miniatur|Zündkerze (NGK BP6ES) 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.Tim Aublach: Das große Sportwagen-Lexikon. (). Bei Feuerungsanlagen werden funktional ähnliche Zündelektroden eingesetzt.
Geschichte 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, 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.Hans-Joachim Mai: Evolution in kleinen Schritten. In: Christian Bartsch (Hrsg.): Ein Jahrhundert Motorradtechnik. VDI Verlag, 1987, ISBN 3-18-400757-X, S. 268. 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.Zündkerzen mit Rippenisolator. In: Kraftfahrzeugtechnik 10/1969, S. 314.
Grundlagen miniatur|Schematische Darstellung der Zündanlage bei einem Kraftfahrzeug mini|Schnitt durch eine Zündkerze (Zündkerzen aus Neuhaus) 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. 1989http://www.saabhistory.com/2008/06/12/saab-direct-ignition-saab-innovation/ 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.
Elektronisch gesteuerte Zündkerzen unterliegen heute keinem nennenswerten Verschleiß mehr.
Feuerungsanlagen Bei Öl- und Gasbrennern von Feuerungsanlagen 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 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, Schlüsselweite, Durchmesser und Steigung des Zündkerzengewindes:
Gewinde Schlüsselweite Verwendung M 8 × 1 SW 13 verbaut in kleinen 4-Takt-Rollern; z. B. Honda NPS 50 Zoomer M 10 × 1 SW 16 verbaut in älteren Mopeds; z. B. Honda CY/CB/XR/XL 50 M 12 × 1,25 SW 18 meist bei Motorrädern; in jüngster Zeit zunehmend auch bei Autos M 14 × 1,25 SW 20,8 meist bei älteren Automotoren M 14 × 1,25 SW 16 bei den meisten Automotoren M 16 × 1,25 SW 16 M 18 × 1,5 SW 20,8 M 18 × 1,5 SW 25,4 selten bei Automotoren, oft bei alten Zweitaktmotoren; Standard bei Flugzeugmotoren vor 1930
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.NGK-Zündkerzenstecker. Archivierte Website von NGK, Stand 10. Juni 2010
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.
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.Zündkerze Teil 2 KFZ-Technik 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 des Motors und mitunter zu Kolbenklemmern. Im fortgeschrittenen Stadium können der Kolbenboden oder das Auslassventil durchbrennen und weitere schwere mechanische Schäden auftreten.
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.
Der Wärmewert der Zündkerze ist ein Maß für die thermische Belastbarkeit der Zündkerze. In den 1920er Jahren hatte sich in Mitteleuropa aufgrund von Arbeiten bei Bosch die Wärmewert-Reihe 145, 175, 225, 240, 260 verbreitet. Diese Zahlen bezogen sich ursprünglich auf die Ausfallzeit in Sekunden in einem Wärmewertprüfmotor, wobei die Kerze umso kälter war, je größer die Zahl. Allerdings konnte man sich auf kein standardisiertes Verfahren der Messung einigen.Wärmewert und Wärmewertbereich von Zündkerzen. In: Kraftfahrzeugtechnik 3/1975, S. 78–80. So kommt es, dass die Kennzahlen der Wärmewerte von Hersteller zu Hersteller bis heute verschieden sind und völlig unterschiedliche Bezeichnungen verwendet werden. Eine herstellerunabhängige Einschätzung des Wärmewertes ist somit unmöglich. Bosch, Champion (Federal-Mogul) und zum Teil auch BERU verwenden heutzutage hohe Kennzahlen für „heiße“ Zündkerzen, NGK und Denso hingegen niedrige. Um überhaupt eine Zuordnung der passenden Zündkerze zum jeweiligen Motor zu ermöglichen, geben die Hersteller in Tabellen bzw. auf ihren Webseiten die jeweils geeigneten Kerzentypen für die gängigen Motoren an. Die Isolator-Zündkerzen (aus der ehem. DDR, heute vertrieben von BERU) tragen noch die Bezeichnungen gemäß der ursprünglichen Wärmewert-Reihe 145–260.
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.
Ausführung der Masseelektroden miniatur|1, 2, 3 und 4 Masseelektroden