Wie funktioniert eine Zündkerze?

Eine Zündkerze ist ein elektrisches Bauteil, das im Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors eingesetzt wird und ein Gemisch aus Treibstoff und Luft durch einen elektrischen Funken entzündet. Sie bestehen aus einer isolierten Mittelelektrode, die durch einen stark isolierten Draht mit einer Zündspule oder einem Magnetkreis auf der Außenseite verbunden ist und mit einem geerdeten Anschluss an der Basis der Kerze die Möglichkeit eines Funkens im Inneren des Zylinders ermöglicht.

Bild von Zündkerzen bereitgestellt von Rexbo.at

Die Zündkerze hat zwei Hauptfunktionen: Zunächst wird durch die Zündkerze das Luft/Kraftstoff-Gemisch entzündet. Hierzu wird elektrische Energie verwendet, um einen Zündfunken zwischen der Seitenelektrode und der Mittelelektrode zu erzeugen. Dieser Funken hat genügend Energie, das Gemisch aus Luft und Kraftstoff im Brennraum zu entzünden.

Zudem ist es die Aufgabe der Zündkerze, Wärme aus dem Zylinder abzuführen. Die Temperatur am Ende der Zündkerze muss niedrig genug gehalten werden, um eine zu frühe Zündung zu verhindern, aber hoch genug, um die Zündung zu ermöglichen. Die Zündkerze arbeitet hierbei als Wärmetauscher, indem sie unerwünschte Wärmeenergie aus der Brennkammer anführt und Wärme an das Kühlsystem des Motors überträgt. Der Wärmebereich einer Zündkerze ist definiert als ihre Fähigkeit, Wärme von der Spitze abzuleiten.

Arbeitsprinzip
Die Zündkerze ist mit einer Spannungsquelle wie Magnetzünder oder Zündspule verbunden. Wenn Strom durch den Anschluss und in die Hauptmittelelektrode fließt, wird zwischen den zwei Elektroden eine Potentialdifferenz (Spannungsabfall) erzeugt. Das Gasgemisch, das den Spalt zwischen ihnen einnimmt, wirkt als Isolator, sodass der Strom nicht über die Spitze der Mittelelektrode hinaus fließt. Wenn die Spannung allerdings ansteigt, beginnen die Gase in der Lücke aufgeladen zu werden. Sobald die Spannung bis zu dem Punkt ansteigt, der den Widerstand der Gase überschreitet, werden sie ionisiert. Sobald die Gase ionisiert sind, beginnen sie, als Leiter zu wirken und ermöglichen dem Strom, durch den Isolierspalt zu fließen. Die Elektronen strömen nun durch diese Lücke. Diese plötzliche Bewegung der Elektronen führt zu einer schnellen, wodurch sie beginnen, sich schnell auszudehnen, was eine Mini-Explosion verursacht, die zur Bildung eines Funkens führt. Hierdurch wird umliegendes Gemisch ebenfalls entzündet, bis der gesamte Zylinderraum von der Explosion erfüllt wird. Zündkerzen können hierbei eine oder mehrere Seitenelektroden besitzen. Diese zünden nicht alle zeitgleich, sondern nutzen sich nacheinander ab, so dass die Haltbarkeit der Zündkerze erhöht wird.

Arten von Zündkerzen

Es gibt verschiedene Arten von Zündkerzen. Sie können basierend auf ihren Betriebstemperaturen und ihrer Konstruktion in zwei verschiedene Hauptklassifizierungen eingeteilt werden.

Basierend auf Betriebstemperaturen
Sobald der Verbrennungsprozess im Verbrennungszyklus abgeschlossen ist, muss die erzeugte Wärme abgeführt werden. Die Wärme entweicht durch die Abgase, die Zylinderwand des Motors und die Zündkerzenoberfläche. Basierend auf der Betriebstemperatur und dem Grad der Wärmeableitung können Zündkerzen in zwei Typen eingeteilt werden:

Heiße Zündkerze
Eine sogenannte heiße Zündkerze arbeitet in einem höheren Temperaturbereich. Sie hat eine kleinere Keramikfläche, die zur Isolierung der Wärme verwendet wird. Eine heiße Zündkerze gibt weniger Verbrennungswärme ab und lässt die Spitze und Elektrode heißer bleiben. Dadurch wird sichergestellt, dass eventuelle Ablagerungen abgebrannt werden und nicht lange dort verbleiben.

Kalte Zündkerze
Bei Hochleistungsmotoren, die standardmäßig in einem höheren Temperaturbereich laufen, würde die Verwendung einer heißen Zündkerze zu einer Frühzündung führen. Im Extremfall kann es auch zum Abschmelzen der Spitze kommen. Bei solchen Motoren wird daher eine sogenannte kalte Zündkerze verwendet. Hier ist die keramische Isolationsfläche höher und dadurch wird mehr Wärme abgeführt. Aber auf der anderen Seite neigt Sie zu einer größeren Anhäufung von Einlagen. Es ist daher auf die Vorgaben in der Bedienungsanleitung zu achten, um eine optimale Leistung zu erzielen.

Materialtypen
Zündkerzen werden zudem basierend auf dem Material, das an den Enden der Elektroden verwendet wird, klassifiziert. Es gibt vier verschiedene Materialen, aus denen die Mittel- und Seitenelektroden hergestellt werden können:

Kupfer-Nickel
Dies ist die meistverbreiteste Art von Zündkerzen. Bei diesen besteht die Mittelelektrode aus einer Kupfer-Nickel-Legierung, da Kupfer allein weich ist und durch die Motorwärme abschmilzt. Nickel wird hinzugefügt, um das Material zu verstärken, aber selbst dann sind es die am wenigsten haltbaren Zündkerzentypen, die auf dem Markt erhältlich sind. Sie müssen auch mit einem größeren Durchmesser hergestellt werden und erfordern daher mehr Spannung für den Betrieb.

Single-Platin
Diese Zündkerzen haben eine kleine Platinscheibe an der Spitze der Mittelelektrode. Diese Platinspitze ist exponentiell stärker als eine Kupfer-Nickel-Beschichtung, wodurch diese Art von Zündkerze auch lange hält. Sie sind auch weniger anfällig für Ablagerungen.

Doppelplatin
Diese Zündkerzen haben sowohl an der Mittelelektrode als auch an der Seitenelektrode Platinspitzen. Sie zünden zweimal im Verbrennungszyklus, einmal vor der Verbrennung und einmal während des Auspuffhubs. Der zweite Funke ist der „verschwendete Funke“ und daher kann diese Zündkerze nur verwendet werden, wenn das Fahrzeug mit einem Verteiler vom Typ „Wasted Spark“ ausgestattet ist.

Iridium
Dies sind die besten Zündkerzen, die auf dem Markt erhältlich sind. Bei diesen besteht die Spitze der Mittelelektrode aus Iridium, das ein haltbareres Material als Nickel, Kupfer und Platin ist. Daher sind sie am wenigsten anfällig für Ablagerungen und Beschädigungen. Sie haben auch eine kleinere Elektrode, die auch weniger Spannung für den Betrieb benötigt. Iridium-Zündkerzen sind viel teurer als die anderen Typen, halten dafür aber auch länger.