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Sprache Italiano
Stufe Grundschule
Erstellt / Aktualisiert 17.11.2013 / 24.11.2019
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8.3.2. Zündkerze

Aufbau

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In Abbildung 8-13 ist der Aufbau einer Zündkerze mit Verbundelektroden dargestellt. Der Anschlussbolzen aus Stahl (1) ist im Isolator (2), der aus einer Spezialkeramik(Al

2O3) besteht und die Aufgabe hat den Anschlussbolzen und die Mittelelektrode (9) vom Gehäuse (3) zu isolieren, gasdicht eingeschmolzen. Das herausragende Ende des Anschlussbolzens ist mit der Zündleitung verbunden. Die Hochspannung wird über eine leitfähige Glasschmelze (5), die auch zur Gasabdichtung des Brennraums dient, vom Anschlussbolzen zur Mittelelektrode geleitet. Die Mittelektrode ist im Isolatorfuß gasdicht eingeschmolzen. Um die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Elektrodenmaterial und Isolatorkeramik zu berücksichtigen, hat die Mittelelektrode einen geringeren Durchmesser als die Bohrung, woraus Luftspalt ein (8) entsteht. Form und Werkstoff der Elektroden hängen von den gegebenen Betriebsbedingungen ab. Ihr Verschleiß, der eine Erhöhung der Zündspannung bewirkt, beruht auf Erosion (Abbrand durch den Zündfunken) und Korrosion (chemisch-thermischer Angriff). Um das Wärmeableitverhalten der Elektroden, was einen maßgeblichen Einfluss auf die Dauerstandfestigkeit hat, zu verbessern, werden Verbundelektroden aus Nickel mit einem Kupferkern eingesetzt. Für besondere Anforderungen werden Silber oder Platin als Elektrodenwerkstoff verwendet. Die Masseelektrode, in Abbildung 8-13 als Dachelektrode ausgeführt, ist am Gehäuse befestigt und dient somit als zweites Potenzial, das mit der Motormasse verbunden ist. Über das Gehäuse aus Stahl wird die Zündkerze am Zylinderkopf befestigt.

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8.3.3. Wärmewert

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Während des Verbrennungsvorgangs werden Bestandteile des Kraftstoffs und des Schmieröls in Partikelform frei. Mit der Zeit können sich diese Bestandteile an der Zündkerze und insbesondere am Isolatorfuß ablagern und ihn verschmutzen, wodurch sich eine mehr oder weniger leitfähige Verbindung zwischen Mittelelektrode und Zündkerzengehäuse aufbaut. Diese Verbindung leitet einen Teil der Zündenergie als Nebenschlussstrom ab und schwächt damit den Zündfunken. Dieser Ablagerungsvorgang ist temperaturabhängig und findet vorwiegend unterhalb von 400 °C statt, da bei höheren Temperaturen die kohlenstoffhaltigen Rückstände auf dem Isolatorfuß verbrennen. Man ist also bestrebt, die Temperatur der Zündkerze oberhalb der 400 °C-Grenze, der so genannten „Freibrenngrenze" zu legen, und diese Mindesttemperatur möglichst schnell nach dem Start zu erreichen.

Die obere Temperaturgrenze einer Zündkerze liegt bei 900 °C, da sich das Gemisch sonst an den heißen, glühenden Zündkerzenteilen entzünden könnte (Glühzündung).

Die Arbeitstemperatur einer Zündkerze (Soll: 400-900 °C) stellt sich als Gleichgewichtstemperatur zwischen Wärmeaufnahme und Wärmeabfuhr ein (rund 80 % wird abgeleitet und 20 % wird wieder an das Frischgas abgegeben)

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8.3.3. Wärmewert

Ein großer Anteil der von der Zündkerze aus dem Brennraum aufgenommenen Wärme wird durch Wärmeleitung abgeführt (Anteil der Kühlung von ca. 20 % durch vorbeiströmendes Frischgemisch ist nicht berücksichtigt). Die Höhe der Wärmezufuhr und -abfuhr ist vom jeweiligen Motor abhängig: Motoren mit sehr hoher spezifischer Leistung weisen in der Regel höhere Brennraumtemperaturen auf als Motoren mit niedriger spezifischer Leistung. Ein und dieselbe Zündkerze würde sich in dem einen Motor sehr stark und im anderen dagegen nur geringfügig erhitzen. Zur Anpassung der Zündkerze an die verschiedenen Motortypen kann das Gleichgewicht zwischen zu- und abgeführter Wärme durch zwei wesentliche Maßnahmen beeinflusst werden. Durch:

  • Gestaltung des Isolatorfußes
  • Werkstoff der Elektroden

Zu beobachten ist hierbei, dass bei Teillast/ Leerlauf in erster Näherung ähnliche thermische Bedingungen vorliegen. Ein Motor mit hoher spezifischer Leistung (z.B. Turbomotor) hat also eine entsprechend höhere Spreizung in der thermischen Belastung.

 

 

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8.3.3. Wärmewert

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Einfluss des Isolatorfußes:

Die Größe der Isolatorfußoberfläche bestimmt die Wärmeaufnahme siehe (Abbildung 8-15):

  • Große Fläche (langer Isolatorfuß)- große Wärmeaufnahme
  • Kleine Fläche (kurzer Isolatorfuß)-geringe Wärmeaufnahme

Die Wärmeabgabe erfolgt über die Mittelelektrode und durch den inneren Dichtring zum Zündkerzengehäuse.

Daraus folgt, dass Zündkerzen mit einem langen Isolatorfuß mehr Wärme aufnehmen und weniger abführen können:

  • Kalte Kerze-kurzer Isolatorfuß
  • Heiße Kerze- langer Isolatorfuß

Einfluss des Elektrodenwerkstoffs

Die aufgenommene Wärme wird durch die Isolatorfußoberfläche bestimmt - die Wärmeabfuhr durch die Mittelelektrode. Um die Nebenschlussempfindlichkeit zu verringern, wird ein langer Isolatorfuß angestrebt. Um dennoch eine kalte Kerze zu erhalten, muss ein Werkstoff für die Mittelelektrode verwendet werden, der die Wärme sehr gut leitet: Silber, Kupfer (Verbundelektrode).

Quantitative Angabe des Wärmewertes

Der Wärmewert einer Zündkerze wird durch eine Wärmewert-Kennzahl beschrieben. Eine niedrige Wärmewert-Kennzahl bedeutet „Kalte Kerze" mit geringer Wärmeaufnahme durch einen kurzen Isolatorfuß (geringe Glühzündungsneigung). Eine hohe Kennzahl dagegen bedeutet „Heiße Kerze" mit hoher Wärmeaufnahme durch langen Isolatorfuß (hoher Widerstand gegen Verschmutzung)

 

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8.3.4. Elektrodenabstand

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Der Elektrodenabstand ist die kürzeste Entfernung zwischen Mittel- und Masseelektrode und beträgt üblicherweise 0,6 - 0,9mm.

Funkenlage

Unter der Funkenlage versteht man die Anordnung der Funkenstrecke im Brennraum (siehe Abbildung 8-18). Sie wird auf die Stirnseite des Gehäuses bezogen und ist ca. 3,5mm lang. Je weiter die Funkenlage in den Brennraum hineinragt, desto besser ist der Zugang des Gemischs zum Zündfunken. Durch eine weit vorgezogene Funkenlage besteht aber die Gefahr einer zu starken thermischen Belastung der Kerze (Glühzündung). Im Rennmotor werden aus diesem Grund Kerzen mit zurückgezogener Funkenlage verwendet, die aber nicht über längere Zeit im Leerlauf betrieben werden dürfen, da sie sonst zum Verrußen neigen.

Funkenstrecke:

  • Luftfunkenstrecke:

Der Zündfunke durchschlägt auf seinem Weg zwischen den Elektroden das dort befindliche Gemisch und entzündet es (siehe Abbildung 8-19 A und B). Diese bei normalen Kerzen übliche Anordnung ermöglicht einen guten Gemischzutritt.

  • Luftgleitfunkenstrecke:

Bei thermisch hoch belasteten Motoren reicht es oftmals nicht mehr aus, durch eine zurückgezogene Funkenlage Glühzündungen zu vermeiden. In diesen Fällen können Kerzen mit Ringelektroden eingesetzt werden. Ihre weit zurückgezogenen Elektroden sind weniger empfindlich gegen thermische Überhitzung (gute Wärmeabfuhr und Lage außerhalb des Brennraumzentrums). Um der Gefahr von Nebenschlüssen zu begegnen, erfolgt die Anordnung der Elektroden so, dass der Zündfunke über den Isolator hinweg gleiten muss, um dabei mögliche Ablagerungen wegzubrennen (siehe Abbildung 8-19 C und D)

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8.3.4. Elektrodenabstand

Vorfunkenstrecke

Zündkerzenbeurteilung

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Durch Nebenschlüsse („Schwitzwasser", Verbrennungsrückstände etc.) kann das Hochspannungsangebot an den Elektroden stark vermindert werden. Eine Vorfunkenstrecke (in der Zündkerze oder im Kerzenstecker) leitet erst beim Erreichen einer bestimmten Spannungsgrenze, die höher liegen muss als die Überschlagsspannung an den Elektroden, die Hochspannung an die Elektroden weiter. Der Spannungsaufbau an den Elektroden erfolgt hierdurch so schnell, dass nur sehr wenig Energie über den Nebenschluss abfließen kann. Ohne Vorfunkenstrecke ist die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung wegen der Spule als induktivem Speicher bei stark verschmutzter Kerze so gering, dass Zündenergie über den Nebenfluss abfließt und das Spannungsangebot nicht zur Funkenbildung ausreicht (Zündaussetzer).

Zündkerzenbeurteilung

„Zündkerzengesichter" geben Aufschluss über das Betriebsverhalten von Motor und Zündkerze. Normalerweise ist der Isolatorfuß grau-weiß oder grau-gelb bis rehbraun und der pulverförmige Niederschlag lässt sich leicht entfernen. Verrußte Zündkerzen werden verursacht durch fehlerhafte Gemischzusammensetzung (zu fett), Kurzstreckenverkehr oder zu kalte Kerzen. Verölte Kerzen lassen auf starken Motorverschleiß oder - bei 2-Takt-Motoren - auf falsches Kraftstoff-Öl-Gemisch schließen. Überhitzte Kerzen sind an abgeschmolzenen Elektroden erkennbar. Ihre thermische Überlastung ist z.B. verursacht durch zu frühen ZZP oder zu hohen Wärmewert

 

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8.4. Batteriezündanlagen

8.4.1. Konventionelle Spulenzündung

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Die zur Zündung erforderliche Hochspannung wird erst im Moment des Zündzeitpunktes erzeugt. Die dafür nötige Energie wird einem Zwischenspeicher (Spule, Kondensator) entnommen.

Man unterscheidet je nach Art des Speichers folgende Zündanlagen:

  • Spulenzündung (SZ)
  • Hochspannungskondensatorzündung (HKZ)

8.4.1. Konventionelle Spulenzündung (SZ)

 

Kennzeichen der konventionellen Spulenzündung (in Europa bis ca. Mitte der 80er Jahre Standard) ist der mechanische Kontakt (Unterbrecher), der den Zündrhythmus steuert. Er ist sowohl mechanisch als auch elektrisch hoch beansprucht, da er Ströme von mehreren Ampere bis zu 18000mal in der Minute schaltet und somit Steuer- und Leistungsschalter. Die Schaltung der Bauteile ist in Abbildung 8-21 dargestellt. Bei geschlossenem Zünd-Start-Schalter (2) liegt die Batteriespannung (1) an der Klemme (15) (Verbindung zwischen Batteriespannung und Zündspule) und somit an der Zündspule (5) an. Ist der Unterbrecher (7) geschlossen, so fließt ein Strom I (Primärstrom) durch die Primärwicklung L1 der Zündspule, wodurch ein Magnetfeld aufgebaut und die Zündenergie darin gespeichert wird. Der Primärstrom steigt, wie in Abbildung 8-22 dargestellt, nach einer e-Funktion auf seinen Endwert, den Ruhestrom Io, an. Dieser verzögerte Stromanstieg ist dadurch bedingt, dass das in der Primärwicklung mit der Induktivität L1 (10mH) entstehende Magnetfeld eine der Batteriespannung UB entgegenwirkende Spannung induziert. Es gilt die Differentialgleichung: Bild

Der Widerstand R stellt alle ohmschen Widerstände (Vorwiderstand (3) + parasitäre Widerstände) im Primärkreis dar. Nach der Zeit t = 3·L1/R (=10ms) hat der Strom etwa 95 % seines Endwertes (=4A) erreicht (Endwert: Io = UB/R). Die in der Primärspule gespeicherte magnetische Energie beträgt: Bild

 

 

 

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8.4. Batteriezündanlagen

8.4.1. Konventionelle Spulenzündung III

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Die Sekundärspannung U2 ist eine Hochspannung und wird bei Mehrzylindermotoren durch den Zündverteiler entsprechend der Zündfolge an die Kerzen geleitet. Bevor die Zündung einsetzt, ist die Funkenstrecke der Kerze vollkommen nicht leitend. Beim Öffnen des Unterbrechers beginnt ein gedämpfter Schwingungsvorgang mit der Eigenfrequenz (1000-3000 Hz) des elektrischen Schwingkreises bestehend aus Induktivität und Kapazität.

 

Abbildung 8-23 zeigt den Verlauf der Sekundärspannung an den Elektroden der Zündkerze. Bei der ersten Halbwelle steigt die Spannung an den Elektroden der Zündkerze von Null sprunghaft an, bis die Überschlagspannung (Zündspannung) erreicht ist. Die Funkenstrecke wird plötzlich elektrisch leitend und der Funke kann überspringen. Die Sekundärspannung sinkt wegen der Strombelastung der Zündenergiequelle schlagartig auf die niedrigere Brennspannung ab. Erkennbar sind der äußerst kurzzeitige, stromstarke Funkenkopf K und der länger andauernde Funkenschwanz S als Nachentladung. Der Funkenschwanz bestimmt die eigentliche Dauer des Zündfunkens, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu entflammen. Bild 8-23

Nach dem Funkenabriss (Mindestwert an nachgelieferter Energie aus dem Speicher unterschritten) pendelt die Restenergie in Form gedämpfter Schwingungen von Strom und Spannung aus.