Alles über Zündkerzen

28.09.2007 | Beitrag von Redaktion

Aufbau, Wärmewert, Dimensionen,Zündkerzenbild

1. Der Aufbau einer Zündkerze

1 Anschlußmutter
2 Anschlußgewinde
3 Kriechstrombarriere
4 Isolator (AI₂O₃)
5 elektrisch leitende Glasschmelze
6 Anschlußbolzen
7 Stauch- und Warm-Schrumpfzone
8 unverlierbarer äußerer Dichtring (bei Flachdichtsitz)
9 Isolatorfußspitze
10 Mittelelektrode
11 Masseelektrode

2. Allgemeines

Die Zündkerze ist ein Bauteil des Ottomotors. Sie entzündet das Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb des Zylinders. Zündkerzen sind extremen mechanischen, thermischen, elektrischen und chemischen Belastungen ausgesetzt.

Es treten zum Beispiel Druckschwankungen zwischen 0,9 und 60 Bar, Temperaturschwankungen zwischen 100 °C und 2.400 °C, Zündspannungen bis zu 40 kV und Stromspitzen bis zu circa 300 A auf, was zu Elektrodenerosion führt.

Die Zündkerze wurde 1903 von Robert Bosch erfunden. Auf die herausschraubbare Zündkerze, wie sie seit Jahrzehnten Standard ist, hatte jedoch zunächst Renault in Frankreich ein Patent. Der von der Zündspule und dem Unterbrecher (heute elektronische Zündanlage) erzeugte Zündfunken springt zwischen einer keramisch isolierten Mittelelektrode und einer am Befestigungsgewinde fixierten Masseelektrode über und startet damit den Verbrennungsvorgang.

Funkenbildung zwischen den
Elektroden einer Zündkerze

Die Zündkerze sollte schnell ihre Selbstreinigungstemperatur zwischen 400 °C und 850 °C erreichen. Die Selbstreinigung verhindert durch Abbrennen von Verbrennungsrückständen einen Kurzschluss beziehungsweise eine kürzere Funkenstrecke zwischen den Elektroden. Der die Mittelelektrode umgebende Isolatorfuß bestimmt durch seine Länge den Wärmewert einer Zündkerze.

Bei einem kurzen Isolaturfuß kann die Wärme rasch über das Gewinde an den gekühlten Zylinderkopf abgegeben werden. Hier spricht man von einer “kalten” Kerze mit einem hohen Wärmewert. Diese wird für hochbeanspruchte Motoren eingesetzt. Zündkerzen müssen mit ihren Wärmewerten dem jeweiligen Motor angepasst sein. Bei einer zu “kalten” Zündkerze kann obige Fehlfunktion auftreten. Wurde dagegen eine zu “warme” Zündkerze gewählt, verbrennen die Elektroden zu schnell. Zündkerzen müssen wegen des Verschleißes der Elektroden regelmäßig gewechselt werden. In letzter Zeit werden zunehmend auch Gleitfunkenzündkerzen eingesetzt. Der Zündfunke springt dabei stets an einer anderen Stelle über den Isolator und brennt diesen dabei von Rückständen frei.

Derzeit werden Versuche durchgeführt, das Zünden eines Benzin-Luftgemisches durch einen Laserstrahl durchzuführen. Dies muss durch eine Quarzglasscheibe erfolgen. Allerdings verursacht derzeit die laufende Verschmutzung des Glases Probleme.

3. der Wärmewert

Der Wärmewert einer Zündkerze ist ein Thema für sich, bei dem einzelne Begriffe leicht verwechselt werden. Prinzipiell ist in der Auswahl einer Kerze mit passendem Wärmewert immer eine Anpassung an die im Dauerbetrieb tatsächlich auftretende thermische Belastung zu sehen. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Motoren hinsichtlich Belastung, Arbeitsverfahren, Verdichtung, Drehzahl, Kühlung und Kraftstoff machen es unmöglich, mit einer “Einheitskerze” auszukommen.

Dieselbe Zündkerze würde sich in einem Motor stark erhitzen, in einem anderen dagegen nur eine relativ niedrige mittlere Temperatur annehmen. Im ersten Fall würde sich das Gemisch an den glühenden Teilen der Kerze unkontrolliert entflammen (Glühzündung), im anderen Fall wäre die Isolatorfußspitze schnell so sehr verrußt, dass Zündaussetzer auftreten.

Unterhalb von etwa 500 Grad Celsius lagern sich nämlich kohlenstoffhaltige Verbrennungsrückstände auf dem Isolatorfuß ab und sorgen dort für einen Nebenschluss. Die Zündspannung wandert also ohne den erwünschten Zündfunken über die leitende Rußschicht zum Masseanschluss am Kerzengewinde.
Da diese Rückstände bei höheren Temperaturen verbrennen, sollte die Kerze also möglichst schnell eine Temperatur oberhalb dieser Freibrenngrenze erreichen.

Durch bauliche Varianten mit entsprechenden Wärmewerten versuchen die Hersteller die Temperatur am Isolatorfuß stets innerhalb eines Bereichs zwischen 500 und 850 Grad Celsius zu halten. Zwischen 850 und etwas über 1000 Grad liegt ein Sicherheitsbereich, in dem es zwar noch nicht zu Glühzündungen kommt, der Elektrodenverschleiß aber stark zunimmt. Erst wenn die Temperatur noch höher steigt, beginnen die gefürchteten Glühzündungen.

Eine relativ “heiße” Kerze nimmt durch ihre Bauform viel Wärme auf, und leitet wenig Wärme an den Zylinderkopf ab. Damit erreicht sie schnell die Freibrenntemperatur in einem Triebwerk, das thermisch auf moderatem Niveau arbeitet – ein typischer Vorkriegsmotor etwa, oder ein braves Limousinentriebwerk mit geringer Literleistung.

Eine sogenannte “kalte” Kerze nimmt nur wenig Wärme auf und leitet einen Großteil davon sofort ab. Damit ist sie für hochgezüchtete Motoren geeignet, die thermisch auf hohem Niveau arbeiten.

(1)
Zündkerze mit hoher Wärmewertkennzahl (“heiße Zündkerze”). Große Isolatorfußfläche nimmt viel Wärme auf. Wärmeableitung gering.

(2)
Zündkerze mit mittlerer Wärmewertkennzahl
Isolatorfußfläche geringer als bei “heißer Zündkerze”. Weniger Wärmeaufnahme. Wärmeableitung besser.

(3)
Zündkerze mit niedriger Wärmewertkennzahl (“kalte Zündkerze”). Kleine Isolatorfußfläche nimmt wenig Wärme auf. Wärmeableitung sehr gut.

4. Dimensionen

Es gibt verschiedene Größen von Zündkerzen. Diese werden je nach Bauart und Größe des Motors eingesetzt. Die Zündkerzen unterscheiden sich in Länge, Durchmesser und Steigung des Zündkerzengewindes. Gebräuchliche Gewinde sind:

M10x1
M12x1,25 (meist bei Motorrädern; in jüngster Zeit zunehmend auch bei Autos)
M14x1,25 (bei den meisten Autos)
M18x1,5 (relativ selten, oft bei alten Zweitaktern)
5. Montage
Ausbau
Beim Ausbau schraubt man die Zündkerze zunächst einige Gewindegänge heraus. Dann wird die Zündkerzenmulde mit Druckluft oder einem Pinsel gereinigt, damit keine Schmutzteilchen in das Gewinde des Zylinderkopfes oder in den Verbrennungsraum gelangen. Erst dann wird die Zündkerze vollständig herausgeschraubt.
Sitzt die Zündkerze sehr fest, so schraubt man sie nur wenig heraus, um eine Beschädigung des Gewindes im Zylinderkopf zu vermeiden. Dann lässt man Petroleum, Caramba oder öl auf die Gewindegänge tropfen, dreht die Zündkerze wieder hinein und versucht, sie nach einigen Minuten vollständig herauszuschrauben.
Einbau

Beim Einbau der Zündkerze im Motor ist folgendes zu beachten: Die Auflagefläche an der Zündkerze und am Motor muss sauber sein. Heutige Zündkerzen benötigen keinen Graphit und auch kein graphithaltiges Schmiermittel am Gewinde. Sie sind mit einem Korrosionsschutzöl behandelt. Ein Festbrennen ist nicht möglich, weil die Gewindegänge vernickelt sind.
Zündkerzen sollen möglichst mit einem Drehmomentschlüssel unter Einhalten des in der Tabelle angegebenen Anziehmoments festgezogen werden. Beim Anziehen der Zündkerze wird vom Sechskant ausgehend das Anziehmoment auf Dichtsitz und Gewinde übertragen. Wenn durch ein zu starkes Anziehmoment oder durch ein Verkanten des Zündkerzenschlüssels das Zündkerzengehäuse verzogen wird, kann sich der Isolator lockern. Deshalb darf das Anziehmoment einen bestimmten Wert nicht überschreiten.
Die Anziehmomente gelten für Zündkerzen in Neuzustand, also für leicht eingeölte Zündkerzen, jedoch ohne zusätzliche Schmiermittel. Im Falle einer Schmierung muss das Anziehmoment um ein Drittel vermindert werden. In der Praxis wird oftmals ohne Drehmomentschlüssel gearbeitet; dadurch werden die Zündkerzen meistens viel zu stark angezogen.
Vorgangsweise
Zündkerze von Hand in das gesäuberte Gewinde einschrauben bis es von Hand nicht mehr weiter geht, dann Zündkerzenschlüssel aufsetzen.
Zündkerzen mit Flachdichtsitz:
(Die am meisten verwendete Zündkerzenbauart)
Neue Zündkerze nach erster Drehhemmung um ca. 90° weiterdrehen.
Gebrauchte Zündkerze um so viel Grad weiterdrehen, wie es einer Uhrzeigerbewegung von ca. 5 Minuten oder einem Winkel von ca. 30° entspricht.
Zündkerzen mit Kegeldichtsitz:
Zündkerze um so viel Grad weiterdrehen, wie es einer Uhrzeigerbewegung von 2 bis 3 Minuten oder einem Winkel von ca. 15° entspricht.

Der Steckschlüssel sollen beim festziehen oder lösen der Zündkerze nicht schräg gehalten werden, der Isolator wird sonst abgedrückt oder zur Seite gedrückt, und die Zündkerze ist unbrauchbar. Bei Steckschlüsseln muss zu Vermeidung von Beschädigungen eine geeignete Stecknuss verwendet werden.

Anzugsdrehmomente für Zündkerzen
Zündkerzendichtsitz	Gewinde	Gusseisen Zylinderkopf	Leichtmetall Zylinderkopf
Zündkerzen mit Flachdichtsitz	M 10 x 1 M 12 x 1,25 M 14 x 1,25 M 18 x 1,5	10 – 15 Nm 15 – 25 Nm 20 – 40 Nm 30 – 45 Nm	10 – 15 Nm 15 – 25 Nm 20 – 30 Nm 20 – 35 Nm
Zündkerzen mit Kegeldichtsitz	M 14 x 1,25 M 18 x 1,5	15 – 25 Nm 20 – 30 Nm	10 – 20 Nm 15 – 23 Nm

Durch zu festes Anziehen einer Zündkerze, riskiert man vor allem beim Leichtmetallzylinderkopf das Gewinde zu beschädigen. Durch zu schwaches Anziehen, kann die Zündkerze nicht genug Wärme abgeben.

6. das Zündkerzenbild

Das Aussehen von Elektroden und Isolatoren der Zündkerze gibt Hinweise auf das Betriebsverhalten der Zündkerze sowie auf die Gemischzusammensetzung und den Verbrennungsvorgang des Motors.

Wenn eine Zündkerze mehrere Betriebsstunden in einem Motor eingesetzt wird, so kann man an ihr durch das sogenannte Kerzenbild (aussehen der im Brennraum befindlichen Zündkerzenteile) feststellen, ob der Motor korrekt arbeitet. Dies ist auch heute noch uneingeschränkt möglich, wenngleich die Werkstätten heute lieber verschiedene Meßgeräte einsetzen, um Fehler an Motoren festzustellen.

Beschreibung	Ursache	Auswirkung	Maßnahme
Isolatorfuß- und Spitze rehbraun bis grauweiß/-gelb. Der Idealfall, das heisst Motor, Zündung und Wärmewert der Kerzen sind rundum in Ordnung.		Die leichte Verkrustung an der Masseelektrode sind bedeutungslos.	keine
verkohlt- Isolatorfuß, Elektroden und Kerzengehäuse sind von einem samtig-schwarzen Belag überzogen. Zündkerze erreichte nicht die nötige Selbstreinigungs- temperatur (500-850°C).	Zu fette Gemischbildung (Vergaser, Einspritzanlage), verschmutzter Luftfilter, defekte Kaltstarteinrichtung, übermäßiger Kurzstreckenverkehr oder falscher Wärmewert.	Zündaussetzer durch Kriechströme, schlechtes Kaltstartverhalten.	Gemisch oder Starteinrichtung korrekt einstellen, Luftfilter gegebenenfalls ersetzen, Zündkerzen reinigen oder ersetzen.
Isolatorfuss, Elektroden und Zündkerzengehäuse sind mit einem schwärzlichen Ölfilm überzogen.	Zu viel Öl im Brennraum durch defekte (verschlissene) Kolbenringe, Zylinder Ventilschaft- abdichtungen oder Ventilführungen. Verstopfte Kurbelgehäuse- entlüftung.	Schlechtes Startverhalten, Zündaussetzer oder kurzschluss- bedingter Totalausfall der Kerze.	Schäden am Motor beseitigen, Zündkerzen bei Bedarf ersetzen.
Deutliche, meist schlackeartige Ablagerunen auf Isolatorfuss und Masseelektrode.	Thermische Überbelastung durch Glühzündung, zum Beispiel durch zu frühen Zündzeitpunkt. Verbrennungs- rückstände im Brennraum, defekte Ventile, schadhafter Zündverteiler, schlechter Treibstoff, Ansaugen von Falschluft oder ein Fehler an der Kühlung oder Schmierung. Zündkerzen mit falschem Wärmewert oder falsches Anzugsdrehmoment und dadurch zu geringe Wärmeableitung an den Zylinderkopf.	Zündaussetzer, Leistungsverlust, Motorschaden.	Zündung und Gemisch-aufbereitung prüfen, gegebenenfalls neue Kern mit richtigem Wärmewert einbauen.
Deutlich angeschmolzene Mittelelektrode. Schwammartig erweichte Isolatorfußspitze.	Thermische Überbelastung durch Glühzündung, zum Beispiel durch zu frühen Zündzeitpunkt. Verbrennungs-rückstände im Brennraum, defekte Ventile, schadhafter Zündverteiler, schlechter Treibstoff, Ansaugen von Falschluft oder ein Fehler an der Kühlung oder Schmierung. Zündkerzen mit falschem Wärmewert oder falsches Anzugsdrehmoment und dadurch zu geringe Wärmeableitung an den Zylinderkopf.	Zündaussetzer, Leistungsverlust, Motorschaden.	Zündung und Gemisch- aufbereitung prüfen, gegebenenfalls neue Kern mit richtigem Wärmewert einbauen.
Ausbrüche am Isolatorfuss.	Schlag, Fall oder Druck auf die Mittelelektrode, klopfende Verbrennung, Öl im Brennraum.	Zündaussetzer, Zündfunke springt an Stellen über, die nicht durch Frischgemisch erreicht werden. Bei überlanger Betriebsdauer kann der Isolator gesprengt werden.	Zündkerzen ersetzen.
Mittel- und Masseelektrode weisen sichtbaren Materialverlust auf.	Aggressive Kraftstoff- oder Ölzusätze, schlechte Strömungsverhältnisse im Brennraum durch Ablagerungen.	Zündaussetzer besonders beim Beschleunigen, da die Zündspannung für den zu grossen Elektrodenabstand nicht mehr ausreicht.	Zündkerzen ersetzen.
Angeschmolzene Elektrode, Anlagerungen von kerzenfremden Material.	Glühzündung, etwa durch extreme Frühzündung, und / oder falsch eingestellter Vergaser. Mangelnde Kühlung und Schmierung. Rückstände im Brennraum, defekte Ventile, schadhafter Verteiler, schlechter Treibstoff. Zündkerzen mit falschem Wärmewert oder falsches Anzugsdrehmoment und dadurch zu geringe Wärmeableitung an den Zylinderkopf.	Anfangs Zündaussetzer, danach Motorschaden.	Zündung und Gemischaufbereitung prüfen, Zündkerzen ersetzen.
Stark verschlissene Masseelektrode	Wechselintervall nicht beachtet, aggressive Kraftstoff- und Ölzusätze. Ungünstige Strömungseinflüsse im Brennraum, evtl. durch starke Ablagerungen. Motorklopfen. (Keine thermische Überlastung).	Zündaussetzer, besonders beim Beschleunigen, da die Zündspannung für den zu grossen Elektrodenabstand nicht mehr ausreicht. Schlechtes Startverhalten.	Zündkerzen ersetzen.