1. Funktion
Betrachtet man die Grundkonstruktion der Zündkerze, so gab es in den vergangenen 50 Jahren keine tiefgreifende Veränderung. Sie besteht nach wie vor aus einem Metallkern, der in einem keramischen Isolator untergebracht ist. Dieser ist wiederum von einem Metallmantel umgeben, der aus einem Gewinde besteht, das in den Zylinderkopf gedreht wird und oben in der Regel einen Sechskantbereich aufweist, der den Zündkerzenstecker aufnimmt und das Ein- oder Ausbauen der Zündkerzen mit einem Zündkerzenschlüssel ermöglicht. Der Hauptzweck der Konstruktion liegt darin, zu gewährleisten, dass der elektrische Stromkreis bei hoher Spannung an der Zündkerze durch einen Funken geschlossen wird, der von der Mittelelektrode zur Masseelektrode springt.
Die Zündkerze spielt im Ottomotor eine wesentliche Rolle. Sie ist für die Entflammung des Luft-Kraftstoff-Gemisches verantwortlich. Die Güte dieser Entflammung beeinflusst viele Faktoren, die für den Fahrbetrieb und die Umwelt von enormer Bedeutung sind. Hierzu gehören etwa Laufruhe, Leistungsfähigkeit und Effizienz des Motors ebenso wie der Schadstoffausstoss. Bedenkt man, dass sie zwischen 500 und 3500 Mal pro Minute zünden muss, wird klar, wie groß der Beitrag einer modernen Zündkerzentechnik etwa zur Einhaltung aktueller Schadstoffnormen und zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist.
2. Aufbau
Der Anschluss ist als SAE-Anschluss oder als 4 mm-Gewinde ausgeführt. An ihm wird das Zündkabel oder eine Stabzündspule aufgesteckt. In beiden Fällen muss von hier eine anliegende Hochspannung zum anderen Ende der Zündkerze transportiert werden. Der keramische Isolator hat zwei Aufgaben. Er dient im Wesentlichen zur Isolation, 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 den Abfluss der Spannung auf die Fahrzeugmasse. 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.
3. Temperatur und Wärmefluss
Individuell zugeschnitten auf die unterschiedlichen Motorkonstruktionen und Fahrbedingungen muss eine zeitgemäße Zündkerze sein. So kann es eine Zündkerze, die in allen Motoren problemlos funktioniert, nicht geben. Da die Temperaturentwicklung der jeweiligen Motoren im Brennraum unterschiedlich ist, braucht man Zündkerzen mit unterschiedlichen Wärmewerten. Ausgedrückt wird dieser Wärmewert durch die so genannte 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 so genannten 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.
Die Wärmeentwicklung variiert stark von Motor zu Motor. So laufen beispielsweise turbogeladene Aggregate wesentlich heißer als nicht aufgeladene Motoren. Daher gibt es für jeden Motor eine Zündkerze, die ein genau definiertes Maß an Wärme an den Zylinderkopf abgeben kann und gewährleistet, dass das optimale Temperaturfenster eingehalten wird. Auskunft über die Temperaturbelastbarkeit einer Zündkerze gibt der so genannte Wärmewert, dessen Kennzeichnung bei allen Zündkerzenherstellern unterschiedlich ist.
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 also 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.