Zündkerzen-Entwicklung

Weniger Verbrauch, geringere Emissionen, mehr Fahrspaß: Auf diesen einfachen Nenner lassen sich derzeit die Technik-Trends bei der Ottomotoren-Entwicklung bringen. DoMINIerte lange der Saugmotor mit Saugrohr-Einspritzung und geregeltem Dreiwege-Katalysator, befinden sich die Automobilhersteller derzeit in einer gravierenden Umstellungsphase. Teilvariabilität im Ventiltrieb durch Phaser oder Ventilhubsteuerung sowie Direkteinspritzung mit wand- oder luftgeführter Verbrennung sind heute Stand der Technik. Die neueste Generation von Einspritzsystemen mit piezo-gesteuertem Injektor erweitert den Bereich des ungedrosselten, mageren Motorbetriebs und soll somit die geForderte Verminderung von Verbrauch und Emissionen gewährleisten.

Daraus ergeben sich neue AnForderungen an die Zündkerzen:

• kleinere Bauformen,
• positionierte Körperelektroden (Masseelektroden),
• genauere Funkenlagen sowie eine
• höhere dielektrische und mechanische Festigkeit der Zündkerzenkeramik.
• Hohe AnForderungen an neue Zündkerzengenerationen

Durch die neuen Direkteinspritzsysteme steht der Zündkerze in Ottomotoren weniger Raum im Zylinderkopf zur Verfügung. Dies bedingt wiederum ein verlängertes Einschraubgewinde und/oder eine geänderte Zündkerzen-Geometrie. Vermehrt sind M12-Zündkerzen in Verwendung, die allerdings im Vergleich zu herkömmlichen M14-Zündkerzen mit einer reduzierten keramischen Wandstärke auskommen müssen. Die gegensätzlichen Forderungen – kleinere Wandstärken am Isolator und größerer Spannungsbedarf – machen Neuentwicklungen von Werkstoff, Geometrie und Verfahren nötig.

Ein weiterer Entwicklungstrend bei modernen Benzinern ist das so genannte Downsizing mit Aufladung. Folge der gesteigerten Ladungsdichte ist ein höherer Zündspannungsbedarf, der ebenfalls größere AnForderungen an die dielektrischen und mechanischen Eigenschaften der Zündkerzenkeramik stellt.

Verbesserung der keramischen Eigenschaften

Als Isolatormaterial für Pkw-Zündkerzen hat sich eine Keramik auf Basis von Tonerde bewährt, da dieser Werkstoff die elektrischen und mechanischen Forderungen in punkto Durchschlagfestigkeit auch bei Temperaturen bis 1.000°C erfüllt. Hohe Rohstoffverfügbarkeit und Prozesssicherheit sorgen zudem für ein optimales Kosten/Nutzen-Verhältnis.

Eigenschaftsbestimmende Hauptgröße der aktuellen Keramik ist ihre Restporosität. Um diese deutlich zu reduzieren und damit die Durchschlagsfestigkeit und mechanische Festigkeit der Zündkerzen nochmals zu verbessern, haben BERU Entwickler unter anderem Modifikationen der Zuschlagsstoffe vorgenommen.

Neue Zündkerzen-Geometrien für noch mehr Lebensdauer

Die Automobilhersteller Fordern derzeit bei M12-Zündkerzen wie bei M14-Zündkerzen ein Lebensdauerziel von 60.000 bis 100.000 Kilometer. Dabei sollte der Anstieg des elektrischen Spannungsbedarfs durch Verschleiß an der Zündkerzen-Funkenstrecke so gering wie möglich sein. Dazu waren die Entwicklung neuartiger Elektrodengeometrien, Werkstoffe und Verfahren nötig. Bei Low-Cost-Zündkerzen mit Elektroden auf Basis einer Nickellegierung wird der Verschleißmechanismus wesentlich von der Oxidation bestimmt.

Daraus ergibt sich die Forderung nach Nickellegierungen mit einer stabilen, dauerhaften Oxidschicht. Bei High-End-Zündkerzen, deren Elektroden mit oxidationsstabilisiertem Edelmetall armiert sind, muss vor allem eine dauerhafte Verbindung des Edelmetalls auf den nickel-basierten Zündkerzen-Elektroden gewährleistet sein. Dazu gilt es vor allem, den durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten in der Fügezone der Schweißung entstehenden thermomechanischen Spannungen entgegenzuwirken. Dies gelingt BERU mittels Laserschweißung.

Nochmalige Reduzierung der Fertigungstoleranzen

Wesentlich für eine sichere Entflammung bei Ottomotoren mit strahlgeführter Direkteinspritzung sind präzise gefertigte Zündkerzen mit positionierbaren Körperelektroden. Dies erFordert sowohl definierte Anströmungsverhältnisse der Funkenstrecke als auch die Verringerung der Zuordnungstoleranzen von Injektor und Zündkerze mit einem eng tolerierten Funkenort. Bei herkömmlichen Zündkerzen ergibt sich eine Toleranz der Funkenstrecken-Lage im Brennraum von bis zu 1,7 mm. Damit sind sie für die beschriebenen Bedürfnisse ungeeignet. Durch eine Optimierung der Fertigungsprozesse und die Verwendung verschieden dicker innerer Dichtringe ist BERU in der Lage, die Toleranzen der Funkenlage soweit einzuengen, dass die Position der Funkenstrecke mit einer Genauigkeit von ±0,2 mm sichergestellt ist.

Genauso wichtig wie der exakte Funkenort ist die definierte Ausrichtung der Körperelektrode, damit die Gemischbildung nicht behindert wird. Die lagegenaue Positionierung der Körperelektrode benötigt einen definierten Gewindeanschnitt im Zylinderkopf. Durch Ausrichten, Einstellen und die Positionierung des Körpers mittels eines optischen Messsystems erreicht BERU hier eine Toleranz von ±15°.

Neueste Mess- und Applikationssysteme

Die Entwicklung motorspezifischer Zündkerzen erFordert eine enge Zusammenarbeit von Automobilhersteller und Zündkerzen-Lieferant. Vorraussetzungen hierzu sind optimale technische Möglichkeiten zur Ermittlung:

• des geeigneten Wärmewerts,
• der Elektrodentemperaturen,
• des Zündspannungsbedarfs,
• des Zündspannungsangebots,
• des optimalen Kaltstartverhaltens der Zündkerzen.

BERU hat für sämtliche Bereiche eine spezielle Messtechnik entwickelt, die auch als mobiles Applikationssystem zur Verfügung steht. Die Überprüfung von Kaltstarteigenschaften der Zündkerzen kann im Forschungs- und Entwicklungszentrum in Ludwigsburg nach einem festgelegten Prüfzyklus im Fahrzeug in einer Kältezelle mit Rollenprüfstand durchgeführt werden.