MTZ Neue Zündkerzen-Konzepte für moderne Ottomotoren

Sonderdruck
MTZ
www.beru.com
Neue Zündkerzen-Konzepte
für moderne Ottomotoren
Sonderdruck aus der
Motortechnischen Zeitschrift (MTZ)

ENTWICKLUNG
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MTZ 02I2007 Jahrgang 68
Zündung
Neue Zündkerzen-Konzepte
für moderne Ottomotoren
Die Entwicklung bei Ottomotoren folgt dem Trend „weniger Verbrauch bei geringeren
Emissionen und gesteigertem Fahrspaß”. Geänderte Brennverfahren und hoch
aufgeladene, kleinere Motoren sind die Folge. Daraus ergeben sich neue Anforderungen
für das Zündsystem, insbesondere für die Zündkerze. Dieser Beitrag von
BERU zeigt den Stand der Technik und gibt einen Ausblick auf künftige Lösungen.

1 Einleitung
In die Technik des Ottomotors ist Bewegung
gekommen. Lange dominierte der
Saugmotor mit Saugrohr-Einspritzung und
geregeltem Dreiwege-Katalysator. Jetzt befinden
wir uns in einer gravierenden Umstellungsphase.
Entscheidende Treiber sind
die geforderte Verminderung von Verbrauch
und Emissionen. Teilvariabilität im
Ventiltrieb durch Phaser oder Ventilhubsteuerung
sowie Direkteinspritzung mit
wand- oder luftgeführter Verbrennung sind
dazu bereits in Serie [1].
Die neueste Generation von Einspritzsystemen
mit piezogesteuertem Injektor,
nach außen öffnender Kegelstrahldüse,
Mehrfacheinspritzung und strahlgeführter
Gemischbildung erweitern [2] den Bereich
des ungedrosselten [3], mageren Motorbetriebs
und setzen verringerte Ladungswechselverluste
in Verbrauchsvorteile um. Die
Position des Injektors zwischen den Ventilen
ist mit der Anordnung in modernen
Dieselmotoren vergleichbar. Die Funkenstrecke
der Zündkerze wandert in den Bereich
des Kegelmantels des Einspritzstrahls
[4], woraus sich die wesentlichen Anforderungen
an kleinere Bauformen, positionierte
Körperelektrode (Masseelektrode)
und genauere Funkenlage ableiten, Bild 1.
Weiter ist ein Trend zum Downsizing
mit Aufladung zu sehen. Turbolader mit
variabler Turbinengeometrie oder zweistufiger
Aufladung kommen bei Spitzenmotorisierungen
zum Einsatz. Aus der gesteigerten
Ladungsdichte ergibt sich ein höherer
Zündspannungsbedarf, der gerade bei
schlankeren Zündkerzen größere Anforderungen
an die dielektrischen und mechanischen
Eigenschaften der Zündkerzenkeramik
stellt.
Am Beispiel der Entwicklung der neuen
BERU-M12-Zündkerze wird im Folgenden
aufgezeigt, wie man den neuen Ansprüchen
durch geändertes Design, Werkstoffwahl
und Applikation gerecht werden kann.
2 Stand der Technik
Die Hauptanforderungen sichere Entflammung,
Eignung bei Kalt- und Wiederholstart
sowie hohe Laufleistung lassen
sich durch unterschiedliche Zündkerzenkonzepte
[5] lösen. Vorgaben in puncto Verbrennungsgüte,
Kaltstartfähigkeit, Lebensdauer
und Kosten sind entscheidend für
die Konzeptauswahl.
2.1 Low-Cost-Konzepte
Gängig sind dabei Elektroden auf Basis einer
Nickellegierung. Je nach Anforderungen
des Motors kommen Einfach- oder
Mehrfachelektroden als Luft- und/oder
Gleitfunkenstrecken zur Verbesserung der
Kaltstarteigenschaften zum Einsatz. Den
moderaten Kosten stehen Zugeständnisse
in puncto Lebensdauer gegenüber.
2.2 High-End-Konzepte
Hier kommen verschiedene Edelmetall-Legierungen
an den Elektroden auf der Basis
von Platin oder Iridium zur Anwendung.
Ähnlich den Low-Cost-Zündkerzen gibt es
verschiedene Elektrodenanordnungen und
Funkenstrecken. Den höheren Kosten steht
eine exzellente Dauerstandsfestigkeit gegenüber.
3 Anforderungen an neue
Zündkerzengenerationen
Die neuen Direkteinspritzsysteme haben
zur Folge, dass der Zündkerze weniger Raum
im Zylinderkopf zur Verfügung steht. Das
bedingt entweder 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.
Bei Downsizing-Motorkonzepten, die
mit Aufladung arbeiten, ist überdies durch
Bild 1: Zuordnung der Zündkerze
zum Einspritzstrahl beim DI-
Ottomotor
(Foto: Daimler-Chrysler)
Die Autoren
Dr. Manfred Adolf
ist Leiter Entwicklung
Zündungstechnik bei der
BERU AG in Ludwigsburg.
Thomas Alban
ist tätig im Prozessmanagement
Fertigung
bei der BERU AG in
Ludwigsburg.
Dipl.-Ing. Hans Houben
ist Leiter der Entwicklung
bei der BERU AG in
Ludwigsburg.
Dipl.-Ing. (FH)
Martin Knoch
ist Mitarbeiter in der Vorentwicklung
Fachbereich
Werkstoff- und Prozesstechnik
bei der BERU AG
in Ludwigsburg.
Werner Niessner
ist Leiter Entwicklung
Zündkerzen bei der
BERU AG in Ludwigsburg.
Dipl.-Ing. (FH)
Ulrich Stockmeier
ist Mitarbeiter im
Bereich Applikationen
Zündsysteme bei der
BERU AG in Lu dwigsburg.
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Bild 2: Durch Modifikation der organischen Zuschlagstoffe lässt sich der Porendurchmesser deutlich
reduzieren
Bild 3: Eigenschaftsverbesserung der Keramik durch modifizierte Zuschlagstoffe
die Zunahme der Ladungsdichte mit einem
erhöhten elektrischen Spannungsbedarf
zu rechnen. Die gegensätzlichen Forderungen
– kleinere Wandstärken am Isolator
und größerer Spannungsbedarf – machen
Neuentwicklungen von Werkstoff,
Geometrie und Verfahren nötig.
3.1 Bedeutung der Keramik
Als Isolatormaterial für Pkw-Zündkerzen
hat sich eine Keramik auf Basis von Tonerde
mit einem Al 2 O 3 -Gehalt (Aluminiumoxid)
von wenigstens 94 % etabliert, da dieser
Werkstoff die elektrischen und mechanischen
Forderungen bezüglich Durchschlagfestigkeit
auch bei hohen Temperaturen
(bis 1000 °C) erfüllt. Überdies sorgen
hohe Rohstoffverfügbarkeit und Prozesssicherheit
für ein optimales Kosten/Nutzen-
Verhältnis.
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MTZ 02I2007 Jahrgang 68
Zündung
Zur Herstellung der Keramik werden
dem Al 2 O 3 mineralische Rohstoffe wie Kaolin,
Speckstein und Dolomit zugesetzt. Diese
liefern zum einen die zum Sinterprozess
nötigen Oxide (SiO 2 , CaO und MgO),
zum anderen verbessern sie die rheologischen
Eigenschaften des Sprühschlickers
und die für den Press- und Schleifprozess
erforderlichen plastischen Eigenschaften
des Granulats.
Neben der Morphologie der Al 2 O 3 -Kristallite
bestimmen die eingesetzten Oxide
die dielektrischen und mechanischen Eigenschaften
des Isolators, besonders bei
hohen Temperaturen. Als eigenschaftsbestimmende
Hauptgröße wird jedoch bei
der aktuellen Keramik die Restporosität angesehen,
deren Ursache nicht zerstörtes
Pressgranulat ist. Vereinzelt ergeben sich
Poren bis zu 50 μm Durchmesser.
3.2 Verbesserung der keramischen
Eigenschaften
Um die Restporosität deutlich zu reduzieren
und damit die Durchschlagsfestigkeit und
die mechanische Festigkeit zu verbessern,
wurden Modifikationen der Zuschlagsstoffe
untersucht. Dazu dienten Wachssuspensionen,
die dem Schlicker vor der Sprühtrocknung
zugegeben wurden. Sie beeinflussen
die Adhäsion der Primär-partikel der Granulate,
den Trocknungsprozess beim Sprühen
und unterstützen die Verdichtung beim
Pressen. Die so erzielte Reduzierung der
Restporosität ist in Bild 2 dargestellt. Die mit
dieser Keramik (Bezeichnung V41) erreichten
Eigenschaftsverbesserungen zeigt Bild 3.
Es ist geplant, M12-Zündkerzen mit einem
Spannungsbedarf > 40 kV zukünftig aus dieser
modifizierten Keramik herzustellen.
Zudem ist beim Werkstoff Al 2 O 3 durch Reduktion
der Sinteradditive, Verwendung von
Rohstoffen mit kleineren Korngrößen und
durch Prozessmodifikationen weiteres Verbesserungspotenzial
vorhanden, womit sich
auch Durchschlagsfestigkeiten > 30 kV/mm
realisieren lassen.
3.3 Konstruktive Anpassung der
Zünd kerze
Für Zündkerzen mit M12-Einschraubgewinde
lässt die Norm drei verschiedene Dimensionen
zu:
– M12 x 1,25 mit Hex 16 mm und Isolatorhals
10,5 mm (ISO 2705)
– M12 x 1,25 mit Hex 14 mm und Isolatorhals
9,0 mm (ISO 16 246)
– M12 x 1,25 mit Bihex 14 mm und Isolatorhals
10,5 mm (ISO 22 977).
Dabei muss die Gasdruckdichtheit der Zündkerze
beim vorgeschriebenen Anzugsdrehmoment
sicher erreicht werden. Entwicklungsziel
war, den metallischen Zündkerzenkörper
so auszubilden, dass bei maximalem
Anzugsdrehmoment von 25 Nm die geforderte
Dichtheit sicher erreicht wird. Bild 4
zeigt die Gasdruckdichtheit der Zündkerze
in Abhängigkeit des Anzugsdrehmoments.
In Übereinstimmung mit der Gasdruckdichtheit
beginnt die messbare Verformung
des Einschraubgewindes bei 40 Nm, Bild 5.
4 Lebensdaueranforderung
Die Lebensdaueranforderung an M12-Zündkerzen
beträgt wie bei M14-Zündkerzen
60.000 bis 100.000 km. Der Anstieg des
elektrischen Spannungsbedarfs durch Verschleiß
an der Zündkerzen-Funkenstrecke
soll dabei so gering wie möglich sein. Die
Entwicklung neuartiger Elektrodengeometrien,
Werkstoffe und Verfahren waren

nötig, um den Verschleiß an der Funkenstrecke
der Zündkerze zu minimieren.
4.1 Verschleiß bei Low-Cost-Zündkerzen
Der Verschleißmechanismus an Nickellegierungen,
Bild 6, wird wesentlich von der
Oxidation bestimmt, weil die sich bildende
Oxidschicht bei der Funkenentladung bis
zum Basismaterial durchquert und dabei
zerstört wird. Je dicker die Oxidschicht ist,
umso tiefer sind die Krater und desto höher
ist der Materialverlust. Daraus ergibt sich
die Forderung nach Nickellegierungen mit
einer stabilen und dünnen Oxidschicht.
Bild 7 zeigt den im Motorbetrieb ermittelten
Einfluss unterschiedlicher Legierungszusätze
auf die Verschleißkennzahl.
4.2 Verschleißreduktion bei
High-End-Zündkerzen
Der Verschleiß von Zündkerzen, deren Elektroden
mit oxidationsstabilisiertem Edelmetall
armiert sind, ist grundsätzlich geringer.
Jedoch ist eine dauerhafte Verbindung des
Edelmetalls auf den nickelbasierten Zündkerzen-Elektroden
sicherzustellen. Dazu gilt es
vor allem, den durch unterschiedliche Längendehnungskoeffizienten
in der Fügezone
der Schweißung entstehenden thermomechanischen
Spannungen entgegenzuwirken. Dies
gelingt – Bild 8 (A), am Beispiel einer Körperelektrode
– mittels Laserschweißung durch Bildung
einer zusätzlichen Legierungszone im
Randbereich der Edelmetall-Armierung.
5 Fertigung von High-End-Zündkerzen
Eine Voraussetzung für eine sichere Entflammung
bei Ottomotoren mit strahlgeführter
Direkteinspritzung ist auch die
präziser gefertigte Zündkerze mit positionierbarer
Körperelektrode. Dies erfordert
sowohl definierte Anströmungsverhältnisse
der Funkenstrecke als auch die Verringerung
der Zuordnungstoleranzen von
Injektor und Zündkerze mit einem eng tolerierten
Funkenort.
5.1 Edelmetallzündkerzen mit hoher
Überdeckung
Zündkerzen für hohe Laufleistungen werden
üblicherweise mit einer Edelmetallarmierung
an Mittel- und Körperelektrode
ausgebildet. Besondere Bedeutung für die
Lebensdauer der Zündkerze hat dabei die
Überdeckung der Edelmetalle, Bild 8 (B).
BERU hat ein Verfahren entwickelt, das eine
Überdeckung der Edelmetallflächen
von mindestens 92 % sicherstellt. Das erlaubt
einen reduzierten Edelmetalleinsatz.
Bild 4: Streuung der Leckage-Menge einer M12-Zündkerze in Abhängigkeit des Anzugsdrehmoments
Bild 5: Streuung der Gewindedehnung einer M12-Zündkerze in Abhängigkeit des Anzugsdrehmoments
Bild 6: Einfluss der Nickellegierung auf die Ausbildung der Oxidschicht im Motorbetrieb
5.2 Reduzierung der Fertigungstoleranz
Unter Addition aller Toleranzen erreichen
herkömmliche Zündkerzen eine Genauigkeit
der Funkenstreckenlage im Brennraum
von bis zu 1,7 mm. Damit sind sie für die
beschriebenen Bedürfnisse ungeeignet, da
es dadurch zu Verbrennungsaussetzern
kommen kann [6].
Durch Optimierung der Fertigungsprozesse
und den Einsatz verschiedener Dicken
des inneren Dichtrings ist es gelungen,
die Toleranzen der Funkenlage soweit
einzuengen, dass die Position der Funkenstrecke
mit einer Genauigkeit von maximal
± 0,2 mm sichergestellt ist, Bild 9.
5.3 Positionsorientierte Körperelektrode
Im gleichen Maße wie der exakte Funkenort
ist auch eine definierte Ausrichtung
der Körperelektrode erforderlich, damit
die Gemischbildung nicht behindert wird.
Diese lagegenaue Positionierung der Körperelektrode
benötigt ebenfalls einen definierten
Gewindeanschnitt im Zylinderkopf.
Für das positionsgenaue Schweißen der
Körperelektrode werden Form und Lage
des Gewindeprofils als Referenz genutzt.
Dabei wird der Körper am äußeren Dichtsitz
angeschlagen und mit einer Drehbewegung
wird das Gewindeprofil des Kör-
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Bild 7: Einfluss der Nickellegierung auf den relativen Verschleiß im Motorbetrieb
Bild 8: Ausbildung der Legierungszone im Randbereich der Edelmetallarmierung beim
Laserschweißen (A); Mindestüberdeckung der Edelmetallflächen von 92 % durch optimiertes
Fertigungsverfahren (B)
pers in einem Messfenster in die gewünschte
Position gebracht. Durch Ausrichten,
Einstellen und die Positionierung
des Körpers mittels eines optischen Messsystems
wird eine Toleranz von ±15° erreicht,
Bild 9.
6 Messtechnik
Die Entwicklung einer motorspezifischen
Zündkerze erfordert die enge Zusammenarbeit
von Automobil- und Zündkerzenhersteller.
Die Voraussetzungen hierzu beinhalten
die Möglichkeiten zur Ermittlung
– des geeigneten Wärmewertes der Zündkerze
– der Elektrodentemperaturen
– des Zündspannungsbedarfs
– des Zündspannungsangebots.
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Zündung
Zudem ist eine Prüfung des Kaltstartverhaltens
der Zündkerze nötig. Diese spezielle
Messtechnik wurde von BERU entwickelt
und steht als mobiles Applikationssystem
zur Verfügung.
6.1 Wärmewert
Der Wärmewert (WW) ist eine Kennzahl für
die thermische Belastbarkeit der Zündkerze.
Er hängt ab vom Verhältnis der aufgenommenen
zur abgegebenen Wärmemenge.
Festgelegt wird er anhand von Vergleichsmessungen
bezogen auf eine Referenz. Ziel
der thermischen Auslegung der Zündkerzen
ist es, unter Berücksichtigung der Elektrodentemperaturen,
den besten Kompromiss
zwischen guter Kaltstartperformance
und ausreichender Sicherheit vor Glühzündungen
im Motor zu ereichen.
Die Möglichkeit der Erfassung des Nach-
Bild 9: M12-Zündkerze mit positionierter
Körperelektrode und genauer Funkenlage
und Vorentflammungsverhaltens durch
Ionenstrommesstechnik erlaubt eine genaue
Festlegung des Wärmewertes.
6.2 Elektrodentemperatur
Die Messung der Mittel- und Körperelektrodentemperatur
dient der Absicherung der
Lebensdauer, da der Elektrodenabbrand
stark mit der Temperatur zunimmt. Im mobilen
Einsatz werden dazu Zündkerzen mit
Thermoelementen präpariert. Für eine stationäre
Vergleichsmessung steht ein Spezialmotor
mit einem optischen Zugang für
eine pyrometrische Messung zur Verfügung,
Bild 10.
6.3 Zündspannungsbedarf
Der Elektrodenabstand (EA) der Zündkerzen
muss so gewählt werden, dass eine sichere
Gemischentflammung (großer EA)
bei ausreichender Zündspannungsreserve
(kleiner EA) auch am Ende der Lebensdauer
der Zündkerzen gewährleistet ist. Mittels
der Zündspannungsbedarfs- und -angebotsmessung
findet eine Überprüfung der
Zündspannungsreserve statt. Diese Messungen
werden sinnvoller Weise mit Zündkerzen,
die ihr Laufzeitende erreicht haben,
im Fahrzeug durchgeführt, da so die
für den Zündspannungsbedarf kritischen
dynamischen Fahrzustände am besten darzustellen
sind.
Die mobile Messtechnik von BERU erlaubt
die selektive Messung des Zündspannungsbedarfs
und -angebots an bis zu acht

Bild 11: Die neue BERU-Kältezelle mit Zweiachs-Rollenprüfstand
Zylindern gleichzeitig. Dabei werden die
Hochspannungswerte über der Zeit sowie
die Hüllkurven aus minimalen und maximalen
Werten ermittelt. Zudem stehen Informationen
über die Häufigkeitsverteilungen
der einzelnen Hochspannungsklassen
zur Verfügung.
6.4 Kaltstarttest
Die Überprüfung der Kaltstarteigenschaften
der Zündkerzen findet nach
einem festgelegten Prüfzyklus im Fahrzeug
auf dem Rollenprüfstand statt. Der
Zyklus wird bei bis zu -20 °C Umgebungs-
und Kühlwassertemperatur durchgeführt
und besteht aus mehreren Starts mit anschließender
Fahrt bei geringer Motorlast.
Bild 10: Pyrometrische
Temperaturmessung im
Spezialmotor mit optischem
Zugang an einer vierpoligen
Gleitfunkenzündkerze
Bewertungskriterien sind die Zahl der
möglichen Starts und/oder der Verlauf des
Nebenschlusses, das heißt Masseschluss
aufgrund von Kraftstoff- oder Rußablagerung
auf dem Isolatorfuß durch unvollständige
Verbrennung.
7 Technische Testvoraussetzungen
Die Durchführung des oben beschriebenen
Tests erfordert eine Kältezelle mit Rollenprüfstand,
wie er im F+E-Zentrum der
BERU AG vorhanden ist, Bild 11. Die Eckdaten
sind folgende:
Kältezelle
– Einfahrtshöhe: 3,50 m, Länge: 14 m,
Breite: 5,50 m,
– Temperaturbereich: -40 °C bis +30 °C
Rollenprüfstand
– Bauart: Zweiachs-Rollenprüfstand mit
48 Zoll Rollendurchmesser
– Nennleistung: 195 kW je Achse (Dauerbetrieb)
– Vmax: 250 km/h
– Spurweite: 914 mm bis 2743 mm
– Radstand: 2100 mm bis 4700 mm
– Achslast: 3500 kg je Achse.
8 Zusammenfassung und Ausblick
Die Auswirkungen der sich ändernden
Brennverfahren beim Ottomotor wurden
am Beispiel einer M12-Zündkerze dargestellt.
Die kleine Bauform erfordert eine Optimierung
des keramischen Isolators und der
mechanischen Konstruktion. Präzise Funkenlage
und positionierte Körper elektrode
sind durch verbesserte Prozesse und neue
Fertigungsmethoden darstellbar. Die hohen
Lebensdauererwartungen werden durch
Edelmetallkonzepte realisiert. Daneben sind
Applikationswerkzeuge und -erfahrung erforderlich,
um eine optimale Auslegung der
Zündkerze in kurzer Zeit zu erreichen.
Der eingangs beschriebene Trend geht
weiter: Steigender Aufladegrad, höhere
spezifische Leistung und zunehmend beengte
Platzverhältnisse im Zylinderkopf
zeigen in Richtung noch kleinerer Zündkerzen.
Das erste Projekt, eine M10-Zündkerze,
liegt bereits vor – eine Herausforderung
an die BERU Ingenieure.
Literaturhinweise
[1] Alt, M.; Schaffner, P.; Rothenberge, P.: Effizienzsteigerung
des Ottomotors durch Technologiekombinationen.
15. Aachener Motorenkolloquium 2006
[2] Warnecke, V.; Achleitner, E.; Bäcker, H.: Entwicklungsstand
des Siemens-VDO-Piezo-Einspritzsystems für
strahlgeführte Brennverfahren. 27. Internationales
Wiener Motorensymposium, 2006
[3] Welter, A.; Unger, H.; Hoyer, U.; Brüner, T.; Kiefer, W.:
Der neue aufgeladene BMW-Reihensechszylinder-Ottomotor.
15. Aachener Motorenkolloquium 2006
[4] Waltner, A.; Lückert, P.; Schaupp, U.; Rau, E.; Kemmler,
R.; Weller, R.: Die Zukunftstechnologie des Ottomotors
- Strahlgeführte Direkteinspritzung mit Piezo-Injektor.
27. Internationales Wiener Motorensymposium, 2006
[5] Alles über Zündkerzen. Technische Information Nr. 02,
BERU AG (2004) und Meyer, J.; Niessner, W.: Neue
Zündkerzentechnik für höhere Anforderungen. ATZ/
MTZ-Sonderausgabe „System Partners 97“, 1997
[6] Herden, W.; Vogel, M.: Perspektiven alternativer Zündsysteme,
Diesel- und Benzindirekteinspritzung III, Expert-Verlag
(2005) und Willand, J.; Suck, G.; Schintzel,
K.: Anforderungen an die Einspritzsysteme strahlgeführter
Brennverfahren (ebd.)
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