Die Zündanlage der Fazer

Die Fazer benutzt sogenannte Doppelzündspulen. D.h. jeweils 2 Zündkerzen teilen sich eine Zündspule und werden immer gleichzeitig gezündet. Im englischen wird diese Methode "Wasted-Spark" genannt weil jeweils ein Zylinder nicht im Arbeitstakt ist und umsonst gezündet wird.

Der Vorteile dieser Methode liegt in der simplen Ansteuerung, man muss nicht detektieren welcher Zylinder gerade im Arbeitstakt ist. Kostengünstig ist es ebenfalls weil man 2 Zündspulen einspart. Aus diesen Gründen war das Prinzip lange Jahre üblich und wurde in der Mehrzahl aller Motorräder eingesetzt.

Das Bild zeigt eine der beiden vorhandenen Zündspulen mit den Kerzensteckern der Zylinder 2 und 3.

Die Zündspule arbeitet induktiv. Vor dem Zündzeitpunkt wird die Spule für eine kurze Zeit an 12V geschaltet. Zur Zündung wird diese Verbindung unterbrochen. Das plötzliche Abschalten verursacht auf der Sekundärseite eine sehr hohe Induktionsspannung (grösser 20kV) die auf die Zündkerzen geleitet wird. Ganz früher wurde das Öffnen von einem Unterbrecher gemacht, danach nur noch mit Transistoren die in der ECU sitzen.

Daten der FZS1000 Zündspule, Denso J0313:
Widerstand primär: 2.2 Ohm
Induktivität : ca 14mH

Hier der relevante Auszug aus dem Stromlaufplan:

Es gibt auch Zündanlagen die kapazitiv arbeiten (Hochspannungskondensatorzündung (HKZ), auch als Thyristorzündung oder englisch Capacitor Discharging Ignition (CDI) bezeichnet). Dabei wird schlagartig eine Spannung von ein paar Hundert Volt auf die Primärseite gelegt, wodurch auf der Sekundärseite die Hochspannung erzeugt wird. Die Auslegung der Spulen und die Ansteuerung ist grundsätzlich anders als bei induktiven Systemen und sie sind nicht gegeneinander austauschbar.

Alternativen

Die mögliche Zündenergie bei induktiv arbeitenden Systemens ist proportional zur Induktivität der Spule und quadratisch zur Höhe des Stroms. Ein Nachteil der Doppelzündspulen ist dass sie bei sehr hohen Drehzahlen sehr wenig Zeit haben sich "aufzuladen". Man muss einen Kompromiss eingehen um die Verlustleistungen in der Spule in Grenzen zu halten und gleichzeitig ausreichend Energie bei hohen Drehzahlen zu sichern.

Moderne Motoren benutzen daher Einzelzündspulen, für jeden Zylinder eine eigene. Damit erhält man doppelt soviel "Lade"-Zeit zwischen den Zündungen und kann ausserdem bei Bedarf die Zündzeitpunkte zylinderselektiv variieren. Treibende Kraft dahinter sind die mittlerweile strengen Abgasvorschriften. Man kann es sich nicht mehr erlauben Kompromisse einzugehen, jedes noch so magere Gemisch muss sauber gezündet werden.

Desweiteren werden Zündspule und Kerzenstecker gerne zusammen zu einem Bauteil kombiniert. Damit enfällt das Hochspannungs-Zündkabel. Der Name für diese Bauart ist COP, aus dem Englischen Coil-On-Plug (sehr frei übersetzt Spule-auf-Zündkerze).

Yamaha hat diese Zündspulen z.B. bei der R1 und bei der FZ1 verbaut. Freundlicherweise haben sie im Zylinderkopf alle Masse identisch zu den alten Zündkerzensteckern gehalten, man kann sie daher direkt austauschen.

Daten der FZ1 Zündspule, Mitsubishi F6T558:
Widerstand primär: 1.3 Ohm
Induktivität : ca 8mH

Ansteuerelektronik

Die COP-Spulen passen elektrisch nicht direkt an die vorhandene ECU mit ihren nur 2 Ausgängen. Da man jeweils 2 Zündspulen gleichzeitig ansteuern muss könnte man sie parallel oder in Reihe schalten. Beides ist ungünstig.

Bei einer Reihenschaltung addieren sich die Spulen-Innenwiderstände und der verfügbare Strom wird halbiert. Daraus resultiert eine Verringerung der maximalen Zündenergie um den Faktor 4. Immerhin ist die ECU damit glücklich, der Innenwiderstand von 2 x 1.3 Ohm liegt im Bereich der originalen Spule.

Bei paralleler Konfiguration kann jede Spule mit ihrem Nennstrom arbeiten und liefert optimale Ergebnisse. Der notwendige Strom wird aber knapp verdoppelt was langfristig Probleme in der ECU verursachen wird.

Als Lösung habe ich mir eine Zwischentreiber-Platine ausgedacht.

Sie benutzt die Signale der ECU als Steuersignale und teilt sie auf 4 kräftige Endstufen auf. Jede Spule wird separat angesteuert, immer 2 zeitgleich.
Hier der Stromlaufplan:

Die Ausgangsstufe der ECU hat nun an Stelle der Zündspule einen 1K-Widerstand als Last (genaugenommen 2 Stück parallel). Der folgende Transistor (BC847) invertiert das Signal und steuert den Leistungstransistor (IRGS14C40L) an. Dies ist ein sog. IGBT-Leistungstransistoren und speziell für COP-Ansteuerungen ausgelegt.

Update:
Die IRGS14C40 scheinen so langsam abgekündigt zu werden. Ein möglicher Ersatztyp wäre der IGB15N60T.
Der Hersteller "International Rectifier" wurde 2014 von "Infineon" übernommen. Vermutlich wurde das Produktsortiment aufgeräumt.

Nachbauen

Wer die Schaltung nachbauen möchte sollte bedenken dass es ein "quick and dirty" Entwurf ist. Sie hat keinerlei zusätzliche Schutzmassnahmen gegen Überspannung, Verpolung, etc. Abhängig von den Eigenschaften des jeweiligen Bordnetz kann dies notwendig sein. Für eine professionelle, narrensichere Schaltung fehlt also noch einiges. Bei mir hat sie einwandfrei funktioniert, was für andere Einsatzfälle aber nicht zwingend viel bedeutet. Daher keine Garantie dass alles dauerhaft funktioniert.

Unbedingt beachten muss man wie die ansteuernde ECU funktioniert. Nicht alle sind so simpel aufgebaut wie die der Fazer. Die Schaltung ist NICHT GEEIGNET für CDI-Zündanlagen!

Ein "fliegender Aufbau" ist wegen der hohen Ströme überhaupt nicht zu empfehlen. Besonders die Masse muss gut und "fett" ausgelegt sein. Auch die Anbindung ans Bordnetz! Bei der Fazer, als Beispiel, wird der Rahmen nicht als Masseleitung benutzt und ist nur indirekt mit der Batterie (-) verbunden

Der IGBT ist intern von Haus aus bereits gegen alle erdenklichen Fehler geschützt und speziell für diese Anwendungen ausgelegt. Um den muss man sich keine grossen Sorgen machen. Eine Montage mit ein wenig Kühlung sollte man aber einplanen.

Der zweite Halbleiter, der BC847, ist weniger robust. Aufgrund seiner Beschaltung sollte er aber die üblichen Spannungspeaks locker wegstecken.
Obwohl ich es nicht getestet habe würde ich sagen dass an dieser Stelle auch jeder andere NPN "general purpose" Transistor funktioniert. Wer es gut meint kann eine Type mit höherer U_CE Grenzspannung einsetzen.

Für die Widerstände sind 1/4W Typen ausreichend.

Gründliche Messungen um wieviel die Schaltsignale durch die Treiberschaltung zusätzlich verzögert werden habe ich nicht gemacht. Es ist mir aber nichts nennenswertes aufgefallen.

Der mechanische Aufbau ist für einen Elektroniker immer ein lästiges Übel, aber am Ende entscheidend wie zuverlässig etwas funktioniert. Ich empfehle daher direkt am Anfang das Gehäuse und die Stecker mit einzuplanen. Notfalls mit Klemmverschraubungen und alles mit Silicon abdichten.

IGBTs

Die Abkürzung IGBT steht für Insulated Gate Bipolar Transistor, oder auf deutsch "Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode". Diese Transistoren haben viele Eigenschaften die sie sehr gut geeignet für das Schalten von Zündspulen machen. Weiterführende Infos sind z.B. hier oder hier oder hier zufinden.

Es gibt IGBTs die durch spezielle Schutzmassnahmen für den Automotive-Einsatz mit Zündspulen ausgelegt sind. Beim Schalten der Zündspule treten auf der Primärseite Spannung von mehr als ~300V auf. Zünd-IGBT sind daher für mindestens 400V ausgelegt und haben eingebaute Schutz-Dioden. Ebenso müssen sie in der Lage sein die im Fehlerfall entstehenden Leistungen zu absorbieren (Funke zündet nicht, SCIS, Self-Clamped Inductive Switching).

Beim max. Strom sollte man ebenfalls ein wenig Reserve einplanen. 10A sollten ausreichend sein.

Ein kritischer Zustand ist der Betrieb ohne Zündkerze. In diesem Fall muss der IGBT "irgendwie" die Energie der Zündspule "schlucken". Normalerweise schafft er das, sollte dann aber passend gekühlt werden.

Wenn man "unübliche" Zündspule mit sehr hoher Energie benutzt sollte man alle vorhergehenden Aussagen nochmal neu bewerten.

Heutzutage werden IGBTs üblicherweise direkt in Kombination mit einer passenden Teiber- und Schutzschaltung in einem Modul abgeboten. Insbesondere getrieben durch die aktuellen Emissionsanforderungen die auch eine umfassende Zustandsdiagnose erfordern.

Es wäre sicherlich interessant, und möglich, in diese Richtung weiter zu machen. Dann sollte aber auch die Tiefe und Gründlichkeit der Entwicklung deutlich erhöht werden, wozu mir die Möglichkeiten fehlen.

Messungen

Das folgende Bild zeigt Messungen der originalen Zündspule und der ECU. Mein Fokus lag auf der Stromaufnahme.

Die Stromaufnahme habe ich die über den Spannungsabfall an einen kleinen Messwiderstand in der Masseleitung bestimmt. Im Diagramm sind die umgerechneten Ströme angegeben.

Der Zeitverlauf der Ströme folgt einer e-Funktion, wie es bei einer Spule zu erwarten ist. Der Maximalstrom wird durch die Summe der Widerstände begrenzt. Bei sehr hohen Drehzahlen wird der Maximalstrom nicht mehr erreicht weil die Stromfluss-Zeit (Dwell-Time) nicht ausreicht.

Schaltet man 2 Stück F6T558-Zündspulen in Reihe ergibt sich folgendes Bild:

Der Maximalstrom ist deutlich niedriger, entsprechend schwächer sind die Zündfunken.

Mit zwischengeschalteter Treiberschaltung und Einzelansteuerung der Spulen erhält man die folgenden Ergebnisse:

Der Maximalstrom liegt etwas über der Originalkonfiguration. Der Stromverlauf ist deutlich steiler weil die Induktivität der Einzelspule viel kleiner ist als die in den vorhergehende Fällen. Der wesentliche Vorteil tritt bei hohen Drehzahlen auf. Dort steht deutlich mehr Zündenergie zur Verfügung. Die Induktivität ist gegenüber dem Original zwar halbiert, aber die Stromzunahme wirkt sich quadratisch aus. Ausserdem wird die Zündenergie nicht mehr auf 2 Zündkerzen aufgeteilt.

Einbau

Alten Krempel raus, neue Spulen rein. So einfach und schnell ist es tatsächlich. Die Treiberelektronik sitzt in einem Metallkästchen dass am Platz der alten Zündspule montiert wird. Dort treffen sich auch alle Kabel:

Ergebnis

Meine Motivation für den Umbau waren nicht Probleme mit dem Motor. Vielmehr gefiel mir die Idee die Zündkabel loszuwerden und einen stärkeren Zündfunken zu bekommen. Und nebenbei alles durch modernere und neuere Komponenten aufzuwerten. Entsprechend war meine Erwartungshaltung für Verbesserungen in Richtung Motor sehr niedrig.

Veränderungen in der Motorleistung konnte ich beim Fahren auch nicht bemerken. Für solche marginalen Unterschiede ist wohl auch ein Prüfstand besser geeignet und objektiver.

Ein paar spürbare Verbesserungen sind aber doch eingetreten:
- Der Motor springt leichter und schneller an. Er läuft im kalten Zustand sofort rund und ohne leichtes Stottern.
- Im warmen Zustand läuft er absolut rund. Die vorher zu beobachtende leicht nervöse Gasannahme im mittleren Drehzahlbereich ist verschwunden.

Dieser Umbau ist sicherlich nichts was man unbedingt machen sollte. Wenn die serienmässige Zündung funktioniert sollte man sie in Ruhe lassen. Die Hoffnung dadurch einen stotternden Motor zu kurieren wird sehr wahrscheinlich nicht eintreten.Bestenfalls werden die Sympthome gemildert.
Ich halte ihn aber für sinnvoll wenn man heftig getunt hat. Man hat damit die Gewissheit dass nicht die Zündung der nächste schwache, ungewisse Punkt ist der einen ärgert.
Und bei der Beschäftigung mit der Materie lernt man eine Menge neue Sachen :)

Diverse Infos

Ein paar Infos die ich "unterwegs" aufgesammelt habe (ohne Gewähr).

Verwendete Zündspulen:
FZ1, R1 RN12, R6 RJ11: F6T558
R6 RJ15: F6T568
CBR 900 RR SC44: Denso 129700-3881
CBR 600 F4 1999: Denso 129700-38881 oder - 3996?
FZS1000: Denso J0313

Die Abmessungen der F6T558. Die obere Dichtung ist zur besseren Ansicht nach "unten" verschoben worden:

F6T558 und Denso J0313 (nur Stecker) im Vergleich:

F6T558 und F6T568 im Vergleich:

Mit etwas "Schnibbelei" am unteren Gummi bekommt man die F6T568 für den FZS Zylinderkopf passend. Die Widerstandswerte sind leicht abweichend, unerheblich wenn eine Treiberschaltung verwendet wird.

Im Automobilbau werden schon seit langem COP Modelle verwendet. Dort sind die regulatorischen Anforderungen für die Abgase immer schon etwas härter und zeitlich früher. Der Trend dort ist die Ansteuerelektronik direkt in den Zündspulen-"Kopf" zu integrieren. Zusätzlich wird mit elektrischen "Tricks" gearbeitet wie zylinderselektive Zündung und Klopf-Sensoren. Technisch eine ganz andere Liga als bei den ollen Vergaser-Motorrädern.

BIP373

Dieses IC von Bosch-Semiconductors kann man fast als "Mutter alller Zündungen" bezeichnen. Es ist sehr populär in der Megasquirt-Szene weil es robust ist und einfach anzusteuern. Der BIP372 ist die SMD-Version im D2PAK Gehäuse.

Vermutlich hat Bosch dieses IC für den Einsatz in den hauseigenen Zündmodulen entwickelt. Es ist konzipiert um direkt von einem (5V) Logikausgang einer ECU angesteuert zu werden. Es enthält diverse Schutzeinrichtungen gegen Übertemperatur und zu hohe Ströme und kann ohne weitere Beschaltung direkt eine Zündspule ansteuern.

Bosch Zündmodul IM 4

Bosch ist einer der Hauptlieferanten für elektronische Zündanlagen. Ein sehr häufig eingesetztes Modul für 4-Zylinder-Motoren ist das IM 4 (0227.100.211). Es kann 4 COP Zündspulen ansteuern. Der Eingang ist direkt mit einem Motorsteuergerät verbunden.

Einziger Schönheitsfehler beim Einsatz am Motorrad ist das invertierte Schaltverhalten (genau wie in dem IGBT-Schaltungsentwurf von ganz oben). Bosch gibt deshalb im Datenblatt direkt auch einen Schaltungsvorschlag für eine Inverter-Stufe an.

Der Entwurf ist ganz nett und erfreulicherweise (fast) identisch mit meinen Vorschlag. Unschön ist nur dass eine zusätzliche 5V Spannung benötigt wird. Deshalb hier ein auf durchgehend 12V ausgelegter Schaltungsvorschlag.

Messungen 2.0

Meine Schaltung habe ich (mal wieder..) leicht überarbeitet. Zur Minimierung der Verluste sind die Leiterbahnen der Platine mit aufgelöteten Kupferdrähten verstärkt.
Ein Relais versorgt die Endstufen direkt aus der Batterie. Die originalen 12V-Kabel wollte ich nicht mit den jetzt deutlich höheren Strömen belasten
Der alte IGBT (IRGS14C40L) war schwer erhältlich (Auslaufmodell?) und wurde durch einen FGD3245G2-F085 ersetzt.

Die Wärmeentwicklung in den Endstufen ist erheblich (4 x 5W?) und eine gute Kühlung daher unumgänglich. Mit der Montage in einem Metallgehäuse kommt man im worst-case auf eine Übertemperatur von 30°. Die Umgebungstemperatur am Motor sollte man mit 80°C ansetzen, für die IGBTs ist das akzeptabel.

Die IGBTs sitzen zur Kühlung mit ihrer Oberseite flach auf dem Gehäuse auf. Das Foto zeigt die Lage der Platine und der IGBTs, probeweise auf der Gehäuseaussenseite angeschraubt (weil man sonst nichts sieht).

Hier der komplette Probeaufbau, mit Zündspulen in einem Metall-Gestell.

Die folgenden Messungen wurden bei 1000 U/min an der Primärspule/dem Kollektor des IGBTs gemacht. Das erste Bild zeigt das Zündsignal (oben) und die Primärspannung (unten) zur Übersicht. Deutlich sind die Spikes durch die Rück-Induktion zum Zündzeitpunkt zu erkennen. Dazwischen liegen leichte Artefakte von der Zündung im Nachbarkanal. Die Dwell-Zeit lag bei 12ms.

Die folgende Sequenz zeigt den Spannungsverlauf im Detail in verschiedenen zeitlichen Zoom-Stufen. Die Klemm-Spannung des Zünd-Peaks ist 300V (CH2, 50V/div), das Plasma zündet nach 12us, die Brenndauer beträgt 1ms bei 35V.

Single Spark / Dual Spark / Dioden

In der Fazer wird eine Single-Coil-Dual-Spark Konfiguration verwendet:

Häufig findet man auch eine Diode auf der Sekundärseite (nicht bei der Fazer).

Der Sinn dahinter ist die Unterdrückung des "Lade-Funkens". Da man den eigentlichen Zündfunken durch Öffnen des Primärkreises erzeugt muss dieser Stromkreis ja auch irgendwann vorher mal geschlossen worden sein. Das passiert zu Beginn der "Ladezeit" (Dwell-Zeit), und genau dabei kann dieser Funke auftreten.
Genaugenommen handelt sich erstmal nur um einen Spannungssprung, in der Literatur wird ein typischer Wert von 1KV genannt. Bei einer Dual-Spark Konfiguration teilt sich die Spannnung auf 2 Zündkerzen auf. Die 500V werden meist als zu gering angesehen um im Brennraum einen Funken zu erzeugen.

Beim Übergang auf Single-Coil-Single-Spark wird die Sache wieder relevanter.

Interessanterweise haben die R1/FZ1 Zündspulen (und sehr viele andere) keine Dioden eingebaut. Möglicherweise wird dort der Einschaltmoment durch irgendwelche Massnahmen abgemildert, z.B. durch langsames Hochfahren der Spannung?

Nachfolgend eine Messung der Primärspannung beim Einschalten des IGBTs, der Beginn der Dwell-Zeit. CH2 fällt von 14V auf ~0V.

Nach 20us treten negative Spikes von 10V auf, die Verzögerung wird durch das Schaltverhalten und die Gate-Kapazität der IGBTs verursacht.
Die Amplituden sind um den Faktor 30 kleiner als bei der Hauptzündung, in erster Näherung könnte man daher die Sekundäspannung auf kleiner 1kV schätzen. Im Magnetfeld der Spule ist zu diesem Zeitpunkt noch keine Energie gespeichert die zur Ausbildung eines Plasmas benötigt wird. Diese Spikes führen daher sehr wahrscheinlich nicht zu einem Zündfunken und damit nicht zu einer unerwünschten Frühzündung.