Geschichte der Zündung - Teil 2

 Ab 1910 war es dann aber technisch möglich, eine funktionierende Batteriezündung zu produzieren, denn die ersten Gleichstromgeneratoren, genannt „Lichtmaschinen“, die Bosch 1913 auf den Markt brachte, konnten verbrauchten Zündstrom während der Fahrt ersetzen. Bei den frühen Batteriezündungen hingegen mussten die Fahrer bereits nach kurzer Fahrt stoppen, um die Batterie im Stand zu laden. Erst in den zwanziger Jahren waren die Voraussetzungen für die Durchsetzung der Batteriezündung in Europa gegeben: Die Automobilindustrie forderte preisgünstigere Zündanlagen, als es die verbreitete Magnetzündung war. Ein Magnetzünder für ein Automobil mittlerer Größe kostete um 1930 nämlich immerhin etwa 200 Reichsmark– das Doppelte vom Monatsgehalt eines Arbeiters und ein Zehntel eines Kleinwagens.

Die nötigen Erfahrungen für die Entwicklung dieses Zündsystems zur Serienreife waren bei Bosch schon lange vorhanden. So hatte das Unternehmen bereits vor 1914 Zündspulen – das Kernstück einer Batteriezündung – in die USA geliefert. Doch erst der Preisdruck seitens der Automobilhersteller forcierte den Prozess ihrer Weiterentwicklung entscheidend. Bosch reagierte als einer der ersten Hersteller und bot 1925 eine Batteriezündanlage für den europäischen Markt an, bestehend aus Zündspule und Verteiler; zunächst fand sie nur Verwendung im Brennabor 4/25. Teure Gefährte aus dem Hause Horch oder Maybach verfügten zunächst nach wie vor über Magnetzündungen, da bei diesen Wagen der Preis eines Zündsystems eine untergeordnete Rolle spielte. Aber auch hier setzte sich die Batteriezündung bis Mitte der 1930er Jahre endgültig durch – schon 1931 besaßen 46 von 55 deutschen Autotypen eine Batteriezündung. Lediglich im Flugverkehr behielt die Magnetzündung ihre Königsrolle: Ihre Unabhängigkeit von jeglicher Stromquelle war das wesentliche Argument für die Wahl eines Zündsystems für den Flugbetrieb. Dank ständiger Verbesserungen setzte sich die Batteriezündung auch in Europa binnen weniger Jahre im Automobil- und Motorradbau durch. Heute gehört sie mit zahlreichen Weiterentwicklungen zur Ausrüstung fast jeden Kraftfahrzeugs mit Benzinmotor.

Die Batteriezündung wies also die beiden entscheidenden Nachteile der traditionellen Summer-Batteriezündung nicht mehr auf: Die Batterie wurde nunmehr während der Fahrt durch die Lichtmaschine aufgeladen, und eine batteriegespeiste Unterbrecherzündung sorgte präzise bei jeder Umdrehung zum richtigen Zeitpunkt für eine Zündung des Benzin-Luft-Gemisches. Diese so genannte Einzelfunkenzündung bestand aus einer Zündspule, die der Batterie Strom entnahm, ihn auf die nötige Hochspannung transformierte und an die Zündkerze abgab. Diese setzte das Gemisch zum richtigen Zeitpunkt in Brand. Bei mehrzylindrigen Motoren wurde die Zündenergie über einen Zündverteiler in strikter Folge nacheinander an die verschiedenen Zündkerzen abgegeben, oder aber jeder Zylinder wurde durch je eine Zündspule separat versorgt. Zwar war dieses Prinzip der Batteriezündungen schon 1908 von dem US-Amerikaner Charles F. Kettering entwickelt und seit 1910 von Cadillac in die Serienfertigung übernommen worden, doch Magnetzündungen galten weiterhin als zuverlässiger und langlebiger. So mancher Magnetzünder konnte aus einem schrottreifen Wagen ausgebaut und ohne größere Überholungsarbeiten in ein anderes Fahrzeug eingesetzt werden. Preisdruck seitens der Kraftfahrzeugindustrie etablierte die Batteriezündung zunächst bei preiswerten Automobilen. Durch ihre ständige Weiterentwicklung verdrängte sie die Magnetzündung bei Landfahrzeugen in weniger als einem Jahrzehnt.

Funktion der Batteriezündung mit Unterbrecher

Die Zündspannung wird in der Zündspule durch Selbstinduktion erzeugt. Dazu fließt ein Strom durch die Primärwicklung der Zündspule, der durch einen mechanischen Unterbrecherkontaktgesteuert wird. Durch das Fließen des Stroms wird ein Magnetfeld aufgebaut. Im Moment des Unterbrechens des Primärstroms bricht das Magnetfeld schlagartig zusammen und erzeugt in der Sekundärspule die Zündspannung. Die Zündspule ist vom Prinzip her ein Transformator, dem lediglich der vierte Anschluss fehlt. Um einen übermäßigen Abbrand der Unterbrecherkontakte zu verhindern, sind diese mit einem parallel geschalteten Zündkondensator zur Funkenlöschung ausgerüstet. Der Unterbrecher blieb aber trotz allem das wartungsintensivste Bauteil. Eine Erhöhung des Primärstroms war auch nicht möglich, da dies einen noch stärkeren Abbrand zur Folge gehabt hätte. Der Strom für die Zündspule kommt im Gegensatz zur Magnetzündung aus der Bordbatterie.

Weiterentwicklung der Zündanlagen

Die Transistorzündung

Die batteriegespeiste Zündung blieb, doch innerhalb ihres Grundprinzips änderte sich viel: Mit der kontaktgesteuerten Transistorzündung (TSZ-k) im Jahre 1965 begann das Zeitalter der elektronischen Zündsysteme. Der Vorteil dieser Systeme lag unter anderem im viel geringeren Wartungsaufwand. Das bisher verschleißanfälligste Teil, der Unterbrecherkontakt, musste nur noch den viel geringeren Steuerstrom, nicht aber mehr den Primärstrom unterbrechen. Dennoch blieb der verschleißträchtige Unterbrecherkontakt, der bei hohen Drehzahlen auf Grund der mechanischen Trägheit nicht mehr recht schließen wollte (Kontaktprellen), ein Wartungsproblem.

1974 wurde dann ein Zündsystem vorgestellt, das ganz ohne einen Kontakt auskam und daher prinzipiell wartungsfrei war. Hier steuerte nun erstmals ein Induktionsgeber die Zündimpulse. Durch ihn vermied man das Problem des mechanischen Abriebs, dem der traditionelle Unterbrecherkontakt ausgesetzt war. Ihn hatte der Autofahrer nachstellen und schließlich ersetzen müssen. Neben diesem Verfahren gab es noch eine weitere Methode der kontaktlosen Zündung, das 1977 eingeführte System mit Hallgeber, benannt nach dem Amerikaner E.H. Hall, der 1879 jenen magnetelektrischen Effekt entdeckte, welcher nun für das kontaktlose Funktionieren der Zündung genutzt werden konnte.

Hallsensor im Zündverteiler

Die Transistorzündanlage funktioniert im Prinzip wie die Unterbrecherzündung, allerdings mit dem Unterschied, dass ein Schaltgerät zwischengeschaltet und der Unterbrecherkontakt durch einen Transistor ersetzt wurde. Das Sensorsignal kommt dann in der Regel entweder von einem Hallgeber (TSZ-h) im Zündverteiler oder aber von einem Induktivgeber (TSZ-i). Bei der Transistorzündung mit Induktionsgeber TSZ-i  (rechts) induziert ein rotierendes Impulsgeberrad (1) beim Vorbeilaufen an der Induktionswicklung (2) eine Spannung, die über die Windungsanschlüsse an das Zündschaltgerät weitergeleitet wird. Die Zündauslösung erfolgt zur Zeit des schlagartigen Nulldurchgangs (vom Positiven ins Negative) des Spannungsverlaufs. Die Elektronik im Zündschaltgerät erkennt den Nulldurchgang und unterbricht daraufhin den Primärstrom. Kontaktlose Transistorzündanlagen haben gegenüber Unterbrecherzündanlagen entscheidende Vorteile. Sie bieten auch bei großen Funkenzahlen eine hohe gleichmäßige Zündspannung. Elektronischen Bauelemente wie Transistoren weisen eine verschleiß- und trägheitslose Arbeitsweise auf. Die große Schaltleistung der kontaktlos schaltenden Darlington Leistungstransistoren ermöglichte höhere Motordrehzahlen. Die Ansteuerung des Schaltgerätes erfolgt durch kontaktlose und verschleißfreie Zündimpulsgeber. Die Zündzeitpunktverstellung wird allerdings bei diesen Systemen noch mechanisch über Fliehgewichte und pneumatisch über eine Unterdruckdose am Verteiler realisiert.

Thyristorzündung oder Hochspannungskondensatorzündung (HKZ)

Eine Sonderform ist die Hochspannungs-Kondensatorzündung, auch Thyristorzündung genannt. Bei ihr handelt es sich auch um ein Batteriezündsystem, bei der ein Kondensator über ein Ladeteil auf eine Ladegleichspannung von 300 bis 400 V geladen wird. Die Aufladung des Kondensators erfolgt durch Impulse. Der Thyristor befindet sich im Primärstromkreis und hat die Funktion eines Leistungsschalters. Wird er mit einem Steuerimpuls angesteuert so wird er leitend und der Kondensator entlädt sich über die Primärwicklung des Zündtransformators. Der Entladestromstoß (bis zu 100A) induziert in die Sekundärwicklung eine hohe Spannung. Im Gegensatz zu allen anderen Zündanlagen wird die Zündspule dabei nicht als Energiespeicher benutzt und deshalb auch als Zündtransformator bezeichnet. Aufgrund der geringen Funkendauer ist die Entflammungswahrscheinlichkeit bei der Thyristorzündung geringer als bei der Transistorzündung. Die Vorteile sind eine höhere Spannungsreserve, Unempfindlichkeit gegen Nebenschlüsse und eine verbesserte Leistung im gesamten Drehzahlbereich. Sie kommt im Prinzip bei Rennmotoren, teilweise Sportwagen und besonders bei Wasserstoffmotoren zum Einsatz.

Motronic

1979 trat eine weitere entscheidende Wende ein: Anstatt getrennter Benzineinspritzung und Zündung regelte die von Bosch entwickelte Motorsteuerung „Motronic“ bei den Oberklassemodellen von BMW beides. Einspritzung (Jetronic) und Kennfeldzündung wurden bei diesem System durch ein gemeinsames Steuergerät gesteuert, der zahlreiche Werte wie z.B. Motorlast,  Drehzahl, Motortemperatur, Abgaszusammensetzung usw. prüfte. Je nachdem, wie sich diese Werte veränderten, wurden bestimmte Parameter wie etwa Einspritzdauer und Zündzeitpunkt verändert. Diese Art der gemeinsamen Motorsteuerung, die sich längst im Automobilbau durchgesetzt hat, war einerseits dazu geeignet, die Wartung und den Benzinverbrauch zu verringern und zusätzlich die Leistung zu verbessern. Sie war andererseits auch die Voraussetzung für die heute üblichen Abgasreinigungsanlagen, die zwar schon vorher einsetzbar waren, aber erst in Verbindung mit modernen kombinierten Motormanagementsystemen voll zur Wirkung gelangen konnten.

Bild einer LH-Motronic - (Vollelektronische) Zündung und Einspritzung (LH-Jetronic) werden gemeinsam gemanagt. Informationen für die Zündauslösung kommen u. a. vom Motordrehzahlfühler und vom Bezugsmarkengeber.

Elektronische Zündanlage (EZ)

Eine weitere Verbesserung brachte ab 1982 die Elektronische Zündung (EZ), auch als Kennfeldzündung bekannt. Sie unterscheidet sich von der Transistorzündung dadurch, dass sie den Zündzeitpunkt elektronisch errechnet und mit den Werten von Zündkennfeldern für Last und Drehzahl vergleicht, die in einem Mikrocomputer abgespeichert sind. Der optimale Zündwinkel wird daraus errechnet und die Zündung elektronisch im Steuergerät ausgelöst. Dort übernimmt die Zündungsendstufe die Schaltfunktionen im Primärstromkreis der Zündspule wie die des Aufladens der Zündspule und des Unterbrechens des Spulenstroms, um so zu einem gewünschten Zeitpunkt an einem bestimmten Zylinder die Fremdzündung des Gemischs einzuleiten. Wobei es bei der EZ noch einen mechanischen Zündverteiler gibt.

Der optimale Zündzeitpunkt ist vorrangig abhängig von der Motordrehzahl und Motorlast. Mögliche weitere Einflussgrößen ergeben sich aus weiteren Funktionen des Motormanagements wie die 1983 eingeführte Klopfregelung und Abgasreinigungsfunktionen.

Vollelektronische Zündanlage (VEZ)

Seit 1989 ist sie auf dem Markt: die vollelektronische Zündanlage. Sie hat keine rotierende Hochspannungsverteilung mehr, sondern eine statische. Das letzte mechanische und somit verschleißträchtige bewegliche Bauteil, der Verteiler, war verschwunden. Sie wird deshalb auch als ruhende Zündspannungsverteilung bezeichnet. Ihre Vorteile sind geringe Funkstörungen, keine beweglichen mechanischen Teile mehr und weniger Hochspannungsverbindungen. Die Vollelektronische Zündanlage (VEZ) arbeitet mit den Signalen für die Last, die Drehzahl, der Motortemperatur und des Signalen des Klopfsensors. In allen Betriebszuständen, wie Start, Volllast, Teillast, Schubbetrieb können Zündwinkelkorrekturen vorgenommen werden, wenn äußere Einflussgrößen wie zum Beispiel Motortemperatur, Ansauglufttemperatur, Batteriespannung dies erforderlich machen. Man unterscheidet zwei Arten von Zündspulen, mit denen eine VEZ ausgestattet sein kann.

Zündspule für einen 6-Zylindermotor

Bei Einzelfunkenspulen (EFS), auch Direktzündung genannt, hat jeder Zylinder seine eigene Zündspule, die vom Motorsteuergerät angesteuert und geregelt wird (rechts). Immer wenn zwei Zylinder, die auf der Kurbelwelle in der gleichen Ebene liegen, von einem Spulenpaar mit Zündfunken versorgt werden, spricht man von Doppelfunkenspulen (DFS). Dabei wird das Kraftstoff-Luftgemisch des im Arbeitstakt befindlichen Zylinders von einem Zündfunken gezündet. Der Zündkreis schließt sich über den parallel laufenden Zylinder, indem dort ein so genannter Stützfunken erzeugt wird, der nur in den Auspufftakt funkt. Es werden also immer zwei Funken gleichzeitig erzeugt, deshalb der Begriff Doppelfunkenspulenzündung. Diesen darf man aber nicht mit der Doppelzündungverwechseln. Dieser bedeutet, dass je Zylinder zwei Zündkerzen eingesetzt werden, um eine gleichmäßigere und vollständigere Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu gewährleisten. Besonders bei Motorrädern mit großen Einzelhubräumen je Zylinder (BMW) wird die Doppelzündung verstärkt eingesetzt, ebenso bei Reihen-Vierzylindern von Alfa Romeo mit der Bezeichnung Twin Spark. Mercedes-Benz setzte ab 1997 (W202) in V6-, V8- und V12-Motoren ebenfalls eine Doppelzündung ein, verzichtete später aber wieder darauf. Anders als bei Alfa Romeo erfolgte die Zündung hier phasenversetzt, mit dem Ziel, das Geräuschniveau und den Schadstoffausstoß zu minimieren.

Einzelfunkenzündspule

Weiterentwicklung der Zündkerzen

Aber nicht nur die Zündanlagen selbst haben sich weiterentwickelt. Besonders in den letzten Jahren hat sich gezeigt, welches Entwicklungspotenzial immer noch in der Zündkerze steckt. Diese mussten sich nämlich auch ständig den Weiterentwicklungen in der Motorentechnik, wie z.B. der Vierventiltechnik oder den Magermixmotoren anpassen.

Die Anforderungen an die Zündkerzen sind ja sehr hoch. Spannungen bis zu 30.000 V, Temperaturen bis 1.000 ºC und Drücke bis 100 bar (= Druck in 1.000 m Wassertiefe) müssen ausgehalten werden. Ein heißes, extrem aggressives Gemisch von Benzindämpfen, Verbrennungsgasen sowie Kraftstoff-Öl-Rückständen bewirken Korrosion. Früher führte das Blei im Kraftstoff (Bild 5 a) oder zu fettes Gemisch den Kerzentod herbei. Später in den 80er Jahren setzten mageres Gemisch, Ruß, falsches Öl (Bild 5 b) und hohe Verbrennungsraumtemperaturen der Kerze zu.

Kerzenelektroden werden deshalb beispielsweise neben Kupfer und Nickel auch aus besonderen Metallen wie Silber, Platin, Iridium oder Yttrium gefertigt. Eine Platinelektrode mit vorgezogener Funkenlage sorgt beispielsweise für eine hohe Beständigkeit gegen die Heißgaskorrosion.

Isolatorfuß weist stellenweise  braungelbe Glasur auf, die auch ins Grünliche gehen kann. Ursache: Bleihaltige Kraftstoffzusätze

Starker Aschebelag aus Öl- und Kraftstoffzusätzen auf dem Isolatorfuß, im Atmungsraum (Ringspalt) und auf der Masseelektrode. Ursache: Legierungsbestandteile aus Öl, können diese Asche auf der Kerze hinterlassen.

Zündkerzen müssen wegen ihres Verschleißes an den Elektroden regelmäßig gewechselt werden. Durch Variieren von Zahl, Aufbau und Formung der Elektroden ergeben sich viele Anpassungsmöglichkeiten. All dies hilft den Motoren, die immer strengeren Abgasvorschriften zu erfüllen und macht sie gleichzeitig sowohl effizienter als auch leistungsfähiger.

Außergewöhnliche Faktoren, wie der heute vorherrschende extreme Verkehr, können bei normalen Zündkerzen zur Verrußung führen. Die sicher hierbei bildenden Ablagerungen an der Isolatorspitze der Zündkerze stellen eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Mittelelektrode und dem Inneren des Zündkerzengehäuses her. Das kann zu Nebenschlüssen und damit zu Zündaussetzern führen, was sich durch unrunden Motorleerlauf bemerkbar macht. Das Resultat: Unverbranntes Kraftstoff-Luftgemisch könnte in den Katalysator gelangen und würde dort Beschädigungen durch Überhitzung hervorrufen.

In letzter Zeit wurden zunehmend immer mehr Gleitfunkenzündkerzen oder Halbgleitfunkenkerzen eingesetzt. Der Zündfunke springt bei der Gleitfunkenkerze stets an einer anderen Stelle über den Isolator und brennt diesen dabei von Rückständen frei. Das Prinzip der Halbgleitfunken-Zündkerze basiert darauf, dass die Zündfunken über die vorgezogene Isolatorspitze gleiten und eventuelle Rußablagerungen abtragen. Erst dann findet ein Funkenüberschlag von der Isolatorspitze auf die Masseelektrode statt und es kommt zur sicheren Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.

Gleitfunkenkerze von NGK – Der Zündfunke gleitet von der Mittelelektrode über den Isolator zur Masseelektrode

Der Funke entzündet das Luft-Kraftstoff-Gemisch bei Zündkerzen mit vier Masseelektroden prinzipiell genauso wie bei jenen mit zwei Masseelektroden, entweder als Luft- oder als Luftgleitfunke. Bei vier Masseelektroden der ergeben sich dadurch acht mögliche Funkenstrecken. Welche dieser Funkenstrecken gewählt wird, ist normalerweise rein zufällig. Die Funken verteilen sich gleichmäßig um den Isolatorfuß. Ist der Isolatorfuß aber an einer Stelle verunreinigt (z.B. mit Ruß), so gleitet der Funke bevorzugt über diese Verunreinigung und springt von dort zur nächstliegenden Masseelektrode. In diesem Fall brennt der Funke gleichzeitig die Verunreinigung ab.

Bosch Zündkerze mit 4 Masseelektoden

OBD

Seit der Einführung des Katalysators in den USA 1974 waren diese immer durch die Zündung bedroht. Besser gesagt: Zündaussetzer führten zur nachlassenden Wirkung oder gar zur Zerstörung der Abgaswandler. Nicht erst seit der gesetzlichen Einführung in Deutschland im Jahre 2000 überwacht deshalb die On-Board-Diagnose auch die Zündanlage undZündkerzen auf eventuelle Aussetzer.

Highlight in der Motorsteuerung - Ionenstrommessung.

Ein Highlight ist die in den 1990er Jahren bei Saab eingeführte Ionenstrommessung zur Erkennung von klopfender Verbrennung sowie Zünd- und Verbrennungsaussetzern. Als Klopfen bezeichnet man die unerwünschte Selbstentzündung des Kraftstoffs im Zylinder. Um dies zu verhindern, werden Motoren ohne Klopfregelung grundsätzlich etwas niedriger verdichtet und mit einem etwas späteren Zündzeitpunkt gesteuert, damit ein Zylinder die Klopfgrenze nicht überschreitet, denn das könnte zu einer Schädigung des Motors führen. Der daraus resultierende "Sicherheitsabstand" zur Klopfgrenze bringt aber immer Einbußen bei Kraftstoffverbrauch, Motorleistung und Drehmoment mit sich.

Mit aktiver Klopfregelung dagegen kann der optimale Zündzeitpunkt realisiert werden, da die Klopfregelung den Zündzeitpunkt an die Klopfgrenze heranführt, ohne sie jedoch zu überschreiten und so den Motor vor Schäden bewahrt. Bei einer konventionellen Lösung erhält die Klopfregelung ihr Klopfsignal über so genannte Klopfsensoren, die außen am Zylinder angebracht sind.

Die Klopfsensoren erkennen im Prinzip ein beginnendes Klopfen. Bei Motoren mit hohen Drehzahlen oder Turboaufladung ist aber eine schnelle und hohe Auswertegenauigkeit notwendig, um die Verbrennungsqualität in den Zylindern und damit die Lebensdauer der Bauteile sowie die Abgaswerte zu gewährleisten. Der Einsatz der Ionenstrommessung kann dies leisten.

Diese Technologie ermöglicht es, einerseits über die Zündkerze in jedem Zylinder nicht nur ein eventuelles Klopfen zu sensieren (schnelle Schwankungen im Ionenstrom) und zu regeln, sondern auch eventuelle Aussetzer (keine Ionen) zu erkennen. Außerdem erlaubt es die Kontrolle des Zündzeitpunktes, die Kontrolle der Zündfunkendauer und evtl. die Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses.

Die Zündkerze wirkt also gleichzeitig als Aktuator - für die Zündung - und als Sensor zur Beobachtung des Verbrennungsprozesses. Dies macht noch einmal den Unterschied zu konventionellen Klopf- und Zündungssensoren deutlich: Diese sitzen außerhalb des Verbrennungsraumes. Die Ionenstrommessung erfolgt hingegen direkt im Zentrum der Verbrennung.

Funktion der Ionenstrommessung

In einem Ottomotor treten während der Verbrennung im Brennraum Temperaturen von bis zu 2 500 Grad auf. Diese hohen Temperaturen und die während der Verbrennung ablaufenden chemischen Reaktionen bewirken eine partielle Ionisation des im Brennraum vorhandenen Benzin-Luftgemischs. Insbesondere in der Flammenfront wird das Gas durch die Erzeugung von Ionen durch Abspalten bzw. Anlagern von Elektronen (Ionisation) elektrisch leitfähig. Die Zündkerzenelektrode ist vom Zylinderkopf elektrisch isoliert und mit einem kleinen Steuergerät, dem so genannten Ionenstrom-Satelliten, verbunden. An diese mit Gleichspannung versorgten Elektroden wird nun der Ionenstrom gemessen. Seine Größe hängt dabei vom Ionisationsgrad des Gases zwischen den Elektroden ab. Durch die Ionenstrommessung werden also Informationen über den Verbrennungsprozess direkt am Geschehen, also im Verbrennungsraum, ermittelt. Der Ionenstrom-Satellit empfängt die Signale der Zündkerzen, verstärkt diese und übermittelt die Daten an die Motorsteuerung. Diese analysiert die Daten und nimmt gegebenenfalls zylinderselektiv Eingriffe vor. Beispielsweise passt sie über die Klopfregelung den Zündzeitpunkt zylinderselektiv ideal an den Verbrennungsvorgang an. Zugleich erleichtert die doppelte Funktionalität der Zündkerze - einerseits Zündquelle (Aktor), andererseits Sensor - die Diagnose bei Wartungs- und Servicearbeiten.

Ausblicke: Laserzündung

Seit über 20 Jahren beschäftigen sich bereits die Motorenentwickler mit dem Thema Laserzündung. Der Durchbruch gelang unlängst den österreichischen Firmen CTR in Villach und AVL List in Graz: Der Motor mit Laser-„Zündkerze“ läuft. Der entscheidende Durchbruch war die drastische Verkleinerung der Lasertechnik. Der CTR ist es nämlich gelungen, den Laser auf diese Zündkerzendimension zu miniaturisieren und direkt im Motor zu integrieren. Zum Vergleich: Ein konventioneller Laser mit der gleichen Leistung ist ungefähr 10-mal so groß, wie der von CTR entwickelte Zündungslaser. Die Entwicklung wurde erst durch modernste Hochleistungs-Laserdioden ermöglicht. Bisher hatte man auch versucht, die Dimension herkömmlicher Zündkerzen zu verkleinern, dieser ist jedoch durch die Isolatoreigenschaften begrenzt. Bei der Laserzündkerze kann diese Begrenzung aufgehoben werden. Die komplette Lasertechnik ist mittlerweile so klein, dass sie nicht mehr Platz beansprucht als eine herkömmliche Zündkerze samt Zündspule.

Größenvergleich einer Laserdiode mit einer Einzelfunkenzündspule

Die Laserzündung bietet mehrere Vorteile, denn es können grundsätzlich die Motorleistung gesteigert sowie Verbrauch und Abgaswerte gesenkt werden. Denn zum einen lässt der relativ frei wählbare Ort des Zündplasmas die Optimierung des Verbrennungsvorganges zu und ermöglicht gegebenenfalls auch eine Mehrfachzündung (Multipoint-Ignition. Darüber hinaus lassen sich mit der Laserzündung noch magerere Gemische zünden, wodurch niedrigere CO₂-Emmissionswerte erzielt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zündkerzen stehen bei der Laserzündkerze auch keine Teile in den Brennraum, was eine relativ vollständige, schadstoffarme Verbrennung erlaubt und einen geringeren Materialverschleiß nach sich zieht. Auch der Wirkungsgrad des Lasers wurde derart gesteigert, dass er nun mit einer normalen 12-Volt-Autobatterie betrieben werden kann.

Ein weiteres Plus: Es lässt sich der Puls der neu entwickelten Hochleistungs-Laserdioden fast auf jeden Ort im Brennraum fokussieren, wodurch wiederum der Verbrennungsvorgang verbessert werden kann. Ein weiterer Vorteil betrifft das "Zündfenster" im Zylinder: Die Öffnung, in die sonst die Zündkerze eingeschraubt wird, wird bei einem Zündlaser sehr viel kleiner. Die Zündung erfolgt vielmehr durch eine Quarzglasscheibe. Und verrußte oder verölte Zündkerzen gibt es auch nicht mehr - der Laserstrahl brennt etwaige Ablagerung vor der Linse einfach weg.

Der Einzylinder-Versuchsmotor in Graz, an denen die Laser-Zündung derzeit erprobt wird, läuft problemlos. Die Leistung des fokussierten Laserpulses ist ausreichend intensiv zur Erzeugung einer Plasmakugel, was zu einer lokalen Temperaturerhöhung führt und somit die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Otto-Motor ermöglicht. Auch bei extremen Temperaturen und heftigen Vibrationen funktioniert die Technik. Der nächste Schritt ist es nun die Serienreife weiter voran zu treiben.

Noch ist die Technik sehr teuer. Für die Betreiber von stationären Gasmotoren könne sich die Laser-Zündtechnik schon in naher Zukunft rentieren. Bei Anlagen zur lokalen Stromgewinnung beispielsweise, ließen sich die technischen Vorteile der Laser-Zündung durchaus schon jetzt in Kundennutzen umsetzen.

Fazit

Von der Summerzündung von Lenoir, über die Magnetzündung von Bosch bis zur Laserzündung ist viel geschehen, was diesen unscheinbaren kleinen aber wirkungsvollen bläulichen Funken betrifft. Ohne ihn hätte der Ottomotor wohl nicht seinen Siegeszug über die ganze Welt in Kraftfahrzeugen, Rasenmähern, die Motorsägen oder Bootsmotoren angetreten.

 Ende Teil 2

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Dieser Bericht (Teil 1und 2) wurde bereits 2007 im Technik Profi von Auto Motor und Sport veröffentlicht.

Quellen für Text und Bild:

Bosch, Beru, Wikipedia, NGK, Delphi, AVL, CTR, BMW, ADAC, „Du und dein Motor“ (Edwin P.A. Heinze, 1939), BIAT  (Uni Flensburg)

Linktipps:

• Aufbau der Zündkerze
• Wärmewert u.v.m.
• Zündzeitpunkt und vollelektronische Zündanlagen 
• E-Learning: Zündkerzen, Glühkerzen, Lambdasonden – www.ngk.de

Autor: Johannes Wiesinger

bearbeitet:

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