Ratgeber
Man kennt sie aus Feuerzeugen und Gasanzündern: Piezo-Zündelemente. Ein Klick, schon zündet der entstehende Funke das austretende Gas. In diesem Ratgeber machen wir Sie mit den Eigenschaften eines Piezo-Elements vertraut. Sie erfahren außerdem noch einiges über dessen nahen Verwandten, die Zündspule.
Piezoelektrizität hat etwas Geheimnisvollen an sich. Quasi aus dem Nichts entsteht elektrische Energie, ein Knopfdruck genügt. Da sich Energie aber nicht produzieren, sondern nur umwandeln lässt, ist der Knopfdruck offensichtlich die entscheidende Energiequelle. Tatsächlich handelt es sich um bei der Piezo-Energie um eine elektrische Ladung, die sich in bestimmten festen Materialien als Reaktion auf eine angewandte mechanische Belastung ansammelt. Zu diesen Materialien gehören beispielsweise Kristalle, bestimmte Keramiken und biologisches Material wie Knochen, DNA und verschiedenen Proteinen.
Der piezoelektrische Effekt resultiert aus der linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen in kristallinen Materialien ohne Inversionssymmetrie. Der piezoelektrische Effekt ist zudem reversibel: Materialien, die den piezoelektrischen Effekt aufweisen, zeigen auch den umgekehrten Effekt: die interne Erzeugung einer mechanischen Dehnung infolge eines angelegten elektrischen Feldes.
Zum Beispiel erzeugen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle messbare Piezoelektrizität, wenn ihre statische Struktur nur um etwa 0,1 Prozent der ursprünglichen Abmessung verformt wird. Umgekehrt verändern dieselben Kristalle etwa 0,1 Prozent ihrer statischen Abmessung beim Anlegen eines äußeren elektrisches Feldes. Der inverse piezoelektrische Effekt wird zum Beispiel bei der Erzeugung von Ultraschallwellen genutzt.
Entdeckt wurde die Piezoelektrizität 1880 von den französischen Physikern Jacques und Pierre Curie. Seither wird der Effekt bei vielen nützlichen Anwendungen genutzt, vor allem bei der Erzeugung und Erkennung von Schall, beim piezoelektrischen Tintenstrahldruck, als Taktgeber in der Elektronik, bei Mikrowaagen, zum Antrieb einer Ultraschalldüse und zur ultrafeinen Fokussierung von optischen Baugruppen. Und natürlich als Zündquelle für Feuerzeuge und als Piezo-Zündelemente. Genutzt wird hier aber nicht die Verformbarkeit von Piezokristallen durch elektrischen Strom, sondern genau der umgekehrte Effekt: Der Aufbau einer Ladung durch mechanische Einwirkung.
Bei Zündelementen wird dies durch einen in einer Spannfeder gelagerten Stößel erreicht. Durch Druck auf den Auslöseknopf wird zunächst die Feder mit dem Stößel zusammengepresst und schließlich blitzschnell freigeben. Dieser kurz mechanische Impuls durch den Stößel reicht aus, um im Kristall eine Ladung von mehreren Kilovolt aufzubauen. Abgeleitet wird die Spannung über zwei Kontakte in wenigen Millimetern Abstand. Der dabei entstehende Lichtbogen lässt sich zum Zünden von Gasen oder Öl-Luft-Gemischen verwenden. Gängige Piezo-Zündelemente, beispielsweise für die Verwendung in Feuerungen, verwenden eine Spannung zwischen 13 und 16 Kilovolt. Sie gibt es mit fertig konfektioniertem Kabelanschluss oder mit Aufsteckkontakten.
Während Piezo-Zündelemente nur dann praktikabel sind, wenn die Zündung manuell erfolgen kann, stellen Zündspulen Hochspannung und damit Zündfunken in sehr kurzen Intervallen automatisch zur Verfügung. Seit über 100 Jahren werden sie deshalb für den Betrieb des Ottomotors verwendet.
Eine Zündspule besteht aus einem laminierten Eisenkern, der von zwei Spulenkörpern aus Kupferdraht umgeben ist. Im Gegensatz zu einem Leistungstransformator verfügt eine Zündspule über einen offenen magnetischen Kreis – der Eisenkern bildet keine geschlossene Schleife um die Wicklungen.
Die Primärwicklung enthält relativ wenige Windungen aus schwerem Draht, die Sekundärwicklung dagegen Tausende Windungen kleinerer Drähte, die durch Lackierung der Drähte und Lagen von geölter Papierisolierung gegen die Hochspannung isoliert sind. Der äußere Spulenkörper besteht normalerweise aus einer Metalldose oder einem Kunststoffgehäuse mit isolierten Klemmen für die Hoch- und Niederspannungsanschlüsse.
Wenn sich der Unterbrecherkontakt schließt, lässt er Strom von der Batterie durch die Primärwicklung der Zündspule fließen. Aufgrund der Induktivität fließt der Strom nicht sofort, er erzeugt zunächst ein Magnetfeld im Kern und in der den Kern umgebenden Luft. Der Strom muss erst lange genug fließen, um genügend Energie für den Funken im Feld zu speichern.
Sobald sich der Strom vollständig aufgebaut hat, öffnet sich der Unterbrecherkontakt. Da er mit einem Kondensator verbunden ist, bilden die Primärwicklung und der Kondensator einen Schwingkreis. Da die gespeicherte Energie zwischen der von der Spule gebildeten Induktivität und dem Kondensator oszilliert, induziert das sich ändernde Magnetfeld im Kern der Spule eine viel größere Spannung in der Sekundärwicklung.
Modernere elektronische Zündanlagen arbeiten nach genau demselben Prinzip, einige laden den Kondensator allerdings auf etwa 400 Volt auf, anstatt die Induktivität der Zündspule zu laden. Der Zeitpunkt des Öffnens der Kontakte beziehungsweise des Schaltens des Transistors muss auf die Position des Kolbens im Zylinder abgestimmt sein. Denn nur dann ist gewährleistet, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet wird, um den größtmöglichen Drehimpuls zu erhalten. Dies ist normalerweise dann der Fall, kurz bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht.
Die Energiemenge im Funken, die für die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch die Zündkerze erforderlich ist, hängt vom Druck und der Zusammensetzung des Gemischs sowie von der Drehzahl des Motors ab. Unter Laborbedingungen wird nur ein Millijoule pro Funken benötigt, in der Praxis müssen Zündanlagen allerdings viel mehr Energie liefern, um höhere Drücke, fette oder magere Gemische, Verluste in der Zündverdrahtung und Verschmutzung der Zündkerze sowie Leckagen zu berücksichtigen. Wenn die Gasgeschwindigkeit in der Funkenstrecke zu hoch ist, wird der Lichtbogen zwischen den Anschlüssen von den Anschlüssen sozusagen weggeblasen, wodurch der Lichtbogen länger wird und bei jedem Funken mehr Energie benötigt.
Ein moderner PKW kann eine Zündspule für jeden Motorzylinder oder jedes Zylinderpaar verwenden, wodurch fehleranfällige Zündkerzenkabel und ein Zündverteiler zur Weiterleitung der Hochspannungsimpulse entfallen. Es werden zudem viel kleinere Zündspulen verwendet. So erzeugt eine große Zündspule eine Spannung von etwa 40 Kilovolt, eine kleine Zündspule, zum Beispiel in einem Rasenmäher, dagegen nur rund 15 Kilovolt.
Wenn ein Zündmodul zwei Zündkerzen bedient, handelt es sich um das Wasted Spark-System. Bei dieser Anordnung erzeugt die Zündspule zwei Funken pro Zyklus zu beiden Zylindern. Der Kraftstoff in dem Zylinder, der sich dem Ende seines Verdichtungstakts nähert, wird gezündet, während der Funke in seinem Partner, der sich dem Ende seines Auspufftakts nähert, keine Wirkung besitzt. Das Wasted-Spark-System ist zuverlässiger als ein Einzelspulensystem mit einem Verteiler und kostengünstiger als ein Coil-on-Plug.
Sind die Zündspulen einzeln pro Zylinder angebracht, können sie alle in einem einzigen geformten Block mit mehreren Hochspannungsanschlüssen enthalten sein. Dies wird üblicherweise als Coil-Pack bezeichnet.