Eine Zündkerze erzeugt in Ottomotoren und beim Anlassen von Gasturbinen und Strahltriebwerken die für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches nötigen Zündfunken zwischen ihren Elektroden. Bei Feuerungsanlagen werden funktional ähnliche Zündelektroden eingesetzt.

Geschichte

Die Entwicklung der Zündkerze ist eng mit der Magnetzündung verbunden. Auf dem Weg von der Glührohrzündung über das Zeitalter der Niederspannungs-Magnetzündung (1886–1902) mit einer Nennspannung von 400 bis 500 Volt bis zur Hochspannungs-Magnetzündung (1902 bis heute) unterlag die Zündkerze stetiger Entwicklung, u. a. vom Glimmer- zum Keramikisolator. 1878/79 entwickelte Carl Benz einen verdichtungslosen Zweitaktmotor und später einen leichten Viertaktmotor. Benz entwickelte hierzu die Riemenverschiebung als Kupplung, den Vergaser, einen Wasserkühler und eine Zündkerze. Paul Winand erhielt 1887 das Deutsche Reichspatent 45161 auf die Wicklung der Armatur bei Zünd-Apparaten und am 24. Oktober 1893 ein US-Patent auf eine elektrische Zündvorrichtung (inkl. Zündkerze), die auf dem Prinzip der Hochspannungs-Magnetzündung ruhte. 1895 verwendete Ludwig Rüb an seinem Motorrad erstmals eine Hochspannungs-Magnetzündung. 1901 entwickelte Gottlob Honold in Robert Boschs Werkstätte für Feinmechanik und Elektrotechnik in Stuttgart die Hochspannungs-Magnetzündung weiter, und verhalf der Zündung, die für den Bau von schnelllaufenden Benzinmotoren entscheidend war, zum wirtschaftlichen Durchbruch.

Zu den wichtigen Weiterentwicklungen der Zündkerze zählt der gerippte Isolatorkörper, wie er 1969 von Bosch eingeführt wurde. Durch die Rippung des Isolators kann 30 % mehr Zündspannung übertragen werden, ohne dass der Zündfunke außen am Isolator überschlägt.

Grundlagen

Die von Zündspule und Zündunterbrecher (Zündkontakt – heute als elektronische Zündanlage) erzeugte Zündspannung wird über die Zündkerzenkabel an die Zündkerzen übertragen. Dort springt der durch die Zündspannung erzeugte Zündfunke zwischen einer keramisch isolierten Mittelelektrode und einer am Befestigungsgewinde fixierten Masseelektrode über und startet damit den Verbrennungsvorgang.

Seit ca. 1989 sind einige Automobilhersteller dazu übergegangen, die Zündspannung mittels Elektronik direkt an den Kerzen zu erzeugen (sog. „Einzelfunken-Zündspulen“). Das erhöht zwar einerseits die Systemkosten, weil eine eigene in den Zündkerzenstecker integrierte Elektronik für jede Kerze erforderlich ist. Andererseits müssen dadurch keine Hochspannungskabel mehr im Motorraum verlegt werden, was die Konstruktion des Motors erheblich vereinfacht (keine Gefahr durch Überschläge mehr, erheblich weniger elektromagnetische Störstrahlung, verbesserte Ausfallsicherheit).

Die Zündkerze sollte möglichst schnell ihre Selbstreinigungstemperatur zwischen 360 und 850 °C erreichen. Die Selbstreinigung verhindert durch Abbrennen von Verbrennungsrückständen einen Kurzschluss beziehungsweise eine Verkürzung der Funkenstrecke zwischen den Elektroden. Der die Mittelelektrode umgebende Isolatorfuß bestimmt durch seine Länge den Wärmewert einer Zündkerze. Bei einem kurzen Isolatorfuß kann die Wärme rasch über das Gewinde an den gekühlten Zylinderkopf abgegeben werden. Hier spricht man von einer „kalten“ Kerze mit einem niedrigen Wärmewert. Diese wird für hochbeanspruchte Motoren eingesetzt.

Zündkerzen müssen mit ihren Wärmewerten dem jeweiligen Motor angepasst sein. Bei einer zu „kalten“ Zündkerze kann obige Fehlfunktion auftreten. Wurde dagegen eine zu „warme“ Zündkerze gewählt, verbrennen die Elektroden zu schnell.

Elektronisch gesteuerte Zündkerzen unterliegen heute keinem nennenswerten Verschleiß mehr.

Neue Technologien

In letzter Zeit werden zunehmend auch Gleitfunkenzündkerzen resp. Luftgleitfunkenzündkerzen eingesetzt. Diese haben mehrere einzelne Masseelektroden (in der Regel 2 oder 4) oder eine 360°-Elektrode und eine längerlebige Mittelelektrode (durch Materialwahl und Form). Im Unterschied zu einer herkömmlichen Zündkerze gleitet der Zündfunke über ein Isolatormaterial – bei der Luftgleitfunkenkerze überspringt der Zündfunke zusätzlich noch einen kleinen Luftspalt – immer zu der Masseelektrode, die den geringsten Abstand zur Mittelelektrode hat. Bedingt durch den Isolator wird die Funkenstrecke erheblich größer als bei normalen Kerzen. Ein längerer Funke resp. eine größere Funkenoberfläche sowie die im Gegensatz zu einer herkömmlichen Zündkerze offenliegende Funkenstrecke beeinflussen den Zündvorgang erheblich und können die Verbrennung verbessern.

In stationären Gasmotoren und Sportmotoren, die mit sehr mageren Gemischen betrieben werden, wird die Entflammung durch sogenannte Vorkammerzündkerzen intensiviert.

Derzeit werden auch Versuche durchgeführt, das Benzin-Luft-Gemisch durch einen Laserstrahl zu zünden. Das muss durch eine Quarzglasscheibe erfolgen. Allerdings verursacht die laufende Verschmutzung des Glases Probleme.

Gewinde- und Sitzform

Es gibt nur Einheitsgrößen von Zündkerzen. Diese werden je nach Bauart und Größe des Motors eingesetzt. Die Zündkerzen unterscheiden sich in Länge, Durchmesser und Steigung des Zündkerzengewindes:

Neben unterschiedlichen Gewinden gibt es auch verschiedene Sitzformen. Die klassische Ausführung weist einen flachen Sitz mit Dichtring auf. Neben dieser Form kommen aber auch Kerzen mit Kegelsitz zum Einsatz, welche keinen Dichtring benötigen.

Ausführung

Manche Zündkerzen enthalten einen eingebauten Entstörwiderstand von ca. 5 kΩ. Man erkennt diese Typen meist an dem Buchstaben R (z. B. bei Bosch und NGK) in der Typenbezeichnung.

Diese Zündkerzenvariante kann ohne Weiteres auch in Verbindung mit Kerzensteckern mit integriertem Widerstand (entstörten Kerzensteckern) eingesetzt werden. Eine Schwächung des Zündfunkens durch die Reihenschaltung der Widerstände ist nicht zu befürchten, da nur ein kleiner Strom fließt. NGK schreibt dazu: Der Einsatz von NGK-Zündkerzensteckern mit Entstörwiderständen bietet in Verbindung mit entstörten NGK-Zündkerzen eine optimale Unterdrückung von Störfrequenzen in allen Frequenzbereichen ohne dabei das Laufverhalten des Motors negativ zu beeinflussen.

Der Zündkerzenstecker wird auf die Kerze aufgesteckt und stellt so den Kontakt zur Mittelelektrode her. Dabei gibt es Stecker, die anstelle des Anschlussbolzens (Gewinde M 4) eine SAE-Anschlussmutter auf der Kerze benötigen. Diese Mutter kann bei nahezu allen Zündkerzen mit einer Zange abgeschraubt werden, wenn sie nicht benötigt wird. Bei neuen Zündkerzen wird die Mutter meist separat in die Verpackung gelegt, so dass sie im Bedarfsfall erst aufgeschraubt werden muss.

Wärmewert

Der Wärmewert wird im Typencode als Zahl angegeben. Dieser Wert steht für die maximale Betriebstemperatur, die sich durch die Eigenschaft der Kerze einstellt, Wärme aus dem Brennraum aufzunehmen und abzuführen. Die Wärmezufuhr an der Zündkerze im Brennraum ist dabei vom jeweiligen Motortyp abhängig.

Der Wärmewert ist von elementarer Bedeutung, da eine Mindesttemperatur von etwa 400 °C nach dem Start des Motors so schnell wie möglich erreicht werden muss, damit die Zündkerze Rückstände auf dem Isolator „freibrennen“ kann, um so ein „Verrußen“ und damit einhergehende Zündungsaussetzer zu vermeiden (Freibrenngrenze, „Selbstreinigungstemperatur“ = 450 °C). Andererseits darf jedoch an keinem Punkt der Kerze eine Höchsttemperatur von ca. 900 °C (Glühzündungsbereich) überschritten werden, da der Motor sonst zu Selbstzündungen neigt, was sich durch Klopfen des Motors äußern würde. Daraus ergibt sich, dass der Wärmewert stets an die Wärmeentwicklung im Brennraum des Motors angepasst sein muss, damit sich an der Kerze die korrekte Betriebstemperatur einstellt.

Die Kennzahlen der Wärmewerte sind von Hersteller zu Hersteller verschieden. Bosch, BERU und Champion (Federal-Mogul), verwenden hohe Kennzahlen für „heiße“ Zündkerzen, NGK und Denso hingegen niedrige; die Kennzahlen sind zwischen den Herstellern also nicht übertragbar. Aus diesem Grund geben die Hersteller in Tabellen bzw. auf ihren Webseiten den korrekten Wärmewert für die gängigen Motoren an. Veränderungen an der Verbrennung wie durch Tuning-Maßnahmen (z. B. Verdichtung erhöhen) oder alternative Kraftstoffe (z. B. Autogas) verändern auch die Verbrennungstemperatur und damit den erforderlichen Wärmewert der Zündkerze. Manche Hersteller stellen auch diese Informationen zur Verfügung.

Eine „kalte“ Zündkerze führt möglichst viel Wärme über den Isolator und die Elektrode ab. Dabei ist der Keramikisolator kürzer als bei einer vergleichsweise „heißen“ Zündkerze, was zu einer niedrigeren Wärmeaufnahme und einer stärkeren Wärmeabfuhr über das Kerzengewinde führt. Verbundelektroden verbessern die Wärmeabfuhr weiterhin, beispielsweise durch eine Nickel-Elektrode mit einem gut wärmeleitenden Kupferkern. Eine „kalte“ Zündkerze gehört daher tendenziell zu einem leistungsstarken Motor mit hohem Wärmeeintrag in das Material der Zündkerze. Eine „heiße“ Zündkerze stellt das Erreichen der Freibrenntemperatur zuverlässig sicher und findet sich in niedrig belasteten Motoren. Ein längerer Isolatorfuß sorgt für die Wärmeaufnahme in die Kerze bei geringerer Wärmeabfuhr über das Kerzengewinde.

Elektrodenausführung

Es gibt zahlreiche Hersteller von Zündkerzen, die nicht nur Ausführungen mit zwei Elektroden liefern. Heute sind auch Bauformen mit drei, vier oder gar fünf Elektroden gängig. Eine Spezialausführung sind Kerzen mit einer gespaltenen Elektrode, die unter dem Markennamen „Splitfire“ angeboten werden.

Nicht der Kerzenhersteller bestimmt, welche Ausführung in den jeweiligen Motoren eingesetzt werden soll, sondern der Motorenhersteller; die Gestaltung der Elektrodenform bzw. -ausführung und der Funkenlage (Maß vom Ende des Kerzengewindes bis zu der Elektrodenspitze) wird bei der Entwicklung des Motors festgelegt. Bei modernen Ottomotoren hat die Form erheblichen Einfluss auf das Laufverhalten, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen. Eigenmächtig geänderte Zündkerzen können sich äußerst ungünstig auf den Motor auswirken. Im besten Fall bewirken sie schlechteres Startverhalten, unruhigen Lauf, Aufleuchten der Motorkontrollleuchte (MIL) – aber auch schwere Motorschäden können die Folge einer falschen Kerzenwahl sein, insbesondere bei direkteinspritzenden Motoren, bei denen eine präzise Zündung besonders wichtig ist.

Elektrodenabstand

Moderne Transistorzündanlagen liefern wesentlich höhere Spannungen als die älteren Unterbrecherzündungen. Das erlaubt längere Funkenstrecken und somit auch größere Elektrodenabstände. Da ein größerer Elektrodenabstand im Vergleich zu einem kleineren durch den längeren Zündfunken eine größere Angriffsfläche für das Gasgemisch im Brennraum liefert, ist eine wesentlich effizientere Verbrennung möglich. Heute sind Elektrodenabstände von 1 mm bis 2 mm keine Seltenheit mehr, bei durch Unterbrecher gesteuerten Zündanlagen waren Werte von 0,7 mm oder 0,8 mm üblich.

Da die Mittelelektrode mit zunehmendem Verschleiß einen immer größeren Abstand zur Masseelektrode bekommt, kann der Elektrodenabstand einer noch nicht zu stark verschlissenen Zündkerze durch leichtes Verbiegen der Masseelektrode korrigiert werden. Das empfiehlt sich besonders bei einzylindrigen, einfachen Motoren (Mofa, Moped oder Mokick sowie Bootsmotoren etc.). Um den richtigen Abstand zu treffen, sollte man unbedingt mit einer Fühlerlehre (Messblech) prüfen oder eine (keilförmige) Zündkerzenlehre verwenden.

Elektrodenmaterial

Bei Standard-Zündkerzen kommen Nickel oder temperaturbeständige Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen als Elektrodenwerkstoff zum Einsatz – zur besseren Wärmeableitung mit Kupferkern. Bei höheren Beanspruchungen wird auch Platin, Silber, Iridium oder eine Nickel-Yttrium-Legierung verwendet, die zusätzlich auf die Grundelektrode aufgebracht werden. Das ermöglicht deutlich längere Standzeiten (längere Wechselintervalle). Während bei PKW-Motoren um 1980 noch Wechselintervalle von 10.000 bis 15.000 km üblich waren, halten moderne Kerzen (etwa seit 2010) bis zu 100.000 km lang. Bei extremem thermischen Stress hat sich Inconel bewährt. Dieses Material wird unter anderem auch in Abgasturboladern (Turbinenrad) eingesetzt.

Isolatorwerkstoff

Der Isolator besteht aus Aluminiumoxid. Diese Keramik ist sehr spröde und dementsprechend sorgsam muss mit einer Zündkerze umgegangen werden. Eine fallen gelassene Zündkerze – auch wenn sie optisch unversehrt scheint – sollte nicht mehr verwendet werden. Schon kleinste Stöße können Risse hervorrufen, die sich in Funktionsstörungen äußern. Die Wärmeableitung kann beeinträchtigt werden, es entstehen Glühzündungen. Bruchstücke des Isolators im Brennraum beschädigen wesentliche Komponenten des Motors bis hin zum Motorschaden.

Das Zündkerzenbild

Wenn eine Zündkerze mehrere Betriebsstunden in einem Motor eingesetzt wurde, kann man an ihr durch das sogenannte „Kerzenbild“ oder „Kerzengesicht“ (das durch die Verbrennung veränderte Aussehen der im Brennraum befindlichen Zündkerzenteile) feststellen, ob der Motor korrekt arbeitet. Das ist auch heute noch uneingeschränkt möglich, wenngleich die Werkstätten mittlerweile lieber verschiedene Messgeräte einsetzen, um Fehler an Motoren festzustellen.

Zündkerze mit integriertem Sensor

Siehe auch

• Themenliste Fahrzeugtechnik
• Leanen

Literatur

• Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor. Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2005, ISBN 3-528-23933-6
• Horst Bauer (Hrsg.): Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. Herausgegeben von der Robert Bosch GmbH. 25. überarbeitete und erweiterte Auflage. Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-23876-3.
• Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27. neubearbeitete Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2001, ISBN 3-8085-2067-1
• Robert Bosch GmbH (Hrsg.): Ottomotor-Management. 3. überarbeitete und ergänzte Auflage. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2005, ISBN 3-8348-0037-6
• Peter Gerigk, Detlev Bruhn, Dietmar Danner: Kraftfahrzeugtechnik. 3. Auflage, 4. Druck. Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig 2000, ISBN 3-14-221500-X
• Jan Trommelmans: Das Auto und seine Technik. Motorbuch-Verlag, Stuttgart 1992, ISBN 3-613-01288-X

Weblinks

• Zündkerzenkunde. Aufgabe, Aufbau, Anforderungen. In: bosch.com
• E-Learning von NGK Spark Plug Europe. Interaktiver Lehrgang zur Zündkerze, inklusive Animationen etc. In: ngk-elearning.de (Flash-Plugin benötigt)
• Zündkerzen. Zündkerzentechnologien und Anforderungen. In: ngk.de
• Zündkerzengrundlagen. Aufbau, Einbaulage, Zündfunkenverteilung. In: ngk.de
• Funktionsweise Zündkerze. In: oldtimers-im-fokus.ch
• Arbeitshinweise Zündoszilloskop. Detaillierte Betrachtung des Zündvorgangs aus Oszillogrammen. In: biat.uni-flensburg.de
• Alles über Zündkerzen. In: kfztech.de

Einzelnachweise

1. ↑ Tim Aublach: Das große Sportwagen-Lexikon. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
2. ↑ Patent DE45161C: Wicklung der Armatur bei Zünd-Apparaten. Angemeldet am 13. April 1887, veröffentlicht am 5. November 1888, Erfinder: Paul Winand.‌
3. ↑ Patent US507516A: Electrical Ignitor for gas or Hydrocarbon Engines. Angemeldet am 14. März 1892, veröffentlicht am 24. Oktober 1893, Erfinder: Paul A. N. Winand.‌
4. ↑ Hans-Joachim Mai: Evolution in kleinen Schritten. In: Christian Bartsch (Hrsg.): Ein Jahrhundert Motorradtechnik. VDI Verlag, 1987, ISBN 3-18-400757-X, S. 268.
5. ↑ Zündkerzen mit Rippenisolator. In: Kraftfahrzeugtechnik 10/1969, S. 314.
6. ↑ http://www.saabhistory.com/2008/06/12/saab-direct-ignition-saab-innovation/
7. ↑ NGK-Zündkerzenstecker. Website von NGK. Abgerufen am 10. Juni 2010
8. ↑ Zündkerze Teil 2 KFZ-Technik
9. ↑ Startseite von Bosch
10. ↑ Spezialadapter von AVL
11. ↑ Webpräsenz der Fa. Kistler
12. ↑ Drucksensoren von PIEZOCRYST
13. ↑ VisioKnock von AVL