Zündfunke

Zündkerze (NGK BP6ES)

historische Zündkerzen, Museum Autovision, Altlußheim

Die Zündkerze erzeugt in Ottomotoren und beim Anlassen von Gasturbinen und Strahltriebwerken die für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches nötigen Zündfunken zwischen ihren Elektroden.

Geschichtliches

1901/1902 entwickelte Gottlob Honold in Robert Boschs Werkstätte für Feinmechanik und Elektrotechnik in Stuttgart die Hochspannungs-Magnetzündung, die erst den Bau von schnell laufenden Benzinmotoren ermöglichte. Verschiedene Vorgängerversionen der Zündkerze hatten sich als wenig brauchbar herausgestellt. Auf die herausschraubbare Zündkerze, wie sie seit Jahrzehnten Standard ist, hatte jedoch zunächst Renault in Frankreich ein Patent.

Grundlagen

Die von der 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.

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

Zündkerzen müssen wegen des Verschleißes der Elektroden regelmäßig gewechselt werden.

Neue Technologien

In letzter Zeit werden zunehmend auch Gleitfunkenzündkerzen eingesetzt. Diese haben mehrere Masseelektroden (2-4) und eine langlebigere Mittelelektrode (durch Materialwahl und Form). Der Zündfunke springt immer zu der Masseelektrode, die den geringsten Abstand zur Mittelelektrode hat. Durch Abbrennen vergrößert sich der Abstand, bis der Zündfunke schließlich auf eine andere Masseelektrode wechselt. Dadurch wird die Lebensdauer der Zündkerze erheblich verlängert. Alle weiteren Argumente, wie höhere Leistung, geringerer Kraftstoffverbrauch usw., sind fragwürdig.

Derzeit werden Versuche durchgeführt, das Zünden eines Benzin-Luftgemisches durch einen Laserstrahl durchzuführen. Das muss durch eine Quarzglasscheibe erfolgen. Allerdings verursacht die laufende Verschmutzung des Glases Probleme.

Sitzform und Gewinde

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. Gebräuchliche Gewinde sind:

• M 10 × 1 SW 16
• M 12 × 1,25 SW 18 (meist bei Motorrädern; in jüngster Zeit zunehmend auch bei Autos)
• M 14 × 1,25 SW 20,8 (bei den meisten Autos)
• M 18 × 1,5 SW 26 (relativ selten bei Automotoren, oft bei alten Zweitaktern; Standard bei Flugzeugmotoren)

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) in der Typenbezeichnung.

Diese Zündkerzenvariante sollte nicht zusammen mit Kerzensteckern mit integriertem Widerstand eingesetzt werden, da der Zündfunke durch die Reihenschaltung der Widerstände zu sehr geschwächt würde.

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). 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 (Handelsmarke von ACDelco), verwenden hohe Kennzahlen für „heiße“ Zündkerzen, NGK und Denso hingegen niedrige; die Kennzahlen sind zwischen den Herstellern aber nicht übertragbar. Aus diesem Grund geben die Hersteller in Tabellen bzw. auf ihren Webseiten den korrekten Wärmewert für die gängigen Fahrzeuge 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

1, 2, 3 und 4 Elektroden

Es gibt zahlreiche Hersteller von Zündkerzen, die nicht nur Ausführungen mit einer einzelnen Elektrode liefern. Heute sind auch Bauformen mit zwei, drei oder gar vier Elektroden gängig. Eine Spezialausführung sind darunter Kerzen mit einer gespaltenen Elektrode, welche 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/-Ausführung und der Funkenlage (Maß vom Ende des Kerzengewindes bis zu der Elektrodenspitze) wird bei der Entwicklung des Motors festgelegt. Bei modernen Ottomotoren hat das Design erheblichen Einfluss auf das Laufverhalten, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen. Eigenmächtig geänderte Zündkerzen können sich äußerst negativ auf den Motor auswirken. Im harmlosesten Fall schlechteres Startverhalten, unruhiger Lauf, Aufleuchten der Motorkontrollleuchte (MIL) – aber auch kapitale Motorschäden können die Folge einer falschen Kerzenwahl sein, insbesondere bei direkteinspritzenden Motoren, bei denen eine präzise Zündung besonders wichtig ist.

Elektrodenabstand

Zündfunke zwischen den Elektroden einer Zündkerze

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 Elektroden-Abstände von 1 mm bis 2 mm keine Seltenheit mehr, bei durch Unterbrecher gesteuerten Zündanlagen waren Werte von 0,3 mm, 0,5 mm oder 0,7 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 nachmessen oder eine 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 bis zu 100.000 km lang. Bei extremen thermischen Stress hat sich Inconel bewährt. Des Weiteren wird Inconel u. a. in Abgasturboladern (Turbinenrad) eingesetzt.

Isolatorwerkstoff

Der Isolator besteht aus Aluminiumoxid. Diese Keramik ist sehr spröde und dementsprechend sorgsam hat der Umgang mit einer Zündkerze zu erfolgen. Eine fallen gelassene Zündkerze – auch wenn diese optisch unversehrt scheint – nicht mehr verwenden. Schon kleinste Stöße können Risse hervorrufen welche sich mit 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 wird, so kann man an ihr durch das sogenannte Kerzenbild (das Aussehen der im Brennraum befindlichen Zündkerzenteile) feststellen, ob der Motor korrekt arbeitet. Das ist auch heute noch uneingeschränkt möglich, wenngleich die Werkstätten heute lieber verschiedene Messgeräte einsetzen, um Fehler an Motoren festzustellen.

Zündkerzenbild	Mögliche Ursachen und Folgen	Mögliche Abhilfe
	Zündkerze rehbraun: Der Motor arbeitet einwandfrei, die Gemischzusammensetzung ist korrekt, der Wärmewert der Zündkerze passt.	Keine Maßnahmen sind erforderlich. Die Zündkerze im Foto links sollte allerdings bald gewechselt werden. Man erkennt den Verschleiß an den abgerundeten Kanten der Mittelelektrode.
	Zündkerze abgebrannt: Aggressive Kraftstoff- und Ölzusätze, Verbrennungsrückstände im Brennraum, mangelhafte Kraftstoffqualität, defekte Ventile oder Zündverteiler. Leistungsverlust gefolgt vom Totalausfall des Motors.	Mögliche Verursacher überprüfen, anderer Kraftstoff.
	Mittelelektrode abgebrannt: Thermische Überlastung durch Glühzündung, Wärmewert der Kerze zu niedrig, Rückstände im Verbrennungsraum, zu früher Zündzeitpunkt, defekte Ventile oder Zündverteiler, schlechte Kraftstoffqualität.	Kerze austauschen, ZZP prüfen, evtl. Kraftstoff wechseln.
	Zündkerze glasiert: Zusätze in Öl und Benzin bilden ascheartige Ablagerungen. Die Ablagerungen bewirken bei höherer Last Zündaussetzer.	Motor einstellen, Markenzündkerzen verwenden.
	Zündkerze mechanisch beschädigt: Bei Motorschäden können sich Metallspäne auf der Zündkerze ablagern oder sie zerstören.	Die Zündkerze sollte ausgetauscht werden. Bei wiederholter Beschädigung liegt ein mechanischer Defekt am Motor vor.
	Zündkerze verkohlt: Wärmewert der Zündkerze könnte zu hoch sein, Treibstoffgemisch ist zu fett, vorwiegender Einsatz auf Kurzstrecken, Choke zu lange gezogen (Startautomatik verstellt) oder Luftfilter verschmutzt.	Bei passendem Wärmewert der Zündkerze die Gemischzusammensetzung einstellen (Vergaser oder Einspritzung justieren, evtl. Startautomatik prüfen)
	Zündkerze verkrustet: Bestandteile des Öls können Rückstände bilden, die sich auf der Zündkerze ablagern.	Eventuell Ölsorte wechseln oder Motoreinstellung überprüfen. Bei 4-Takt Motoren: Ölüberfüllung und/oder hoher Ölverbrauch durch verschlissene Motorkomponenten, fehlerhafter Motorentlüftung. Kolbenringe, Ventilschaftdichtungen, Motorentlüftung überprüfen. Kerze ist zu erneuern, da diese Ablagerungen nicht vollständig zu entfernen sind.
	Zündkerze verschlissen: Aggressive Kraftstoff- und Ölzusätze, ungünstige Strömungseinflüsse im Brennraum, Ablagerungen sowie mangelhafte Kraftstoffqualität. Die Folgen sind Zündaussetzer, besonders beim Beschleunigen, und schlechtes Startverhalten.	Verursacher überprüfen, Kraftstoffsorte wechseln.
	Zündkerze verölt: Zu viel Öl im Verbrennungsraum, Kolbenringe undicht, Ölstand zu hoch, Zündkerze undicht (lose, defekt) Bei Zweitaktmotoren: Zu viel Öl im Kraftstoff durch falsches Öl/Kraftstoff Mischverhältnis	Zündkerzen anziehen, Motor überholen Bei Zweitaktmotoren: Öl/Kraftstoff Mischverhältnis überprüfen oder bei Getrenntschmierung Einstellung der Ölpumpe überprüfen
	Zündkerze angeschmolzen oder weiß: Thermische Überlastung durch Glühzündung oder zu heiße Verbrennung, Wärmewert könnte zu niedrig sein oder das Treibstoffgemisch zu mager, Motor neigt zum Klopfen	Bei passendem Wärmewert der Zündkerze die Gemischzusammensetzung einstellen (Vergaser oder Einspritzung justieren). Eventuell Oktanzahl des Kraftstoffs überprüfen.
	Zündkerze überbrückt: Länger anhaltender Betrieb bei kaltem Motor/geringer Last; Gemisch zu fett. Bei verbleiten Kraftstoffen kann die Zündkerze durch Bleiablagerungen überbrückt sein.	(Ruß-)Brücke mittels Holzspan entfernen, Motor warmfahren und mit größerer Last betreiben. Das Reinigen mit Drahtbürsten jedweder Art vermeiden, da Metallabrieb am Isolatorfuß wieder zu Funktionsstörungen führt.

Historische Zündkerzen, Museum Autovision, Altlußheim

Zündkerze als Sensor

Während der Verbrennung enthält das Gas im Brennraum aufgrund seiner hohen Temperatur einen hohen Anteil von Ionen, ist also schwach leitfähig. In der Motorenforschung werden deshalb Zündkerzen benutzt, um über den Ionenstrom Rückschlüsse auf die Verbrennung ziehen zu können. In dieser Anwendung als Sensor konkurriert die Zündkerze mit Drucksensoren, die ebenfalls Rückschlüsse auf die Verbrennung erlauben. Nachteilig ist, dass diese Ionenstrommessung unmittelbar während des Zündfunkens nicht einsetzbar ist.

Daihatsu setzt die Ionenstrommessung im K3 Motor (der im YRV, Sirion und Copen verbaut wurde), sowie im EJ-VE Motor (der im Cuore L251 verbaut wurde) ein.

Siehe auch

• Themenliste Fahrzeugtechnik
• Leanen

Literatur

• Jan Trommelmans: Das Auto und seine Technik. 1. Auflage, Motorbuchverlag, Stuttgart, 1992, ISBN 3-613-01288-X.
• Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3.
• Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005, ISBN 3-528-23933-6.
• Peter Gerigk, Detlev Bruhn, Dietmar Danner: Kraftfahrzeugtechnik. 3. Auflage, Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 2000, ISBN 3-14-22-1500-X.
• Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2001, ISBN 3-8085-2067-1.
• Robert Bosch GmbH (Hrsg.): Ottomotor-Management 3.Auflage, Vieweg+Teubner, 2005, ISBN 978-3834800374.

Weblinks

• Zündkerzenkunde auf bosch.com – Aufgabe, Aufbau, Anforderungen, ...
• E-Learning von NGK Spark Plug Europe – interaktiver Lehrgang zur Zündkerze, inklusive Animationen etc. (Flash-Plugin benötigt)