Zündkerze

Konstruktion der Zündkerze

Die Zündkerze besteht aus einem Metallkern, der in einem keramischen Isolator untergebracht ist. Dieser Metallkern ist wiederum von einem Metallmantel umgeben. Der Metallmantel besteht aus einem Gewinde, das in den Zylinderkopf gedreht wird und oben in der Regel einen Sechskantbereich aufweist. Dieser nimmt den Zündkerzenstecker auf und ermöglicht das Ein- und Ausbauen der Zündkerze mit einem Zündkerzenschlüssel. Bei dieser Grundkonstruktion der Zündkerze gab es in den letzten 50 Jahren kaum eine Veränderung. Diese Konstruktion soll hauptsächlich gewährleisten, dass der elektrische Stromkreis bei hoher Spannung an der Zündkerze durch einen Funken geschlossen wird, der von der Mittelelektrode zur Masseelektrode springt.

Aufbau der Zündkerze

Der Anschluss der Zündkerze ist als SAE-Anschluss oder als 4 Millimeter-Gewinde ausgeführt. An diesem wird das Zündkabel oder eine Stabzündspule aufgesteckt. In beiden Fällen muss von hier eine anliegende Hochspannung zum anderen Ende der Zündkerze transportiert werden. Ein weiterer Bauteil der Zündkerze ist der keramische Isolator. Dieser hat zwei Aufgaben: Zum einen dient er im Wesentlichen zur Isolation und verhindert somit einen Überschlag der Hochspannung auf die Fahrzeugmasse (= minus) und leitet Verbrennungswärme an den Zylinderkopf ab. An der Außenseite des Isolators verhindern die wellenförmigen Kriechstrombarrieren, dass die Spannung auf die Fahrzeugmasse abfließt. Sie verlängern den hierzu zurückzulegenden Weg und erhöhen so den elektrischen Widerstand. So ist gewährleistet, dass die Energie den Weg mit geringerem Widerstand nimmt - den Weg durch die Mittel-Elektrode. Um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und damit den störungsfreien Betrieb der Bordelektronik sicherzustellen, kommt im Innern der Zündkerze eine Glasschmelze als Entstörwiderstand zum Einsatz. Die Mittel-Elektrode einer Standardzündkerze besteht meist aus einer Nickellegierung. Vom Ende dieser Elektrode muss der Funke zur Masse-Elektrode überspringen. Das Metallgehäuse ist mittels Gewinde fest mit dem Zylinderkopf verbunden und spielt hierdurch bei der Wärmeableitung eine wichtige Rolle, denn es leitet über diese Verbindung den größten Teil der Verbrennungswärme ab. Der Dichtring verhindert, dass selbst bei hohen Verbrennungsdrücken kein Verbrennungsgas an der Zündkerze vorbei austreten kann. So beugt er Druckverlusten vor. Darüber hinaus leitet er Wärme an den Zylinderkopf ab und gleicht das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten von Zylinderkopf und Zündkerzengehäuse aus. Die inneren Dichtungen stellen eine gasdichte Verbindung zwischen Isolator und Metallgehäuse her und sorgen so für optimale Abdichtung. Die Masse-Elektrode einer Standard-Zündkerze ist aus einer Nickellegierung gefertigt. Sie stellt bei normaler Funktion den Gegenpol dar.

Temperatur der Zündkerze

Eine zeitgemäße Zündkerze muss individuell auf die unterschiedlichen Motorkonstruktionen und Fahrbedingungen zugeschnitten sein. Daher gibt
es keine Zündkerze, die problemlos in allen Motoren funktioniert. Das liegt daran, dass die Temperaturentwicklung der jeweiligen Motoren im Brennraum unterschiedlich ist und dafür Zündkerzen mit unterschiedlichen Wärmewerten benötigt werden. Ausgedrückt wird dieser Wärmewert durch die sogenannte Wärmewertkennzahl. Diese Wärmewerte stellen eine auf Elektroden und Isolator gemessene, jeweils der Motorbelastung entsprechende, mittlere Temperatur dar. Zündkerzen benötigen ein spezielles Temperaturfenster, um optimal arbeiten zu können. Die Untergrenze dieses Fensters liegt bei 450°C Zündkerzentemperatur, der sogenannten „Selbstreinigungstemperatur“. Ab dieser Temperaturschwelle werden angesammelte Rußpartikel auf der Isolatorspitze verbrannt. Liegt die Betriebstemperatur dauerhaft darunter, können sich elektrisch leitende Rußpartikel ablagern, bis die Zündspannung über die Rußschicht auf die Fahrzeugmasse abfließt, statt einen Funken zu bilden. Ab einer Zündkerzentemperatur von 850 °C erhitzt sich der Isolator so stark, dass es an seiner Oberfläche zu unkontrollierten Zündungen kommen kann, den Glühzündungen. Solche unkontrollierten, abnormalen Verbrennungen können zu Motorschäden führen.

Wärmefluss und Wärmeableitung der Zündkerze

Die Wärmeableitung erfolgt zu annähernd 60% über das Zündkerzengehäuse und Gewinde. Etwas weniger als 40% gibt der Dichtring an den Zylinderkopf ab. Die wenigen, zu 100 % fehlenden Anteile, fließen über die Mittelelektrode ab. Der Isolator nimmt die Hitze im Brennraum auf und führt sie ins Innere der Zündkerze. Überall dort, wo er Kontakt mit dem Gehäuse hat, wird Wärme abgegeben. Indem man diese Kontaktfläche vergrößert oder verkleinert, kann man bestimmen, ob die Zündkerze mehr oder weniger Wärme über das Gehäuse abführt. Bei Zündkerzen mit höherer Temperaturbelastbarkeit ist die Kontaktfläche größer. Bei Zündkerzen mit niedrigerer Temperaturbelastbarkeit ist sie kleiner.