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Zündung

In dieser und einer weiteren Folge über das Thema Kart-Zündung werden wir einmal die klassische, analoge, und die moderne digitale Zündungen, die teilweise programmierbar sind, und neuerdings auch Akkus aufladen können, näher betrachten. Auch die im Kartsport, am 2-Takt-Motor eingesetzten einfachen Zündanlagen, müssen hohen technischen Anforderungen gerecht werden. Kart-Motoren drehen heute bis über 20 000 U/min., d.h. die Zündanlage muss über 20.000 Funken in der Minute liefern. An Kartmotoren, die nach CIK-Homologation eingesetzt werden, finden wir in der Regel analoge Magnetzündanlagen vor. Als Hersteller dieser Anlagen war lange Jahre die spanische Firma MOTOPLAT führend. Diese Firma existiert allerdings nicht mehr, so das heute Zündanlagen der Firmen PVL (Deutschland) oder Selettra ( Italien) eingesetzt werden. Die Anlagen funktionieren alle nach dem gleichen Prinzip: Auf einer Seite des Motors ist die Zündanlage fest angebracht. Diesen teil nennt man Stator. Im Stator sitzen Eisenpakete. Auf der Kurbelwelle sitzt der Rotor, dieser ist magnetisch. Wird nun der Rotor schnell genug durch die Kurbelwellenumdrehung bewegt, entsteht durch die hervorgerufene Induktion ein Strom. Dieser wird in der Zündspule so verstärkt, dass ein ausreichender Zündfunke an die Zündkerze geliefert werden kann. Durch einen kontaktlosen Impuls bei jeder Kurbelwellenumdrehung wird bestimmt, wann der Zündstrom zur Kerze gelangt. Der statische Zündzeitpunkt kann durch Verdrehen des Stators verschoben werden. Der ideale Zündzeitpunkt wird von verschiedenen Faktoren bestimmt: Flammweg - dieser ergibt sich durch die Größe der Bohrung und Anordnung der Zündkerze. Verdichtung - diese bestimmt die Verbrennungstemperatur. Drehzahl - je höher die Drehzahl, je früher muss der Zündzeitpunkt liegen, da die Zeit, die für die Verbrennung/Expansion zur Verfügung steht, bei höherer Drehzahl immer geringer wird. Bei den homologierten analogen Zündungen darf der Zündzeitpunkt nur maximal um drei Grad verstellt werden. Daraus ergibt sich, dass bei einem 100er Motor mit einer statischen Vorzündung von 2,26 mm (entspricht z.B. 22 Grad Kurbelwinkel bei 50 mm Hub und 100 mm Pleuellänge) maximal 25 Grad Frühzündung möglich sind. Dieser Wert ist sowohl für ein gutes Anspringen als auch für das Beschleunigen aus engen Ecken heraus eigentlich recht unbefriedigend.

Zündanlagen Teil I

Analoge Zündung

Analoge Zündungen eignen sich eigentlich nur für Motoren mit einem relativ engen Drehzahlbereich, und fast konstanter Vollgasstellung wirklich gut. Zwar wird im Kart mit einem hohen Vollgasanteil gefahren, aber über einen Drehzahlbereich, der von 1.000 bis über 20.000 U/min reicht. Daher entstehen im unteren Drehzahlbereich, z.B. beim Start (anschieben) und in engen Ecken, oftmals Probleme. Bei den heutigen Zündungen handelt es sich in der Regel um s.g. CDI-Zündungen (Capacitive Discharge Ignition). Die Zündanlage besteht aus drei Bauteilen: Zündspule mit Elektronik, Stator und Rotor. Für den Zündvorgang erzeugen jeweils zwei leistungsstarke Magneten auf Rotor und Stator für eine Ladespannung. Die Spannung selbst wird durch die Drehbewegung der Kurbelwelle, auf der der Rotor mit seinen Magneten sitzt, erzeugt. Diese Ladespule lädt einen Kondensator in der Zündspule. Der Kondensator gibt seine Spannung auf Befehl der Elektronik zum Zündzeitpunkt an die Zündkerze ab. Das wichtigste Bauteil der Zündanlage ist also die Zündspule mit ihrer integrierten Elektronik. Diese elektronische Schaltung steuert den Zeitpunkt der Entladung über die Auslegung der einzelnen Bauteile, also rein physikalisch, eine Zündkurve ist nicht vorhanden. Ein weiteres Regelglied für den Zündzeitpunkt stellt die Winkelgeschwindigkeit des Rotors, die Abhängig von der Drehzahl ist, dar. Die Auslegung der Bauteile ist also ausschlaggebend für die Leistung, das Ansprechverhalten und der Höchstdrehzahl des Motors. Die Firma PVL gibt für ihre Zündung folgende allgemeingültige technische Daten an: Primärspannung 270 V, Zündspannung ca. 13 kV, Brennspannung 700 - 800 V, Funkenbrenndauer 260 (s, und die Höchstdrehzahl liegt, mechanisch und elektrisch, bei 27.000 U/min.

Digitale Zündung


 

Digitale Zündungen zeichnet sich durch eine sehr flexible Zündverstellung aus. Über festgelegte Zündkennlinien, die in einem Speicher abgelegt werden, ist es möglich für jede Drehzahl (Lastpunkt) den idealen Zündzeitpunkt festzulegen. Die integrierte digitale Elektronik berechnet anhand der Drehzahl (Winkelgeschwindigkeit), die über einen Sensor ermittelt wird, den jeweiligen Zündzeitpunkt. Dadurch ist eine digitale Zündung für Motoren mit breitem Drehzahlband und sehr unterschiedlichen Gasstellungen sehr gut geeignet. Darüber hinaus kann für spezielle Anwendungen die Zündkurve problemlos angepasst werden. Weiter besteht die Möglichkeit zusätzliche Arbeitpunkte zu definieren, an denen bestimmte Zusatzfunktionen gesteuert werden können. Das kann eine Drehzahlbegrenzung sein, oder aber auch die Ansteuerung eines Powerjet am Vergaser, oder eine Abgassteuerklappe. Bei Digitalzündungen unterscheidet man noch in Kennlinien- und Kennfelder. Die hier angesprochenen Zündungen haben Kennlinien. Kennfelder sind nötig wenn der Motor z.B. über eine Einspritzung, einen Katalysator, einen Klopfsensor usw. verfügt, also mehrere Kontroll- und Steuerparameter zusammenarbeiten müssen. Das Kennfeld arbeite dann quasi dreidimensional verknüpft. Inzwischen sind digitale Zündungen sowohl als festprogrammierte Varianten, oder auch als mit einer speziellen Software und Computer frei programmierbare Versionen, erhältlich. Im Kartbereich werden z.Z. drei programmierbare Zündanlagen angeboten. Die MSS-Zündung mit einer Programmierbaren Zündkurve, in einer Variante als “Austauschteil” für den Rotax-Max-Motor mit passender Verkabelung, und als Universalversion mit “offener” Verkabelung. Bei PVL sind inzwischen mehrere Versionen lieferbar. Da gibt es welche mit einer Zündkurve, oder umschaltbar mit zwei Kurven. Beide Varianten sind inzwischen auch mit einem Ladegenerator erhältlich. Die PVL-Anlagen passen auf jeden handelsüblichen Kartmotor mit der Standard-Statorbefestigung. Allerdings ist es auch relativ einfach, eine PVLZündung über Adapterplatten an fast jeden Motor anzupassen, man muss nur von außen an die Kurbelwelle kommen. Inzwischen liegen sowohl die MSS als die neue PVL “650-Fire” zum Test vor. Während des Mallorca-Kart-Event im Oktober konnten wir schon einige Versuche mit der MSS-Zündung an einem Rotax-Max-Motor fahren. Ehe ich aber näher darauf eingehe, möchte ich an dieser Stelle noch einmal darauf hinweisen, dass das Programmieren einer Zündung in den Bereich Tuning fällt, also ausreichend Erfahrung vorliegen sollte. Die im folgenden gemachten Angaben sind daher ohne Gewähr, und für eventuelle Schäden wird nicht gehaftet. Die Montage der neuen Zündanlage am Max-Motor ist völlig unproblematisch. Die Originalteile werden soweit nötig abgeschraubt und nach Umbauanleitung gegen die MSS-Teile getauscht. Für das nun notwendige Programmieren werden eine Reihe Informationen benötigt, die teilweise vorher mittels einer Datenaufzeichnung entsprechender Testfahrten gewonnen werden müssen. Da die Originalzündkurve von Rotax (bisher) noch nicht zur Verfügung gestellt wird, muss diese im Eigenversuch abgeblitzt werden. Wir bauen z.Z. an einer Messadaption, die dass ohne den Motor laufen zu lassen, ermöglichen wird. Aber auch ohne die Originalkurve kann ein erfahrener Motoren-Mann entsprechende Versuche fahren. Unbedingt erforderlich ist dafür ein Data-Recording führ das Streckenprofil, die Aufzeichnung der Drehzahl, Abgas- und Wassertemperatur. Wenn der Testfahrer dann noch in der Lage ist, zu hören wenn sein Motor anfängt zu klingeln, kann eigentlich nicht allzu viel passieren. Wir haben also das Testkart vor dem Umbau übersetzungsmäßig optimal auf die Strecke abgestimmt, und auch die Vergaserbedüsung optimiert. Haben die Daten ausgelesen und entsprechend aufbereitet. Am einfachsten ist die Analyse mittels eines Histogrammes der Drehzahl. Dieses Histogramm zeigt mir die Verteilung der Drehzahlbereiche bezogen auf die Streckenabschnitte. Anhand dieser Verteilung habe ich dann drei unterschiedliche Zündkurven programmiert und abgespeichert. Dann wurde umgebaut, und die drei Kurven nacheinander jeweils fünf Runden gestestet. Zwischen den einzelnen Tests wurden jeweils die Daten für Drehzahl, Abgas- und Wassertemperatur abgerufen und kontrolliert. Zusätzlich haben wir jeweils die Zündkerze herausgeschraubt um eine Sichtprobe des Kerzenbildes und des Kolbenbodens zu erhalten. Die Kurve die am besten auf der Strecke ging, wurde dann über 25 Runden gefahren um die Haltbarkeit über eine Renndistanz zu überprüfen. Die Rundenzeitverbesserung unter diesen, nicht einmal idealen technischen Bedingungen, lagen bei rund 0 ,5 Sekunden. Sicher ein Ergebnis, das sich für den Anfang sehen lassen kann.

Zündanlagen Teil II

Wie schon in der letzten Folge angesprochen konnte ich während des Mallorca-Kart-Event im Oktober einige Versuche mit der MSS-Zündung an einem Rotax-Max-Motor durchführen. Anhand dieser Versuche, die im Übrigen spontan und nicht mit unserem gewohnten Testfahrer durchgeführt wurden, da ich vor der Abreise gar nicht wusste, dass eine Digital-Zündung von MSS für einen Rotax-Max-Motor zur Verfügung stehen würde, möchte ich noch einmal die grundsätzliche Vorgehensweise zum Erarbeiten neuer Zündkurven beschreiben. Ich muss an dieser Stelle noch einmal darauf hinweisen, dass das Programmieren einer Zündung in den Bereich Tuning fällt, also ausreichend Erfahrung mit derartigen Arbeiten vorliegen sollte. Die im folgenden gemachten Angaben sind daher ohne Gewähr, und für eventuelle Schäden wird nicht gehaftet. Die Montage der MSS-Zündanlage am Max-Motor ist wie schon erwähnt völlig unproblematisch. Die Originalteile werden soweit nötig abgeschraubt und nach Umbauanleitung gegen die MSS-Teile getauscht. Für das nun notwendige Programmieren der Zündkurven (für ein bestimmtes Streckenprofil) werden Informationen benötigt, die teilweise vorher mittels einer Datenaufzeichnung bei entsprechenden Testfahrten gewonnen werden müssen. Normalerweise ist die werksseitig programmierte Zündkurve und ein Leistungsprotokoll eines Prüfstandlaufes Ausgangspunkt für dann alle anstehenden Überlegungen zur „Neuprogrammierung“. Da diese Daten im Oktober nicht verfügbar waren, musste es auch anders gehen. Da eine Anlage für ein Data-Recording, ein AIM Drack, vorhanden war, konnten wir bei entsprechenden Testfahrten die notwendigen Daten für Drehzahl, Abgas- und Wassertemperatur, und ein Streckenprofil ermitteln. Wir haben also das Kart vor dem Zündungsumbau hinsichtlich Übersetzung und Vergaserbedüsung optimal auf die Strecke abgestimmt. Anschließend haben wir die Daten dieser Basisabstimmung ausgelesen, und entsprechend am Computer aufbereitet. An Daten standen uns jetzt Drehzahl, Abgas- und Wassertemperatur, sowie Geschwindigkeit und Querbeschleunigung zur Verfügung. Daraus generiert das Drack dann das Streckenprofil, und verschiedene Zeit-Tabellen und Histogramme. Da wir bei diesem Test eine Rundenzeitverbesserung durch eine optimierte Zündkennlinie erreichen wollten, war der Drehzahlverlauf in den einzelnen Streckenabschnitten von besonderem Interesse. Anhand der Steilheit der Kurve in den Beschleunigungsphasen (z.B. nach einer Kurve) lassen sich entsprechende Schlüsse ziehen. Das Lesen und Interpretieren dieser Kurven erfordert allerdings einige Erfahrung. Etwas einfacher ist die Analyse mittels eines Histogrammes der Drehzahl. Solch ein Histogramm zeigt die zeitmäßig Verteilung der Drehzahlbereiche bezogen auf die einzelnen Streckenabschnitte. Änderungen an Zündkennlinien sind schwerpunktmäßig in zwei Punkten an einem Kart mit Rotax-Max-Motor von Interesse: einmal in der Beschleunigungsphase und der Festlegung der Höchstdrehzahl mit der Bestimmung des Einsatzpunktes für den Drehzahlbegrenzer. Darüber hinaus kann man auch noch das Startverhalten eines Motors verbessern. Für den Test ohne die o.g. Basisdaten, war weiter die Tatsache wichtig, das Zündkurven bei 2-Takt-Motoren ab ca. 10.000 U/min in der Regel degressiv ausgelegt sind. Dies bedeutet, das die Frühzündung oberhalb dieser Drehzahl wieder zurückgenommen wird. Der wichtige Drehzahlbereich liegt für die Beschleunigungsphasen zwischen 7.000 und 10.000 U/min, und für die graden Streckenabschnitte bis knapp über 13.500 U/min. Anhand der Drehzahlverteilung in den einzelnen Streckenabschnitten habe ich dann eine Basiskurve, im Zündkurven-Diagramm als „Vorzündung“ bezeichnet, festgelegt. Die neuen Kurven basieren alle auf eine statischer Frühzündung (Offset) von 8 Grad. Dieser Wert wurde mit einer Gradscheibe direkt am Rotax-Motor gemessen. Dieser Offset beschreibt den Punkt der Ausrichtung der Steuerscheibe bei der Montage zum oberen Totpunkt (o.T.) des Kolbens. Beim Rotax-Motor ist damit die Aussparung in der Kurbelwanne gemeint, die den Impulsgeber triggert. Ausgehend von dieser Basiskurve gab es eine zweite mit „Vorz2“ bezeichnete Kurve, die +2 Grad über dem gesamten Verlauf aufwies. Als dritte Kurve gab es dann noch eine mit „Vorz03“ bezeichnete, die über den gesamten Verlauf -3 Grad zur Basiskurve hatte. Die Beschränkung bei den Zündkurven auf eine jeweilige Gesamtverschiebung schien bei diesem mehr oder weniger improvisierten Test sinnvoll, zumal der noch sehr junge „Testfahrer” Daniel Hoppe nicht sicher war, ob er ein „Klingeln“des Motors heraushören würde. Dann wurde umgebaut, und die drei Kurven nacheinander jeweils fünf Runden getestet. Zwischen den einzelnen Tests wurden jeweils die Daten für Drehzahl, Abgasund Wassertemperatur abgerufen und kontrolliert. Zusätzlich haben wir jeweils die Zündkerze herausgeschraubt um eine Sichtprobe des Kerzenbildes und des Kolbenbodens zu erhalten. Es zeigte sich, dass mit der Kurve „Vorz03“ die beste Rundenzeit erreicht wurde. Mit dieser Zündkennlinie wurde dann noch einmal über 25 Runden gefahren, um die Haltbarkeit über eine Renndistanz zu überprüfen. Da es keinerlei Probleme sowohl bei den Temperaturen als auch bei den Sichtprüfungen an Kerze und Kolbenboden gab, wurde diese Kurve auch bei den folgenden Rennen (erfolgreich) eingesetzt. Der Vergleich der Drehzahlkurven zeigt deutlich die Tendenz der einzelnen Kurven auf. In den Beschleunigungsphasen verlaufen die Kurven mit den neuen Kennlinien etwas steiler. Die höchste Drehzahl liegt auch mit der Kurve „Vorz03“ nur bei knapp über 14.100 U/min, so das der neu festgelegte Einsatzpunkt für den Drehzahlbegrenzer(14.500 U/min) gar nicht erreicht wurde. Hier wäre jetzt noch ein wenig Raum für eine noch kürzere Übersetzung gewesen. Die Rundenzeiten lauteten: Mit der Originalkurve 46.468, mit der neuen Basiskurve 46.229, mit der +2 Grad-Kurve 46.395 und mit der -3 Grad-Variante schließlich 45.703. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich mit individuellen Zündkennlinien die erreichbaren Rundenzeiten deutlich verbessern lassen. Die bisher erzielten Ergebnisse ließen sich mit einer noch ausgefeilteren Kennlinie um den Drehzahlbereich zwischen 7.000 und 10.000 U/min, die durch das Setzen von mehr Arbeitspunkten (in kürzeren Drehzahlabständen) in diesem Bereich möglich wäre, sicher noch einmal verbessern. Noch eine Anmerkung zu der abgebildeten Zündkurven-Grafik der MSS-Zündung. Eine solche Darstellung bietet das mitgelieferte Original-Programm nicht. Hier gibt es nur Tabellenwerte.

PVL 650 Fire

Die Vorgehensweise ist mit diesem Programm etwas komfortabler, da man sofort auf einer grafischen Oberfläche, also der „abgebildeten“ Kennlinie arbeiten kann. Bei der PVL-Zündung kann man Arbeitspunkte im Abstand von jeweils 100 U/min (!) setzen. Darüber hinaus lassen sich der Einsatzpunkt für den Drehzahlbegrenzer, und eine zweiter, für eine Sonderfunktion wie die Ansteuerung eines Power-Jet oder eines Auslassschiebers, festlegen. Außerdem erlaubt die PVL-Zündung die Programmierung von zwei Zündkennlinien die, auch während der Fahrt, umschaltbar sind. Diese Digitalzündung werden wir, sobald die Wetterverhältnisse es wieder zulassen mit einem Iame-Leopard oder Vortex-Rok-Motor ausführlich Testen.





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