HKZ! Alternativ fragen Sie nach der prozentualen Steigerung der Zündenergie, nicht der Zündleistung.
 
Die Einheit der Energie ist 1 J (Joule) oder auch 1 Ws (Wattsekunde). Aufgrund der geringen Werte, wird oftmals Millijoule oder Milliwattsekunde verwendet (1 Millijoule = 1/100 Joule).

Vergessen Sie bitte auch nicht, dass stets der Energieerhaltungssatz gillt:
Vereinfacht: Nur was reingeht kann auch rauskommen

Ein schönes Beispiel ist eine "leistungsgesteigerte" Zündpule für HKZ-Betrieb.
Sicherlich lässt sich durch eine Erhöhung des Übertragungsfaktors von üblichen1:100 die maximale theoetische Zündspannung beliebig erhöhen.

Fakt ist aber, dass seitens der HKZ nur eine bestimmte Energiemenge in die Zündspule abgegeben wird! Und auch nur maximal diese Energiemenge kommt aus der Zündspule wieder heraus, wenn man die Verluste in der Zündspule vernachlässigt.

Erhöht man somit die Zündspannung, ohne Erhöhung der Zündenergie, so nimmt zwangsläufig die Brenndauer des Zündfunkens ab.

Erreichbares und Dokumentation:

Sofernd Sie im Rahmen eine Reparatur bzw. Überholung eine Leistungsteigerung in Auftrag geben möchten, kontaktieren Sie uns bitte zuvor, um sicherzustellen, dass diese Leistungssteigerung für Ihren konkreten Anwendungsfall sinnvoll ist.

Selbstverständlich dokumentieren wir die erreichte Leistungssteigerung im Prüfprotokoll.

Leistungsgesteigerte HKZ bei Einzelzündimpuls:

Leistungsgesteigerte HKZ bei 8.000 UPM:

Die Zündenergien liegen jetzt bei 242 mJ bzw. 64 mJ. Es ergibt sich zu den eingangs ermittelten Werten eine echte Leistungssteigerung zwischen 36% (8.000 UPM) und 100% (Einzelzündimpuls). Interessant ist sicherlich auch die Energie im Leerlauf, welche bei 187 mJ liegen würde.

Im Realfall würde man allerdings die Zündspannung zugunsten einer längeren Funkenbrenndauer senken. Die Zündimpulsenergie bleibt immer gleich (Energieerhaltungssatz).

Nach dem Motto "Viel hilft viel" kann auch eine 8-polige HKZ eingesetzt werden, welche für den Porsche 930 Turbo konstruiert war. Auch diese lässt sich noch modifizieren, sodass Zündleistungen von ca. 100 mJ, konstant über den gesamten Drehzahlbereich erreichbar sind. Das folgende Oszillogramm zeigt eine 8-polige HKZ bei 8.000 UPM:

8-polige HKZ bei 8.000 UPM:
(Schaltungsprinzipbedingt ergbt sich kein Überschwingen, wie bei den 3- und 6-poligen HKZ)

Die 8-poligen HKZ lassen sich durchaus für den Betrieb in Fahrzeugen mit 3-poliger oder 6-poliger HKZ umrüsten.