Der zündende Funke

Zündkerzen
08.09.2015

Die Trends zu Hochdruck-Einspritzung und Motoren-Downsizing fordern auch die Zündkerzen-Hersteller heraus. Sie setzen auf neue Designs und innovative Materialien, um das Kraftstoffgemisch noch sauberer und effizienter zu zünden. 

In Villach in Kärnten wäre beinahe das Ende der elektrischen Zündkerze besiegelt worden. Im außeruniversitären Forschungszentrum Carinthian Tech Research, kurz CTR, war es gelungen, das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Versuchsmotor mit bisher unerreichter Präzision und Effizienz zu zünden – und zwar mit Laserlicht anstatt des elektrischen Zündfunkens. „Der Laserpuls dauert nur wenige Nanosekunden, erzeugt eine Plasmawolke von mehreren hunderttausend Grad, lässt sich exakt auf den idealen Kurbelwellenwinkel abstimmen und kann sämtliche herkömmlichen und alternativen Kraftstoffe gleich gut zünden“, erklärt Gerhard Kroupa, Leiter des Projektes Laserzündung bei CTR. Doch trotz dieser überzeugenden Vorteile ist die gemeinsam mit der Grazer AVL List GmbH entwickelte Laserzündkerze von den Automobilherstellern vorläufig wieder auf Eis gelegt worden. „Im Moment offenbar noch zu teuer“, kommentiert Kroupa knapp die Entscheidung und tröstet sich damit, dass die in jahrelanger Entwicklungsarbeit gereifte Hightech-Zündkerze demnächst in einer Branche zum Einsatz kommt, in der noch nicht jeder Cent dreimal umgedreht wird: in der Raumfahrt.

Innovationen gefragt
Obwohl die Laserzündkerze also vorerst nur Raketen befeuern wird, ist auch die Entwicklung auf dem Gebiet der elektrischen Zündkerze für Automobile keineswegs stehen geblieben. Während beim Saugmotor eine Zündspannung von 20.000 bis 30.000 Volt für eine zuverlässige Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ausreicht, benötigen hochaufgeladene Motoren der neuesten Generation Zündspannungen von bis zu 40.000 Volt. „Bei der Zündkerze muss nicht nur die Reinheit der Keramik, sondern auch die Gesamtauslegung passen“, erklärt Tobias Ruf,  Vice President Engineering Spark Plugs bei Bosch. Seiner Ansicht nach ist das große Thema der Zündkerzenentwicklung derzeit die Miniaturisierung. „Heute erleben wir den Übergang von Kerzen mit M14-Gewinde zu M12, und ab 2020 werden Kerzen mit M10-Gewinde eine wichtige Rolle spielen“, so Ruf. Seit kurzem fertigt Bosch die Mittel­elektrode seiner High-Performance-Zündkerzen aus der Nickel-Legierung Alloy 602, die gegenüber bisher eingesetzten Legierungen deutlich beständiger gegen Hochtemperaturkorrosion ist.

Neues Kerzendesign 
Der japanische Hersteller NGK, ebenfalls Erstausrüster bei großen Pkw- und Motorradherstellern, sieht die Zukunft in unterschiedlichen Typen von Einmasse-Edelmetall-Zündkerzen. 2011 stellte NGK ein innovatives Tassendesign des Zündkerzenkontaktes vor, das in hochaufgeladenen Motoren extreme Zündspannungen ohne Durchschlag- oder Überschlaggefahr ermöglicht. Wie viel Hightech in einer Zündkerze stecken kann, demonstriert NGK mit seiner Serienzündkerze für den 360 PS starken Vierzylinderturbo Mercedes A45 AMG. Neben dem erwähnten „Cup-Design“ ist diese mit einem langen Isolator aus neuer, besonders durchschlagfester Keramik versehen. Der schnell aufheizende Isolatorfuß sorgt für gute Kaltstarteigenschaften, das schlanke M12-Gewinde lässt mehr Raum für Kühlkanäle. Die 0,8 mm feine zweistufige Mittelelektrode aus Iridium mindert den Verschleiß, die angeschrägte SPE-Masseelektrode mit Platinklötzchen auf der Kante verbessert Gemischzugänglichkeit und Flammenausbreitung. 
Auch der japanische Zulieferer Denso setzt bei seinen „Iridium Power“-Zündkerzen auf das silbrige, dem Platin verwandte Edelmetall. Denso präsentiert Messergebnisse, nach denen Iridium-Zündkerzen die Motorleistung um immerhin ein halbes PS im Vergleich zu herkömmlichen Zündkerzen erhöhen. Beim Design geht Denso einen eigenen Weg und formt die Spitze der Masseelektrode in Form eines feinen Konus. Dieser verringert die von der Elektrode absorbierte Hitze und verbessert die Zündleistung, da der Bereich auf der Masseelektrode, der tatsächlich mit der Zündflamme in Kontakt kommt, sehr klein ist. Der stromlinienförmige Konus lässt das Kraftstoff-Luft-Gemisch mit geringerer Reibung vorbeifließen und ermöglicht dadurch eine gleichmäßige Zündung. 
Der deutsche Zulieferer BorgWarner Beru Systems hat mit seiner Steckerzündspule „Plug Top Coil“ eine intelligente Lösung für den Einsatz bei höchsten Zündspannungen entwickelt. Ein spezieller Druckfederanschluss erlaubt die Verwendung von Zündkerzen mit verlängertem Isolatorhals und neuartigem schüsselförmigem „Bowl“-Anschluss, der eine zuverlässige Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gewährleistet. Eine weitere Innovation aus dem Hause Beru ist das „Dual Coil Ignition System“ mit zwei Magnetspulen in einem Gehäuse. Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Zündspulen: Kürzere Zündungsintervalle und ein präziseres Timing bei unterschiedlichen Drehzahlen und schnellen Ladungswechseln.

Die Zukunft der Zündung
Der US-amerikanische Zündkerzenhersteller Federal Mogul Motorparts hat speziell für Ottomotoren im Magerbetrieb das innovative Corona-Zündsystem entwickelt und damit in Tests eine Kraftstoffersparnis von bis zu zehn Prozent nachgewiesen. Die Zündeinheit einer Corona-Kerze besteht aus einer Induktionsspule sowie aus einem Steuergerät, das die zwölf Volt Eingangsspannung in eine Wechselspannung mit einer Frequenz von etwa einem MHz umwandelt. Von vier Zündelektroden aus strahlt ein starkes elektrisches Wechselfeld weit in den Brennraum hinein, verwandelt das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Bereich der Zündelektroden in ein Plasma, das die Ladung innerhalb weniger Nanosekunden entflammt. Klaus Bolay, Techniktrainer bei Federal Mogul: „Die Corona-Zündung wird bereits in stationären Industriemotoren erfolgreich angewendet und hat gute Chancen, demnächst auch in Pkw-Motoren eingesetzt zu werden.“