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Die Zündkerze

Hier werden die Grundlagen und Funktion einer Zündung und deren Einflüsse auf das Motorlaufverhalten erklärt.

Zündung, wozu?

Im Gegensatz zur Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Dieselprinzip arbeitet (Selbstzündung) muß der Ottomotor fremdgezündet werden. Wobei eigentlich das Benzin/Luft-Gemisch wesentlich zündfreudiger ist, jeder kennt vielleicht den Spruch, daß man bei einem Diesel KFZ ohne Probleme ein brennendes Streichholz in den Tank werfen kann (ich würde trotzdem von der Nachahmung abraten, alleine schon wegen dem Schmutz im Tank). Die Verdichtung beim Benzinmotor ist nicht so hoch, daß der Kraftstoff sich selber entzündet, obwohl aus thermodynamischer Sicht beim Kreisprozeß mit steigender Verdichtung auch der Wirkungsgrad und damit auch die Leistungsausbeute aus der Kraftstoffmenge im Zylinder steigt. Aus diesem Grund benötigt heutzutage nahezu jedes Auto Superbenzin, da die Verdichtung bei den Motoren so hoch wie möglich sein soll, um einen möglichst guten Wirkungsgrad zu erhalten. Durch eine leistungsfähige Motorsteurung mit Klopfsensor kann man dies noch weiter optimieren.

Warum keine Selbstzündung bei Benzinmotoren

Ja, warum steigert man dann nicht die Verdichtung, so daß sich das Gemisch von selber entzüdet, wenn doch dann der Wirkungsgrad verbessert wird und eventuell die Teile für die Zündung entfallen können?
Einen Grund sieht man schon beim Dieselmotor, der trotz des schwerer entflammbaren Kraftstoffes deutlich mehr Verbrennungsgeräusche erzeugt und keinen so runden/weichen Motorlauf hat. Die gesamte Struktur des Motors muß wesentlich stabiler und schwerer (oder aus teureren Materialien) aufgebaut werden. Die Selbstzündung (Kurve a) bei Benzin führt in der Regel zu einer expolsionsartigen Verbrennung, der Kraftstoff brennt also nicht ab (wandernde Flammenfront, mit allmählich ansteigendem Zylinderdruck bei Kurve b), sondern überall im Zylinder beginnt das Gas gleichzeitig abzubrennen. Dieser kurze Impuls beansprucht die Motorenteile extrem und ist so schwer zu steuern, daß unterschiedliche Lastzustände nicht abdeckbar wären. Bei guter Zylinderfüllung könnte der Kolben vielleicht sogar wieder zurückgedrückt werden. Der Druckverlauf im Zylinder bei zu spätem Zündzeitpunkt ist mit Kurve c dargestellt. In beiden ungünstigen Fällen (zu frühe und zu späte Zündung) kann zur Überhitzung und zu schlechter Motorleistung führen.

Ausblick/Benzindirekteinspritzung

Zu den Pionierszeiten des Benzinmotors waren noch lange keine geeigneten Steuergeräte heutigen Leistungsvermögens verfügbar, darum hat man die Verdichtung ausreichend niedrig gewählt und das Gemisch zum richtigen Zeitpunkt per externer Steurung gezündet. Da ja aufgrund der konservativen Kunden (meist mangels Fachwissen) nur das verkäuflich ist, was es schon lange gibt, da nur das wirklich gut sein kann (Ironie!!!) hat diese Motorenbauart so lange überlebt.
Durch unsere leistungsfähige Mikroprozessortechnik könnte man heute die Einspritzung mit entsprechend hohem Druck in Abhängigkeit der Last und Drehzahl so steuern, daß die Verbrennung weich abläuft. Das einzige Problem ist aber, daß das Benzin immer in die gleiche Menge verdichteter Luft eingespritzt wird, was unter Umständen nicht zündfähig wäre (zu mager)! Dies bekommt man dadurch in den Griff, daß man doch wieder mit einer Drosselklappe arbeitet, was in Zukunft auch beim Dieselmotor der Fall sein wird, und die Einspritzung und Turbulenzen im Zylinder so gestaltet sind, daß im Bereich des Benzinstrahles der Einspritzdüse die optimale Mischung entsteht. Dies kann durch Computersimulation optimiert werden und ist deshalb auch erst seit wenigen Jahren durch die Weiterentwicklung der Rechner und Software (alleine durch die bösen Theoretiker!) möglich. Ich erinnere an die ersten Direkteinspritzmotoren von MAN! Diese haben den Kraftstoff nicht zerstäubt, sondern in eine Mulde im Kolben gespritzt, von dem aus die Verbrennung bei hoher Verdichtung allmählich begonnen hat. Bei den kleinen PKW Motoren hat dies einige Jahrzehnte länger gedauert, nicht zuletzt wegen der hohen Anforderungen an die Werkstoffe.

Schlechte Verbrennung durch die Zündkerze? -Wärmewert

Nun zur Funktion der Zündkerze und deren Einflüsse. Warum gibt es verschiedene Wärmewerte und welchen Sinn haben diese?
Die Zündkerze ist lediglich das Verschleißelement, an dem ein elektrischer Funke entstehen soll. Da dieses Bauteil wie gesagt verschleißt, muß es auswechselbar sein. Entsteht der Zündfunke, kann die Verbrennung beginnen, der restliche Prozeß ist von der Gemischaufbereitung (Vergaser, Einspritzalage) und dem Kurbeltrieb (Verdichtung) abhängig. Gehen wir von einem korrekten Zündzeitpunkt und funktionierender Zündspannungserzeugung aus, dann kann es nur an den anderen beiden Komponenten liegen, wenn der Motor nicht richtig oder gar nicht läuft. Die Zünkerze hat also keinen Einfluß auf die Verbrennung oder deren Qualität.

Einen Kennwert hat eine Zündkerze aber doch, der von jeder Motorenbauart abhängig ist! Stimmt dieser nicht, kann es auf Dauer nicht mehr zur Funkenbildung kommen (verrußte Kerze) oder zur Frühzündung durch glühende Kerzenteile was auch zum Klopfen oder Klingeln des Motors führen kann. Ersteres merkt man daran, daß der Motor nicht mehr läuft, zweiteres mußte ich selber am murena erleben, als ich mir blind von einem Teilehändler "gute" Zündkerzen andrehen lies, da mein Motor zumindest einen Zylinder hat, der noch die spezifizierte Verdichtung bringt: Nach dem Abstellen der Zündung nach einer Langstreckenfahrt, bei der alle Komponenten ihre richtige Betriebstemperatur erreicht hatten, holperte der Motor noch sechs Umdrehungen (drei Zündungen) "auf einem Haxn" weiter! Klang diletantisch, ich mußte mich schämen! Wer so ein Auto fährt, versteht nichts von Motoren...

Was war passiert? Der murena 2.2l Motor hat sehr kalte Kerzen im Vergleich zu den aktuellen KFZ Motoren. Bei NGK ist dies z.B. der Wert 7, während 6 kalt, 5 normal und 4 heiß ist. Der Teilelieferant hat mir eine Kerze mit Wärmewert 5 zugeschickt! Der Wärmewert bedeutet das Vermögen der Zündkerze Wärme abzuführen. Je heißer die Kerze ist, um so weniger kann die Kerze die Wärme von der Elektrode abführen. Erreicht wird das durch die Bauart, Material- und Formwahl des Isolatorfußes. Dies ist in Prospekten oder Homepages guter Kerzenhersteller sehr schön beschrieben. Der Wärmewert ist dann richtig gewählt, wenn unter Last die Temperatur des Isolators an der Spitze ca. 850°C beträgt. Damit ist die optimale Temperatur, die "Selbstreinigungstemperatur" erreicht, die die Kerze sauber hält und nicht zur Beschädigung durch Überhitzen führt.
An meinen Kerzen hat man nach 1000km gesamter Fahrleistung sehr schön gesehen, daß selbst nach einer Kurzstrecke bei Regenfahrt (gute innere Kühlung durch hohe Luftfeuchtigkeit) die Isolatoren bis auf den Grund ganz weiß und sauber waren, obwohl der anschließend abgenommene Auspuffkrümmer schwarze Ablagerungen zeigte (zu fettes Gemisch, bei korrektem Gemisch ist die Ablagerung grau!). Die Kerze an dem Zylinder mit der höchsten Verdichtung zeigte sogar extremen Elektrodenabbrand, wie er bei meinem Alltagsauto nach 15000 km nicht zu sehen ist. Die anschließende Reklamation hatte wieder das mangelnde Fachwissen des Händlers zu Tage gebracht, der die Funktion und Zusammenhänge leider nicht kannte. Also Vorsicht vor "Geheimtips" die nicht im Wartungshandbuch oder der Bedienungsanleitung stehen. Motorenentwickler sind nicht auf der Brennsuppe dahergeschwommen... ;-)

Kerzentuning?

Was so salopp beschrieben ist, ist der Alltag von Sport- und Rennmotorenbauern. Inzwischen sind durch die "RS", "S..." und "M" Motoren einige "Iridium" oder "Platinkerzen" für Serienmotoren erhältlich. Auch wegen der aggressiveren Stoffe bei Gasbetrieb sind Züdkerzen mit edleren Metallen im Handel. Der Vorteil: diese Metalle haben einen höheren Schmelzpunkt und auch durch die höheren Rohstoffkosten werden die Elektroden dünner ausgeführt. Das hat aber wiederum den Vorteil, dass sich der Zündfunke leichter ablöst. Der Lichtbogen kann stabiler brennen und der Motor zündet sicherer, was gerade bei aufgeladenen Motoren sehr wichtig ist.

Gerade bei Motoren mit Verteiler hat man mehrere Funkenstrecken: am Verteilerfinger und an der Zündkerze, hier ist ein leichtes Ablösen des Zündfunkens von Vorteil.

Gemessen auf dem Prüfstand bringt eine Iridium Zündkerze schon bis zu 5 PS. Bei manchen Motoren bingt eine mehrere hundert Euro teure Nockenwelle auch nicht mehr Leistung ;-).