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PROGRAMMIERBARE ZÜNDANLAGE FÜR 2-TAKTER?

Die haben doch immer einen festen Zündzeitpunkt, oder?

Das stimmt wohl für die meisten 2-Taktmotoren. Und zwar hauptsächlich aus 4 Gründen:

- Das Teil – sei es ein Rasenmäher oder ein 50ccm-Moped – muss billig in der Herstellung sein,
- einfach bezüglich der Wartung und unempfindlich,
- Maximalleistung war nicht erforderlich
- zur Zeit der Herstellung waren digitale Zündanlagen nicht möglich oder sau teuer (und heute werden leistungsstarke 2-Takter längst nicht mehr gebaut)

Gehen wir zunächst ganz pragmatisch an die Sache heran:
(und ich versuche dabei, die Erklärungen möglichst einfach zu halten und mich auf das Wesentlichste zu beschränken.)

Ein 2-Takter steht auf dem Leistungsprüfstand, dem Kunden ist die Leistungscharakteristik (rote Kurve) zu scharf, er hätte gerne ein breiter nutzbares Drehzahlband.
Es wurde nur der Zündzeitpunkt um 4 Grad zurück genommen und schon war das vorgegebene Ziel erreicht.





Die Leistung ist zwar größtenteils gesunken, dafür zieht der Motor 800 Umdrehungen weiter durch.
Über eine programmierbare Zündanlage kombinieren wir nun die beiden Zündzeitpunkte:





Wie man nun erkennen kann, ist über eine nur leicht optimierte Zündkurve doch noch einiges an Leistung heraus zu holen.



ERKLÄRUNG:

Betrachten wir nur eine einzige Kurbelwellenumdrehung eines laufenden 2-Takt-Motors, welcher ohne Hilfsmittel wie Einlassmembranen oder Auslass-Steuerung (Powervalve) klar kommen muss:



Um diesen Motor zu optimieren, müssten wir die die Schwingungen des Abgases beeinflussen können, also die Auspufflänge im Fahrbetrieb, die Höhe des Auslasskanals (Powervalve) und/oder die Abgasgeschwindigkeit ändern.
Also: Eine veränderliche Auslasskanalhöhe könnte helfen, womit der Beginn der Ausströmung des Abgases, also auch der Zeitpunkt der Rückförderung des Frischgases beeinflusst wird.
Sowas nachzurüsten ist jedoch mit einem gehörigen Aufwand verbunden.
Versuche mit veränderlicher Auspufflänge gab es auch schon, jedoch ist auch hier der mechanische Aufwand enorm.



CLICK für Animation 



Geht der Kolben nach oben (richtung oberer Totpunkt = OT) wird das Frischgas in das Kurbelgehäuse angesaugt und bei der Abwärtsbewegung des Kolbens beginnt mit Öffnung der Überstömkanäle kurz vor UT (unterer Totpunkt) das Einströmen in den Brennraum. Gleichzeitig ist der Auslasskanal offen und es herrscht noch die Abgasströmung zum Auspuff hin. Also geht ein Teil des frischen, unverbrannten Gemischs erstmal dorthin verloren.
Währenddessen beginnt der Kolben mit seiner Aufwärtsbewegung und verschließt zunächst die Überströmkanäle. Etwa zur gleichen Zeit gelangt die Abgasströmung im Auspuff an dessen Endkonus und wechselt die Richtung zurück zur Auslassöffnung. Nun wird das brennbare Gemisch, welches eben erst den Brennraum verlassen hat, gerade noch rechtzeitig dort wieder hinein gedrückt, bevor der Aufwärts kommende Kolben den Auslasskanal schließt. Jetzt erfolgt die Zündung im prall gefüllten (aufgeladenen) Brennraum.

Bei der idealen Motordrehzahl passen Ansaug-, Auspufflänge und Abgasgeschwindigkeit so zusammen, dass die Abgase nahezu das komplette Frischgas in den Brennraum zurück fördern und der Kolben den Auslasskanal schließt, bevor verbranntes Altgas mit hinein kommt.
Ist die Drehzahl zu hoch, verbleibt viel Frischgas im Auspuff. Ist sie zu niedrig, kommt eine Menge Altgas mit in den Brennraum.
Beide Fälle stören die optimale Verbrennung, die Leistung sinkt stark ab.

Am schlimmsten sind ganz niedrige Drehzahlen oder zu kurzer Auspuff. Das Abgas wird aus dem Brennraum gespült, kommt aber so früh schon wieder zurück, dass die Überströmkanäle noch nicht geschlossen sind. Dadurch wird die Einströmung des Frischgases aus dem Kurbelgehäuse gestoppt und der nächste Ansaugvorgang blockiert, weil im Kurbelgehäuse noch Druck herrscht.
Obendrein wechselt bei nun geschlossenen Überströmkanälen die Strömungsrichtung des Abgases wieder Richtung Auspuff und saugt das bisschen Frischgas, was es bis in den Zylinder geschafft hat, mit hinaus.
Hier haben wir die Ursache, warum ein Zweitakter in einem bestimmten Drehzahlbereich viel Leistung bringt, diese darunter und darüber jedoch recht gering ist und er in ganz ungünstigen Fällen regelrecht bockt und dabei eine Menge Sprit unverbrannt aus dem Auspuff scheucht.
So kommen die hohen Abgaswerte speziell beim unverbrannten Kohlenwasserstoff (CH) zustande, die diesem Motorprinziep das Aus auf unseren Strassen beschert haben.



Eine Chance bleibt aber noch:

Die Abgasgeschwindigkeit ist auch von der Abgastemperatur abhängig, welche wiederum mit der Verbrennungstemperatur und Geschwindigkeit zusammen hängt. Und die Verbrennung können wir mit dem Zündzeitpunkt beeinflussen.
Natürlich spielen auch Verdichtung, Quetschkante, Gemischzusammensetzung etc. eine große Rolle, aber das lassen wir hier mal außen vor.

Die Verbrennungstemperatur liegt in der Regel zwischen 2000°C und 2500°C.
Während der Expansion, bei sich abwärts bewegendem Kolben, kühlt das verbrannte Gas auf etwa 580°C - 620°C herunter. 20 Grad mehr oder weniger ändern die Abgasgeschwindigkeit deutlich und führen letztlich zu einer stark veränderter Leistungsentwicklung!

- Bei frühem Zündzeitpunkt und entsprechend früher Verbrennung sinkt die Abgastemperatur stärker und somit auch Abgasdruck und Geschwindigkeit. Das bei der Zylinderspülung bereits ausgetretene Frischgas wird so relativ spät zurück in den Zylinder gefördert. Gut für niedrige Drehzahlen.

- Bei spätem Zündzeitpunkt steigen Abgastemperatur und Geschwindigkeit an, das Frischgas wird früher zurück gefördert.

Also: Bei niedrigen Drehzahlen soll die Verbrennung früh beginnen, bei hohen Drehzahlen spät.

Die Zeit, bis das brennbare Gemisch tatsächlich Druck aufbaut muss natürlich mit einbezogen werden, so dass der Zündzeitpunkt also immer vor dem oberen Totpunkt des Kolbens liegen wird. Bei Leerlaufdrehzahl liegt der meist bei 10 – 15° vor OT. Beim Anfahren brauchen wir aber schon Leistung, Füllung und Drehzahl ändern sich. Ab hier müssen wir den Zündzeitpunkt anpassen.




 

wie finde ich die optimale Zündkurve?

Ein 125er 2T-Motor für die Rennstrecke kann bei 2000/min schon mal 32° Frühzündung und mehr aufweisen, da hier die Strömungsgeschwindigkeiten mit dem hohen Auslassbeginn überhaupt nicht zusammen passen.
Aber dafür ist dieser Motor ja auch nicht gemacht, denn seine optimale Funktion und Maximalleistung liegen bei 12000-13000/min. Dort dürfte der optimale Zündzeitpunkt nur 5-15° vor OT liegen.
Eine RD500 beispielsweise zündet originaler Weise bei 3500 bis 4000/min rund 30° v.OT, bei Hoher Drehzahl liegt dann der ZZP bei 8° v.OT.
Ein 2-Takter aus den 60er Jahren verkraftet vielleicht nur 18°/3500 und braucht jedoch - wegen völlig anderer Auslegung und der Strömungsverhältnisse im Auspuff - auch bei 6500 noch immer 18-20° Frühzündung.

Wir beginnen mit fest eingestelltem Zündzeitpunkt bei 10° v.OT und machen eine Leistungsmessung bis zur Enddrehzahl. Gleiches mit 12°, 14°, 16° etc., bis wir den originalen Zündzeitpunkt (zB. 24° v.OT) erreicht haben. Dabei lassen wir immer die Drehzahlbereiche aus, bei denen die Leistung nicht mehr ansteigt und belassen die optimalen Werte in der Kurve.

Angenommen, bei 8000/min haben wir mit 12° v.OT. gegenüber 10° bereits keine Leistungssteigerung erreicht. Also programmieren wir in der Zündkurve die 10° bereits ein und messen mit 14° nur noch bis 7000. So erarbeiten wir Punkt für Punkt eine Zündkurve.

Insgesamt müssen wir sehr vorsichtig an die Sache heran gehen! Ein deutlich zu früher Zündzeitpunkt (oder zu mageres Kraftstoff-/Luftgemisch) kann uns einen Motorschaden bescheren.

Es ist also viel Arbeit, Erfahrung und Gefühl am Leistungsprüfstand nötig, um die optimale Kurve heraus zu arbeiten.
Jede kleine Änderung am Auspuff, Ansaugbereich oder den Kanälen kann die erarbeiteten Werte zunichte machen und es muss von vorne begonnen werden. Also sollten alle Bauteile von vorne herein im Zusammenhang der gewünschten Leistung und Charakteristik aufeinander abgestimmt sein.

Letztlich könnte das Ergebnis ungefähr so aussehen:






Für eine Suzuki aus den 70er Jahren ist die Kurve deutlich flacher, jedoch ist die Ähnlichkeit zur 125er Rennsemmel noch immer ersichtlich.







für 4-Takter

Zündkurve erstellen am Beispiel an einer VFR400RR NC30

Wir wissen aus dem Werkstatthandbuch, der ZZp beträgt mit der originalen Zündbox 18° vor OT bei 1200 und 37°(+/- 2°)/12000. Diese Angaben sind natürlich dürftig.
Aus Erfahrung wissen wir: Beim 4-Takter fällt die Zündkurve anders als beim 2-Takter gegen Ende des Drehzahlbereiches nicht oder nur wenig ab.
Und dieses Motörchen benötigt bei 3000/min schon deutlich mehr Frühzündung als 18°, ab etwa 5000-6000/min können 37° v.OT nötig sein.

Wir basteln uns zunächst eine Gerade als Zünd-"Kurve" und fangen mit 18° v.OT an (also der Basis-Vorzündung). Dann 20°, 23°, 25° ...
Immer wenn die Leistung abfällt oder wir merken "weiter drehen bringt nix", brechen wir die Messung ab, so müssen wir den Motor nicht immer bis zum Ende quälen. Die Maximalleistungen tragen wir in eine Tabelle ein und lassen die optimalen Zündzeitpunkte bei der Programmierung in der Zündkurve.
Da wir etliche Messungen zu machen haben, lassen wir das Kühlgebläse während der Umprogrammierung durchlaufen und gehen ab und an mal vor die Tür um mit der hübschen Nachbarin am Bäckerauto zu flirten oder bloß um eine rauchen. So steigen die Temperaturen von Motor und Umgebung (Airbox, Vergaser, Kraftstoff..) nicht unnötig an.



U/min : 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 ->
° v. OT PS            
43             ->
40     18 20 25 37 ->
37     21 24 27 37 ->
35     21 23 25 34 ->
33     19 21 24 32  
30     18 19 22    
27   6 17        
25   8 16        
23 4 9          
20 5 9          
18 5 7          


…und so weiter.

WICHTIG: Alle Messungen sollen bei gleichen Bedingungen durchgeführt werden und eine Kühlung des Auspuffes wie bei der Fahrt auf der Strecke ist enorm wichtig. Ein zu heißer Auspuff verfälscht alle Messwerte!

Die maximale Leistung der VFR400RR NC30 liegt in der Gegend von 12500-13500/min an, diese wurde mit 40° v.OT aber auch mit 2° weniger erreicht. Daher bleiben wir dort der Standfestigkeit zuliebe bei 38° v.OT.

Die besten Leistungswerte übertragen wir nun in ein Diagramm welches dem folgenden ähneln könnte.





Soweit für diesmal



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