Wie der Motor Feuer fing: Die vergessene Geschichte von Zündkerze und Magnetzünder

Das Zündsystem ist das Teilsystem, das dafür zuständig ist, das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder des Verbrennungsmotors nach dem Abschließen der Verdichtung zu entzünden; ohne diese Vorrichtung, die an der Zündkerze einen kontrollierten Funken erzeugt, kann der Viertaktzyklus nicht vollendet werden. Die über 150 Jahre umfassende Linie, die von Étienne Lenoirs Motor von 1860 bis zu den heutigen Coil-on-Plug-Systemen reicht, ist im Grunde die Lösungsgeschichte eines einzigen Problems: die Erzeugung eines Funkens zur richtigen Zeit, mit ausreichender Spannung und auf zuverlässige Weise.

Der Motor, der mit dem Funkenproblem geboren wurde: Die ersten Zündkerzen und Lenoir

Das erste Beispiel des Verbrennungshubkolbenmotors brachte das Zündproblem gleich mit zur Welt. 1860 verwendete Étienne Lenoir in seinem nach ihm benannten Gasmotor eine elektrische Zündkerze, und die Erfindung der Zündkerze wird ihm allgemein zugeschrieben. Das System ähnelte prinzipiell verblüffend stark dem heutigen: Hochspannungselektrizität übersprang den Luftspalt zwischen den Elektroden der Zündkerze und erzeugte so den Funken. Das Konzept der Zündkerze, also der Fremdzündung (Spark Ignition), hat sich nie geändert; das grundlegende Funktionsprinzip ist seit über 150 Jahren dasselbe.

Auf dem Weg zur kommerziellen Reife der Zündkerze sticht ein zweiter Name hervor: Frederick Richard Simms. Simms war Inhaber des Patents GB 24859/1898 für eine Magnetzündung für Verbrennungsmotoren und gilt als der Erfinder der ersten kommerziell praktikablen Hochspannungszündkerze. Dass er im selben Jahr die Zusammenarbeit mit Bosch begann, war kein Zufall; damit die Zündkerze funktionierte, war eine zuverlässige Hochspannungsquelle erforderlich, und diese Quelle sollte der Magnet sein.

Die Zuschreibung der Erfindung der Zündkerze ist bis heute umstritten. Obwohl Lenoir der allgemein anerkannte Name ist, gibt es auch Aufzeichnungen, wonach die elektrische Zündkerze von Oliver Lodge erfunden wurde; auch der Name Edmond Berger wird genannt. Die Ursprünge der Kondensatorzündung (CDI) reichen bis in die 1890er Jahre zurück, zu den Arbeiten von Nikola Tesla. Wie in den meisten Bereichen der Technikgeschichte ist es auch hier zutreffender, nicht von einem einzigen Namen zu sprechen, sondern von mehreren sich gegenseitig befruchtenden Beiträgen.

Die Magnete-Ära: Funken ohne Batterie und Boschs Aufstieg

In den ersten Jahren des Automobils gab es kaum das, was wir heute unter einer elektrischen Anlage verstehen; das Mitführen einer Batterie war schwer, teuer und unzuverlässig. Der Magnet füllte diese Lücke: Da er durch seine eigene Rotation Strom erzeugte, lieferte er den Zündfunken ohne Batterie. Robert Bosch stellte 1887 das erste Magnetzündgerät für Stationärmotoren her; 1897 wurde die Magnetzündung in Fahrzeugen erprobt und die Serienfertigung begann 1898. Von diesem Zeitpunkt an wurde Bosch faktisch zum einzigen zuverlässigen Hersteller, der Magnetzündungen für Automobile lieferte.

Der entscheidende Sprung kam Ende 1901. Boschs technischer Direktor Gottlob Honold entwickelte in den Stuttgarter Werken die weltweit erste Hochspannungsmagnetzündung samt zugehöriger Zündkerze. Dieses Duo beseitigte den Batteriebedarf des Automobils und machte Zündkerzen wahrhaftig praktikabel. Etwa 1902 führte Bosch eine Doppelspulen-Magnetzündung mit fester Zündkerze und externem Unterbrecher ein. In den Jahren vor 1914 war die Bosch-Magnetzündung auf dem Markt tonangebend; auch die wissenschaftlichen Publikationen jener Zeit behandelten die Abwägung zwischen Magnetzündung und Spulenzündung ausführlich.

Die Hochspannungsmagnetzündung wird als Kombination aus Magneto und Transformator definiert, die Hochspannungsimpulse an die Zündkerze sendet. Heute wird sie hauptsächlich noch in batterielosen Motoren - Rasenmähern, Motorsägen - und modernen Kolbenflugzeugen verwendet. Dass eine Technologie aus dem Automobil ausscheidet und in der Luftfahrt zum Standard bleibt, ist ein guter Hinweis darauf, auf wie solidem Fundament sie errichtet wurde.

Trembler-Spulen: Model T und Benzs gewählter Weg

Die Magnetzündung war nicht der einzige Weg. Der Benz Patent-Motorwagen von 1886 und der Ford Model T von 1908 verwendeten ein System namens Trembler-Spule. Bei dieser Anordnung wurde die Spule durch einen Unterbrechermechanismus mit unterbrochenem Strom versorgt und erzeugte einen zitternden, abgehackten Funken. Beim Model T hatte jeder der vier Zylinder eine eigene Trembler-Spule; eine einfache, leicht zu reparierende Lösung, die mit einer Batterie funktionieren konnte. Blickt man auf die Fahrzeuge jener Zeit, erkennt man zwei Hauptströmungen: das Lager der batterielosen Magnetzündung und das Lager der Trembler-Spule. Die Antwort auf die Frage, welche davon gewann, klärte sich mit der Entwicklung im nächsten Abschnitt.

Das Kettering-System: Warum reichte der Verteilung ein halbes Jahrhundert?

Charles F. Kettering entwickelte um 1910 das Batterie-Spulen-Zündsystem - die als Delco-System bekannte Anordnung. Das System bestand aus vier Hauptkomponenten: Zündspule, Kontakt Punkten (Breaker Points), Kondensator und Verteiler. Eine einzelne Spule hob die Niederspannung auf Hochspannung an, und die Spannung wurde über den Rotorarm im Verteiler zur richtigen Zündkerze geleitet. Das System wurde erstmals 1912 in Cadillac-Automobilen eingeführt; wenn die Quellen das Entwicklungsjahr unterschiedlich als 1910, 1911 oder 1912 angeben, so ist der Cadillac-Einstieg 1912 die konsistenteste Chronologie und markiert auch die erste Verwendung von verteilerbasierten Systemen im Jahr 1912.

Der Grund für den Sieg des Kettering-Systems war nicht technische Eleganz, sondern Billigkeit und relative Einfachheit. Diese beiden Eigenschaften machten es über Jahre hinweg zum primären Zündsystem der Automobilindustrie. Beginnend mit dem Cadillac Model Thirty von 1912 blieben kontaktgesteuerte Verteileranlagen bis Mitte der 1970er Jahre das primäre System in den meisten Automobilen.

Die Grenze des Systems war von Anfang an klar. Der mechanische Aufbau konnte in der Zündkerze etwa 10.000 Volt erzeugen; bei wechselnden Last- und Drehzahlbedingungen war die Flexibilität begrenzt. Die Kontaktpunkte waren mechanischem Verschleiß, Oxidation und Verbrennung durch den an den Kontaktflächen entstehenden Funken ausgesetzt; sie erforderten regelmäßige Einstellung und konnten zu ineffizienten Funken führen. Das System funktionierte also, aber aus ingenieurstechnischer Sicht war seine Obergrenze niedrig - und genau diese Obergrenze öffnete die Tür zur elektronischen Zündung.

Von den Kontaktpunkten zu den Transistoren: Der Übergang zur elektronischen Zündung

Der Übergang begann früher, als man denkt. Der erste Versuch einer elektronischen Zündung wurde 1948 von Delco-Remy als Aufbau mit Kaltpunkt-Typ getestet. Lucas führte 1955 die transistorbasierte Zündung ein, und dieses System wurde 1962 in den Formel-1-Motoren von BRM und Coventry Climax eingesetzt - die neue Technologie sickerte wie üblich zuerst von der Rennstrecke her ein. Der Weg zur Serienproduktion verlief wie folgt:

• 1963: Pontiac wurde der erste Automobilhersteller, der eine optionale elektronische Zündung (Delcotronic) anbot; im selben Jahr stellte Hyland Electronics die erste kommerzielle vollständig halbleiterbasierte SCR-Kondensatorentladungszündung her.
• 1964-65: Ford führte Flottentests durch und begann, in einigen Modellen eine optionale elektronische Zündung anzubieten; im Aftermarket-Bereich kamen Prest-O-Lite CD-65 (mit 50.000 Meilen Garantie) und Delta Mark 10 auf den Markt.
• 1967-68: Motorola stellte das breakerlose CD-System vor; der Fiat Dino wurde das erste Serienfahrzeug, das ab Werk mit elektronischer Zündung kam.
• 1971-75: Dem Jaguar XJ Series 1 folgten die Modelle von Chrysler, Ford und GM; GMs HEI-System wurde Ende 1974 in einigen Fahrzeugen eingeführt.

Als Mitte der 1970er Jahre die Kontaktpunkte durch Transistoren ersetzt wurden, stieg die Zündspannung auf etwa 20 kV - eine Verdoppelung der 10.000-Volt-Obergrenze des Kettering-Systems. Der Verteiler selbst lebte noch eine Weile weiter; er behielt seine Verteilungsaufgabe, aber die Zündzeitpunktbestimmung übernahmen nun keine mechanischen Gewichte mehr, sondern elektronische Gehirne. In den 1980er und 1990er Jahren wurden Verteiler weitgehend durch elektronische Zündsysteme ersetzt; der computergesteuerte Aufbau bot präziseres Timing und deutlich weniger Wartung.

Die Rente des Verteilers: Coil-on-Plug und Direktzündung

Die Auflösung der Verteilungslogik begann Mitte der 1980er Jahre. GM begann, den Verteiler und die Einzelzündspule abzuschaffen und auf Zündspulenpakete umzusteigen, von denen jedes nur zwei Zylinder versorgte; bei diesem Aufbau konnte die Spannung auf bis zu 100.000 Volt ansteigen. Die Anordnung, bei der zwei Zylinder von einer einzigen Zündspule verwaltet werden und einer als verloren gehender Funke (wasted spark) bekannt ist, wurde zu einer der ersten praktischen Formen der zündverteilungslosen Zündung. Nissans System mit dem Namen NDIS (Nissan Direct Ignition System) war erstmals 1985 in den RB20DET NICS- und CA18DE NICS-Motoren zu sehen.

Ab den 1990er Jahren verbreiteten sich Coil-on-Plug-Aufbauten: auf jeder Zündkerze sitzt direkt eine Zündspule, und Hochspannungskabel sowie Verteilerläufer verschwinden vollständig. DENSO legte mit der Entwicklung der ersten kompakten Stick-Zündspule der Automobilbranche im Jahr 1996 das Fundament für die heutige Zylinderkopf-Landschaft. Im modernen Motor steuert das Motorsteuergerät (ECU) diverse Motorfunktionen wie Zündung und Kraftstoffeinspritzung über ein einziges Gerät - eine Architektur, die das genaue Gegenteil der getrennten Systeme früherer Epochen darstellt. Die Zündung ist heute kein eigenständiges Untersystem mehr, sondern ein Teilbereich des Motormanagements.

Wo steht das Zündsystem heute? Grenzen und Diskussionen

So sehr die Identität des Erfinders der Zündkerze, ist auch die Kontroverse zwischen Kontakt- und Elektronikzündung in der Welt der klassischen Fahrzeuge lebendig geblieben. Die technische Seite ist eindeutig: Kontaktpunkte verschleißen, müssen eingestellt werden und können einen ineffizienten Funken erzeugen. Demgegenüber ist unter Oldtimer-Besitzern die Ansicht verbreitet, dass eine normale Elektronikzündung über gut gewartete Kontaktpunkte hinaus keinen Nutzen bringe, und es gibt Fälle, in denen dies in der Praxis berechtigt ist; auch richtig ist, dass die Reparaturkosten elektronischer Bauteile höher ausfallen können. Wie schon die Diskrepanz zwischen Quellen zum Entwicklungsjahr des Kettering-Systems entsteht auch hier die Meinungsverschiedenheit weniger aus der Messdefinition als aus dem Verwendungskontext: Alltagsnutzung und Originaltreue auf Concours-Niveau sind unterschiedliche Anforderungen.

Auf der Zukunftsseite sagten Bewertungen aus dem Jahr 2013 voraus, dass Funkenzündung und Kompressionszündung noch eine Weile dominieren würden. HCCI-Motoren (homogene Kompressionszündung) können mit Benzin betrieben werden und je nach Fahrbedingungen zwischen zwei Zündmodi wechseln, wodurch sich die Effizienz auf Diesel-Niveau annähern lässt; doch das ist auch heute noch weitgehend ein theoretisches Rahmenkonzept. Auf dem Oldtimer-Markt bieten dagegen mikoprozessorbasierte moderne Verteiler mit Bluetooth wie 123ignition zeitgemäße Zuverlässigkeit und bewahren dabei das Kettering-Erscheinungsbild - die Ästhetik der Vergangenheit wurde mit der Elektronik von heute versöhnt.

Fazit: Derselbe Funke, sich wandelnde Architekturen

Die 160-jährige Kurve der Zündtechnik lässt sich in drei Zahlen zusammenfassen: Die 10.000 Volt der Kettering-Anordnungen, die 20.000 Volt des elektronischen Übergangs und die 100.000 Volt des Coil-on-plug. Das Ziel hat sich nie geändert; geändert hat sich die Architektur, die den Funken erzeugt und timt, die sich vom Mechanischen zum Digitalen entwickelt hat. Der Weg vom Magnetzünder zum Verteiler und vom Verteiler zur Spule pro Zündkerze ist das maßstabsgetreue Abbild der allgemeinen Geschichte des Automobilingenieurwesens: weniger verschleißende Teile, mehr Kontrolle, höhere Spannung.

Quellen

• Zündsystem
• Zündkerze
• Zündmagnet
• 1886-1905: Von der ersten Werkstatt zur Fabrik
• Bosch Automotive – Eine Produktgeschichte
• Wie Boschs Magnetzündgerät die Zündkerze möglich machte
• Die Entwicklung der Zündung
• DENSO beleuchtet die Entwicklung der Zündspule
• Von den Kontakten zur Präzision: Ein Jahrhundert Zündsysteme
• Elektronische Zündung
• Magnetzündung oder Spulenzündung für Kraftfahrzeuge
• Frederick Richard Simms
• Étienne Lenoir
• Elektronische Zündverteiler verstehen
• Kontakte vs. Elektronik in älteren Autos