Die Rolle des Zündmoduls bei der Kraftstoffverbrennung

Kernfunktion des Zündmoduls bei der Verbrennungsinitiierung

Vom Niederspannungssignal zum Hochenergiefunken: der Energieumwandlungsprozess des Zündmoduls

Ein Zündmodul fungiert als Hauptverbindungspunkt zwischen dem standardmäßigen 12-Volt-Elektriksystem eines Fahrzeugs und den kräftigen Funken, die benötigt werden, um Kraftstoff im Motor zu entzünden. Diese Module nutzen elektronische Halbleitertechnik, um den Stromfluss durch die Primärwicklung der Zündspule umzuschalten. Wenn dies geschieht, bricht das Magnetfeld plötzlich zusammen und erzeugt einen starken Spannungsanstieg in der Sekundärwicklung, typischerweise über 30.000 Volt. Diese gesamte Anordnung hat veraltete mechanische Kontaktpunkte ersetzt, die sich im Laufe der Zeit abnutzten und dadurch Zündzeitprobleme verursachten. Der Vorteil? Die Zündzeitgebung bleibt bis auf die Mikrosekunde genau konstant. Die meisten modernen Zündmodule können über 100.000 Zyklen hinweg zuverlässig arbeiten, bevor erste Anzeichen von Abnutzung oder Leistungseinbußen auftreten.

Wie die Genauigkeit der Zündzeitgebung, die Steilheit des Spannungsanstiegs und die Einschaltzeitsteuerung die Bildung des Flammenkeims direkt beeinflussen

Die erfolgreiche Zündkernbildung hängt von drei eng regulierten Parametern ab, die vom Zündmodul gesteuert werden:

• Taktsynchronisationsgenauigkeit (±0,1° Kurbelwellenwinkel): Entscheidend für den mageren CNG-Betrieb, bei dem enge Zündfenster – um ca. 40 % geringer als beim Benzin – eine exakte Synchronisation mit der Kolbenposition erfordern
• Spannungsanstieg (>1 kV/µs): Stellt eine zuverlässige Funkenstreckung trotz Zylinderdruckschwankungen bis zu 300 psi sicher
• Einschaltzeitsteuerung (1,5–3,5 ms): Passt die Spulenansatzzeit dynamisch an, um ≥3,0 mJ Zündenergie bereitzustellen und gleichzeitig die thermische Belastung zu steuern

Felderhebungen aus EPA-zertifizierten Prüfungen mit gasförmigen Brennstoffen zeigen, dass Abweichungen von mehr als 5 % bei einem dieser Parameter die Fehlzündhäufigkeit unter EGR-verdünnten, mageren Bedingungen um bis zu 17 % erhöhen – was verdeutlicht, warum mikroprozessorgesteuerte Module heute eine Verbrennungsstabilität von 99,97 % erreichen, selbst bei λ = 1,6.

Anforderungen an die Zündenergie für stabile CNG-Verbrennung

Der Grund, warum komprimiertes Erdgas etwa 2 bis 3 Mal mehr Energie zum Zünden benötigt als herkömmliches Benzin, liegt an mehreren Faktoren. Erstens verbrennt CNG wesentlich langsamer als Benzin, mit einer laminaren Flammenausbreitungsgeschwindigkeit von etwa 0,38 Metern pro Sekunde im Vergleich zu rund 0,8 m/s beim Benzin. Hinzu kommt, dass der Zündbereich von CNG mit 5 bis 15 Prozent deutlich breiter ist als der von Benzin mit nur 1,4 bis 7,6 Prozent. Außerdem neigt CNG dazu, in den Brennräumen bei mageren und turbulenten Bedingungen vollständig erlischt zu werden. All diese Eigenschaften bedeuten, dass Zündkerzen stärker und länger arbeiten müssen, um den initialen Flammenkern zu erzeugen und die Verbrennung während des gesamten Brennzyklus stabil zu halten, insbesondere in heutigen Motoren, in denen die Verdünnungsgrade oft sehr hoch sind.

Empirische Schwellwerte: 2,5–4,5 mJ für eine zuverlässige CNG-Flammenkernbildung unter mageren, stark verdünnten Bedingungen
Studien mit Peer-Review – einschließlich des SAE International Technical Paper 2021-01-0556 – bestätigen, dass eine stabile CNG-Verbrennung 2,5–4,5 mJ an zugeführter Funkenenergie erfordert. Diese erhöhte Schwelle ergibt sich aus drei miteinander verbundenen Faktoren:

• Magerbetriebsbeschränkungen : Überschüssige Luft verringert die Mischungsreaktivität und verlängert die für das Kernel-Wachstum benötigte Zeit
• Ladungsverdünnung : Durch die Absenkung der Gemischtemperatur und Radionenkonzentration erhöht die Abgasrückführung (AGR) den Zündenergiebedarf um 30–40 %
• Druckdynamik : Motoren mit hohem Verdichtungsverhältnis unterliegen dem Funkenstrecke Drücken von über 300 psi, wodurch die Durchschlagfestigkeit erhöht und die frühe Flammenausbreitung unterdrückt wird

Um diese Anforderung zu erfüllen, setzen moderne Zündmodule auf Mehrfachzündsequenzen und verlängerte Zünddauern (>1,5 ms), um eine robuste Zündung auch bei Luft-Kraftstoff-Verhältnissen oberhalb λ = 1,5 sicherzustellen.

Zünddauer und deren Einfluss auf die Verbrennungsstabilität

Optimale Stromdauer (1,2–2,0 ms) zur Aufrechterhaltung des frühen Flammenwachstums bei gasförmigen Brennstoffen

Bei der Verwendung von gasförmigen Brennstoffen wie Erdgas (CNG) muss der Zündfunke länger als bei herkömmlichen Ottomotoren anhalten, um eine ordnungsgemäße Flammenkernbildung zu gewährleisten. Laut Erkenntnissen aus dem International Journal of Engine Research liegt eine Dauer von etwa 1,2 bis 2 Millisekunden ideal vor, um bei mageren Gemischen mit starker Verdünnung eine stabile Zündung zu erreichen. Die zusätzliche Zeit hilft, die langsamere Brenneigenschaft von CNG auszugleichen, und bietet den kleinen Flammen genügend Zeit zum Wachsen, bevor Wärmeverluste oder Luftbewegungen sie stören. Bei zu kurzen Zündimpulsen unterhalb von 1,2 Millisekunden treten Probleme wie instabile Motorleistung und unvollständige Verbrennung auf. Dies verschärft sich besonders in Systemen mit aufgeladener Verbrennung oder Abgasrückführung in Kombination mit CNG-Betrieb.

Abwägungen zwischen verlängerter Zünddauer, thermischen Grenzen der Zündspule und Zuverlässigkeit des Zündmoduls

Eine Verlängerung der Funken­dauer über 2,0 ms hinaus bringt erhebliche technische Abwägungen mit sich:

• Spulen­thermische Belastung : Jede zusätzliche 0,5 ms erhöht die maximale Spulen­temperatur um ca. 40 °C, wodurch das Risiko eines Isolations­versagens und von Lichtbögen steigt
• Modul­alterung : Ein verlängerter Stromfluss beschleunigt den Verschleiß von Halbleitern, insbesondere bei IGBT- oder MOSFET-basierten Treibern, die nahe ihrer thermischen Grenzbelastung arbeiten
• Abnahme der Funken­intensität : Längere Dauern führen zu einer Spannungsabsenkung, wodurch die Spitzen­funkenleistung verringert wird und möglicherweise die Zündung im Zylinder bei hohem Druck nicht mehr zuverlässig erfolgt

Moderne Zündmodule minimieren diese Risiken durch Echtzeit-Überwachung der Temperatur und adaptive Einschalt­dauer­regelung – und gewährleisten so eine stabile Zündung, ohne die Langzeit­zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.

FAQ

Welche Hauptfunktion hat ein Zündmodul?

Ein Zündmodul verbindet das elektrische System des Fahrzeugs mit den starken Funken, die erforderlich sind, um Kraftstoff im Motor zu entzünden, und wandelt dabei Niederspannungssignale in hochenergetische Funken um.

Warum benötigt CNG im Vergleich zu Benzin mehr Zündenergie?

CNG benötigt aufgrund seiner langsameren Brennrate, des breiten Zündbereichs und der Anfälligkeit, unter mageren und turbulenten Bedingungen gelöscht zu werden, mehr Energie.

Warum ist die Funken-Dauer für die CNG-Verbrennung entscheidend?

Eine längere Funken-Dauer gewährleistet eine stabile Zündung für CNG, indem sie den langsameren Brenneigenschaften Rechnung trägt und das frühe Wachstum des Flammenkerns, insbesondere in verdünnten Gemischen, unterstützt.