Was macht eine Zündkerze und wie funktioniert sie?
Wie Dieselmotoren sind auch Benzinmotoren auf die Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in den Zylindern angewiesen, um den Motor in Gang zu halten. Deshalb werden sie auch als Verbrennungsmotoren bezeichnet. Im Gegensatz zu einem Dieselmotor, bei dem die Verbrennung unter der Kompression des Luft-Kraftstoff-Gemischs spontan abläuft, ist bei einem Benzinmotor ein Funke erforderlich, um das Gemisch zu zünden. Dieser Funke wird durch die Verwendung von Zündkerzen hergestellt.
Wann der Funke erscheint, wird vom Motormanagementsystem genau gesteuert: Zum genau richtigen Zeitpunkt gibt das Zündsystem einen kurzen Stoß an Hochspannung an die Zündkerze ab. Dadurch wird ein Funke erzeugt, der über einen kleinen Spalt von der Mittelelektrode zur Masseelektrode an der Zündkerzenspitze wandert, die oben in den Zylinder des Motors geschraubt ist. Im Zentrum dieses Funkens kann die Temperatur kurzzeitig 10.000 °C erreichen oder sogar überschreiten. Das erzeugt genügend Wärme, um das Gemisch im Zylinder zu entzünden.
Der Verbrennungsprozess ist einer der wichtigsten Teile des gesamten Motorbetriebszyklus. Wenn die Verbrennung nicht effizient ist, kann der Motor nicht die erforderliche Leistung erbringen. Außerdem führt eine ineffiziente Verbrennung zu einer hohen Schadstoffbelastung und einem übermäßigen Kraftstoffverbrauch.
Es ist die durch den Verbrennungsprozess erzeugte Wärme, die die komprimierten Gase im Zylinder dazu bringt, sich auszudehnen und den Kolben in den Zylinder zu drücken. Aber es ist die Zündkerze, die den anfänglichen Hochtemperaturfunken erzeugt, der den gesamten Verbrennungsprozess in Gang setzt. Die Zündkerze muss in der Lage sein, über viele Tausende von Kilometern und viele Millionen Verbrennungszyklen hinweg einen Funken zu erzeugen.
Während die Zündkerze also eine gleichmäßige und effiziente Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs gewährleistet, besteht ihre Hauptaufgabe darin, Hochspannungsenergie zu nutzen, um einen sehr schnellen und sehr heißen Funken zu erzeugen. Die Spannungen liegen typischerweise im Bereich von 10.000 bis 40.000 Volt (10kV bis 40kV). Die Tendenz geht künftig zu Spannungen von 45kV und höher. Die Konstruktion der Zündkerze muss daher eine gute Isolierung zwischen ihren verschiedenen Bauteilen aufweisen, damit die Hochspannung nicht entweicht oder zu anderen Bauteilen kurzgeschlossen wird.
Der Verdichtungs- und Verbrennungszyklus erzeugt ebenfalls sehr hohe Drücke. Dies bedeutet, dass eine wirksame Dichtung zwischen dem Zündkerzengehäuse und dem Motor vorhanden sein muss. Die Konstruktion der Zündkerze muss jedoch auch eine innere Abdichtung beinhalten, um zu verhindern, dass heiße und unter hohem Druck stehende Gase zwischen den verschiedenen Bauteilen der Zündkerze hindurchströmen. Würden Gase durch die Zündkerzenbaugruppe hindurchströmen können, würden sie neben dem Druckverlust auch die Bauteile der Zündkerze beschädigen.
Die wichtigsten Merkmale der Zündkerzenkonstruktion sind daher die Fähigkeit, hohen Temperaturen und Temperaturschwankungen sowie hohen Drücken standzuhalten. Gleichzeitig muss die Zündkerze jedoch mit hohen Spannungen arbeiten, um während der gesamten Lebensdauer der Zündkerze alle paar Tausendstelsekunden einen heißen Funken zu erzeugen.
Um die schädlichen Auswirkungen der hohen Temperaturen zu verhindern, muss die Zündkerze in der Lage sein, die Wärme von der Zündkerze weg und durch das Motorgehäuse zu leiten. Wenn jedoch zu viel Wärme von der Zündkerze abgeleitet wird, kann dies die Temperatur des Zündfunkens verringern und eine schlechte Zündung und Verbrennung verursachen. Zudem ist die Zündkerze möglicherweise nicht in der Lage, die Verunreinigungen zu verbrennen, wenn zu viel Wärme abgeleitet wird.
Aufbau von Zündkerzen
Um unter diesen schwierigen Betriebsbedingungen effektiv und effizient arbeiten zu können und die richtigen Leistungsanforderungen zu erfüllen, sind Zündkerzen in drei Hauptabschnitten aufgebaut: Gehäuse, Isolator und Elektroden. Diese Abschnitte enthalten dann einzelne Komponenten, die aus sorgfältig ausgewählten Materialien hergestellt werden.
Das obige Beispiel zeigt den Aufbau einer DENSO Iridium Power Zündkerze
Das Gehäuse (1) bildet eine äußere Hülle, die den Isolator umgibt und stützt und die Befestigung der Zündkerze am Motor ermöglicht. Die Dichtung (2) ist eine isolierende Dichtung zwischen dem Zündkerzengehäuse und dem Motor, um zu verhindern, dass Gase während der Kompression und Verbrennung entweichen. Die Masseelektrode (10) ist am unteren Gewindeteil des Gehäuses angebracht, so dass der elektrische Strom durch den Motor zurück zur Batterie fließen kann.
Der Isolator auf Keramikbasis (3) sorgt für die elektrische Isolierung zwischen Klemme, Mittelschaft, Gehäuse und Mittelelektrode. Bei Funkenspannungen von teilweise über 40 kV bei modernen Zündanlagen muss der nur Millimeter dicke Isolator die erforderlichen Isolationseigenschaften bieten. DENSO-Zündkerzen bestehen daher aus einem keramischen Material mit hochreinem Aluminiumoxid, das hervorragende hitzebeständige Eigenschaften, mechanische Festigkeit und ausgezeichnete elektrische Isolierung bietet. Die beiden Dichtringe (4) sorgen für einen sicheren Sitz und eine luftdichte Abdichtung zwischen Gehäuse und Isolator.
Die Hochspannung wird über den Zündkerzenanschluss (5) zugeführt, entweder durch direkten Anschluss an den Sockel der Zündspule oder durch Verwendung eines Zündkerzenkabels, das den Kerzenstecker mit der Spule verbindet.
Der Mittelschaft aus Stahl (6) verbindet den Anschluss und die Mittelelektrode und ermöglicht den Hochspannungsstromfluss vom Anschluss zur Mittelelektrode. Der Widerstand (7), der auch als Unterdrücker bezeichnet wird, reduziert den Spitzenstrom des Funkens. Ohne einen Widerstand erzeugt der Spitzenstrom elektromagnetische Felder oder Funkstörungen, die elektrische Geräte im Fahrzeug stören können.
Die Mittelelektrode (9) besteht aus Materialien wie Nickellegierungen, die hohen Temperaturen standhalten können. Diese Werkstoffe müssen außerdem extrem hart und haltbar sein, um den durch Funkenerosion verursachten Verschleiß zu minimieren. Der Mittelteil der Elektrode (8) enthält häufig einen Kupferkern, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern.
Für eine verbesserte Leistung und Haltbarkeit können Mittelelektroden auch mit einer Elektrodenspitze aus Edelmetallen hergestellt werden, die noch widerstandsfähiger sind als die herkömmlichen Elektrodenmaterialien. Diese härteren Materialien können bei höheren Temperaturen mit geringerem Verschleiß eingesetzt werden. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass sie die Verwendung feinerer Elektroden ermöglichen, was zu einer besseren Zündleistung führt. Diese kleineren Elektroden senken die erforderliche Spannung, gewährleisten einen zuverlässigen Funken und verringern den Löscheffekt, wodurch die Zündleistung verbessert wird.
Die Masseelektrode (10) ist den extremen Temperaturschwankungen im Verbrennungsraum ausgesetzt. Obwohl für die meisten dieser Elektroden eine Nickel-Chrom-Legierung verwendet wird, kann Platin hinzugefügt werden, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Einige Zündkerzen sind jedoch mit einer Masseelektrode mit Kupferkern ausgestattet, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Wie bei der Mittelelektrode senken die kleineren, nadelförmigen Masseelektroden die erforderliche Spannung und sorgen so für einen zuverlässigen Funken, was den Löscheffekt verringert und die Zündleistung verbessert.
Weitere Details zur Zündkerzentechnologie finden Sie im DENSO-Zündkerzenhandbuch.
Müssen Zündkerzen ausgetauscht werden?
Unabhängig von der Qualität der Zündkerze lässt ihre Leistungsfähigkeit im Laufe der Zeit nach, da sie in einer sehr ungünstigen Umgebung mit hohen Temperaturen und hohem Druck arbeitet. Deshalb muss sie in einem bestimmten Wartungsintervall ersetzt werden.
Das DENSO Zündkerzen-Sortiment
Wie findet man die richtige Zündkerze?
Obwohl es viele Faktoren zu berücksichtigen gibt, wie z.B. die Abmessungen, der Überstand und der Wärmebereich, ist es am einfachsten, die richtige DENSO-Zündkerze anhand von Marken- und Modellinformationen oder Cross-Referenzen über den DENSO E-Katalog hier auf der Webseite zu finden.
Weitere Details zu den DENSO Zündkerzen finden Sie im DENSO Produktbereich Zündung und im Downloadbereich, ebenfalls hier auf der DENSO Aftermarket-Webseite.