„Zündkerze“ – Versionsunterschied
| [ungesichtete Version] | [gesichtete Version] |
Inhalt gelöscht Inhalt hinzugefügt
K →Literatur: Punkt nach ISBN |
|||
| (42 dazwischenliegende Versionen von 24 Benutzern werden nicht angezeigt) | |||
Zeile 1:
[[Datei:Sparkplug.jpg|miniatur|Zündkerze (NGK BP6ES)]]
Eine '''Zündkerze''' erzeugt in [[Ottomotor]]en und beim Anlassen von [[Gasturbine]]n und [[Strahltriebwerk]]en die für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches nötigen Zündfunken zwischen ihren [[Elektrode]]n.<ref name="books-uENODQAAQBAJ-PT48">Tim Aublach: ''Das große Sportwagen-Lexikon.'' ({{Google Buch|BuchID=uENODQAAQBAJ|SeitenID=PT48}}).</ref> Bei [[Feuerungsanlage]]n werden funktional ähnliche ''Zündelektroden'' eingesetzt.
== Geschichte ==
[[Datei:Zündkerzen 4.jpg|miniatur|Historische Zündkerzen, [[Museum Autovision]], [[Altlußheim]]]]
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 (Kraftfahrzeug)|Kupplung]], den [[Vergaser]], einen [[Wasserkühler]] und eine Zündkerze. [[Paul Winand]] erhielt 1887 das Deutsche Reichspatent 45161 auf die ''Wicklung der Armatur bei Zünd-Apparaten''<ref>{{Patent| Land=DE| V-Nr=45161| Code=C| Titel=Wicklung der Armatur bei Zünd-Apparaten| A-Datum=1887-04-13| V-Datum=1888-11-05| Erfinder=Paul Winand}}</ref> und am 24. Oktober 1893 ein US-Patent auf eine elektrische Zündvorrichtung (inkl. Zündkerze), die auf dem Prinzip der Hochspannungs-Magnetzündung ruhte.<ref>
1901 entwickelte [[Gottlob Honold]] in [[Robert Bosch (Ingenieur)|Robert Boschs]] Werkstätte für Feinmechanik und Elektrotechnik in Stuttgart die [[Zündung (Verbrennungsmotor)#Magnetzündung|Hochspannungs-Magnetzündung]] weiter, und verhalf der Zündung, die für den Bau von schnelllaufenden [[Ottomotor|Benzinmotoren]] entscheidend war, zum wirtschaftlichen Durchbruch.
Zu den wichtigen Weiterentwicklungen der Zündkerze zählt der gerippte Isolatorkörper, wie er 1969 von [[Robert Bosch GmbH|Bosch]] eingeführt wurde. Durch die Rippung des Isolators kann 30 % mehr Zündspannung übertragen werden, ohne dass der Zündfunke außen am Isolator überschlägt.<ref>''Zündkerzen mit Rippenisolator.'' In: [[KFT|Kraftfahrzeugtechnik]] 10/1969, S. 314.</ref>
== Grundlagen ==
[[Datei:Car ignition system de.svg|miniatur|Schematische Darstellung der Zündanlage bei einem Kraftfahrzeug]]
[[Datei:20190530 Dresden - Die Welt der DDR - 035.jpg|mini|Schnitt durch eine Zündkerze (Zündkerzen aus [[Neuhaus-Schierschnitz|Neuhaus]])]]
Die von [[Zündspule]] und [[Unterbrecherkontakt|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<ref>http://www.saabhistory.com/2008/06/12/saab-direct-ignition-saab-innovation/</ref> 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 [[Störausstrahlung (EMV)|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 [[Isolator (Elektrotechnik)|Isolator]]fuß bestimmt durch seine Länge den [[Zündkerze#Wärmewertbereich_und_Wärmewert|Wärmewert]] einer Zündkerze
Elektronisch gesteuerte Zündkerzen unterliegen heute keinem nennenswerten Verschleiß mehr.
=== Feuerungsanlagen ===
Bei [[Ölbrenner|Öl-]] und [[Gasbrenner]]n von [[Feuerungsanlage]]n werden mit Zündkerzen technisch verwandte, jedoch mechanisch oft anders aufgebaute, ''Zündelektroden'' eingesetzt. Neben der Entzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches dienen sie oft auch zur Messung des Ionisationsstromes für die [[Zündsicherung]].
== 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 [[Isolator (Elektrotechnik)|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 [[Vorkammerzündkerze]]n intensiviert.
Derzeit werden auch Versuche durchgeführt, das Benzin-Luft-Gemisch durch einen [[Laser]]strahl zu zünden. Das muss durch eine [[Quarzglas]]scheibe erfolgen. Allerdings verursacht die laufende Verschmutzung des Glases Probleme.▼
▲Derzeit werden auch Versuche durchgeführt, das Benzin-Luft-Gemisch durch einen [[Laser]]strahl zu [[Laserzündung|zünden]]. Das muss durch eine [[Quarzglas]]scheibe 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, Schlüsselweite, Durchmesser und Steigung des [[Gewinde|Zündkerzengewindes]]:
{| class=wikitable
Zeile 54 ⟶ 60:
Manche Zündkerzen enthalten einen eingebauten Entstör[[Widerstand (Bauelement)|widerstand]] von ca. 5 kΩ. Man erkennt diese Typen meist an dem Buchstaben R (z. B. bei [[Robert Bosch GmbH|Bosch]] und [[NGK Spark Plug|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
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 [[Society of Automotive Engineers|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.
== {{Anker|Wärmewert}} Wärmewertbereich und Wärmewert ==
Der Wärmewertbereich einer Zündkerze beschreibt den Umfang unterschiedlicher Motor-Belastungszustände, innerhalb derer Kerzen-Temperaturen zwischen 450 und 850 °C eingehalten werden. Dies gilt unabhängig vom Wärmewert der Zündkerze, und es wird grundsätzlich ein möglichst großer Wärmewerbereich angestrebt.
Unterhalb von etwa 450 °C Zündkerzentemperatur wird die Selbstreinigungstemperatur nicht erreicht und die Kerze verrußt.<ref>[http://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/otto/zuendung/zuendkerzen_2.htm Zündkerze Teil 2 KFZ-Technik]</ref> Andererseits darf die Kerze jedoch die Temperatur von ca. 900 °C nicht überschreiten. Andernfalls entzündet sich das Kraftstoff-Luftgemisch nicht mehr elektrisch gesteuert durch den Zündfunken, sondern es wird bereits vorher ungesteuert entflammt (Glühzündung). Diese Selbstentzündung tritt oft an der heißen Isolatorspitze der Zündkerze oder an ihren Elektroden ein. Sie bewirkt eine zusätzliche Erhitzung des Motors, was zu einer lawinenartigen Häufung von Glühzündungen führen kann. Die hohen Temperaturen und Druckspitzen, die dabei auftreten, führen zunächst zu einem [[Klopfen (Verbrennungsmotor)|Klopfen]] des Motors und mitunter zu Kolbenklemmern. Im fortgeschrittenen Stadium können der Kolbenboden oder das Auslassventil durchbrennen und weitere schwere mechanische Schäden auftreten.<ref name=KFT75/>
Idealerweise erreicht eine Zündkerze ihre Selbstreinigungstemperatur bereits im Leerlauf des Motors, und heizt sich auch bei voll belastetem Motor nicht über 850 °C auf. Diesem Ideal können Zündkerzen jedoch kaum nahekommen, schon gar nicht verallgemeinert bei allen Motortypen. Deshalb werden passend für den Charakter des jeweiligen Motors Zündkerzen mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften hergestellt. 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.▼
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. Störungen wie Nebenluft oder ein verstellter Zündzeitpunkt können die Temperatur der Zündkerze ebenfalls stark beeinflussen und zu entsprechenden Problemen führen.
▲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.
== Ausführung der Masseelektroden ==
[[Datei:Spark plug.jpg|miniatur|1, 2, 3 und 4
Es gibt zahlreiche Hersteller von Zündkerzen, die nicht nur Ausführungen mit zwei
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
== Elektrodenabstand ==
[[Datei:Spark-plug01.jpeg|miniatur|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 Elektrodenabstände von 1 mm bis 2 mm keine Seltenheit mehr, bei durch Unterbrecher gesteuerten Zündanlagen waren Werte von 0,
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]]
== Elektrodenmaterial ==
Zeile 137 ⟶ 145:
|-
| [[Datei:Zündkerze überbrückt.jpg|150px]]
|
| (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.
|}
Zeile 144 ⟶ 152:
[[Datei:Zündkerzen 1.jpg|miniatur|Historische Zündkerzen, [[Museum Autovision]], [[Altlußheim]]]]
=== Messung des Verbrennungsdruckes ===
Klassische Indiziertechnik erfordert die Messung des Druckes im Zylinder. Mit Hilfe der Druckmessung schließt man auf die Verbrennungsvorgänge und weiter auf den Wirkungsgrad des Motors. Für diese Druckmessung verwendet man [[Piezoelektrizität|piezoelektrische]] Drucksensoren, die normalerweise in einer zusätzlichen Montagebohrung im Zylinderkopf eingeschraubt sind. Da das eine mechanische Bearbeitung erfordert, wurde nach einer Lösung gesucht, solche Sensoren in der Zündkerze zu integrieren. Anbieter wie Bosch<ref>[http://www.bosch.de Startseite von Bosch]</ref>, AVL<ref>[http://www.avl.com/wo/webobsession.servlet.go/encoded/YXBwPWJjbXMmcGFnZT12aWV3Jm5vZGVpZD00MDAwMTg4MTUmbGFuZ3VhZ2VpZD0yJm1hc2s9dmll_0Adw_3D_3D.html Spezialadapter von AVL]</ref>, Kistler<ref>[http://www.kistler.com Webpräsenz der Fa. Kistler]</ref> oder Piezocryst<ref>
=== Optische Indiziermesstechnik ===
Zeile 159 ⟶ 167:
== 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 ==
| |||