Zündspulen

Informationen zu Zündspulen für HKZ-Zündanlagen 

Handlungsempfehlung und Zusammenfassung:

- Aufgrund aktueller Verfügbarkeitsprobleme finden Sie in unserem Webshop ein Alternativprodukt zum originalen Bosch-Zündtransformator mit weitgehend gleichen Abmessungen und elektrischen Eigenschaften:  Webshop

- Verwenden Sie vorzugsweise die originalen, historischen BOSCH-Zündtrafos 0221121001 (schwarzes Bechergehäuse, Made in Germany or Spain, Chargen-/Werksnummern abweichend von 908). Die Spulen sind nur selten defekt, da sie praktisch keiner Alterung oder thermischen Belastung unterliegen. Auch verwendbar sind die Spulen 02211210-02 bis -10 (bedingt). Die Funkenbrenndauer liegt bei ca. 27µs

- Verwendbar sind auch die  BOSCH-Zündtrafos vom Typ 0221121001 aus aktueller Produktion. Die Spulen werden mit silbernem Bechergehäuse geliefert, tragen einen Aufkleber Made in Brazil und die Chargen/Werksnummer 908. Die Spulen tragen an der Unterseite zusätzlich einen Prägestempel (rechts neben der 908) mit dem Produktionsdatum, welches nach unseren Empfehlungen nach dem Q3/2017 liegen sollte, entsprechend den Stempelnummern 640 oder höher. Die Funkenbrenndauer liegt bei ca. 30µs. Trotz identischer Artikelnummern sind die Spulen elektrisch nicht völlig identisch mit den historischen Spulen, was praktisch aber keine Probleme verursacht.

 - Verwendbar ist die Zündspule BERU ZS-109 (nicht BERU 565), siehe nachfolgende Ausführungen, auch wenn hier prinzipbedingt ein längerer Zündfunke (120µs anstatt 27µs) bei geringerem Brennstrom auftritt. Motorenprüfstandsversuche mit überholten Originalmotoren und moderat leistungsgesteigerten Motoren haben keine Unterschiede im Laufverhalten der Motoren ergeben. Leider wird diese Spule nicht mehr produziert.

- Verwendbar ist ebenfalls das Modell MSD 8222 mit fast gleichen Eigenschaften wie das Modell BERU ZS-109 und einer Funkenbrenndauer von ca. 100µs.

- Bedingt verwendbar sind die Modelle MSD 8203, 8202, 8200, welche elektrisch nahezu identisch mit dem Modell 8222 sind, jedoch als ölgefüllte Spulen nur aufrecht montiert werden dürfen

- BERU hat das Modell ZS-109 abgekündigt und das Modell BERU ZS-565 als Nachfolger benannt. Die uns vorliegenden Spulen waren ölgefüllt und sind somit zur Überkopfmontage nicht empfehlenswert. Ferner weichen die Messwerte stark vom Modell ZS-109 ab und auch Tests in Fahrzeugen waren für uns nicht überzeugend. Aus diesem Grunde raten wir von der Verwendung des Modells BERU ZS-565 in Zusammenhang mit HKZ-Zündsystemen ab.
Hierbei handelt es sich um kein generelles Qualitätsurteil, da die Spule ZS-565 ebenso wie das Vorgängermodell ZS-109 herstellerseitig nicht für den HKZ-Betrieb vorgesehen ist. Der vorgesehene Einsatzzweck sind Transistorzündungen mit Startanhebung.

- HKZ-Zündspulen und Zündtrafos werden grundsätzlich ohne Vorwiderstand betrieben, egal was der Hersteller vorgibt. Vorwiderstände sind nur bei Transistorzündungen relevant für die Funktion der Startanhebung. Bei HKZ-Zündungen sind Vorwiderstände kontraproduktiv und vermindern die Zündleistung

Überblick:

Für HKZ-Zündanlagen werden spezielle Zündspulen eingesetzt. Technisch korrekt wäre eigentlich der Begriff Zündübertrager oder Zündtrafo, da es sich um einen Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von etwa 1 : 100 handelt.

Der Zündtrafo spannt den 280V-480V Zündimpuls des HKZ auf eine Zündspannung von 28.000V bis 48.000V hoch (je nach Drehzahl).

Zündspulen für direkte Unterbrecherzündanlagen können nicht eingesetzt werden, da diese aufgrund ihrer Konstruktion mit stark permeablen Blechpaketen dem Zündimpuls des HKZ entgegenwirken. Ebenfalls kontraproduktiv wirkt sich der oftmals vorhandene Luftspalt in diesen Zündspulen aus. Falls es überhaupt zu einem Funkenüberschlag kommt, ist die Brenndauer zu kurz oder der Funke zu schwach, um das Benzin-Luft-Gemisch sicher zu zünden.

Ein weiteres Kriterium bei den kontinuierlich aufladenden HKZ-Systemen (Bosch 3-pol und 6-pol) ist die Gefahr des Überspringens eines Ladefunkens. Die genannten HKZ-Systeme laden ihren Zündkondensator (im HKZ-Gerät) ca. 3000 bis 4000 mal pro Sekunde schrittweise auf. Dieser Ladestrom fließt über die Zündspule und kann bei ungeeigneten Spulen kleinere Ladefunken auslösen, die zu Fehlzündungen führen.

Die 8-pol Bosch Geräte (0227300003) und alle mir bekannten Zubehörsysteme besitzen eine Ladediode, die dieses Problem umgeht. Aus diesem Grunde sind diese Systeme etwas toleranter in Bezug auf die Auswahl der Zündspule. Leider unterdrückt die Ladediode den "Funkenschwanz" des Zündfunkens, was zu einem etwas kürzeren und schwächeren Funken führt. Im Original wurde für das 8-pol Bosch Gerät die Zündspule mit der Nummer 0221121010 (für Einzelfunkenaufladung) eingesetzt, welche man im Regelfall nicht für die 3- und 6-pol Geräte einsetzen sollte. Umgekehrt lassen sich die Spulen der 3- und 6-pol Geräte problemlos auch an der 8-pol-Version betreiben.

Links(bzw. oben) 3- und 6-pol mit langer Funkenbrenndauer. Rechts (bzw. unten) 8-pol und Zubehör mit kurzer Brenndauer. Gut sichtbar als kleine Störung ist in beiden Bildern auch der Zeitpunkt des Überschlages des Zündfunkens.

Alternativen:

Die originalen historischen Bosch-Zündspulen sind recht selten defekt, da in ihnen (im Gegensatz zu Transistorzündsystemen) nur geringe Energien umgesetzt werden. Obwohl die Originalspulen im brasilianischen Werk von Bosch neu aufgelegt wurden, besteht aus vielerlei Gründen kundenseitig oftmals der Wunsch, eine alternative Spule einzusetzen.

Leider gibt es im Prinzip alternativ nur eine geringe Auswahl an entsprechenden Zündtrafos. Ein Modell mit ähnlichen Kenndaten finden Sie in unserem Webshop.

Einsetzbar ist erfahrungsgemäß aber das Modell BERU ZS-109 (nicht Beru ZS565) und MSD 8222 (ca. 80-90 Euro) als günstige Alternative. Es handelt sich bei diesen Spulen um Hochleistungszündspulen mit geringem Primärwiderstand, fast identisch zu dem des Originals.

Leider sind sowohl Primär- als auch Sekundärinduktivität im Prinzip deutlich zu hoch (Luftspalt und hochpermeables Blechpaket), was der Idee einer HKZ-Zündung im Prinzip entgegensteht.

Spannungsverlauf Original Bosch 

Spannungsverlauf BERU

Die gelbe Linie in den oben genannten Oszillogrammen stellt das Zündimpulssignal dar. Zündzeitpunkt ist das Abfallen des gelben Signals. Kurze Zeit später sind auf der gelben Linie 2 Störungen sichtbar. Die 2. Störung stellt den Überschlag des Zündfunkens dar. Misst man die Unterschiede genauer, zeigt sich, dass bei der BERU-Zündspule der Funken 5 Mikrosekunden später überschlägt, was irrelevant ist (ca. 0,1 Grad Verteilerwelle bei 6000 UPM).

Das spätere Überschlagen passt gut zur Theorie, da die hohen Induktivitäten schnellen Änderungen entgegenwirken.
Im blauen Primärspannungsverlauf an der Zündspule ist dann auch sehr gut sichtbar, dass bei der BERU-Zündspule der Funke länger brennt (ca. 3x länger), da die gespeicherte Energie über einen längeren Zeitraum abgegeben wird.

Dieses eigentlich unerwünschte Verhalten beeinflusst jedoch nicht die maximale Zündspannung. Diese ist bei beiden Spulen ungefähr gleich, da sich die Spannung theoretisch bis unendlich steigern würde, sofern sie keinen Weg findet, überzuschlagen. Bei der BERU-Spule dauert es allerdings etwas länger, da die hohen Induktivitäten gegen ein zu schnelles Aufbauen der Spannung wirken.

Trotzdem gilt natürlich auch hier der Energieerhaltungssatz: Der Stromfluss während des Funkenüberschlages ist bei der BERU-Spule geringer als bei der Bosch-Spule, dafür brennt der Funke entsprechend länger, wie die folgenden Oszillogramme zeigen.

Stromverlauf Bosch (blaue Linie)

Stromverlauf BERU (blaue Linie)

Der Unterschied in den Stromverläufen ist erheblich und auch nicht verwunderlich, wenn man die hohe Eingangsinduktivität der BERU-Spule beachtet. 

Es stellt sich zuletzt natürlich noch die Frage, ob die BERU-Spule den auftretenden Spannungen bis 40.000V standhalten kann, was aus den bekannten technischen Daten nicht klar hervorgeht. In diesem Fall hilft aber die Erfahrung weiter und die besagt, dass ich auf meinem Labortisch noch keine defekte BERU-ZS109 (aus HKZ-Betrieb) gesehen habe. Weiterhin gibt es Kunden, die diese Spule bereits seit ca. 15 Jahren ununterbrochen im Fahrzeug einsetzen. Aus diesem Grunde kann man (wenn auch etwas unwissenschaftlich) davon ausgehen, dass die BERU-Spule langfristig einsetzbar ist und keinen Schaden durch den nicht bestimmungsgemäßen Betrieb nimmt. Die MSD-Spule 8222 ist ohnehin für Spannungen bis 45000V ausgelegt, sodass keinerlei Langzeitschädigungen durch HKZ-Betrieb zu erwarten sind.

Interessant sind auch die Vergleiche Primär zu Sekundärverlauf. In den anliegenden Oszillogrammen wurde der Sekundärverlauf mittels Kapazitivabnehmer gemessen.

Bosch (Blau primär / gelb sekundär)

BERU (blau primär / gelb sekundär)

Die Oszillogramme bestätigen nochmals die bisherigen Erkenntnisse (Bosch kurzer und kräftiger / BERU langer aber schwächerer Zündfunken).

Interessant hier ist, dass der Zündfunke nicht im Nulldurchgang der Primärspannung (Bosch ca. 15uS / BERU ca. 60us) abreißt, sondern weiter brennt (Bosch ca. 25-35us / BERU um 100 us).

Nicht  zu vergleichen sind diese Zündbilder mit denen einfacher Spulen- oder Transistorzündungen. Viele Motoroszilloskope sind nicht einmal in der Lage, die Zündoszillogramme von HKZ-Zündanlagen korrekt wiederzugeben. Falsch ist auch die Annahme, dass an Klemme A(15) 12V (wie bei Transistorzündungen) anliegen müssten. Aus vorgenannten Gründen kommt es häufig zu Fehldiagnosen

Hinweis: uS = Mikrosekunden

Letzte und wichtigste Frage ist: Was bedeutet das im Fahrzeug?

Technisches Fazit:

Die "Überschlagsfreudigkeit" des Zündfunkens wird nicht beeinflusst, da die Überschlagsspannung bei beiden Typen gleiche Absolutwerte erreicht. Damit sind beide Spulen in der Lage, auch bei verrußten Zündkerzen, schlechten Zündkabeln oder hohen Gemischdrücken einen Funken zu produzieren.

Die Funkenenergie ist insgesamt naturgemäß annähernd identisch (Energieerhaltungssatz). Die Bosch-Spule gibt diese Energie aber schneller mit stärkerem Stromfluss ab, die BERU-Zündspule mit schwächerem Stromfluss, dafür aber über einen längeren Zeitraum.

Die Gefahr von zündfähigen Ladefunken ist bei der BERU-Spule nicht gegeben, da die Ladespannungen nur bei ca. 2-3kV liegen.

Jetzt könnte man über Poisson-Gleichungen und Zündfähigkeiten von realen Gasgemischen weitere theoretische Überlegungen anstellen, was sicher interessant wäre, aber eher akademischer Natur ist.

Einfacher ist es, auf einem Motorenprüfstand oder im Fahrzeug unter gleichen Bedingungen beide Spulen zu prüfen, Viele Kunden haben dies getan und konnten keinen Unterschied in der Motorleistung feststellen.

Vorteile Bosch-Spule: Sehr kräftiger Funken (großer Strom) / Nachteil Bosch-Spule: Sehr kurzer Funken

Vorteile BERU/MSD Spulen: Sehr lange Funkenbrenndauer / Nachteil BERU Spule: Zündfunke ist weniger kräftig (niedriger Strom)

Quintessenz:

Das unterschiedliche Zündverhalten der Bosch-Spule und der BERU/MSD-Spulen ist sowohl theoretisch als auch messtechnisch deutlich festzustellen. Im realen Einsatz in originalen Zündsystemen des Porsche 911 zeigen sich aber keine signifikanten Unterschiede in der Motorleistung. Beide Zündbilder zeigen Vor- und Nachteile, die sich in Summe gegeneinander aufheben und für den gewünschten Einsatzzweck gleichermaßen geeignet sind, sofern sich der Motor und dessen Komponenten in einem guten Zustand befinden. Bei nicht optimalem Zustand oder bei Motortuning kann die Situation anders aussehen und die optimale Spule muss ggf. im Praxistest gefunden werden.

Hinweis zum Vorwiderstand:

Die BERU ZS-109 Zündspulen tragen den Hinweis, dass ein Betrieb nur mit Vorwiderstand erfolgen soll. Dieser Hinweis bezieht sich nur auf den Betrieb in einfachen Transistorzündanlagen (Pertronix Ignitor I, 123-Ignition, Fulmax), da die Ladeströme zu hoch würden. Hinweis: Vorgenannte Systeme sollten im Porsche 911 nicht ohne HKZ eingesetzt werden, da das Zündbild für den Motor nicht optimal ist. In Verbindung mit einer HKZ ist der Einsatz aber möglich und auch sinnvoll.

Bei Bosch HKZ-Zündungen ist im Zusammenhang mit der BERU ZS-109 Zündspule kein Vorwiderstand einzusetzen!

Weitere Alternativen.

Da BERU die Zündspule ZS-109 abgekündigt hat, bleiben als Alternativen die MSD-Spulen und der über unseren Webshop verfügbare Zündtrafo.

Auf dem Zubehörmarkt (vorwiegend USA) gibt es eine Reihe weiterer Spulen, die explizit für HKZ-Systeme angeboten werden. Vermutlich funktionieren diese Spulen gut, aber alle meine Messungen zeigten bisher bei diesen Spulen eindeutig, dass es sich um Hochleistungszündspulen und keine Zündtrafos handelt. Ferner sind diese Spulen häufig mit Öl  anstatt Asphalt (Bitumen) gefüllt (hört man beim Schütteln). Ob sich diese Spulen langfristig für die übliche Überkopfmontage eignen, wage ich zu bezweifeln. Die Gefahr auslaufenden Öls ist relativ groß.

Eine Ausnahme bildet die  MSD Blaster High Vibration Ignition Coil (MSD-8222), welche mit Epoxyd gefüllt ist und für ca. 70 Euro im deutschen Handel erhältlich ist. Teilweise wird von dieser Spule der Originalaufkleber entfernt und die Spule als spezielle HKZ-Spule verkauft. Grundsätzlich handelt es sich aber auch um eine Hochleistungszündspule.

Kennwerte zum Vergleich:

Die originalen Bosch-Spulen besitzen folgende (gemessenen) Kenndaten (Primärwiderstand: ca. 0,6 Ohm / Primärinduktivität um 0,2mH / Sekundärwiderstand: ca. 1,5kOhm / Sekundärinduktivität: ca. 1H / Übersetzungsverhältnis ca. 1:100).
Die Hochleistungszündspulen sind leicht an den deutlich höheren Induktivitäten (Primär ab 5mH /Sekundär: ab ca. 18H) und am hohen Sekundärwiderstand (ab 4kOhm) erkennbar.

Verwechslungsgefahr:

Unglücklicherweise sind Zündspulen und HKZ-Zündtrafos optisch nahezu identisch. Prüfen Sie bitte anhand der Artikelnummer der Zündspule, ob diese für den Einsatz am HKZ geeignet ist. Im Falle von Bosch HKZ in Porsche-Fahrzeugen sind dieses nach unserem Kenntnisstand zumindest folgende Bosch-Artikelnummern: 0221121001 / 0221121006 / 0221121009 (ohne Gewähr). Für das 8-pol HKZ-Gerät: 0221121010 / 0221121007 / 0221121004 /0221121002/0221121005), letztere können auch für 3- und 6-pol HKZ eingesetzt werden bzw. umgekehrt.

Defekte Zündspulen:

Defekte an Zündspulen lassen sich nur schwer feststellen, da einfache Messverfahren versagen bzw. aufgrund der entstehenden Hochspannung lebensgefährlich sind.

Der klassische Zündspulendefekt ist ein Isolationsfehler zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung oder ein Windungsschluss in der Sekundärwicklung

Oftmals tritt dieser Fehler nur im betriebswarmen Zustand auf, sodass das Fahrzeug nach wenigen Kilometern Fahrtstrecke mit Fehlzündungen liegen bleibt, aber nach einer Abkühlphase wieder problemlos anspringt.
Leider zeigt auch ein defektes HKZ häufig die gleichen Symptome, sodass nicht eindeutig zu klären ist, ob HKZ oder Zündspule (oder beide Komponenten) defekt sind.

In vielen Fällen verursacht auch eine defekte Zündspule durch einen internen Überschlag zusätzlich den Defekt des HKZ-Gerätes, sodass erst eine Reparatur des HKZ mit gleichzeitigem Tausch der Zündspule zum Reparaturerfolg führt.

Rückwärtige Überschläge:

Rückwärtige Überschläge gehören zu den häufigsten Ursachen für defekte HKZ-Einheiten.
Die Zündspannung (bis 40.000 V) kann in diesem Fall aufgrund eines weiteren Defekts am Zündsystem nicht über die Zündkerze abfließen, sondern sucht sich einen anderen Weg zur Fahrzeugmasse. Da der Funken bei 40.000V bis zu 40cm (kein Tippfehler) lang werden kann, sind die möglichen Funkenstreckenverläufe vielfältig.

Leider führt einer der kürzesten Wege aus dem Zündspulendom über die meist stark verschmutzte Zündspulenkappe direkt zur Klemme A und dann in das HKZ. Folgende Fotos verdeutlichen den Effekt:

Schlägt die Zündspannung, wie im oberen Bild, in das HKZ zurück, wird dieses bereits nach wenigen Überschlägen schwer beschädigt.

Wohin die Zündspannung zurückschlägt, hängt davon ab, welcher der kürzeste und leitfähigste Weg zur Fahrzeugmasse ist. Wir empfehlen aus diesem Grunde, die Zündspule und den Stecker an der Zündspule gründlich zu reinigen und auf einen festen, ruckelfreien Sitz des Steckers zu achten.

Es sollte ferner dafür gesorgt werden, dass die Anschlusskabel an Klemme A weiter vom Flansch der Zündspule entfernt sind als die Anschlüsse an Klemme 1. Sofern bei einem rückwärtigen Überschlag die Zündspannung auf Klemme 1 überschlägt, wird das HKZ nicht geschädigt.

Im folgenden Bild wurde eine Lötöse auf Klemme 1 geschraubt, welche deutlich näher am Flansch der Zündspule ist als die Klemme A. Der rückwärtige Überschlag erfolgt somit relativ sicher auf Klemme 1.

Das folgende Bild verdeutlicht die Montage der Lötöse an Klemme 1:

Möchte man noch mehr Sicherheit, ist auch ein Massekabel rund um den Zündkerzenflansch empfehlenswert, welches an Klemme 1 der Zündspule angeschlossen wird.

Ursachen des rückwärtigen Überschlages:

Der rückwärtige Überschlag erfolgt immer dann, wenn der Zündfunke nicht an einer der Zündkerzen überschlagen kann. Die Spannung steigt dann von ca. 15.000V bei einem normalen Überschlag an der Zündkerze auf über 40.000V und kann somit bis zu 40cm Luftstrecke überbrücken.

Gründe:

• Zündkerzenstecker lose oder abgefallen
  
• Stecker an der Zündspule oder an der Verteilerkappe lose oder abgefallen
• Verbrannte Entstörwiderstände in den Zündkerzensteckern (normal 3kOhm oder 5 kOhm) oder am Verteiler (normal 1kOhm)
• Verbrannter Entstörwiderstand im Verteilerfinger (normal 5kOhm)
• Verbrannte Kontakte in der Verteilerkappe, am Verteilerfinger oder am Kopfkontakt des Verteilerfingers
• Abgebrannte Zündkerzen
• Gebrochene Zündkerzen (Bruch in der Keramik)
• Gebrochene Zündkabel (Bruch der Kupferader im Inneren)
  

Prüfmöglichkeiten:

Fehler an Zündkabeln, Zündkerzensteckern und Zündkerzen können leicht mit einem handelsüblichen Ohmmeter geprüft werden. Das Bauteil ist vollständig auszubauen und der Widerstand ist zu messen. Nicht entstörte Bauteile besitzen einen Widerstand von wenigen Ohm (ca. 5 Ohm). Entstörte Bauteile besitzen Widerstandswerte von 1kOhm (Stecker am Verteiler), 3kOhm (Zündkerzenstecker) oder 5 kOhm (Verteilerfinger). Die Widerstandswerte können modellweise variieren und nicht alle Fahrzeuge besitzen umfassend entstörte Zündanlagen.  Defekte Komponenten weisen zumeist Widerstände von mehreren 10 kOhm bis in den Megaohmbereich auf, sodass ein Fehler relativ sicher festzustellen ist.

Führt dieses nicht zum Erfolg, hilft nur ein Motoroszilloskop, welches möglichst alle 6 Zündbilder der einzelnen Zylinder gleichzeitig darstellen kann. Der Vergleich der Zündbilder liefert zumeist recht schnell zumindest den Zündpfad, welcher für den Überschlag verantwortlich ist. Sofern keiner der Zylinder zündet, ist der Fehler im oder vor dem Zündverteiler zu suchen.

Steht kein Motoroszilloskop zur Verfügung, kann auch mit einem Zündstroboskop (mit berührungslosem Signalaufnehmer) in jedem Zündpfad und zwischen Spule und Verteiler überprüft werden, ob eine Zündung erfolgt.
Bei genauem Betrachten der Blitzfolge im Leerlauf oder bei Anblitzen des Zündzeitpunktmarkers können auch einzelne Zündaussetzer festgestellt werden.

Warnhinweis und Haftungsausschluss:

Obige Hinweise erfolgen unter Ausschluss jeglicher Gewähr und Haftung. Es besteht kein Anspruch auf Richtigkeit. Beachten Sie bitte, dass jegliche Änderung am Fahrzeug eine Bauartveränderung darstellt und in alleiniger Verantwortung der ausführenden Person liegt.

Von Arbeiten an unter Spannung stehenden Zündanlagen raten wir grundsätzlich ab. Halten Sie bitte von allen spannungsführenden Teilen der Zündanlage mindestens 1m Abstand und berühren Sie nicht die Masse des Fahrzeuges.

Dem Laien wird grundsätzlich von Arbeiten an Kraftfahrzeugen und insbesondere Zündanlagen abgeraten. Obige Hinweise richten sich aus diesem Grunde nur an Kfz-Mechatronikermeister, denen Funktionsweise und Gefahren von HKZ-Zündanlagen bekannt sind.

Fragen:

• info@911-hkz.de
• Tel.: 05221-1715047 (Mo.-Fr. 9-14 Uhr)