656 MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 10

1 Einleitung

Die Zündkerze existiert nun seit nahezu 100Jahren, trotzdem hat sich das Design bisAnfang der 80er Jahre nur unwesentlichverändert. Die technische Entwicklung er-streckte sich weitgehend auf die Verbesse-rung der Werkstoffeigenschaften und dieOptimierung der Fertigungsprozesse. Dietypischen Wechselintervalle lagen bei 15000 km.

Dies änderte sich – zuerst in den USA undwenig später auch in Japan und Europa –durch neue Abgasgesetze und die Ein-führung des bleifreien Benzins Mitte der80er Jahre. Die Lebensdauer der Zündker-zen wurde nicht mehr durch Ablagerungvon Bleiverbindungen limitiert, sonderndurch erosiven und korrosiven Verschleißder Elektroden. Durch die intensive Weiter-entwicklung von Hochtemperaturlegierun-gen auf Nickelbasis sind heutzutage Wech-selintervalle von mehr als 60 000 km keineSeltenheit mehr. Mit Edelmetallwerkstof-fen sind auch Wechselintervalle von über100 000 km möglich.

Die in den 80er Jahren bis heute immerweiter verschärften Emissionsgesetze so-wie steigende Kraftstoffkosten stellen im-mer höhere Anforderungen an die Zünd-kerze. Um diese neuen Vorgaben (Abgas,Verbrauch) zu erreichen, sind neue Moto-ren mit Abgasrückführung (AGR), erhöhterVerdichtung, Aufladung, Mehrventiltech-nik, verstärkter Ladungsbewegung undMagerkonzepte entwickelt worden. Innächster Zukunft kommen Benzinmotorenmit Direkteinspritzung und variable Ventil-

triebkonzepte (VVT) noch dazu. Durch ge-eignete Wahl des Zündkerzenkonzeptsmuss ein aussetzerfreier Betrieb auch beidiesen Motorkonzepten über die gesamtegeforderte Laufzeit gewährleistet sein.Durch diese Forderungen rückt auch dieZündkerze immer mehr in den Fokus beider Brennverfahrensentwicklung. WelcheEinflüsse die Zündkerze auf die Thermody-namik im Brennraum hat und welcheMessmethoden zum Zündkerzenvergleichsinnvoll sind, soll im Folgenden dargestelltwerden.

2 Grundlegende Untersuchungen

In der Vergangenheit wurden verschiedeneMaßnahmen zur Verbesserung der motori-schen Verbrennung durch die Zündkerzediskutiert. Eine häufig propagierte Maß-nahme ist der orientierte Einbau der Zünd-kerze in den Brennraum. In Labormessun-gen zeigt sich, dass es eine deutliche Ab-hängigkeit der Magergrenze und auch derFlammenwachstumsgeschwindigkeit vonder Stellung der Masseelektrode relativ zurHauptströmungsrichtung gibt [1]. In Bild 1sind die Ergebnisse solcher Messungen dar-gestellt. In einem Brennkammerexperi-ment wurde die Flammenwachstumsge-schwindigkeit aus zeitaufgelösten Schlie-renaufnahmen für verschiedene Anström-richtungen bestimmt. Die Zündkerze standdabei im Freistrahl eines Methan-Luftge-mischs. Die Messungen wurden bei einemAbsolutdruck von pabs=3 bar und einemKraftstoff-Luftverhältnis von λ=1,1 durch-geführt. Für die Strömungsrichtung 2 ergibtsich ein deutlich langsameres Flammkern-

wachstum. Begründet werden kann diesdurch zusätzliche starke Turbulenz im Elek-trodenbereich, die durch die als Strömungs-hindernis wirkende Masseelektrode ent-steht. Ähnlich wie die Flammkernwachs-tumsgeschwindigkeit verhält sich auch dieMagergrenze bei diesem Experiment. Ins-besondere im Geschwindigkeitsbereichzwischen 2 und 5 m/s ergibt sich eine deut-lich schlechtere Abmagerbarkeit für dieStrömungsrichtung 2.

Obwohl auch in der Literatur [2] über einenminimalen Einfluss der Elektrodenorientie-rung im Motor berichtet wird, konnten die-se Unterschiede von uns im Motor nichtherausgearbeitet werden. Ein Grund für diestarken Unterschiede zwischen Labor undMotor liegt sicherlich in der nicht definier-ten Anströmungsrichtung im Motor.Während der Brenndauer des Funkens undder Entstehung des frühen Flammkernskann sich sowohl der Betrag als auch dieRichtung der Strömung stark ändern.Außerdem haben moderne Motoren häufigStrömungsgeschwindigkeiten im Bereichvon 10 m/s, bei Direkteinspritzern auchdeutlich darüber. Bei diesen hohen Ge-schwindigkeiten sind die Unterschiede, wieauch in Bild 1 zu erkennen, nicht mehr sodeutlich. Aus diesen Gründen – und weil

Entwicklung Zündkerzen

Es werden verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der Ent-flammungseigenschaften von Zündkerzen diskutiert. Eine zentralereBrennraumposition brachte den größten Erfolg bezüglich Abmager-barkeit der Motoren. Es werden beispielhafte Messungen von VW-Motoren mit Saugrohreinspritzung und Direkteinspritzung vorgestellt.Außerdem wird in dem Beitrag auf die konstruktiven Details derZündkerze eingegangen.

Einfluss der Zündkerzen aufdas Entflammungsverhalten inmodernen Motoren

Dr.-Ing.Thomas Kaiserist Teamleiter für die Funktions- und Grundlagen-entwicklung von Zünd-kerzen bei der Robert BoschGmbH, GeschäftsbereichKraftfahrzeug Handel.

Alfredo Hoffmannist Fachreferent für den Bereich Zündung in der Vorentwicklung von Ottomotoren bei der Volkswagen AG.

Die Verfasser

657MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 10

die Hauptströmungsrichtung betriebs-punktabhängig ist – scheint ein definierterEinbau der Zündkerze nicht notwendig zusein.

Eine weitere Maßnahme zur Verbesserungder Verbrennung ist der Einsatz von soge-nannten „low quenching“-Zündkerzen.Durch den Einsatz dünner Elektroden wirddie Kontaktfläche des Flammkerns mit denElektroden verkleinert, wodurch sowohldem Funkenplasma als auch dem Flamm-kern weniger Wärme entzogen wird. DerEinfluss dieses „quenching“ ist besondersgroß bei kleinen Elektrodenabständen undniedriger Ladungsbewegung. Bei eigenenMotormessungen mit 1,1 mm Elektrodenab-stand konnten, im Gegensatz zu [2] und [3],zwischen Zündkerzen mit einem Platin-plättchen von 1,2 mm Durchmesser und ei-nem Platinstift von 0,8 mm Durchmesserkeine messbaren Unterschiede dargestelltwerden.

Bei [3] werden sehr niedrige Strömungsge-schwindigkeiten von 2 m/s angegeben, dieeine Erklärung für die dort gemessenen Un-terschiede wären. Typische Werte für dieLadungsbewegung, die bei uns mit Hilfeder Funkenanemometrie [4] im Elektroden-bereich gemessen wurden, liegen bei 8 bis10 m/s.

In [5] sind Messungen dargestellt, bei de-nen die Magergrenze als Funktion des Elek-trodenabstands für verschiedene Elektro-dendurchmesser bestimmt wurde. Erst beiElektrodenabständen, die kleiner als 0,4mm sind, existiert ein deutlicher Einflussdes Elektrodendurchmessers. Bei größerenElektrodenabständen sind keine signifikan-ten Unterschiede in der Magergrenze zwi-schen einem Durchmesser von 1,0 mm und3,0 mm auszumachen. Wenn die Mittel-elektrode als dünner Stift ausgeführt ist,kann jedoch die Zündspannung niedrigersein, wenn die Mittelelektrode die Kathodeist. Bedingt durch höhere Temperaturen [6]und/oder Feldüberhöhungen [7] wird derElektronenaustritt erleichtert, was zu ei-nem Absenken der maximalen Durch-bruchspannung um bis zu 5 kV führenkann. Allerdings wächst bei dünnen Elek-troden der Elektrodenabstand durch gerin-geres Verschleißvolumen schneller und dasLebensdauerende, das durch die maximaleDurchbruchspannung bestimmt wird, wirdschneller erreicht. In [5] wird – basierendauf diesen Überlegungen – ein optimalerElektrodendurchmesser von 2,0 mm ange-geben.

Wesentlich stärkere Einflüsse der Zündker-ze auf die motorische Verbrennung erga-ben sich durch eine Variation der Funkenla-

ge. Die Funkenlage ist der Abstand zwi-schen Mittelelektrodenstirnfläche und Zy-linderkopfwandung, sie beschreibt also diePosition der Zündkerze im Brennraum.Weiter in den Brennraum ragende Zünd-kerzen zeigten ein deutlich besseres Verhal-ten. Ein typisches Beispiel einer Messungist in Bild 2 zu sehen. In einem Einzylinder-Versuchsmotor wurden bei einem Betriebs-punkt mit niedriger Last Luftfunken- undGleitfunkenzündkerzen mit verschiedenenFunkenlagen verglichen.

In Bild 2 ist der Variationskoeffizient des in-dizierten Drucks in einer Falschfarbendar-stellung im λ-αZ-Kennfeld dargestellt. DerVariationskoeffizient ergibt sich aus derStandardabweichung des indiziertenDrucks σpmi mit:

Willkürlich wurde eine akzeptable Lauf-grenze von COV IMEP=5% festgelegt. Dieseist im Diagramm als gelbe Linie gekenn-zeichnet. Deutlich wird sowohl bei derGleitfunken- als auch bei der Luftfunken-kerze, dass sich das Fenster, in dem der Mo-tor stabil zu betreiben ist, deutlich durchVorziehen der Funkenlage von 3 auf 7 mmausdehnen lässt.

Der ideale Betriebspunkt wird normaler-weise weit von diesen Laufgrenzen ent-fernt sein. Wichtig ist das Bestimmen desPotenzials der Zündkerze dennoch, da auchinstationäre Betriebspunkte berücksichtigtwerden müssen, bei denen es in einigen Zy-klen zu einer Abmagerung und/oder einemZünden bei nicht optimalem Zündwinkelkommen kann. Außerdem erhöht sich beisehr guter Abmagerbarkeit auch die Tole-ranz gegenüber AGR-Raten, die entwederextern über AGR-Ventile oder intern durchVentilüberschneidung erzeugt werdenkönnen.

Neben den Zyklusschwankungen sindnatürlich auch Abgasemissionen und Ver-brauch zu beurteilen, wenn es um die Aus-wahl der Zündkerze geht. Bei gleichenZündwinkeln zeigen vorgezogene Funken-lagen häufig höhere NOx-Emissionen undniedrigere HC-Emissionen. Durch denschnelleren Kraftstoffumsatz ergeben sichhöhere Brennraumtemperaturen, die die

EntwicklungZündkerzen

Bild 1: Bestimmung der Flammenwachstumsgeschwindigkeit aus Schlierenaufnahmen (links oben) in einem Brennkammerexperiment als Funktion der Anströmgeschwindigkeit der Zündkerze für verschiedene Orientierungen der Masseelektrode

Figure 1: Determination of the flame growth velocity from Schlieren images (top left) in a combustion chamber experiment as function of the flow velocity for different orientations of the spark plug.The size determination of the flame kernel is schematically shown bottom left

COV IMEP 100

COV IMEP Variationskoeffizientdes indizierten DrucksStandardabweichungdes indizierten Drucksmittlerer indizierter Druck

pmi

mi

pmi

mi

= ⋅

=

=

=

σ

σ

p

p

% Gl. (1)

658 MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 10

Bildung von Stickoxiden begünstigen. Beiverbrauchsoptimalen Zündwinkeln, die biszu 5° später liegen können, sind die Abgas-emissionen für beide Funkenlagen auf ähn-lichem Niveau. Zusätzlich bieten die vorge-zogenen Funkenlagen noch das Potenzialhöherer AGR-Raten, was zu Verbrauchs-und Abgasvorteilen führen kann. Die Aus-sagen zur Wirkung einzelner Maßnahmenbei der Verbesserung des Zündsystems las-sen sich allerdings nicht verallgemeinern,da verschiedene Konstruktionsmerkmaledes Motors, insbesondere die Ladungsbe-wegung und der Turbulenzgrad zum Zünd-zeitpunkt, eine große Bedeutung haben.Eine Beurteilung der Wirksamkeit ist dahernur im Gesamtsystem möglich.

3 Zündkerzenvergleichs-messungen

Basierend auf den Erfahrungen aus den La-bor- und Versuchsmotormessungen wur-den diverse Zündkerzen in verschiedenenTriebwerken der VW-Motorenpalette verg-lichen. Bild 3 zeigt die Ergebnisse aus einemVierzylinder-Vierventilmotor. In einemleerlaufnahen Betriebspunkt, n=1000/min,psaug=300 mbar, wurden Zündhaken beiverschiedenen Kraftstoff-Luftverhältnissengefahren. Bei diesem Saugrohrdruck ergabsich für λ=1 ein effektiver Mitteldruck vonpme=0,5 bar, bei Abmagerung verringertsich die Last entsprechend.

Gewählt wurde diese Vorgehensweise, dageringe Lasten, besonders bei Abmagerung,am Prüfstand nicht reproduzierbar genugeinzustellen waren. Verglichen wurde einePlatin-Luftfunkenzündkerze mit 3 mm undeine mit 7 mm Funkenlage; beide Zündker-zen hatten einen Elektrodenabstand von 1,1mm und einen Widerstand von 1 kΩ. Im Ge-gensatz zum Serienmotor wurden alle Zy-linder mit negativer Polarität betrieben. DieMittelelektrode fungierte also als Kathode.Wie schon bei den Untersuchungsergebnis-sen in Bild 2 ergeben sich deutliche Vorteilefür die vorgezogene Funkenlage. Bei λ=1,2lässt sich der Motor mit der 3 mm Funken-lage nicht mehr akzeptabel betreiben,während mit der 7 mm Funkenlage nochein Zündfenster von 25°<αZ<47°KW vor OTzur Verfügung steht, bei dem die Zyklus-schwankungen kleiner 5% sind.

Ähnlich deutlich sind die Unterschiede beiBetrachten des Kraftstoffumsatzes. Bild 4zeigt die Dauer der Entflammungsphase,die hier als Zeitdauer vom Zündzeitpunktbis zum Umsatz von 5% der Kraftstoffmas-se definiert ist. Eine Zündwinkelvariationwurde bei verschiedenen Kraftstoff-Luft-Verhältnissen durchgeführt. Mit magere-rem Gemisch verlängert sich die Entflam-mungsphase selbstverständlich. Betrachtetman die Entflammungsphase der Zündker-ze mit 7 mm Funkenlage, zeigt sich, dassdiese rund 3° kürzer als die der Zündkerzemit 3 mm Funkenlage ist. Da sich die frühe

Flammkernbildung auch auf die gesamteDurchbrenngeschwindigkeit auswirkt,kann also ein späterer Zündzeitpunkt ge-wählt werden.

Beim 50%-Umsatz, dessen Schwerpunkt bei8° bis 10° nach OT liegen sollte, um bei Moto-ren mit Saugrohreinspritzung im Ver-brauchsoptimum zu fahren, wurden Ver-schiebungen um bis zu 5°KW festgestellt.Das bedeutet natürlich auch für die Applika-tion, dass vor Festlegung des Zündkennfeldsdie Zündkerze ausgewählt sein muss.

Diese Ergebnisse wurden auch an anderenMotoren und in verschiedenen Betriebs-punkten erzielt, wobei Betriebspunkte mitniedriger Last den Einfluss der Zündkerzeam deutlichsten machen. In Bild 5 sind Ab-magerkurven für einen Vierzylinder-Zwei-ventilmotor für eine Drehzahl vonn=2000/min und eine Last von pme=2 bardargestellt. Die Standardabweichung desindizierten Drucks σpmi ist hier als Funktiondes Kraftstoff-Luftverhältnisses λ gemes-sen worden. Der Zündwinkel wurde bei je-dem λ auf das Verbrauchsoptimum einge-stellt. Ab λ=1,4 machen sich die Vorteile dervorgezogenen Funkenlage wieder deutlichbemerkbar. Die 3 mm Zündkerze erreichtbei λ=1,5 Werte von σpmi=0,13 bar.

Wesentlich kritischer ist die Auswahl vonZündkerzen für Ottomotoren mit Direkt-einspritzung, da bei diesen das Gemisch im

Entwicklung Zündkerzen

Bild 2: Variationskoeffi-zient des indiziertenDrucks in einem Ein-zylinder-Zweiventilmo-tor bei n=1500/min,psaug=500 mbar. Dar-gestellt sind die Ergeb-nisse von Luftfunken-kerzen (links) undGleitfunkenkerzen(rechts) mit einerFunkenlage von 3 mm(oben) und 7 mm(unten)

Figure 2: COV IMEP in a 1-cylinder-2V-engineat n=1500 rpm,pmanifold=500 mbar.Test results for an airgap spark plug (left)and a surface gap sparkplug (right) with a sparkposition of 3 mm (top)and 7 mm (bottom),respectively

659MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 10

mische hinderlich sind. Bei einem FSI-Mo-tor wurde eine ähnlich pragmatische Vor-gehensweise wie bei den Motoren mitSaugrohreinspritzung gewählt: Verschie-dene Zündkerzen wurden in mehreren

Schicht- und Homogenbetriebspunktenuntersucht. Dabei wurde der Motor durchZündwinkelvariationen an seine Laufgren-zen gebracht. Eine gezielte Abmagerung imSchichtbetrieb ist selbstverständlich nichtmehr möglich. Alternativ können aber derEinspritzbeginn oder die AGR-Rate variiertwerden, um die Laufgrenzen zu ermitteln.

Ein beispielhaftes Messergebnis zeigt Bild6: Aussetzerrate und Zyklusschwankungensind als Funktion des Zündwinkels beiSchichtbetrieb mit 25%-AGR-Rate bein=2500/min und pme=0,5 bar dargestellt.Verglichen wurden hier eine Gleitfunken-zündkerze und eine Luftfunkenzündkerzemit nahezu identischer Funkenlage von 7mm. Besonders bei frühen Zündwinkel ver-hält sich der Motor mit der Gleitfunken-zündkerze stabiler. Bei Zündwinkeln zwi-schen 20° und 25° vor OT liegt das Optimumbezüglich Verbrauch und Abgasemissio-nen. Aufgrund dieser Ergebnisse, die auchin den anderen Schichtbetriebspunkten re-produziert werden konnten, kommt im FSIdie Gleitfunkenzündkerze zum Einsatz,während bei den Saugrohreinspritzern diePlatinluftfunkenkerze bevorzugt wird.

Eine mögliche Erklärung für die bessereEntflammung mit der Gleitfunkenkerze istdas bessere Freibrennverhalten von Gleit-funkenzündkerzen: Durch das Funkenplas-ma und den frühen Flammkern wird derIsolator freigebrannt und verhindert somitden Aufbau einer leitfähigen Schicht aufdem Isolator. Dies ist besonders im Schicht-betrieb wichtig, da bei Zündwinkeln, dienäher am Einspritzende liegen, der Flüssig-keitsanteil in der Gemischwolke noch rela-tiv hoch ist, was bei der Verbrennung zuverstärkter Bildung von Ablagerungen aufdem Isolator führen kann.

4 Konstruktive Details bei Luftfunken-Zündkerzen mitvorgezogener Funkenlage

Der Einsatz von Luftfunken-Zündkerzen mitvorgezogener Funkenlage erfordert mehre-re konstruktive Maßnahmen zur Gewähr-leistung der geforderten Standzeit. Bedingtdurch die vorgezogene Funkenlage werdenin der Masseelektrode wesentlich höhereTemperaturen erreicht. Außerdem sinkt dieEigenfrequenz mit zunehmender Elektro-denlänge und kommt damit in die Nähe derim Motor auftretenden Frequenzen, was zuSchwingungsbrüchen führen kann. Daherwird das Gehäuse der Kerze verlängert aus-geführt, so dass ein Bund von etwa 2,5 mmLänge im Brennraum steht, Bild 7.

EntwicklungZündkerzen

Bild 3: Variationskoef-fizient des indiziertenDrucks in einem Vier-zylinder-Vierventilmo-tor bei n=1000/min,psaug=300 mbar. Pt-Luftfunkenkerze miteiner Funkenlage von3 mm (oben) und 7 mm (unten)

Figure 3: COV IMEP ina 4 cylinder 4V-engineat n=1000 rpm,pmanifold=300 mbar.Pt-air gap spark plugwith a spark position of3 mm (top) and. 7 mm(bottom), respectively

Bild 4: Dauer der Ent-flammungsphase füreine Platin-Luftfun-kenkerze mit 3 mmFunkenlage und einemit 7 mm Funkenlagein einem Vierzylinder-Vierventilmotor bein=1000/min,psaug=300 mbar

Figure 4: Duration ofthe ignition phase of aPt-air gap spark plugwith a spark position of3 mm and 7 mm, res-pectively.The durationis defined as time nee-ded to burn 5% of thefuel mass.

Zündkerzenbereich im Schichtbetrieb star-ke Inhomogenitäten aufweisen kann. Eineweitere Erschwernis sind extrem hohe Strö-mungsgeschwindigkeiten von bis zu 30m/s, die bei der Entflammung magerer Ge-

660 MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 10

Weiterhin ist es wichtig, eine geeigneteTemperaturreduktion durch Einbringen ei-nes Kupferkerns in die Masseelektrode zuerreichen. Bei Bosch wird die Zweistoffmas-seelektrode durch Fließpressen hergestelltund durch Widerstandsschweißen auf dasGehäuse aufgebracht. Dadurch hat derKupferkern direkten Kontakt zum Gehäuse.Bei anderen Fertigungsverfahren bestehtdieser Kontakt nicht, die Temperaturabsen-kung fällt daher geringer aus.

In Bild 8 wurden diese beiden Konstruktio-nen mit Hilfe einer FEM-Rechnung vergli-chen. Im linken Teil sind Querschnittzeich-nungen der verschiedenen Masseelektro-den zu sehen, in der Mitte ist die Tempera-turverteilung in Falschfarben dargestelltund der rechte Bildteil zeigt den Wärme-strom in einer Vektordarstellung. Aus denRechnungen ergibt sich mit der hier ge-wählten Konstruktion eine Reduktion derMaximaltemperatur durch den Kupferkernvon nahezu 100°C, die in der unteren Hälfteabgebildete Konstruktion erreicht dagegennur 70°C, jeweils gegenüber einer Elektrodeohne Kupferkern. Deutlich wird die Not-wendigkeit des direkten Kontakts des Kup-ferkerns mit dem Gehäuse an der Darstel-lung der Wärmeströme. Im unteren Bereichder Elektrode erreicht der Wärmestrom seinMaximum durch den großen Querschnittdes Kupferkerns und den großen Tempera-turgradienten in diesem Bereich.

Insgesamt gesehen beträgt der Temperatur-unterschied zwischen den beiden in Bild 8dargestellten Konstruktionen zwar nur 30°C;bei Berücksichtigung der exponenziellen Zu-nahme des korrosiven Verschleißes mit derTemperatur sind jedoch selbst solch margi-nale Unterschiede von enormer Bedeutungfür die Erreichung der geforderten Standzeit.

Eine weitere wichtige konstruktive Maßnah-me ist die Verwendung einer verschleißfe-sten Platin-Iridium-Legierung. Bedingt durchdie hohen Temperaturen und auch der – ge-genüber der Mittelelektrode – größeren Tem-peraturamplitude ist hier eine besondershaltbare Schweißverbindung erforderlich.Dies wird bei Bosch durch eine Schweißungmit einem kontinuierlich arbeitenden Lasererreicht: Durch die starke Aufschmelzung derEdelmetalllegierung und auch der Nickelba-sis entsteht eine gut durchmischte und rä-umlich stark ausgedehnte Diffusionszone,Bild 7. In zahlreichen Dauerläufen mit Lauf-zeiten von über 100 000 km hat diese Verbin-dungstechnik ihre Qualität bereits unter Be-weis gestellt. Ein Nachteil von Luftfunken-kerzen gegenüber Gleitfunkenkerzen ist dieAnfälligkeit gegen Verrußung des Isolators

Entwicklung Zündkerzen

Bild 5: Zyklusschwankungen der indizierten Arbeit in einem Vierzylinder-Zweiventilmotor bei n = 2000/min, pme = 2 bar

Figure 5: Cycle by cycle variations of in a 4-cylinder 2V engine at n=2000 rpm, pme=2 bar

Bild 6: Vergleich einerPt-Luftfunkenkerzeund einer Gleit-funkenkerze in einemVierzylinder-FSI-Mo-tor im Schichtbetriebbei n = 2500/min,pme = 0,5 bar mit25% AGR-Rate

Figure 6: Comparisonof an pt-air gap sparkplug F7HPP222 and a surface type sparkplug FGR6HQE0 in a4-cylinder FSI engine atstratified operation atn=2500 rpm, pme=0.5bar with 25% EGR-Rate

bei häufigem Kurzstreckenbetrieb und nied-rigen Lasten. Bei der hier vorgestellten Zünd-kerze wurde die Isolatorkontur modifiziert,um eine bessere Kaltstartfähigkeit zu errei-chen. In Bild 9 sind die Ergebnisse eines Kalt-wiederholstartversuchs gemäß dem japani-schen Industriestandard [8] dargestellt. Ein

Zyklus besteht dabei aus zwei Teilzyklen, diemit a und b gekennzeichnet werden. Der Mit-telwert aus dem vor und nach dem Start zwi-schen Mittel- und Masseelektrode gemesse-nen Nebenschlusswiderständen ist über derAnzahl der gefahrenen Zyklen aufgetragen.Verglichen wurden dabei eine Zündkerze mit

herkömmlicher Isolatorkontur (Standard)und einer mit verbesserter Isolatorkontur(Quick Heat).

Mit der verbesserten Variante war der Zy-klus 9b noch fahrbar, während das Fahr-zeug nach dem Zyklus 5a mit der Standard-variante nicht mehr fahrbar war. Die OBDder Motorsteuerung erkannte die erstenAussetzer bereits bei Zyklus 9a und 4a. DerGrund für die Verbesserung des Kaltstart-verhaltens liegt an einem günstigeren Auf-heizverhalten der Zündkerze.

Durch eine extrem schlanke Ausführungder Keramik auf den oberen 5 mm des Isola-torfußes konnte das Oberflächen-Volu-menverhältnis in diesem Bereich um etwa36% vergrößert werden. Für instationäreWärmetransportprozesse ist dieses Ver-hältnis entscheidend für die Aufheizzeit-konstante τ. Bei einem angenommen expo-nentiellen Temperaturanstieg ergibt sich τfür den Grenzfall kleiner Biot-Zahlen1 zu:

EntwicklungZündkerzen

Bild 7: Abbildung derPt-Luftfunkenkerzemit vorgezogenerFunkenlage.Ver-größert ist rechts einQuerschliff durch dieMasseelektrode dar-gestellt

Figure 7: Picture of aPt-air gap spark plugwith advanced sparkposition.The right partshows micrograph ofthe ground electrode

1 Im Grenzfall kleiner Biot-Zahlen ist ein Tempera-turgradient im Körper – also der Keramik – zu ver-nachlässigen. Trotz der geringen Wärmeleitfähig-keit ist dieser Sachverhalt aufgrund der geringenWandstärke sicherlich erfüllt.

662 MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 10

Mit dieser einfachen Abhängigkeit der Auf-heizzeitkonstante vom Oberflächen-Volu-menverhältnisses müsste sich die Aufheiz-zeit also auf nahezu 73% verringern, wenndas Oberflächen-Volumenverhältnis um36% vergrößert wird. Zur Verifizierung die-ses einfachen Modells wurden FEM-Rech-nungen durchgeführt, die in Bild 10 darge-stellt sind. Die für die Rechnungen notwen-digen Wärmeübergangskoeffizienten fürden Brennraum wurden mittels einerDruckverlaufsanalyse [9] ermittelt. DieAufheizzeitkonstante beträgt für die opti-mierte Variante nur 4,54 s während sich beider Standardvariante 6,68 s ergeben. Dasentspricht einer Reduzierung auf 68%. Die

brennen erreicht. Um bis zu 5°KW spätereZündwinkel werden ermöglicht. Anhandvon Beispielmessungen in verschiedenenVW-Motoren konnte das Potenzial vonZündkerzen mit 7 mm Funkenlage gegenü-ber heute üblichen Zündkerzen mit 3 mmFunkenlage aufgezeigt werden. Besonderekonstruktive Maßnahmen müssen ergrif-fen werden, um die Temperatur- undSchwingbelastung der längeren Masseelek-trode zu reduzieren sowie das Kaltwieder-holstartverhalten von Luftfunkenkerzen zuverbessern.

Literaturhinweise

[1] Ziegler, G. F. W.; Schaudt, R. A.; Herweg, R.: Theinfluence of spark plug orientation on flamekernel formation in flowing mixtures. In: SAE865031 (1986), S. 1.225-1.232

[2] Daniels, C. F.; Scilzo, B. M.: The effects of electro-de design on mixture ignitability. In: SAE960606 (1996), S. 49-55

[3] Pischinger, S.; Heywood, J. B.: Einfluss der Zünd-kerze auf zyklische Verbrennungsschwankun-gen im Ottomotor. In: MTZ (1991), 52, S. 82-92

[4] Maly, R.; Meinel, H.; Wagner, E.: Novel methodfor determining general flow parameters fromconventional spark discharges. In: IMechE(1983), Vol. C67/83, S. 27-32

Entwicklung Zündkerzen

τρα

τρ

α

τ

=

( ) = =( ) + = ∞( ) − =( )[ ] −[ ]= = == = == =

c VA

T t T t T t T e

V TA t

c

- t

p

m

p m

0 t 0 1

Aufheizzeitkonstante Volumen TemperaturDichte der Keramik Oberfl che ZeitW rmekapazit t W rme bergangskoeffizient

/

ää ä ä ü

Gl. (2)

Ergebnisse des einfachen Modells stimmendamit sehr gut mit den FEM-Rechnungenüberein.

5 Zusammenfassung

Verschiedene konstruktive Maßnahmenzur Verbesserung der Entflammungseigen-schaften von Zündkerzen wurden disku-tiert. Als effektivste Möglichkeit erwies sichder Einsatz von vorgezogenen Funkenla-gen. Durch diese zentrale Brennraumpositi-on werden in leerlaufnahen Betriebspunk-ten eine deutliche Ausdehnung der Mager-grenzen und auch ein schnelleres Durch-

Bild 8: Berechnung der Temperaturverteilung und des Wärmestroms in einer Masseelektrode mit Kupferkern. Oben ist die von Bosch verwendete Konstruktion zu sehen, unten die eines anderen Herstellers

Figure 8: Computation of the temperature distribution and the heat flux in a ground electrode with copper core.The upper part shows the Bosch design,the upper part is that of a competitor

MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 10

[5] Denso Corp.: Zündkerze für einen Verbren-nungsmotor. Deutsches Patent DE 198 59 508A1

[6] Ogura, H.; Nishio, K.; Kawamura, K.: Develop-ment of spark plug for gas-fueld small engine.In: Small Engine Technology Conference SETC(1993), S. 713-718

[7] Osamura, H.; Abe, N.: Development of new iridi-um alloy for spark plug electrodes. In: SAE 1999-01-0796 (1999), S. 1-12

[8] Adaptability test code of spark plug for automo-biles. In: Japanese Industrial Standard JIS D1606 (1987)

[9] Csallner, P.: Eine Methode zur Vorausberech-nung der Änderung des Brennverlaufes vonOttomotoren bei geänderten Betriebsbedingun-gen. München, TU, Dissertation, 1981

Bild 9: Nebenschlusswiderstände aus Kaltwiederholstartversuchen in einem 1,8-l-Turbomotor gemäßdem japanischen Industriestandard JIS1606D

Figure 9: Shunt resistance measured during repetitive cold start tests in a 1.8 l turbo engine according to Japanese Industrial Standard JIS1606D

Bild 10: Mit FEM berechnete Aufheizkurven für Zündkerzen mit Standardkontur des Isolators und optimierter Isolatorkontur

Figure 10: Heating traces for spark plugs with standard insulator geometry and with optimized design computed by FEM

worldwideworldwide

MTZYou can read the English version

of this article in MTZ worldwide.

Subscription Hotline: ++49 / 6 11 / 78 78 151