Wie funktioniert die Zündung?

Bei Verbrennungsmotoren wird prinzipiell chemische Energie umgewandelt in mechanische Arbeit. Es wird dafür zunächst aus einem Kraftstoff, Benzin oder Diesel, mit Luft ein Gemisch hergestellt. Dies geschieht im Motor, genauer gesagt im Vergaser bzw. der Einspritzung in die Zylinder.

Wie funktioniert die Zündung beim Dieselmotor?

Dieselmotoren sind sogenannte Selbstzünder. Der Druck und die Temperatur sind so hoch, dass sich das Gemisch aus Treibstoff und Luft selbst entzünden kann. Bevor der Motor läuft, sind diese Bedingungen aber noch nicht gegeben, weshalb das Anlassen und der umweltfreundliche Betrieb des Motors mit wenig Schadstoffen nicht möglich ist. Zu diesem Zweck befinden sich Glühkerzen im Dieselmotor, die in sehr kurzer Zeit die für die Entzündung des Gemischs benötigte Temperatur herstellen. Die Glühkerzen funktionieren auch nach dem Anlassen des Motors und während der Fahrt, um es dem Dieselmotor zu ermöglichen, auch dann wenig Schadstoffe auszustoßen und effizient zu laufen.

Für den Dieselmotor ist die Verdichtung von hoher Bedeutung, da sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder selbst entzünden muss. Beim Gegenteil, den Benzin- bzw. Otto-Motoren, besteht ein Verdichtungsverhältnis von 14:1 und die Zündung wird über ein eigenes Zündsystem erreicht. Diese Verdichtung ist bei einem Dieselmotor aber nicht ausreichend. Das Verhältnis der Verdichtung wird daher auf 19 bis 23:1 erhöht. Bei dieser Verdichtung und dem hohen Druck kann sich das Kraftstoff-Gemisch in einem warmen Motor selbst entzünden. Wenn der Motor und das Gemisch selbst aber noch nicht erwärmt sind, so kommt es schwerer zu einer Selbstzündung. Darüber hinaus kann der erforderliche Kompressionsdruck mit dem kalten Motor auch nicht erreicht werden. Noch dazu kann es dazu kommen, dass Kolben und Zylinderwand nicht bündig, also undicht sind. Daher wird beim Dieselmotor mit Vorkammer eine sog. Vorglühanlage eingesetzt. Dabei heizt sich eine Glühkerze, bzw. ein Glühstift, in jedem Zylinder auf über 1000 Grad auf, damit der Motor anlaufen kann. Die Glühkerzen helfen dem Motor auch im weiteren Lauf, weniger Schadstoffe auszustoßen. Bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung wird das Verfahren häufig eingesetzt, die nur bei sehr geringen Außentemperaturen vorglühen müssen.

Was sind Glühkerzen?

Glühkerzen bestehen aus Metall und bei neueren Motorversionen auch aus Keramik. Man kann die Glühkerze auch von außen an ihren Verwendungsort, den Brennraum, hineinschrauben. Glühkerzen aus Metall verfügen über eine Heizwendel und eine Regelwendel, sowie eine Isolierung, die aus einem Isoliermaterial in Pulverform gepresst wird. In der Heizwendel im vorderen Teil der Kerze wird über Strom von bis zu 40 Ampere eine Temperatur von über 1000 Grad erzeugt. Der elektrische Widerstand muss in der Heizwendel unabhängig von der Temperatur bleiben. Dazu wird Material aus Stahllegierungen verwandt. Die Regelwendel im hinteren Teil der Kerze sorgt dafür, dass die Heizwendel nicht überhitzt, indem ihr eigener Widerstand höher wird, je höher die Temperatur steigt. So ist ein Überhitzen der gesamten Glühkerze ausgeschlossen.
Glühkerzen benötigten früher bis zu einer vollen Minute, um vorzuglühen. Heutzutage geht das Vorglühen schneller vonstatten. Zum Beispiel brauchen Glühkerzen mit Bordspannung nur drei Sekunden, um 850 Grad zu erreichen. Andere Technologien, so wie die sogenannte Pulsweitenmodulation, benötigt für mehr als 1000 Grad dieselbe Zeit.

Metallglühkerzen haben allerdings den Nachteil, dass sie schnell altern. Über die Zeit hinweg verlieren sie die Kraft, den Motor mit der vorgesehenen Temperatur zu starten. Glühkerzen aus keramischem Material hingegen kennen diese Alterung nicht und werden viel schneller heiß. Darüber hinaus können sie auf bis zu 1300 Grad aufheizen.

Wie erkennt man defekte Glühkerzen?

Um einen kalten Dieselmotor vorglühen zu lassen, wird viel Strom aus der Batterie gezogen. Vor allem in der kälteren Jahreszeit, wenn ein längeres Vorglühen nötig ist und zudem die Batterie nicht so stark ist, wie bei wärmeren Temperaturen, sollte die Batterie daher richtig funktionieren. Bei benzingetriebenen Motoren (Otto-Motoren) ist eine so starke Leistung für das Anlassen nicht nötig. Manchmal kann es erforderlich sein, den Motor mehrfach vorglühen zu lassen, wenn er bei sehr geringen Temperaturen nicht anspringt. Hilft auch das nicht, so könnte eine nicht funktionstüchtige Glühanlage der Grund sein. Ebenso kann es an einer Sicherung, dem Vorglührelais, dem Steuergerät oder an den Kabeln liegen. Glühkerzen können leicht auf ein ordnungsgemäßes Funktionieren hin geprüft werden. Dabei wird ein Ohmmeter eingesetzt, das den Widerstand der Glühkerzen zwischen Masse und Kerzen testet. Wenn kein Widerstand festgestellt werden kann, ist die einzelne Glühkerze sehr wahrscheinlich nicht mehr funktionstüchtig. Wichtig ist zudem, dass die Unterschiede zwischen den einzelnen Kerzen nicht zu eklatant ausfallen. Mit dem Ohmmeter können allerdings nur komplett defekte Glühkerzen erfasst werden; welche Leistung sie noch erbringen, wird nicht gemessen.

Wie funktioniert die Zündung beim Benzinmotor?

Da im Ottomotor nur Kraftstoff-Luft-Gemische mit einem Verdichtungsverhältnis von rund 14:1 genutzt werden, die sich nicht selbst entzünden, ist eine Zündung über eine Zündkerze erforderlich. Die Zündkerze wird mit einer Spannung von bis zu 36.000 Volt versorgt, damit diese Spannung von der Mittelelektrode zur Masseelektrode überspringt und der Zündfunke das verdichtete Gemisch im Zylinder entzündet. Für die Stromversorgung der einzelnen Zylinder sorgt der Zündverteiler mit seinen Zündkabeln. Die Zündspüle, oder das Zündmodul, produzieren den entsprechenden Impuls mit Hochspannung.

Was sind Zündkerzen?

Zündkerzen werden von außerhalb des Zylinders in dessen Brennraum eingesetzt. Die Zündkerzen weisen meist die folgenden Komponenten auf: Eine Masse-elektrode, die mit der Masse über ein Gewinde verbunden wird, eine Mittelelektrode, die meistens einen Kupferkern hat, sowie einem Dichtring, dem Isolator und Kriechstrombarrieren. Ein Anschlusskontakt ist ebenso an der Zündkerze vorhanden. Die Zündkerze muss das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum des Zylinders entzünden, und zwar zu verschiedenen Bedingungen im Motorraum. So ist für einen kalten Motor ein sogenanntes “fettes Gemisch” nötig, bei dem mehr Kraftstoff eingespritzt wird. Wenn das Auto häufig nur kurz bewegt wird, lagern sich Gemisch-reste auch stärker an der Zündkerze ab. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die Zündkerze möglichst schnell auf 400 Grad erhitzt, damit solche Ablagerungen durch die Verbrennung entfernt werden können. Bei mehr als 900 Grad kann es wiederum zu sogenannten Glühzündungen kommen, die auch vermieden werden sollten. Die Ansprüche an die Zündkerze sind also hoch, wobei noch eine lange Betriebsdauer von bis zu 100.000 Kilometern angestrebt wird. Deshalb nutzt bzw. entwickelt die Industrie oft neue Materialien und ändert die Ausführung der Elektroden.

Eine gewöhnliche Standard-Zündkerze besitzt eine Masseelektrode, die sogenannte Stirn- bzw. Dachelektrode. Zündkerzen, die über mehr als eine Masseelektrode verfügen, also mit zwei, drei oder gar vier Elektroden, haben den wesentlichen Vorteil, dass sich der Funke den besten Weg bahnt. Das kann heißen, dass zum Beispiel Ablagerungen an einer Elektrode die Aufnahme des Funkens verhindern, aber eine weitere Masseelektrode zur Verfügung steht, die ihn doch aufnimmt. Auf diese Weise ist die Zündung auch langfristig gesichert. Das Standardmaterial war meist eine Legierung aus Eisen, Nickel und Chrom. Mittlerweile gibt es auch Legierungen mit Iridium, Silber und Platin, die die Leistung von Zündkerzen verbessern.

Die Zündspule, bzw. ein Zündverteiler versorgen die Zündkerze mit Hochspannung. Die Zündkabel sind für diese Aufgabe, die Weiterleitung der Spannung, besonders ausgerüstet. Sie müssen wegen der bis zu 36.000 Volt eine viel stärkere Isolierung aufweisen, als normale Kabel, ohne aber Spannung auf dem Weg zu den Zündkerzen zu verlieren. Die Steuerung des Motors regelt die Spannungsübertragung mit Impulsen. Das kann den Radioempfang oder andere elektrische Geräte, wie zum Beispiel die Motorsteuerung selbst, beeinträchtigen. Die Unterdrückung der möglichen Störung wird aber meist bereits durch die Zündkabel geleistet.

Damit die Kabel keine Störungen verursachen, brauchen Sie einen Widerstand. In Bezug auf die Hochspannung für die Zündung ist der Widerstand aber so niedrig, dass die Zündung keine verringerte Leistung erfährt. Bei benzingetriebenen Motoren (Otto-Motoren) nutzt man meist Zündkabel aus Kupfer, da sie wenig Widerstand aufweisen. Diese Kabel tragen aber aus sich selbst heraus noch nicht zu einer Entstörung bei. Aus diesem Grund liegt der Widerstand im Stecker der Kabel. Zündkabel aus Kupfer kommen für den Fall zum Einsatz, dass der Weg zu den Zündkerzen verschieden lang ist. Diese Kabelart hat einen Kupferkern, der verzinnt ist, um Korrosion vorzubeugen. Die Kabel sind mit Silikonkautschuk ummantelt, die eine Temperaturresistenz von 200 Grad aufweisen. Darüber hinaus müssen die Zündkabel auch vor Öl und Benzin geschützt werden.

Zündleitungen mit Widerstand wiederum haben von sich aus entstörende Eigenschaften, da sie aus elektromagnetischem Carbon und Silikon bestehen. Sie werden meist in Fahrzeugen eingesetzt, bei denen die Zündkabel gleich lang sein müssen. Dies kommt daher, weil mit zunehmender Länge des Kabels auch der Widerstand im Kabel höher wird. Ein zusätzlicher Widerstand zum Entstören, wie bei Kupferkabeln, wird nicht benötigt.

Was sind Zündleitungen mit Blindwiderstand?

Diese Zündleitungen zeichnen sich dadurch aus, dass eine Induktionsspannung in ihnen hergestellt wird. Ein Edelstahlgeflecht umgibt eine magnetische und leitende Silikonschicht. Dies erzeugt ein pulsierendes Magnetfeld. Die Induktionsspannung im Zündkabel wird mithilfe von Speicherung und Abgabe von Energie aus der Zündspule aufgehoben. Der Widerstand in diesen Zündleitungen hängt auch von der aktuellen Drehzahl des Motors ab.

Wie untersucht man Zündkabel-Defekte?

An den Zündkabeln sollte wegen der in den Anlagen verwandten Hochspannung nicht bei eingeschaltetem Motor oder eingeschalteter Zündung gearbeitet werden, da dies lebensgefährlich sein kann. In bestimmten zeitlichen Intervallen sollten die Zündkabel auf defekte Stellen untersucht werden, die in der Ummantelung auftreten können. Eine Ummantelung mit einer Beschädigung kann nämlich Massekurzschlüsse auslösen. Und natürlich ist eine ordnungsgemäße Verlegung der Kabel unabdingbar, da es sonst dazu kommen kann, dass die Isolierung durch heiße Teile im Motorraum Schaden nimmt, wie beispielsweise den Auspuffkrümmer. Ebenso schlecht ist die Situation für die Zündkabel im Kühlventilator. Bekannterweise machen sich auch Marder an den Zündkabeln zu schaffen, da sie gern in das Isoliermaterial beißen.

Das Benzin-Luftgemisch muss entzündet werden, wozu eine hohe Spannung nötig ist. In der im Fahrzeug vorhandenen Batterie werden nur 12 Volt bereitgestellt, weshalb die Spannung über die Zündspule umgewandelt werden muss.

Wie funktioniert ein Zündmodul?

Zündspulen verfügen über zwei Wicklungen, der sogenannten Primär- und der Sekundärwicklung. Wird Strom durch die Primärwicklung geleitet, so ergibt sich ein Magnetfeld. Dieses hat Auswirkungen auf die Sekundärwicklung, nämlich dass Energie in ihr gespeichert wird. Wird der Strom der Primärwicklung ausgeschaltet, so entsteht in der zweiten Spule eine Hochspannung, die hoch genug ist, um den Funken für die Zündung auszulösen. Diese Abschaltung des Stroms in der Primärspule wurde einst von mechanischen Unterbrechern unternommen. Heutzutage sorgen elektronische Zündmodule für diese Aufgabe, da sie nicht so wartungsintensiv sind und auch nicht regelmäßig neu eingestellt werden müssen.

Im Zündmodul steuert ein Transistor die mechanische Unterbrechung ganz kontaktlos, weshalb kein Verschleiß mehr auftritt. Auch Feuchtigkeit stört den Vorgang nicht mehr, wie es der Fall bei den mechanischen Unterbrecherkontakten war. Zündmodule neuerer Generationen sind zuverlässiger und beinhalten meist auch einen Überlastungsschutz in Bezug auf die Zündspule.

Damit das Zündmodul den Zündzeitpunkt genau steuern kann, braucht es Sensor-Informationen. Dafür gibt es zwei Alternativen: Ein induktiver Sensor erkennt die Stellung der Nockenwelle mithilfe eines Magneten und einer Spule. Wenn sich die Nockenwelle dreht, entsteht in dem Moment, wenn der Magnet an der Spule vorbeigelangt, eine Spannung, was einen Impuls auslöst. Ein sogenannter Hall-Sensor ist die andere Alternative zur Erkennung des Steuersignals: Mithilfe einer Schlitzscheibe, die sich zwischen dem Magnet und dem Sensor befindet, wird ein Rechtecksignal erzeugt. Damit lässt sich das Zündmodul sehr viel präziser ansteuern, als bei der induktiven Alternative.

In Autos ist ein Spannungsnetz von rund 12-14 Volt vorhanden. Dies ist allerdings nicht ausreichend, um den Zündfunken über die Zündkerze auszulösen. Dies braucht mindestens 6.000 Volt. Durch die Zündspüle wird die Spannung mithilfe von Induktion auf 36.000 Volt erhöht.

Was sind Zündspule?

Bei Zündspulen wird induktiv in der zweiten Wicklung, der Sekundärwicklung, auch eine Spannung erzeugt, wenn Strom durch die Primärwicklung fließt. Diese Spannung wird in der Zündspule über ein Magnetfeld gespeichert. Das so erzeugte Magnetfeld fällt wieder zusammen, wenn in der Primärwicklung keine Spannung mehr anliegt. Die Hochspannung, die in der Sekundärwicklung besteht, verteilt sich nun und es entsteht ein Zündfunke in der Zündkerze. Die Primärwicklung verfügt meist über einen Widerstand, der kleiner als 0,8 Ohm ist. Die Sekundärwicklung hat im Vergleich dazu einen Widerstand, der 10.000 Mal höher ist, also in etwa 8.000 Ohm.

Welche Unterschiede gibt es bei Zündverteilungssystemen?

Die Verteilung der Energie, die von der Zündspule ausgeht, wurde früher über einen rotierenden Verteilerfinger übernommen. Die Spannung wird von der Verteilerzündspule zum Zündverteiler über ein Zündkabel geleitet. Der angesprochene Verteilerfinger verteilt die Spannung dann an die einzelnen Zündkabel der verschiedenen Zylinder. Bei dieser Verteilungsart kam es oft durch eindringende Feuchtigkeit zu Schwierigkeiten beim Anlassen sowie zu Aussetzern der Zündung. Um das Überdrehen des Motors unmöglich zu machen, wurde früher im Verteilerfinger ein Unterbrecherkontakt verbaut, der durch Fliehkraft betätigt wurde. Die langsame Funktion und die starke Verschleißanfälligkeit waren die wichtigsten Nachteile dieser auf Mechanik basierenden Zündanlagen.

Als Transistor-Zündungen verfügbar wurden, konnte zumindest der Verschleiß des Unterbrecherkontakts verringert werden. Mit Beginn der Zündmodule wurde dann vollständig auf dieses anfällige Bauteil verzichtet. Die Unterbrechungen des Stromflusses in der Zündspule werden bei Zündmodulen über einen Transistor hergestellt. Heute machen vollelektronische Zündsteuerungen die Mechanik in der Zündverteilung überflüssig. Dabei werden zum Beispiel Steckerzündspülen verwendet, womit jede Zündkerze eine eigene Zündspüle besitzt. Die Spulen befinden sich direkt an der Kerze und verhindern so Verluste. Eine noch neuere Entwicklung sind die Blockzündspulen, die mit mehreren Zündspulen die Zündspannung auf mehrere Kerzen verteilen können.