NGK SPARK PLUG: Heat rating determination / Wärmewertbestimmung – Teil 1 des Tests / Part 1 of the test

Zündkerze ist nicht gleich Zündkerze

Hier im ersten Teil der Wärmewertbestimmung mittels Versuchsaufbau zunächst ein paar grundlegende Informationen zur Funktion der Zündkerze und der korrekte Weg zur richtige Zündkerzenwahl.

Aufgabe der Zündkerze

Sie ist primär für das Entzünden des Luft-Kraftstoffgemischs im Verbrennungsmotor zuständig. Hierzu gibt die Zündkerze durch die vom Zündsystem zum passenden Zeitpunkt gelieferte elektrische Energie an das Luft-Kraftstoffgemisch ab, um damit die Gemisch-Entzündung zu erreichen. Dieser Vorgang muss unter allen Betriebsbedingungen, ob starker Temperatureinfluss oder Alterungserscheinungen garantiert sein. Folglich eine beachtliche technische Aufgabenstellung, die durch unterschiedliche Einflussfaktoren außerhalb und im Zylinder bestimmt werden.

Aufbau einer Zündkerze

Als wichtigste Bauteile gelten die Masse- und Mittelelektroden, die während des Einsatzes dem stärksten Verschleiß unterliegen. Zwischen diesen beiden Elektroden erfolgt die Erzeugung des notwendigen Zündfunkens, der über die sogenannte Luftfunkenstrecke – abhängig vom Elektrodenaufbau und des Abstands der Masse- und Mittelelektrode zueinander – die notwendige Stärke und das Volumen erzeugt. Die Mittelelektrode ist von einem Keramik-Isolator umgeben und fungiert zusätzlich durch ihre Bauform als Kriechstrombarriere, damit der volle Zündfunke jederzeit garantiert ist. Der Isolator ist am vorderen Teil durch ein Metallgehäuse mit dem Gewinde und der Massenelektrode ausgestattet. Für manche Kerzenstecker muss die im Lieferumfang der Zündkerze befindliche Schraubhülse auf dem Zündstift montiert werden.
Besonders wichtig ist, stets die vom Hersteller vorgeschriebene Zündkerze zu verwenden. Wer auf eine hochwertigere oder Racing-Zündkerze wechseln möchte, sollte sich auf der jeweiligen Zündkerzen-Herstellerseite über die Vergleichstabellen, das passende Modell aussuchen – Stichwort: Produktfinder.

Zündkerzen-Codierung

Der Hintergrund ist, dass die Zündkerzenvielfalt durch unterschiedliche Gewindegrößen/-längen, abweichende Wärmewerte, mehrfache Massenelektroden, diverse Materialunterschiede und in der Ausführung der Mittelelektrode zu vielfältig ist, was für den Laien dadurch oftmals undurchsichtig wird.

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Der gerade angesprochene Wärmewert ist ein ganz erheblicher Faktor bei der Auswahl der Zündkerze, da dieser besagt, wie viel Wärme die Kerze aus dem Brennraum aufnimmt und inwieweit diese zu einer Temperaturerhöhung am Isolatorfuß und den Elektroden führt.

Hierfür gilt folgender Grundsatz: Eine Zündkerze sollte möglichst schnell eine Betriebstemperatur von über 400 Grad Celsius erreichen, da diese Schwelle als Selbstreinigungstemperatur bezeichnet wird. Ab 400 Grad werden Ablagerungen an der Isolatorspitze verbrannt und eine fortwährende Funktion der Zündkerze ist gewährleistet. Bewegt sich die Betriebstemperatur dauerhaft unter dieser Schwelle, so können hochgradige Verrußungsprozesse stattfinden, die im schlimmsten Fall ein Abfließen der Spannung an die Fahrzeugmasse begünstigen und so einen Zündfunken verhindern. Gleichzeitig sollte eine Spitzentemperatur von 850 Grad Celsius nicht überschritten werden, da es dadurch zu Glühzündungen und hohe thermische Belastungen kommen kann, was im schlimmsten Fall für Zündkerze, Kolben und Motor das Aus bedeutet.

Das heißt im Umkehrschluss, dass jeder Hersteller bei der Motorentwicklung für die Serienreife eine Zündkerzen per Versuchsaufbau auf dem Motorprüfstand testen muss, die sowohl für zirka -30 bis +50 Grad Celsius gewappnet sein muss, aber auch in sauerstoffarmen Höhe wie beispielsweise 4000 Meter im Gebirge in Südamerika, aber auch unter dem Meeresspiegel wie beispielsweise im Death Valley in den USA ihren Mann stehen muss.

Hierfür gilt es ein aufwendiges Testverfahren auf dem Leistungsprüfstand zu durchlaufen, um anhand der gewonnenen Daten die richtige Auswahl treffen zu können. Denn ein zu hoher Wärmewert (kalter Zündkerzentyp) überschreitet deutlich später die Selbstreinigungsstufe als eine Zündkerze mit niedrigem Wärmewert (warmer Zündkerzentyp) im Verhältnis zur gefahrenen Geschwindigkeit, was aber wiederum bei Letzterer bei voller Belastung bedeuten kann, dass man in den Bereich der Glühzündung vordringt und somit erhebliche Motorschäden fabrizieren würde. Mehr zur Bestimmung des korrekten Wärmwerts mit umfangreichen Versuchsaufbau und NGK SPARK PLUG Technikerteam in Teil 2.

Bilder: OFFROADCRACKS, NGK SPARK PLUG
Testfahrzeug: YAMAHA Ténéré 700 2020

“ Wir bedanken uns für die professionelle Zusammenarbeit bei…
…YAMAHA Deutschland, NGK und Micronsystems.“

Not all spark plugs are the same

Here in the first part of the heat rating determination by means of an experimental set-up, some basic informations about the function of the spark plug and the correct way to choose the right spark plug.

Task of the spark plug

It is primarily responsible for igniting of the air / fuel mixture in the internal combustion engine. For this purpose, the spark plug delivers electrical energy to the air / fuel mixture through the electrical system supplied by the ignition at the appropriate time in order to achieve ignition of the mixture. This process must be guaranteed under all operating conditions, whether strong temperature influence or signs of aging. Hence a considerable technical task, which is determined by different influencing factors outside and inside the cylinder.

Structure of a spark plug

The most important components are the ground and center electrodes, which are subject to the greatest wear during use. The necessary spark is generated between these two electrodes, which generates the necessary strength and volume via the so-called air spark gap, depending on the electrode structure and the distance between the ground and center electrodes. The center electrode is surrounded by a ceramic insulator and additionally acts as a leakage current barrier due to its design, so that the full ignition spark is guaranteed at all times. The insulator is equipped on the front part with a metal housing with the thread and the ground electrode. For some spark plug connectors, the screw sleeve supplied with the spark plug must be mounted on the ignition pin.
It is particularly important to always use the spark plug specified by the manufacturer. If you want to switch to a higher quality or racing spark plug, you should look for the right model on the respective spark plug manufacturer’s website – keyword: product finder.

Spark plug code

The background is that the variety of spark plugs due to different thread sizes / lengths, different heat values, multiple mass electrodes, various material differences and the design of the center electrode is too diverse, which often makes it non-transparent for the customers.

The just mentioned heat value is a very significant factor in the selection of the spark plug, since it tells how much heat the plug absorbs from the combustion chamber and to what extent this leads to a temperature increase at the insulator base and the electrodes.

The following principle applies here: A spark plug should reach an operating temperature of over 400 degrees celsius as quickly as possible, since this threshold is referred to as the self-cleaning temperature. Deposits on the tip of the insulator are burned off at 400 degrees and the spark plug is guaranteed to function continuously. If the operating temperature is permanently below this threshold, high-grade sooting processes can take place, which in the worst case favor the flow of voltage to the vehicle mass and thus prevent an ignition spark. At the same time, a peak temperature of 850 degrees Celsius should not be exceeded, as this can lead to glow ignition and high thermal loads, which in the worst case means the end of the spark plug, piston and engine.

Conversely, this means that when developing the engine for series production, each manufacturer has to test a spark plug using an experimental setup on the engine test bench, which must be prepared for around -30 to +50 degrees Celsius, but also at low oxygen levels, such as 4000 meters in the mountains in South America, but also below sea level, such as in Death Valley in the USA.

For this it is necessary to go through a complex test procedure on the dynamometer in order to be able to make the right selection based on the data obtained. An excessively high heat value (cold spark plug type) significantly exceeds the self-cleaning level later than a spark plug with a low heat value (warm spark plug type) in relation to the speed driven, which in turn can mean that the latter penetrates into the area of ​​the glow ignition when fully loaded would produce significant engine damage. More on determining the correct heat value with extensive test setup and NGK SPARK PLUG team of technicians in part 2 of this test.

Images: OFFROADCRACKS, NGK SPARK PLUG
Test bike: Yamaha Ténéré 700 2020

“ We say thank you for the professional cooperation to …
… YAMAHA Germany, NGK and Micronsystems. „