Projekt · Elektronik & Software

Im praktischen Einsatz

Elektronische Zündung

Mikrocontrollerbasierte Zündsteuerung für eine Jöhstadt TS 8/8 – entwickelt für einen zuverlässigen Start, eine drehzahlabhängige Zündverstellung und die Diagnose des Motorbetriebs.

ESP32-S3Zündplanung & Diagnose
2 Kanälegetrennte Zündausgänge
10.000 min⁻¹Maximaldrehzahl
Jöhstadt TS 8/8 mit final integrierten Komponenten der elektronischen Zündung

Ausgangssituation

Warum eine neue Zündung?

Die originale Zündung der TS 8/8 arbeitet mit mechanischen Unterbrecherkontakten. Verschleiß und Einstellaufwand können die zeitliche Zündauslösung beeinflussen. Gleichzeitig soll die Pumpe beim manuellen Anreißen möglichst zuverlässig starten.

Die Neuentwicklung ersetzt die mechanische Auslösung durch eine elektronische Steuerung. Dadurch lässt sich der Zündzeitpunkt abhängig von der Motordrehzahl vorgeben und die Funktion des Systems diagnostisch beobachten.

Original
Kurbelwelle→Unterbrecher→Zündspule→Zündkerze
Elektronisches System
Drehgeber→ESP32-S3→Kennlinie→Zündmodul

Systemarchitektur

Vom Kurbelwinkel zum Zündfunken

Die Steuerung erfasst die Kurbelwellenbewegung mit einem inkrementellen Drehgeber. Der ESP32-S3 verarbeitet Position und Drehzahl, berechnet die Zündvorgabe und gibt zwei galvanisch getrennte Steuersignale an das externe Zündmodul aus.

Systemarchitektur der mikrocontrollerbasierten Zündsteuerung
Systemarchitektur und externe Schnittstellen des aufgebauten Zündsystems.
01

Position erfassen

A/B-Signale liefern die relative Winkelinformation, das Z-Signal stellt die Referenz pro Umdrehung her.

02

Drehzahl bestimmen

Aus den Geberereignissen berechnet die Firmware die aktuelle Bewegung der Kurbelwelle.

03

Zündvorgabe berechnen

Eine hinterlegte Kennlinie legt abhängig von der Drehzahl die Zielwerte für beide Zündkanäle fest.

04

Zündung auslösen

Optokoppler und High-Side-Schalter übertragen die Steuersignale an das externe zweikanalige Zündmodul.

Hardware

Eigene Steuerplatine

Die selbst entwickelte Leiterplatte bündelt Signalaufbereitung, Spannungsversorgung, Schutz- und Filtermaßnahmen sowie die Ausgangsstufen zum Zündmodul. Der kompakte Aufbau reduziert Verbindungswege und erleichtert die Integration an der Pumpe.

Mechanische Integration der Steuerung in einem Aludruckgussgehäuse

Mechanische Integration der Steuerung und Komponenten während der Inbetriebnahme.

Firmware

Zündzeitpunkt abhängig von der Drehzahl

Eine feste mechanische Einstellung muss für alle Betriebszustände einen Kompromiss bilden. Die elektronische Steuerung kann dagegen eigene Vorgaben für Start, Hochlauf und Lastbetrieb verwenden.

Drehzahl → Zündvorgabe → Start Hochlauf Lastbetrieb

Schematische Darstellung – keine Wiedergabe konkreter Kennlinienwerte.

Weboberfläche der E-Zündung mit Drehzahlanzeige und Drehzahlverlauf

Diagnose

Motordaten direkt im Browser

Für Inbetriebnahme und Abstimmung stellt die Steuerung Diagnoseinformationen über eine Weboberfläche bereit. So lässt sich das Betriebsverhalten während des Versuchs unmittelbar beobachten.

Aktuelle DrehzahlAnzeige des gefilterten Drehzahlwerts.
MaximalwertHöchster während des Laufs angezeigter Wert.
DrehzahlverlaufZeitlicher Verlauf für die Beurteilung des Hochlaufs.
Serielle DiagnoseInterne Zustandsgrößen zur Fehlersuche und Signalprüfung.

Erprobung

Von der Werkbank zur Pumpe

Die Inbetriebnahme erfolgte schrittweise. Zunächst wurden Signalverarbeitung und Zündausgänge messtechnisch geprüft, anschließend die mechanische Zündreferenz kontrolliert und die Kennlinie beim Wasserpumpen unter Last abgestimmt.

Oszilloskopaufnahme der Zündsignale

Oszilloskopmessung

Kontrolle von Drehgeber- und Zündsignalen sowie der zeitlichen Zuordnung der Ausgänge.

Wasserförderung mit der TS 8/8 zum Test unter Last

Lastversuch

Abstimmung des Motorverhaltens während realer Wasserförderung und Beurteilung des Hochdrehverhaltens.

Ergebnis

Vom Prototyp zum praktischen Einsatz

Nach der Anpassung von Zündvorgabe und softwareseitigen Freigabebedingungen wurde ein unmittelbares Anspringen des warmen Motors beobachtet. Das entwickelte System ist inzwischen praktisch im Einsatz.

Warmstart

Unmittelbares Anspringen nach der Abstimmung des Systems.

10.000 min⁻¹

Gesamtsystem ist auf diese Maximaldrehzahlausgelegt

Praxis

Die elektronische Zündsteuerung wurde in den regulären Betrieb der Pumpe übernommen.

Finale Platzierung der Komponenten an der Feuerlöschpumpe

Integration

Kompakt an der Pumpe verbaut

Steuerung, Drehgeber und Zündmodul wurden so angeordnet, dass die Komponenten am Versuchsträger dauerhaft genutzt werden können. Die Elektronik verbindet dabei die ursprüngliche Motormechanik mit moderner Sensorik, Firmware und Diagnose.

  • Eigene Leiterplatte und Firmware
  • Direkte Erfassung der Kurbelwellenbewegung
  • Zwei getrennte Zündkanäle
  • Drehzahlabhängige Zündvorgabe
  • Webbasierte Diagnose im Betrieb

Weiterentwicklung

Die Plattform bleibt erweiterbar

Der aktuelle Aufbau bildet die Grundlage für zusätzliche Mess- und Regelungsfunktionen. Geplant sind Sensoren, mit denen Motor- und Pumpenbetrieb künftig detaillierter erfasst werden können.

T

Zylinderkopftemperatur

Kontinuierliche Erfassung der thermischen Belastung.

P−

Eingangsdruck

Messung der Bedingungen auf der Saugseite der Pumpe.

P+

Ausgangsdruck

Beurteilung der Wasserförderung auf der Druckseite.

K

Klopferkennung

Grundlage für eine spätere Regelung des Zündwinkels nahe der Klopfgrenze.