Zündspulen
Grundlagen
Die Zündspule im Zündungsprozess
An der Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs sind mehrere Bauteile beteiligt. Neben der Zündkerze und den Zündleitungen ist hier insbesondere die Zündspule zu nennen. Sie steht am Anfang des Zündprozesses, denn sie erzeugt die Hochspannung, die den Funkenüberschlag an der Zündkerze hervorruft.
In der hier zu sehenden klassischen Variante sorgt ein mechanischer Zündverteiler dafür, dass diese Spannung nacheinander - und zum richtigen Zeitpunkt – zu den einzelnen Zylindern und Zündkerzen gelangt.
Dabei wird die Zündspannung über die Verteilerkappe und die Zündkabel zum Zündkerzenanschluss geleitet. Von hier gelangt sie zum Ende der Mittelelektrode und überwindet den Luftspalt zur Masseelektrode in Form eines Funkens.
Aufbau der Zündspule
Die Zündkerze benötigt Hochspannung um zu funken. Da die Batterie in der Regel 12 Volt liefert, muss diese Ausgangsspannung transformiert werden. Dies ist die Aufgabe der Zündspulen. Sie wandeln die Batteriespannung in einen Impuls von vielen Tausend Volt um.
Vom Grundprinzip her ist jede Zündspule gleich aufgebaut: In ihr finden sich zwei Spulen mit einem gemeinsamen ferromagnetischen Kern.
Beide Spulen verfügen über eine Wicklung aus Kupferdraht. Die Primärspule bringt es auf wenig Windungen mit größerem Drahtdurchmesser, die Sekundärspule auf mehr Windungen aus dünnerem Draht. Das Windungsverhältnis beträgt in etwa 1:150 bis 1:200.
Hochspannungsanschluss Klemme 4
An Klemme 4 liegt die Hochspannung des Sekundärstromkreises an und kann über den Verteiler zur Zündkerze geführt werden.</p>
Klemme 15
Klemme 15 stellt die Verbindung zum Zündstartschalter her („geschaltetes Plus“).
Klemme 1
Diese Klemme dient je nach Bauart entweder der Verbindung zum Unterbrecherkontakt oder zum Zündsteuergerät.
Isolierdeckel
Sorgt wie Vergussmasse und Isolierpapier für eine optimale Isolierung der entstehenden Spannungen.
Vergussmasse
Sorgt wie Isolierdeckel und Isolierpapier für eine optimale Isolierung der entstehenden Spannungen.
Eisenkern
Der ferromagnetische Eisenkern verstärkt das in der Primärspule entstehende Magnetfeld.
Mantelblech
Das Mantelblech trägt dazu bei, den magnetischen Kreis zu schließen.
Verbindung Sekundärspule / Klemme 4
Verbindet die Sekundärspule mit dem Hochspannungsanschluss und sichert so die Übertragung des Spannungsimpuls.
Sekundärspule
Die Sekundärspule wird mit extrem dünnen Draht gewickelt und verfügt über viele Windungen.
Primärspule
Die Primärspule wird mit relativ dickem Draht gewickelt und verfügt über relativ wenige Windungen.
Wickellagen aus Isolierpapier
Sorgen wie Isolierdeckel und Vergussmasse für eine optimale Isolierung der entstehenden Spannungen.
Isolierkörper
Hält zusammen mit dem Isolierdeckel den Eisenkern fest.
Gehäuse
Robust und mit niedrigsten Toleranzen gefertigt.
Funktionsprinzip der Zündspule
Wie bringt es die Zündspule fertig, aus 12 Volt 30.000 Volt und mehr zu machen? Das Prinzip ist schnell erklärt:
Über das Zündschloss ist Klemme 15 mit dem Pluspol der Batterie verbunden. Klemme 1 ist auf Masse geschaltet. Sobald der Stromkreis geschlossen wird, fließt Strom durch die Primärspule. Wie bei jedem Leiter, durch den Strom fließt, entsteht ein Magnetfeld (Elektromagnetismus).
Wird der Spannungsfluss unterbrochen, bricht das Magnetfeld in sich zusammen. Dabei wird in der Primärspule ein elektrischer Impuls von 300 bis 400 Volt ausgelöst. Diesen Vorgang bezeichnet man als "Induktion".
Dass diese Induktion einen Hochspannungs- impuls erzeugt, liegt unter anderem am Windungsverhältnis von Primär- zu Sekundär- spule. Es trägt dazu bei, die Energie zu vervielfachen. Dies bezeichnet man als Transformation.
Einzelfunkentechnik
Bei Zündspulen unterscheidet man zwei grund- legende Funktionsweisen: "Einzelfunkentechnik" und "Doppelfunkentechnik".
Einzelfunken-Zündspulen geben immer nur einen Hochspannungsimpuls über einen Hochspannungsabgang ab.
Die klassische Ausprägung einer Zündspule mit Einzelfunkentechnik ist die Verteiler-Zündspule: Sie gibt ihre Zündenergie immer an den mecha- nischen Zündverteiler ab, der entsprechend der Zündfolge die Verteilung übernimmt.
Bei den Fahrzeugherstellern ist die Einzel- funkentechnik heute beliebter denn je, allerdings in Form von Kerzenschachtzündspulen. Hier versorgt eine Zündspule genau je einen Zylinder.
Doppelfunkentechnik
Doppelfunken-Zündspulen sind Zündspulen mit mehreren Hochspannungsabgängen, die zwei Zündkerzen gleichzeitig mit Zündenergie versorgen.
Bei der klassischen Zündfolge eines Vierzylinders erhalten Zylinder 1 und 4 sowie Zylinder 2 und 3 jeweils simultan einen Hochspannungsimpuls.
Aufgrund der unterschiedlichen Taktung befindet sich allerdings nur einer dieser Zylinder im Arbeitstakt, in dem das Luft-Kraftstoff-Gemisch entzündet wird.
Der andere Zylinder befindet sich im Ausstoßtakt. Hier entsteht ein so genannter Stützfunke, der wirkungslos verpufft. Man spricht daher auch von einem „verschwendeten Funken“ („Wasted Spark“).
Doppelfunkentechnik findet sich in Blockzündspulen und in Kerzenschachtzündspulen.
Aufbau
Evolution der Zündspule
Viele Entwicklungen haben dazu beigetragen, dass über die Jahre unterschiedliche Zündspulentypen entwickelt wurden.
Zunächst lag der Fokus auf Ausfallsicherheit und Zündsicherheit. Doch spätestens mit Einführung des 3-Wege-Katalysators Anfang der 1980er-Jahre und der Direkteinspritzung wurde die Verlässlichkeit und exa
Im Zuge der Entwicklung moderner Downsizing-Aggregate, die die strengen EURO-Normen erfüllen und den CO und Kraftstoffverbrauch senken, wuchsen auch die Anforderungen hinsichtlich Zündspannungsbedarf, extremer Hitzebeständigkeit, Steigerung der Transformationsleistung, elektromagnetischer Verträglichkeit und Gewichtsreduktion.
Heute existiert eine Vielzahl unterschiedlichster Zündspulenarten.
Becherzündspule
Die Becherzündspule ist eine Verteilerzündspule und gehört zu den ältesten Zündspulentypen. Sie ist in Oldtimern und älteren Fahrzeugen zu finden.<br><br>Früher war sie häufig mit Öl als Isolator gefüllt. Das Problem: Mit der Zeit stieg das Leckage- und Kurzschluss-Risiko.
Verteilerzündspule
Nach den Becherzündspulen kamen deutlich kompaktere und leistungsfähigere Versionen der Verteilerspule zum Einsatz.
Doch ein wichtiger Schwachpunkt dieser traditionellen Zündvorrichtung blieb bestehen: die mechanische Verteilung. Zum einen, weil mechanische Belastung stets mit Verschleiß einhergeht. Zum anderen, weil mechanische Verteiler mit der Zeit und je nach Witterung unter Feuchtigkeits- und Kontaktproblemen leiden konnten.
Zündspulensysteme
Einige Automobilhersteller kamen auf die Idee, mehrere Zündspulen in einem kompletten System zusammenzufassen.
Solche Zündspulensysteme werden auch als „Rail“ bezeichnet und können je nach Anwendung mit einer Ionenstrommessung ausgestattet werden, die die Verbrennungsqualität überprüft.
Blockzündspule
Fahrzeuge mussten verstärkt neuen Anforderungen genügen: Ihr Betrieb sollte effizienter, verbrauchsärmer und umweltfreundlicher werden.
Die Verlässlichkeit und Steuerung der Zündung spielt hierbei eine besondere Rolle. Mit der Entwicklung von Blockspulen mit Zündmodul, den typischen Vertretern von Zündsystemen mit „ruhender Verteilung“, wurde dies erreicht.
Kerzenschacht-Zündspulen
Nach der Jahrtausendwende begann der Siegeszug von kleinen Downsizing-Motoren, die dank Turbolader ähnlich viel Leistung wie größer dimensionierte Aggregate früherer Zeiten lieferten.
Aufgrund hoher Ladedrücke und schneller Gemischbewegungen erforderten sie allerdings höhere Zündspannungen, die ohne Leitungsverluste und Störung der Bordelektronik bei der Zündkerze ankommen sollten.
Deshalb wurden Kerzenschacht-Zündspulen entwickelt, die die Hochspannung direkt auf der Zündkerze sitzend erzeugen und ohne traditionelle Zündleitungen auskommen.
Die Verteilerzündspule
Die Verteilerzündspule ist der älteste Spulentyp. Sie wurde zunächst als Becherzündspule produziert und zur Isolation mit Öl oder Asphalt gefüllt.
Die modernere Bauart ist die Blockzündspule mit oder ohne integrierte Endstufe (Zündmodul). Sie ist je nach Fahrzeug entweder im Verteiler zu finden oder im Motorraum installiert.
Verteilerzündspulen geben ihren Hochspannungsimpuls an einen rotierenden Verteiler ab. Der Verteiler leitet den Impuls der Zündfolge entsprechend über die Zündleitungen an die jeweiligen Zylinder weiter.
Die maximal erzielbare Spannung beträgt bei diesem Spulentyp 30.000 Volt.
Die Verteilerzündspule mechanischer Verteiler
Hier sehen Sie ein Schema der Hochspannungsverteilung mit mechanischem Verteiler.
Unter der Verteilerkappe rotiert ein auf die Verteilerwelle aufgesteckter Verteilerfinger. Passiert der Verteilerfinger die Kontaktflächen der einzelnen Zylinder, wird der Hochspannungsimpuls an den jeweiligen Zylinder weitergeleitet.
Die Blockzündspule
In einer Blockzündspule sind mehrere Zündspulen kombiniert und steuern über Zündleitungen mehrere Zündkerzen an. Die meisten Blockzündspulen arbeiten dabei mit Doppelfunkentechnik.
Je nach Herstelleranforderung versorgt eine Blockzündspule also mindestens zwei Zündkerzen. Eine Blockzündspule mit vier Hochspannungsabgängen und Einzelfunkentechnik kann aber auch einen kompletten 4-Zylinder-Motor versorgen.
Blockzündspulen arbeiten mit ruhender Verteilung. Angesteuert werden sie mit Hilfe des Zündmoduls, um den Zündzeitpunkt variabel und genau bestimmen zu können. Das Zündmodul ist je nach Fahrzeug entweder Teil der Motorsteuerung oder bereits in die Blockzündspule integriert.
Eine Blockzündspule kann Zündspannungen bis 36.000 Volt erzeugen.
Blockzündspule: Aufbau
Im Querschnitt hier deutlich zu erkennen: Zwei Zündspulen, die in einer Blockzündspule integriert wurden.
Das Innere der Blockzündspule wird bei hochwertigen Zündspulen im Vakuumgussverfahren mit Epoxidharz vergossen: So entsteht ein idealer Isolator, da eine hohe Dichte gewährleistet ist und keine Luftbläschen eingeschlossen werden können.
Die Kerzenschacht-Zündspule
In modernen Downsizing-Motoren steht nur wenig Platz zur Verfügung. Gleichzeitig sind hohe Zündspannungen erforderlich und die empfindliche Bordelektronik muss vor elektromagnetischen Störungen geschützt werden.
Für diese Anforderungen wurde die Kerzenschacht-Zündspule entwickelt. Diese Type wird direkt auf die Zündkerze aufgesteckt. Sie nutzt die vorhandene Zündkerzenbohrung im Zylinderkopf und nimmt daher keinen zusätzlichen Platz im Motorraum in Anspruch.
Kerzenschacht-Zündspulen mit Einzelfunkentechnik bieten einen Vorteil: Die Hochspannung wird nahezu direkt an jeder Zündkerze erzeugt und muss nicht über Hochspannungszündleitungen transportiert werden. Leitungsverluste sind praktisch ausgeschlossen.
Bei Kerzenschachtzündspulen mit Doppelfunkentechnik dagegen wird nur eine Zündkerze ohne Hochspannungsleitung versorgt. Für den Anschluss der zweiten Zündkerze ist eine Hochspannungsleitung erforderlich.
Kerzenschacht-Zündspulen können Hochspannungen bis zu 40.000 Volt erzeugen.
Die Kerzenschacht-Zündspule 2
Kerzenschacht-Zündspulen sind in Fahrzeugen mit vollelektronischer Zündung zu finden.
Die Kontaktierung mit dem Zündkerzenterminal wird häufig über einen so genannten Druckfederanschluss hergestellt. Eine hohe Überschlagsfestigkeit ist damit selbst bei höchsten Zündspannungen sichergestellt.
Die Ansteuerung der Zündspule erfolgt über die Motorsteuerung oder über ein in die Zündspule integriertes Zündmodul.
In der Einzelfunken-Ausführung verfügen Kerzenschacht-Zündspulen über Hochspannungsdioden zur Unterdrückung des Einschaltfunkens.
Doppelfunkenzündspulen kommen ohne Diode aus und liefern zwei Zündkerzen gleichzeitig die erforderliche Spannung.
360° Ansicht einer Kerzenschachtzündspule
Zündspulen-Systeme
Bei Zündspulen-Systemen, den so genannten „Rails“, sind häufig mehrere Kerzenschacht-Zündspulen in einem Bauteil zusammengefasst.
Wie einzelne Kerzenschacht-Zündspulen sind Komplettsysteme daher mit Doppel- und Einzelfunkentechnik sowie mit oder ohne Zündmodul verfügbar.
In der Einzelfunkenvariante erfordern auch sie integrierte Hochspannungsdioden zur Vorbeugung unerwünschter Vorentflammungen durch den Einschaltfunken.
Zündspulen-Systeme können Zündspannungen bis 40.000 Volt erzeugen.
Zündspulen-Systeme 2
Hier im Querschnitt: Ein Komplettsystem für einen Vierzylinder-Motor. In diesem speziellen System sind zwei Kerzenschacht-Zündspulen mit Doppelfunkentechnik in einem Gehäuse zusammengefasst. Jede der beiden Zündspulen versorgt über je zwei Druckfederkontakte zwei Zündkerzen mit Hochspannung.
Anforderungen
Elektrische Anforderungen
Die Anforderungen, die in elektronischer Hinsicht an die Zündspule gestellt werden, sind immens. So dürfen weder Spannungsüberschlage zwischen den einzelnen Wicklungen auftreten (so genannte Windungsschlüsse), noch darf die produzierte Hochspannung auf Masse durchschlagen. Hinzu kommt, dass die Zündspule mit ihren elektromagnetischen Feldern andere elektronische Bauteile nicht stören darf. Zudem muss sie selbst gegen Störaussendungen immun sein.
Da Luft ein guter Leiter ist, kommt der Vergussmasse im Innern der Spule große Bedeutung zu. Sie wird idealerweise im Vakuumgussverfahren gegossen, so dass es nicht zum Einschluss von Luftbläschen kommt. Sie wären der Hochspannung als unerwünschte Zwischenstationen beim Überspringen auf Masse behilflich. Auch die Wicklung selbst spielt eine wichtige Rolle: Je sauberer der Draht gewickelt ist, desto geringer ist das Risiko eines Windungsschlusses.
Thermische Anforderungen
Aufgrund ihrer Einbaulage ist die Zündspule hohen Temperaturen unter der Motorhaube ausgesetzt. Dies gilt insbesondere für Zündspulen, die nahe am Abgastrakt positioniert sind oder für Kerzenschachtzündspulen, die direkt auf dem Zylinderkopf sitzen.
Auch der "Kälteschock" stellt ein Risiko dar: Wenn die erhitzte Zündspule nicht ausreichend vor Spritzwasser geschützt ist, kann er zu einem irreparablen Schaden führen.
Denn trifft kaltes Wasser auf Bauteile, die sich unter direkter Hitzeeinwirkung zuvor ausgedehnt haben, kommt es zu einer schnellen Abkühlung und Hitzschrumpfung. Dabei entstehen Mikrorisse beispielsweise im Gehäuse, die im Betrieb zu erheblichen Problemen führen können.
Sonstige bauartbedingte Anforderungen
Viele weitere Anforderungen müssen von einer Zündspule erfüllt werden, damit ein sicherer Betrieb gewährleistet ist.
Zum einen müssen die Abmessungen stimmen und mechanische Passgenauigkeit gegeben sein. Ist dies nicht der Fall, treten am Gehäuse mechanische Spannungen auf, die Schäden verursachen können.
Im Innern der Zündspule wie außen am Gehäuse müssen zudem alle Materialien, Komponenten, Verdrahtungen, Lötstellen und Anschlüsse den hohen Standards der Automobilindustrie genügen. Von der Qualität der verwendeten Kunststoffe über die Passgenauigkeit der Dichtungen bis hin zu perfekt verarbeiteten Eisenkernen.
Einbau
Die Wahl der richtigen Zündspule
Die passende Zündspule für annähernd jedes Fahrzeug in Europa bietet das NGK Zündspulensortiment. Es umfasst 350 Zündspulentypen, die in sechs Kategorien eingeteilt sind.
Ein cleveres Nummernsystem verrät bereits anhand der ersten beiden Stellen viel über die Art der Zündspule sowie die Anzahl der für ein Fahrzeug möglicherweise benötigten Zündspulen und Zündleitungen.
Hier sehen Sie die sechs unterschiedlichen Kategorien für NGK Zündspulen. Sie sind U1 bis U6 benannt und stehen für unterschiedliche Zündspulentechnologien.
U1 000
Bei einer NGK Zündspule der Kategorie U1 handelt es sich immer um eine Zündspule für Fahrzeuge mit mechanischem Zündverteiler. Sie versorgt die Zündkerzen also mittels Verteiler mit Spannung. Wichtig für den Fahrzeugservice: Die Anzahl der Zündleitungen entspricht hier der Anzahl der Zündkerzen. Zusätzlich wird eine Leitung zum Verteiler benötigt.
U2 000
Das Anfangskürzel U2 bezeichnet eine Blockzündspule mit mehreren Hochspannungsabgängen. Eine solche Zündspule versorgt mehrere Zündkerzen auf einmal. Von dieser Zündspule sind je nach Fahrzeug eine oder gleiche mehrere Zündspulen erforderlich, in der Regel wird eine Zündspule pro Zylinderkopf benötigt. Die Anzahl der Zündleitungen entspricht dabei der Anzahl der Zündkerzen.
U3 000
Hier sehen Sie eine Blockzündspule mit zwei Hochspannungsabgängen. Eine Zündspule versorgt gleichzeitig zwei Zündkerzen mit einem Funken. Dieser Typ erhält im NGK Nummernsystem die Bezeichnung U3. Je nach Anwendung sind für ein Fahrzeug mehrere solcher Spulen erforderlich. Die Anzahl der Zündleitungen entspricht der Anzahl der Zündkerzen.
U4 000
Dies ist eine Kerzenschachtzündspule mit Doppelfunkentechnik. Sie heißt auch Stab- oder Steckerzündspule. In dieser Ausführung namens U4 bedient sie zwei Zündkerzen mit Hochspannung. Die Spule steckt direkt auf der ersten Zündkerze. Es wird pro Spule eine Zündleitung benötigt.
U5 000
Kommen wir nun zur Kerzenschachtzündspule mit Einzelfunkentechnik. Sie trägt den Namen U5 und versorgt immer nur einen Zylinder. Es werden keine Zündleitungen benötigt.
U6 000
Schließlich umfasst das NGK Sortiment auch Zündspulen-Systeme. Hierbei handelt es sich um zylinderindividuelle Zündspulen in einem Komplettsystem, das somit alle Zündkerzen mit Spannung versorgt. In der Regel kommt ein solches System ohne Zündleitungen aus.
Einbautipps
Damit die Zündspule ihre Arbeit über viele Kilometer optimal verrichten kann, ist ein fachgerechter Einbau unverzichtbar.
So gilt es grundsätzlich, auf Gewalteinwirkung zu verzichten. Sofern eine Zündspule nicht passt, sollte zunächst die Zuordnung zum Fahrzeug kontrolliert werden.
Gleiches gilt für die Anschlüsse von Zündkerzen und Zündleitungen: Sie müssen zu den entsprechenden Anschlüssen der Zündspule passen. Falls ein falscher Anschluss verwendet wird, können die Kontakte oxidieren und beschädigt werden.
Schließlich sollte stets fachgerechtes Werkzeug zum Einsatz kommen. Dies gilt insbesondere, sofern Spezialwerkzeuge zur Verfügung stehen. So besteht bei den gerade in die Zündkerzenbohrung eingebauten Kerzenschachtspulen das Risiko der Verkantung und des Bruchs, sofern kein Abzieher verwendet wird, der ein gerades Abziehen ermöglicht.
Nicht zuletzt sollten mögliche Befestigungsschrauben der Zündspule immer mit dem richtigen Drehmoment angezogen werden.
Diagnose
Widerstandsmessung an Blockzündspulen - U2001
Die Funktion einer Blockzündspule lässt sich mit einem Ohmmeter anhand ihres elektrischen Widerstands testen. Die Prüfung findet im ausgebauten Zustand statt. Gemessen wird der elektrische Widerstand im Sekundärbereich.
Magnetfeldmessung
Neben der Widerstandsmessung ist die Magnetfeldmessung eine besonders schnelle und einfache Methode, um die Funktion der Zündspule zu überprüfen.
Denn: Eine funktionierende Zündspule produziert ein Magnetfeld, dessen Stärke wiederum Aufschluss über die Funktionsfähigkeit der Spule gibt.
Der Detektor wird hierzu über das zu prüfende elektrische Bauteil gehalten. Ein akustisches Signal und leuchtende LEDs geben sofort Aufschluss über dessen Funktionsfähigkeit.
So testen Sie eine Zündspule mit dem Gerät:
- Tester einschalten
- Detektorspitze wie in Anleitung beschrieben parallel über den gespulten Bereich halten
- Ergebnis an LED ablesen
