06.09.2016
Erschienen in: 08/ 2016 aerokurier

Damit es richtig funktMagnetzündsysteme

Nahezu alle Benzinmotoren in der Luftfahrt arbeiten mit Magnetzündsystemen. Der Vorteil dieses Verfahrens, das Benzin­-Luft-Gemisch zu entzünden, besteht in der Sicherheitdurch die Unabhängigkeit von der Bordspannung.

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Beim Continental IO-550 mit sechs Zylindern sitzt die Zündanlage zentral über dem Boxermotor, die Zündkabel führen von hier zu den oberen und unteren Zündkerzen. Foto und Copyright: Mark Juhrig  

 

Magnetzündsysteme sind sehr einfach aufgebaut und erzeugen den Zündfunken ausschließlich durch magnetische Induktion. Gesteuert wird der Zündzeitpunkt durch einen Unterbrecherkontakt. Im Automobilsektor wurden die wartungsintensiven Unterbrecherkontakte bereits Anfang der 70er Jahre durch wartungsfreie Transistoren ersetzt, lediglich im Trabant und im Wartburg wurden sie bis zum Ende der Produktion eingesetzt. Für Flugmotoren hätte solch eine Transistorisierung den Nachteil, dass die Zündanlage damit abhängig vom Stromnetz des Luftfahrzeugs würde. Die Zulassungsvorschriften schließen ein elektronisches Zündsystem zwar nicht aus, aber der Motorhersteller muss dafür nachweisen, dass die Zündanlage genauso zuverlässig arbeitet wie zwei unabhängige Magnete. Da eine solche Zündanlage komplexer würde und die Zuverlässigkeit nur aufwendig nachzuweisen wäre, unterscheiden sich auch heutige Magnetzündungsanlagen kaum von Modellen aus den 1930er Jahren.

Im Prinzip gleicht eine Magnetzündung einem permanent erregten Generator mit ein paar Extras, um die benötigte hohe Zündspannung zum richtigen Zeitpunkt zu erzeugen. Die Kurbelwelle des Motors treibt den Rotor mit den Permanentmagneten an, die einen Strom in der Primärwicklung der Zündspule induzieren, abhängig vom Unterbrecherkontakt.

So funktioniert die Magnetzündung

Im richtigen Moment – dazu später mehr – öffnet sich der Unterbrecherkontakt, und es kommt zu einem kurzzeitigen und heftigen Spannungsanstieg in der Primär- und Sekundärwicklung der Zündspule. Der Spannungsanstieg erfolgt, da die Zündspule eine Induktivität darstellt. Eine Induktivität hat die Eigenschaft, einen durch sie fließenden Strom nach Unterbrechung des Stromkreises weiterfließen zu lassen, was zum Spannungsanstieg in der Primärwicklung führt. Der gleiche Spannungsanstieg erfolgt an der Sekundärwicklung der Zündspule, nur ist er dort, entsprechend dem Wicklungsverhältnis der Zündspule, sehr viel höher und reicht aus, um an der Zündkerze einen Funken überspringen zu lassen. Die von der Zündspule erzeugte Spannung kann bis zu 25 000 Volt betragen.

Der Rotor der Magnetzündung hat genau so viele magnetische Pole, um mit einer Rotorumdrehung die Zahl an Zündfunken zu generieren, wie sie vom Motor benötigt werden. Bei einem Viertaktmotor mit vier Zylindern sind es zwei Zündfunken pro Umdrehung und bei einem Sechszylindermotor sind es drei Funken pro Umdrehung, da die Zylinder eines Viertaktmotors nur bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung gezündet werden müssen. Über ein Getriebe wird der Zündverteiler in der Magnetzündung angetrieben. Er sorgt dafür, dass die jeweils richtige Zündkerze mit der Zündspannung versorgt wird.

Auf das richtige Timing kommt es an

Damit die Magnetzündung die maximale Zündspannung erzeugen kann und der Zündfunke zum richtigen Zeitpunkt entsteht, gibt es einiges zu justieren. Bei der Produktion und jeder Wartung einer Magnetzündanlage muss daher das interne Timing von Rotor und Unterbrecherkontakt eingestellt werden. Der Unterbrecherkontakt muss an einer genau definierten Rotorposition öffnen. Diese Position definiert sich über das sogenannte E-Gap oder auch Efficiency Gap. Das E-Gap beschreibt einen Winkel nach der Rotorposition, bei der der Rotor keinen magnetischen Fluss in der Zündspule erzeugt. Die Erklärung der genauen physikalischen Zusammenhänge würde den Rahmen des Artikels sprengen, sie sind für das grundsätzliche Verständnis auch nicht relevant, da die genaue E-Gap-Position vom Hersteller der Magnetzündung vorgegeben wird.

Für die gängigen Magnetzündanlagen gibt es Hilfsmittel, um die Rotorposition für die Einstellung des Unterbrecherkontakts festzulegen. Vor der Montage der Zündung muss die Zündfolge der Magnetzündung mit der des Motors synchronisiert werden. Hierzu werden Motor und Zündung auf den Zündzeitpunkt von Zylinder Nummer eins gebracht. An der Zündung erfolgt dies entweder durch eine Markierung am Zündverteiler oder durch einen Stift, der beim Durchdrehen der Zündung in eine entsprechende Indexbohrung im Verteiler rutscht. Nach der Montage der Zündanlage muss dann noch der genaue Zündzeitpunkt durch Verdrehen der gesamten Anlage eingestellt werden. Hierzu gibt es spezielle Hilfsmittel, die das Öffnen des Unterbrecherkontaktes optisch und akustisch melden. Der Zündzeitpunkt wird üblicherweise bei den 50- und 100-Stunden-Kontrollen überprüft. Das E-Gap wird bei den 500-Stunden-Kontrollen der Zündung neu eingestellt. Vielfach wird bei der 500-Stunden-Kontrolle der Magnetzündung auch der Unterbrecherkontakt getauscht. Allerdings kann es durchaus sein, dass sich das interne Timing der Zündung durch die Abnutzung des Unterbrecherkontaktes schon vor der 500-Stunden-Kontrolle so stark verstellt hat, dass der Motor nur noch unwillig anspringt, da der Zündfunke zu schwach geworden ist.

Damit der Unterbrecherkontakt nicht unnötig durch Funkenbildung verschleißt, ist parallel zum Kontakt ein Löschkondensator angeschlossen. Dieser verhindert eine Funkenbildung beim Öffnen des Kontaktes. Der Flugmotor der Gebrüder Wright hatte übrigens keine Zündkerzen, sondern in jedem Zylinder war ein Unterbrecherkontakt montiert, an dem beim Öffnen des Kontaktes ein Funke entstand. Natürlich ist diese Art der Zündung sehr wartungsintensiv, da die Unterbrecherkontakte aufgrund der Funkenbildung und Hitze im Brennraum sehr schnell verschleißen.

Federunterstützung beim Motorstart

Eigentlich würde eine Magnetzündanlage bei der geringen Anlassdrehzahl des Motors überhaupt keinen oder nur einen sehr schwachen, Zündfunken erzeugen. Daher ist üblicherweise einer der beiden Magnete mit einem Federmechanismus ausgestattet, der den Rotor bei niedrigen Drehzahlen zusätzlich beschleunigt und den Zündzeitpunkt verzögert. Die englische Bezeichnung dieser Vorrichtung ist Impulse Coupling, im Deutschen wird sie  meist als Schnapper bezeichnet, abgeleitet vom Schnappgeräusch, das diese Magnetzündungen erzeugen, wenn die Vorrichtung auslöst.

Während des Anlassvorgangs wird die Zündung ohne Impulse Coupling – meist ist dies der rechte Magnet – abgeschaltet, damit der Motor nicht zurückschlagen kann, da hier der Zündzeitpunkt beim Anlassen nicht verzögert wird. Wenn der Zündschalter auch den Starter steuert, dann wird beim Anlassen automatisch die Zündung ohne Impulse Coupling abgeschaltet. Sind Zündschalter und Starterknopf getrennt, so muss der Pilot die Zündung ohne Impulse Coupling manuell deaktivieren. In der Checkliste sollte dies beschrieben sein. 

Der Continental O-200 ist einer der wenigen Motoren, bei dem beide Magnetzündsysteme mit Impulse Coupling ausgestattet sind. Ältere Sternmotoren haben häufig keine solche Vorrichtung, sondern einen sogenannten Starting Vibrator. Dieser versorgt die Zündspule mit einer pulsierenden Spannung, sodass sie bei geöffnetem Unterbrecherkontakt Zündfunken in schneller Folge produziert. Sobald der Motor läuft, werden Anlasser und Starting Vibrator wieder abgeschaltet, und die Zündspule wird ausschließlich durch den Rotor stimuliert.

Für Magnetzündungen mit Impulse Coupling gibt es einen Ignition Booster der Firma Slick, der ähnlich arbeitet wie ein Starting Vibrator. Er sorgt für besonders kräftige Zündfunken beim Anlassvorgang und erleichtert das Anlassen des Motors bei ungünstigen Witterungsverhältnissen.

Keine Unterbrecherkontakte beim Rotax 912

Die Zündung des Rotax 912 funktioniert ebenfalls völlig eigenständig und benötigt keine externe Stromversorgung, allerdings kommt sie ohne Unterbrecherkontakte aus. Die zwei unabhängigen Zündanlagen des 912er funktionieren nach dem Prinzip der Thyristorzündung. Die Lichtmaschine des Motors hat neben den Wicklungen zur Versorgung des Bordnetzes noch zwei zusätzliche Wicklungen, die die Speicherkondensatoren der beiden Zündungsanlagen auf eine Spannung von zirka 200 Volt aufladen. Die Kondensatorladung wird durch einen Thyristor zur Zündspule geleitet. Gesteuert wird die Zündung über berührungslose Sensoren am Polrad des Motors.

Da es für jede Zündkerze eine eigene Zündspule gibt, erübrigt sich ein Zündverteiler. Dadurch ist die Rotax-Zündanlage völlig wartungsfrei.  Allerdings muss der Anlasser den Motor zum Starten mit mindestens 400 Umdrehungen pro Minute durchdrehen, damit die Zündung funktioniert. Deshalb eignet sich der Rotax 912 nicht unbedingt für das Anreißen von Hand. Grundsätzlich sollte man den Propeller eines Rotax 912 nur mit äußerster Vorsicht von Hand drehen, um jegliche Verletzungsgefahr auszuschließen. Ganz grundsätzlich sollte man einen Kolbenmotor, egal welcher Bauart, immer so behandeln, als wäre die Zündung eingeschaltet – und entsprechend Vorsicht walten lassen.

aerokurier Ausgabe 08/2016

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Mark Juhrig


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