IgnitionControl - Chip-Tuning für 50ccm Scooter/Roller

IgnitionControl (iControl) Es handelt sich bei diesem Projekt um eine Zusatzelektronik, die mit einem Mikroprozessor ausgestattet ist und die variable Steuerung des Zündzeitpunktes bei Zweitakt-Motoren mit elektronischer Zündung (CDI) und externen PickUp ermöglicht.

Folgende Funktionen werden unterstützt:

  • Leistungssteigerung durch optimalen Zündzeitpunkt
  • Drosselfunktion über Einstellung einer maximalen Drehzahl
  • Drosselfunktion über Einstellung einer maximalen Geschwindigkeit

Die originale Zündung arbeitet bei den meisten Rollern statisch. Sie löst den Zündfunken in Abhängigkeit zur Position des Kolbens aus, indem ein Sensor (Pickup) immer bei einer bestimmten Kolbenstellung (z.B. 12 Grad vor OT) ein elektrisches Signal an die CDI sendet, woraufhin diese dann einen Impuls zur Zündspule gibt und damit den eigentlichen Zündfunken auslöst. Die Motordrehzahl und damit die Kolbengeschwindigkeit bleiben jedoch völlig unberücksichtigt. Hier setzt nun das IgnitionControl-Modul an.

Welche grundlegenden Funktionen bietet das IgnitionControl-Modul?
Es berechnet bei jeder Umdrehung die aktuelle Drehzahl und löst den Zündimpuls drehzahlabhängig zum optimalen Zeitpunkt aus. Hierdurch wird je nach Motorcharakteristik eine mehr oder weniger große Leistungssteigerung erzielt.

Eine weitere Funktion ist die der Drosselung. Bei erreichen einer einstellbaren Drehzahl oder Geschwindigkeit wird der Zündzeitpunkt soweit nach hinten verschoben, so dass zwar noch eine saubere Verbrennung erfolgt, aber der Motor die notwendige Kraft zum höher drehen nicht mehr aufbringen kann.

An dieser Stelle ein kurzer Exkurs zu den am Markt erhältlichen Drehzahlbegrenzern. Sie funktionieren mit einer sehr einfachen Elektronik. Im Prinzip werden einfach ein Poti und ein Elko zwischen Masse und dem Pickup-Kabel geschaltet. Das führt dann dazu, dass ab einer bestimmten Drehzahl Zündimpulse einfach gegen Masse abgeleitet werden. Es wird also gar nicht mehr gezündet und das Gemisch wird unverbrannt in den Auspuff gedrückt. Das führt im Laufe der Zeit zu völlig verölten Auspuffanlagen. Außerdem wird immer wieder berichtet, dass diese Drosseln den Motor häufig gewaltig zum stottern bringen oder sogar Fehlzündungen produzieren.
Selbst die Drosselmethode über die Drehzahl hat also schon einen deutlichen Vorteil gegenüber marktüblichen Drehzahlbegrenzern. Es wird trotz Drosselung eine saubere Verbrennung durchgeführt und es werden auch keine Fehlzündungen, die ja einem Motor auch erheblich beschädigen können, produziert.

Alle Drehzahlbegrenzer, die einfach bei erreichen einer bestimmten Drehzahl anfangen zu drosseln haben ein großes Problem. Die meisten Roller sind derart stark getunt, dass die Drehzahl in der Drosselfunktion gewaltig heruntergedreht werden muss. Das führt dann aber dazu, dass diese Maschinen auf Grund der niedrigen Drehzahl entweder gar nicht mehr vom Fleck kommen oder die maximal erreichbare niedrigste Geschwindigkeit im Drossel-Modus deutlich über der eigentlich gewünschten Geschwindigkeit liegt.
Abhilfe schafft hier eine Drosselfunktion, die auf Basis der gefahrenen Geschwindigkeit funktioniert. Mit anderen Worten, wie beim Fahrrad-Tacho wird ein Reed-Kontakt mit Magnet im Vorder- oder Hinterrad montiert und am IgnitionControl angeschlossen. Dieser ist dadurch in der Lage die Geschwindigkeit fortlaufend zu messen. Die Stellung des Dreh-Potis wird nun als maximale Geschwindigkeit interpretiert. Bei erreichen der maximalen Geschwindigkeit im Drossel-Modus wird gedrosselt. Bis zum Erreichen der eingestellten Geschwindigkeit fährt der Roller mit ganz normalen Drehzahlen.
Über einen Parameter im EPROM wird festgelegt, ob über Drehzahl oder Geschwindigkeit gedrosselt werden soll.

Funktionsweise der originalen Zündung

Zunächst einmal ein Blockschaltbild eines CDI-Zündsystems:

Schaltplan Roller-Zündung

Die wichtigsten Begriffe kurz erläutert:

HV (HighVoltage) Supply

Die Lichtmaschine verfügt über Ladeanker, die je nach Drehzahl zwischen 100V und 400V Spannung generieren.

Capacitor

Dieser Kondensator (zwischen 0,47 und 2uF) befindet sich in der CDI und nimmt die Energie von den Ladeankern auf und speichert sie zunächst. Wenn dann das Signal für den Zündimpuls vom Pickup-Sensor kommt, gibt der Kondensator die Energie schlagartig an die Zündspule ab.

Switch

Ist normalerweise ein Thyristor. Er ist der Schalter, mit dem das Pickup-Signal den Kondensator zur Entladung bringt.

Sensor

Das ist die Pickup-Spule oder auch Pickup-Sensor genannt. Er befindet sich ebenfalls in oder an der Lichtmaschine. Der Geber (Magnet) ist über ein Schwungrad mit der Kurbelwelle verbunden und ermöglicht so die Synchronisation zwischen Kolbenstellung und Zündimpuls.

Die Signale vom Pickup-Sensor

Im folgenden Bild sind der Pickup-Sensor und die Schwungscheibe mit dem Geber-Magneten zu sehen. Wichtig an dieser Stelle ist, dass es zwei Marken gibt, bei denen Signale vom Pickup-Sensor generiert werden. Das sind in diesem Fall eines bei 72 Grad und eines bei 12 Grad vor OT.

Zündung und Pickup

Die Signale vom Pickup-Sensor sehen auf einem Oszilloskop wie in der Abbildung dargestellt aus.

Pickup Signale

Erläuterung: Bei den meisten Systemen wird ein Doppel-Puls Sensor eingesetzt. Das erste Signal ist negativ und wird je nach Rollermarke zwischen 52 und 72 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) gesendet. Bei den Original-CDI's wird nach meinen bisherigen Erkenntnissen dieses Signal aber gar nicht ausgewertet.

Für den Zündimpuls entscheidend ist das zweite Signal. Es ist positiv und wird ca. 12 Grad vor OT gesendet. Dieses Signal löst in der CDI umgehend den Zündimpuls aus.

Der Prototyp vom IgnitionControl

Im zu Grunde liegenden Zündsystem gibt es nun prinzipiell zwei Möglichkeiten den Zündzeitpunkt über einen Mikrokontroller variabel zu steuern.

1. Möglichkeit: Man baut eine komplett neue CDI mit integriertem Mikrocontroller.
2. Möglichkeit: Man manipuliert die Signale vom Pickup-Sensor und steuert so das Zündverhalten.

Beim IgnitionControl habe ich mich für die zweite Möglichkeit entschieden, weil sie universeller einsetzbar ist. CDI's sind in der Regel mit Epoxyd-Harz vergossen und man kann sie nicht mal eben schnell öffnen um die Schaltung zu analysieren (z.B. welcher Kondensator wird eingesetzt). Wichtiger noch ist die Tatsache, dass sich die Steckeranschlüsse zwischen den Roller-Modellen sehr stark unterscheiden. Man müsste quasi für jedes Rollermodell eine eigene CDI-Variante (zumindest aber die Box mit den Anschlusssteckern) bauen, wenn es eine Plug&Play CDI-Box sein soll.

Das IgnitionControl-Modul wird also zusätzlich zwischen Pickup-Sensor und Original-CDI eingesetzt. Das Kabel vom Pickup-Sensor zur CDI wird dabei durchtrennt. Das Kabelende vom Pickup-Sensor ist der Signaleingang, das Kabelende das zur CDI geht ist der Signalausgang für den IgnitionControl.

Das Grundprinzip lässt sich wie folgt grob beschreiben:
Das negative Signal (72 Grad vor OT) wird genutzt um einige Berechnungen durchzuführen. Im Mikrocontroller (ATMega8) wird bei diesem Signal zuerst die aktuelle Drehzahl berechnet. Im Power-Modus (optimaler ZZP) wird anhand der aktuellen Drehzahl und einer im EPROM gespeicherten Zündkurve der gewünschte Zündzeitpunkt für diese Drehzahl ermittelt und ein Timer mit dem berechneten Wert aufgezogen. Bei Ablauf des Timers wird dann ein positiver Impuls auf die Ausgangsleitung gegeben. Hierdurch wird das Original-Signal (das positive und für den ZZP entscheidende) vom Pickup-Sensor quasi ersetzt und zeitlich verschoben an die CDI gesendet. Dieser Impuls löst in der CDI unmittelbar den Zündimpuls aus.

Im Drossel-Modus wird auch zunächst die Drehzahl oder die aktuelle Geschwindigkeit beim Eintreffen des ersten Signals (negativ) berechnet. Wenn die eingestellte Drehzahlobergrenze oder die max. Geschwindigkeit erreicht bzw. überschritten wurde, wird das positive Signal um ca. 5 Grad später als das originale Signal vom Pickup-Sensor ausgelöst. Durch diese spätere Zündung verringert sich die Motorleistung so sehr, dass die eingestellte Obergrenze nicht überschritten wird, aber im Gegensatz zu herkömmlichen Drosseln trotzdem noch saubere Verbrennungen erfolgen.

Zwischen Normal-, Power- und Drosselmodus kann per Mikrotaster oder Kippschalter umgeschaltet werden - auch während der Fahrt.

PC-Software für den IgnitionControl

Über eine RS232-Kommunikationsschnittstelle können per PC-Programm Konfigurationsdaten in den EPROM des Mikrocontrollers geschrieben werden. Natürlich können diese Daten auch wieder ausgelesen werden.

Nachfolgend erstmal ein Screenshot vom PC-Programm.

iControl PC-Software

Die Bedienung der Software ist sehr einfach gehalten. In der Toolbar gibt es drei Buttons. Ein erste Button ist für das Auslesen des EPROMs. Der zweite für das Schreiben der Daten in den EPROM. Der dritte Button löst einen Reset des Mikroprozessors aus. Der Reset wird eigentlich nicht benötigt, ist aber bei Kommunikationsschwierigkeiten manchmal ganz hilfreich. Wenn nach drücken des Reset-Buttons die drei LEDs für eine Sekunde aufleuchten, ist die Verbindung OK.

Generell sollte nach dem Schreiben des EPROMs durch ein Kontroll-Lesen überprüft werden, ob die Einstellungen auch korrekt übernommen wurden.

Die folgenden Parameter können eingestellt werden:
  • Startmodus
    Hier wird der Betriebsmodus eingestellt, der nach dem Start des Rollers aktiv sein soll. Zur Auswahl stehen Normal-, Drossel- und Power-Modus.
  • Zweitmodus
    Hier wird der Betriebsmodus eingestellt, der nach nach Betätigung des Tasters aktiv sein soll. Zur Auswahl stehen Normal-, Drossel- und Power-Modus.
  • Signalerkennung
    Ist ein wichtiger Parameter für den Power-Modus. Mit diesem Parameter wird festgelegt, ob der Mikroprozessor die Differenz zwischen den beiden PickUP-Signalen selbst ermitteln soll (AutoDetect), oder ob ein eingestellter Wert (Parameter Signaldifferenz) aus dem EPROM genommen werden soll. Da die Differenz bei verschiedenen Rollern unterschiedlich sein kann, wird empfohlen den Wert zunächst auf AutoDetect zu stellen. Dann startet man den Roller zwei bis drei mal und schaut sich jedesmal den vom IgnitionControl ermittelten Wert an. Kann leicht differieren, weil durch E- oder Kickstarter die gesamte Kolbenumdrehung manchmal nicht ganz gleichmässig ist. Kristallisiert sich ein eindeutiger Wert heraus, wird dieser für den Parameter Signaldifferenz übernommen. Der Parameter Signalerkennung muss dafür dann auf EPROM gesetzt werden.
  • Signaldifferenz
    Differenz zwischen den beiden PickUP-Signalen in Grad. Ist abhängig vom jeweiligen PickUP-Sensor. Weit verbreitete Werte scheinen 40 und 60 Grad zu sein. Siehe auch Parameter Signalerkennung.
  • Drosselmodus
    Hier wird eingestellt, ob über Drehzahl oder Geschwindigkeit gedrosselt werden soll.
  • Max. Drehzahl
    Hier wird die max. Drehzahl eingestellt. Wird aber nur wirksam, wenn der Poti nicht genutzt wird.
  • Verstellung im DM
    DM steht für Drosselmodus. Dieser Parameter gibt an, wieviel Grad später als normal beim Drosseln gezündet werdet soll. Eine Sonderbedeutung hat der Wert 0, dann wird nämlich beim Drosseln gar nicht gezündet.
  • Radumfang
    Hier wird der Umfang des Rades in cm eingestellt. Wird beim Drosseln über Geschwindigkeit zur Berechnung benötigt.
  • Max. Km/H
    Hier wird die max. Geschwindigkeit eingestellt. Wird aber nur wirksam, wenn der Poti nicht genutzt wird.
  • Poti
    Hier wird angegeben, ob der Poti für die Einstellung der max. Drehzhal bzw. max. Km/H genutzt werden soll.
  • Zündkurve
    In dieser Tabelle ist in der linken Spalte der gesamte Drehzahlbereich in 100 U/Min Schritten abgebildet. In der rechten Spalte kann nun der gewünschte ZZP für diesen Drehzahlbereich eingegeben werden. Gibt man z.B. eine 1 ein, wird 0,2 Grad früher als normal gezündet. Eine 5 in diesem Feld bedeutet dementsprechend 1 Grad früher als normal usw.

Wie wird der IgnitionControl angeschlossen?

Anschluß am Roller

Die folgenden Anschlüsse werden von dem Modul beim Einsatz im Roller benötigt:

Stromversorgung +12V (rotes Kabel)

Es sollte hierfür eine 12V Stromquelle vom Roller angezapft werden, die über das Zündschloß geschaltet wird.

Masse (schwarzes Kabel)

Dieses Kabel kann entweder am Fahrzeugrahmen oder auch direkt am Minuspol der Batterie angeschlossen werden.

Eingangssignal vom PickUp (blaues Kabel)

Das originale Kabel zwischen PickUp und der CDI muss zunächst einmal durchgetrennt werden. Das Kabelende vom PickUp-Sensor ist das Eingangssignal für den IgnitionControl.

Ausgangsssignal für die CDI (gelbes Kabel)

Die vom IgnitionControl manipulierten Signale werden über das gelbe Kabel ausgegeben. Daher muss dieses Kabel mit dem Kabelende von der CDI verbunden werden.

Das Schaltbild sieht folgendermaßen aus:

Anschlussplan Roller

Die Anschlüsse für den Taster und den Reedsensor sind optional. Mit dem Taster können die eingestellten Betriebsmodi während der Fahrt umgestellt werden. Der Anschluß des Reedsensors wird nur benötigt, wenn der IgnitionControl im Drosselmodus ab einer eingestellten Geschwindigkeit drosseln soll.

Anschluß am PC

Für die Einstellung der Parameter über die PC-Software gibt es zwei Möglichkeiten für den Anschluß. Wer einen Laptop mit einem seriellen Anschluss (COM-Port) hat, kann diesen direkt am Roller mit dem IgnitionControl verbinden. Der Vorteil hierbei ist, dass die Stromversorgung vom Roller genutzt werden kann und das Modul für die Einstellung der Parameter nicht extra ausgebaut werden muss.

Wird das Modul an einen PC angeschlossen, wird eine eigene Stromversorgung benötigt. Hierfür geeignet sind Netzteile, die ca. 9V bis 12V (DC) Gleichstrom produzieren. Es geht aber auch eine volle(!) 9V-Blockbatterie. Wenn die Stromquelle allerdings zu schwach ist, können Fehler bei der Datenübertragung auftreten.

Kommuniziert wird über RS232. Dafür müssen die Pegel entsprechend aufbereitet werden. Diese Aufgabe übernimmt eine Mini-Platine, die über ein ganz normales Nullmodemkabel mit einem COM-Port des PC's verbunden wird.

Nachfolgend das Schaltbild:

Anschlussplan PC

Weitere Details folgen in Kürze ...

Fragen zu diesem Projekt beantworte ich gerne im Forum.