Kaum ein Autofahrer denkt je an das, was sich unter seiner Haube abspielt. Die Vorgänge in modernen Motoren sind auch ziemlich kompliziert. Den Zündkerzen, die im Herzen des Otto-Motors flackern, fällt dabei eine zentrale Aufgabe zu: Sie erst bringen das Benzin-Luft-Gemisch zur kontrollierten Explosion. Die Initialzündung dazu kam von Robert Bosch: Bereits vor hundert Jahren – im Jahr 1902 – erhielt er das Patent für die Zündkerze, die mit einem Hochspannungs-Magnetzünder kombiniert war. Ein Rückblick auf eine der folgenreichsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts, die bis heute unter jeder Motorhaube zu finden ist.
Das “Problem der Probleme”
© Daimler-Benz. Der erste schnellaufende Benzinmotor, konstruiert und gebaut 1883 von W. Maybach.
Schon lange vor der Jahrhundertwende war das Prinzip der elektromagnetischen Zündung bekannt: Siemens & Halske lieferten solche Systeme bereits 1877 an die Hersteller von stationären Gasmotoren. Doch mit den niedrigen elektrischen Spannungen ließ sich ein kurzer, zeitlich genau definierter Funke kaum erzeugen. Deshalb blieb die Drehzahl der Motoren begrenzt. Automobile mit schneller rotierenden Motoren hatten außerdem das Problem, dass sie für die Zündung nicht an große Generatoren angeschlossen werden konnten. Die von Gottlieb Daimler eingesetzten Glühzündrohre brachten eine zuverlässige Zündung jedenfalls nicht zustande. Der Automobilpionier Carl Benz stand daher vor dem “Problem der Probleme”: Wie können schnell drehende Motoren zuverlässig gezündet werden?
Bosch und Honold finden die Lösung
© Bosch, Stuttgart. Robert Bosch, Gründer des berühmten Autoteile-Herstellers, entwickelte gemeinsam mit Gottholb Honold die Zündkerze.
Robert Bosch hatte die Magnetzündung bis 1896 in jahrelanger Arbeit zur Serienreife entwickelt. Um sie an einem Kraftfahrzeug zu testen, ersetzte Bosch die anfällige Summer-Zündung eines de Dion Bouton-Dreirads ein Jahr später erstmals durch seinen Niederspannungs-Magnetzünder. Nachher schrieb er stolz an einen Kunden: “Die Zündung geht noch bei 100 minütlichen Zündungen, wie auch bei 600 in der Minute, ohne eine Zündung auszulassen.” Doch hundertprozentig zuverlässig arbeitete sie noch nicht. Die wesentlich verlässlichere Hochspannungs-Magnetzündung entwickelte Gottlob Honold, der Entwicklungschef von Bosch, erst nach der Jahrhundertwende. Und sein Arbeitgeber erhielt kurze Zeit später – am 7. Januar 1902 – das Patent auf die Zündkerze, in Verbindung mit dem Hochspannungs-Magnetzünder.
Der nun viel kleinere, blasse Funke wurde auf dem Pariser Automobilsalon 1902 (15.12.-26.12.) erstmals vorgeführt. Anfangs zeigte sich das Fachpublikum ausgesprochen skeptisch. Doch die Einsätze in den Fahrzeugen von Daimler, der schon im September 1902 den ersten Magnetzünder geordert hatte, und der erfolgreiche Gebrauch im Motorsport machten die Bosch-Kerze immer populärer.
So war beispielsweise der 60 PS starke Mercedes-Rennwagen von Camille Jenatzy mit einer Niederspannungs-Magnetzündung von Bosch ausgerüstet. Die roten Haare, die Schutzbrille und der rote Staubmantel des berühmten Rennfahrers, der beim Gordon-Bennett-Rennen in Irland überlegen siegte, wurden später zum Vorbild für die Bosch-Werbung mit dem “Roten Teufel”.
Erfolgsrezept Zündkerze
© Bosch, Stuttgart. Fertigung von Isolierkörpern für Zündkerzen bei Bosch, 1920.
In den ersten Jahren fertigte Bosch zunächst nur rund 300 Zündkerzen. Die große Nachfrage aber erforderte schließlich ein eigenes, reines Zündkerzenwerk. 1914 entstand es in Stuttgart. 1939 folgte das Zündkerzenwerk Bamberg, das 1968 den einmilliardsten Funkensprüher produzierte. Mittlerweile hat Bosch mehr als 7,5 Milliarden Zündkerzen hergestellt, und jährlich kommen mehr als 350 Millionen Stück dazu. Gefertigt werden sie hauptsächlich in dem Hauptwerk im fränkischen Bamberg, daneben in Indien, Brasilien, China und Russland.
In den 100 Jahren ihres Bestehens wurden weit über 20.000 Typen der Bosch-Kerze entwickelt. Heute sind mehr als 1250 Varianten im Programm. Denn Bosch hat das Traditionsprodukt Zündkerze immer weiterentwickelt. Beispielsweise helfen Hightech-Zündkerzen mit Platin oder speziellen Elektrodenkonstruktionen den Automobilen, die immer strenger werdenden Abgasvorschriften zu erfüllen. Die meisten namhaften Automobilhersteller bauen serienmäßig Bosch-Kerzen in ihre Fahrzeuge ein. Die kleinste Zündkerze, beispielsweise in Rasenmähern, ist gerade 40 mm lang. Die größte, die bei Groß-Gasmotoren zum Einsatz kommt, dagegen stolze 150 mm.
Hightech im Kleinen
© Bosch, Stuttgart. Plakatwerbung für Zündkerzen aus dem Jahr 1913.
Das Auto wurde im 20. Jahrhundert nach und nach zum populärsten Verkehrsmittel. Um aber für große Teile der Bevölkerung überhaupt erschwinglich zu werden, mussten teure Technologien wie die Magnetzündung ersetzt werden. Die Zündung erfolgte nun mit Strom aus einer Batterie, gespeist von einer Lichtmaschine. Doch die Zündkerze blieb. Bis heute gibt es für sie keine Alternative.
1924 hatte Bosch ein Wärmewertsystem entwickelt, mit dem die Fähigkeit der Kerze bezeichnet wird, Wärme aus dem Brennraum aufzunehmen und an den Zylinderkopf abzuleiten. An diesem Wärmewert orientierten sich bereits drei Jahre später auch Boschs Konkurrenten. Denn erst durch die Anpassung an die unterschiedlichen Motoren konnten die Funkensprüher vor Überhitzung und Verrußung geschützt werden.
Neuentwicklungen aus dem Hause Bosch brachten die Zündkerzen immer wieder ein Stück voran. 1973, im Jahr der Ölkrise, besannen sich die Bosch-Ingenieure auf eine Technik aus dem Jahre 1941 – den Kupferkern – und entwickelten mit ihr ein benzinsparendes Modell. 1991 gewährleistete Boschs Luft-Gleitfunken-Technik, dass der Funke immer den für eine sichere Zündung besten Weg findet und Störungen damit vermeidet. Außerdem sorgte sie für eine verbesserte Selbstreinigung der Kerze.
Mit speziellen Metalllegierungen wurde auch die Lebensdauer der Elektroden – der Pole, zwischen denen der Funke entsteht – erhöht. Normale Zündkerzen versprühen ihre Energie heute über 20.000 bis 30.000 km, 20 bis 30-mal länger als die ersten Kerzen. Spezielle Ausführungen halten sogar 100.000 km.
Was passiert, wenn der Funke überspringt?
© Bosch, Stuttgart. Fortschritt der Technik: Moderne Zündkerzen halten bis zu 100.000 km.
Zündkerzen bringen das Gemisch aus Luft und Benzin, das im Vergaser bzw. in der Einspritzpumpe des Otto- bzw. Wankel-Motors entsteht, zur kontrollierten Explosion. Das Gas kann sich dabei nur in einer Richtung ausdehnen – und drückt den Kolben herunter, der über die Pleuelstange eine kreisförmige Bewegung erzeugt. Bevor das Gasgemisch gezündet wird, presst der Kolben es jedoch zusammen (Kompression). Weil die Ausbreitung der Flamme in diesem komprimierten Gas ein paar Tausendstel Sekunden benötigt, ist der richtige Zeitpunkt für die Zündung schon gekommen, kurz bevor der Kolben seine höchste Stelle (oberer Totpunkt) erreicht.
Der Zündfunke selbst ist nichts anderes als eine elektrische Entladung zwischen zwei sich gegenüber stehenden Polen (Elektroden), von denen der eine mit dem Motor und der Karosserie verbunden ist (Masseanschluss) – ähnlich wie ein Blitz, der zwischen den Wolken (einer der Elektroden) und der Erde (der anderen Elektrode) entsteht. Damit der Funke überhaupt springen kann, muss zwischen den Elektroden eine elektrische Spannung von mehreren tausend Volt herrschen. Ein Transformator (die Zündspule) erzeugt diese Hochspannung aus der zwölf Volt-Batterie des Fahrzeugs. Anschließend wird der Funke über den “Zündverteiler” nacheinander auf die (in der Regel vier) Zündkerzen verteilt.
Durch den Kern der Kerze wird die Spannung nun auf die Mittelelektrode an der Spitze geleitet. Die andere Elektrode ist über das Metallgewinde mit dem Motorblock (bzw. dem Zylinderkopf) verbunden. Ein Keramikmantel isoliert den Kern vom Gewinde – damit der Funke wirklich erst an den Elektroden entsteht und nicht schon vorher.
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