Die Funktion von Zündkerzen
Die Zündkerze ist ein wichtiger Bestandteil der Zündanlage eines Benzinmotors. Sie leitet Hochspannung in den Brennraum und erzeugt durch den Überschlag der Elektroden einen Funken, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder entzündet. Sie besteht im Wesentlichen aus einer Überwurfmutter, einem Isolator, einer Anschlussschraube, einer Mittelelektrode, Seitenelektroden und einem Gehäuse. Die Seitenelektroden sind mit dem Gehäuse verschweißt.
Die Zündkerze, auch „Zünddüse“ genannt, dient dazu, den vom Zündkabel (Zünddüsendraht) gesendeten Hochspannungsimpuls freizusetzen, die Luft zwischen den beiden Elektroden der Zündkerze zu durchdringen und einen elektrischen Funken zu erzeugen, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder entzündet. Zu den wichtigsten Typen gehören: Quasi-Zündkerzen, Zündkerzen mit hervorstehendem Rand, Elektroden-Zündkerzen, Sitz-Zündkerzen, Elektroden-Zündkerzen mit überspringender Elektrode usw.
Die Zündkerzen sind seitlich oder oben am Motor angebracht. Früher wurden sie über Zündkabel mit dem Verteiler verbunden. In den letzten zehn Jahren wurden die meisten Motoren in Kleinwagen so umgebaut, dass die Zündspule direkt mit der Zündkerze verbunden ist. Die Betriebsspannung einer Zündkerze beträgt mindestens 10.000 V. Diese Hochspannung wird von der Zündspule aus 12 V erzeugt und dann an die Zündkerze weitergeleitet.
Unter dem Einfluss der Hochspannung ionisiert die Luft zwischen der Mittelelektrode und der Seitenelektrode der Zündkerze rasch und bildet positiv geladene Ionen und negativ geladene freie Elektronen. Sobald die Spannung zwischen den Elektroden einen bestimmten Wert erreicht, steigt die Anzahl der Ionen und Elektronen im Gas lawinenartig an, wodurch die Luft ihre isolierende Wirkung verliert. Im Funkenüberschlag bildet sich ein Entladungskanal. Dabei entsteht ein leuchtender Funke, der sich durch die Hitze ausdehnt und ein knallendes Geräusch verursacht. Die Temperatur dieses Funkens kann 2000 bis 3000 Grad Celsius erreichen und reicht aus, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum des Zylinders zu entzünden.
Nach dem Heizwert unterscheidet man zwischen kalten und heißen Zündkerzen. Je nach Elektrodenmaterial gibt es Nickel-, Silber- und Platinlegierungen usw. Genauer gesagt, lassen sich die Zündkerzentypen grob wie folgt einteilen:
Quasi-Zündkerze: Ihr Isolierkragen ist leicht in die Stirnfläche des Gehäuses zurückversetzt, die Seitenelektrode befindet sich außerhalb der Stirnfläche des Gehäuses. Sie ist die am weitesten verbreitete Zündkerzenart.
Zündkerze mit überstehendem Isolator: Der Isolator ist relativ lang und ragt über die Stirnfläche des Gehäuses hinaus. Dies bietet die Vorteile einer hohen Wärmeaufnahme und guter Abriebfestigkeit. Zudem kann die Zündkerze durch die Ansaugluft direkt gekühlt werden, wodurch die Temperatur gesenkt und die Gefahr einer Heißzündung verringert wird. Daher weist sie einen breiten thermischen Anwendungsbereich auf.
Elektrodenzündkerzen: Ihre Elektroden sind sehr fein. Sie zeichnen sich durch starke Zündfunken und eine gute Zündleistung aus und gewährleisten einen schnellen und zuverlässigen Motorstart auch in kalten Jahreszeiten. Sie haben einen breiten Temperaturbereich und eignen sich für vielfältige Anwendungen.
Sitzzündkerze: Ihr Gehäuse und das Schraubengewinde sind konisch geformt, sodass sie ohne Dichtung eine gute Abdichtung gewährleistet. Dadurch wird das Volumen der Zündkerze reduziert, was sich positiv auf die Konstruktion des Motors auswirkt.
Polarzündkerzen: Sie besitzen in der Regel zwei oder mehr Seitenelektroden. Ihre Vorteile liegen in der zuverlässigen Zündung und dem seltenen Nachjustieren des Elektrodenabstands. Daher werden sie häufig in Benzinmotoren eingesetzt, bei denen die Elektroden verschleißanfällig sind und der Elektrodenabstand nicht häufig nachjustiert werden kann.
Stirnzündkerze: Auch als Stirnzündkerze bekannt, ist sie die kälteste Zündkerzenart. Der Spalt zwischen der Mittelelektrode und der Stirnfläche des Gehäuses ist konzentrisch.
Standard- und vorstehende Zündkerzen
Die Standardzündkerze ist eine einseitige Zündkerze, deren Isolierhülse etwas tiefer liegt als das Gewindeende des Gehäuses. Sie besitzt die traditionelle Zündkerzenkonstruktion, die vor allem bei Motoren mit seitlich eingebauten Ventilen weit verbreitet ist. Um sie von der später entwickelten „vorstehenden Zündkerze“ zu unterscheiden, wird diese Bauform als „Standardtyp“ bezeichnet.
Die vorstehende Zündkerze wurde ursprünglich für obenliegende Ventile entwickelt. Ihr Isolierring ragt aus dem Gewindeende des Gehäuses in den Brennraum hinein. Er absorbiert einen erheblichen Teil der Wärme des Verbrennungsgemisches, weist bei Verbrennungsdrehzahl eine relativ hohe Betriebstemperatur auf und verhindert Verunreinigungen. Bei hohen Drehzahlen wird der Ansaugluftstrom aufgrund der obenliegenden Ventile auf den Isolierring gerichtet und kühlt diesen. Dadurch steigt die Maximaltemperatur nur geringfügig an, und der Temperaturbereich ist relativ groß. Vorstehende Zündkerzen sind für seitlich eingebaute Ventile ungeeignet, da deren Ansaugkanal viele Windungen aufweist und der Luftstrom nur eine geringe Kühlwirkung auf den Isolierring hat.
Ein- und mehrpolige Zündkerzen
Die herkömmliche einpolige Zündkerze hat einen entscheidenden Nachteil: Die Seitenelektrode bedeckt die Mittelelektrode. Bei einer Hochspannungsentladung zwischen den beiden Polen absorbiert das Gasgemisch im Funkenüberschlag die Hitze des Funkens und wird durch Ionisation aktiviert, wodurch ein Funkenkern entsteht. Dieser Funkenkern bildet sich üblicherweise in der Nähe der Seitenelektrode. Währenddessen wird mehr Wärme von der Seitenelektrode absorbiert, was als „Flammenunterdrückungseffekt“ der Elektrode bekannt ist. Dies reduziert die Funkenenergie und verschlechtert die Flammenauslöschung.
In den 1920er Jahren kamen dreipolige Zündkerzen auf den Markt. Im Vergleich zur einseitigen Elektrode besteht der Funkenspalt der mehrseitigen Elektrode aus den Querschnitten mehrerer Seitenelektroden (in runde Löcher gestanzt) und der zylindrischen Oberfläche der Mittelelektrode. Dieser seitlich angeordnete Funkenspalt beseitigt den Nachteil der die Mittelelektrode bedeckenden Seitenelektroden, verbessert die Zugänglichkeit des Zündfunkens, erzeugt eine höhere Zündenergie und dringt leichter in das Zylinderinnere ein. Dies trägt zu einer verbesserten Verbrennung und reduzierten Abgasemissionen bei. Dank der mehrseitigen Pole mit mehreren Zündkanälen wird die Lebensdauer verlängert und die Zündzuverlässigkeit erhöht. Es ist wichtig zu betonen, dass im Moment der Entladung immer nur ein Kanal funken kann; eine gleichzeitige Funkenbildung an mehreren Polen ist ausgeschlossen. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen des Entladungsprozesses belegen dies.
Die Suffixbuchstaben (die Buchstaben nach dem Heizwert) D, J und Q bei Zündkerzen für den Hausgebrauch stehen jeweils für zwei-, drei- und vierpolig.
Zündkerzen aus Nickelbasislegierung und Kupferkernelektrode
Die grundlegendsten Anforderungen an Elektroden, die in den Brennraum hineinragen, sind Beständigkeit gegen Ablation (sowohl elektrische als auch chemische Korrosion) und eine gute Wärmeleitfähigkeit. Mit der Weiterentwicklung der Materialwissenschaft und der Verfahrenstechnik haben sich die Elektrodenmaterialien von Eisen, Nickel, Nickelbasislegierungen und Nickel-Kupfer-Verbundwerkstoffen hin zu Edelmetallen entwickelt. Die heute am häufigsten verwendete Legierung ist eine Nickelbasislegierung. Reine Metalle weisen im Allgemeinen eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Legierungen auf, sind aber (wie Nickel) empfindlicher gegenüber der chemischen Korrosionsreaktion der Verbrennungsgase und den von ihnen gebildeten festen Ablagerungen. Daher werden für die Elektroden Materialien auf Nickelbasis mit Zusätzen von Elementen wie Chrom, Mangan und Silizium verwendet. Chrom erhöht die Beständigkeit gegen elektrische Erosion, während Mangan und Silizium die Beständigkeit gegen chemische Korrosion, insbesondere gegen das hochgiftige Schwefeloxid, verbessern.
Zündkerzen vom Standard- und Widerstandstyp
Die Zündkerze, als Funkenentladungserzeuger, ist eine breitbandige, kontinuierliche Quelle elektromagnetischer Störungen. Seit den 1960er Jahren haben Länder weltweit die Entwicklung von Widerstandszündkerzen beschleunigt, um die starken elektromagnetischen Störungen des Funkfelds durch die Funkenentladung zu unterdrücken, die Funkkommunikation zu schützen und Fehlfunktionen von Bordelektronik zu verhindern. China hat zudem eine Reihe verbindlicher nationaler Normen zur elektromagnetischen Verträglichkeit erlassen, die strenge Beschränkungen für die Funkstörungen von Fahrzeuggeräten mit Zündkerzenmotoren vorschreiben. Infolgedessen ist die Nachfrage nach Widerstandszündkerzen deutlich gestiegen. Widerstandszündkerzen unterscheiden sich strukturell kaum von herkömmlichen Zündkerzen; der einzige Unterschied besteht darin, dass die Leiterabdichtung im Inneren des Isolierkörpers durch eine Widerstandsabdichtung ersetzt wird.
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