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Warum gerade große Zylinder eine Doppelzündung bekommen
Warum gerade große Zylinder eine Doppelzündung bekommen
692,7 Kubikzentimeter in einem einzigen Zylinder, so steht es in der Anleitung der KTM 690 SMC R. Die Yamaha MT-07 kommt mit 689 auf fast denselben Hubraum, nur verteilt auf zwei Zylinder. Beide Motoren haben zwei Zündkerzen. Bei der Yamaha sitzt in jedem Zylinder eine, bei der KTM sitzen beide im selben.
Das nennt sich Doppelzündung, und mehr Leistung ist nicht ihr Zweck. Als BMW im November 2002 die zweite Kerze für fünf Boxermodelle ankündigte, stand in der Pressemitteilung ausdrücklich, dass die Spitzenwerte für Leistung und Drehmoment gleich bleiben. Worum es stattdessen geht, zeigt ein Blick in den Zylinder. Und warum BMW bei der wassergekühlten R 1200 GS rund zehn Jahre später darauf verzichten konnte, auch.
Vom Funken bis zur Zylinderwand
Wenn die Kerze zündet, brennt nicht auf einen Schlag der ganze Zylinder. Der Funke entzündet das Gemisch an einer Stelle, und von dort breitet sich die Flamme durch den Brennraum aus, so wie ein Ring auf dem Wasser, wenn ein Stein hineinfällt. Fertig ist die Verbrennung erst, wenn die Flamme auch den letzten Winkel erreicht hat.
Wie lange das dauert, hängt unter anderem an der Strecke, und die wächst mit der Bohrung, also dem Durchmesser des Zylinders. Bei einer Kerze in der Mitte hat die Flamme bis zur Wand den halben Durchmesser vor sich. In der MT-07 mit ihren 80 Millimetern Bohrung sind das vier Zentimeter. Bei den 105 Millimetern des Einzylinders wären es gut fünf.
Ein Zentimeter mehr klingt nach wenig, es ist aber fast ein Drittel mehr Weg. Und für die ganze Verbrennung bleibt nur ein Bruchteil einer Kurbelwellenumdrehung. Bei 6.000 Umdrehungen in der Minute dauert eine ganze Umdrehung eine Hundertstelsekunde.
Je länger die Flamme unterwegs ist, desto länger wartet das Gemisch am äußersten Rand auf sie. Es wird in dieser Zeit weiter zusammengedrückt und aufgeheizt, und wenn es zu lange wartet, entzündet es sich irgendwann von selbst. Dann klopft der Motor, und das verträgt er auf Dauer nicht.
Große Zylinder haben also ein Wegproblem.
Mit der Doppelzündung brennt es von zwei Seiten
Eine zweite Kerze macht den Zylinder nicht kleiner, aber den Weg kürzer. Zwei Funken entzünden das Gemisch an zwei Stellen, zwei Flammen laufen los und treffen sich irgendwo dazwischen. Im Bild vom Wasser sind es zwei Steine an verschiedenen Stellen, deren Ringe sich die Fläche teilen, bevor ein einzelner Ring das ganze Becken überquert hätte.
Wie das in der Praxis aussieht, beschreibt die BMW-Pressemitteilung von 2002. Bei diesen Motoren zünden beide Kerzen gleichzeitig. Im Zylinderkopf musste ein zweites Kerzenloch her, und die Zündanlage bekam mehr Leistung, weil sie jetzt zwei Funken liefern muss. Äußerlich erkennst du diese Motoren an der Abdeckung über dem Kerzenschacht, auf der „2-spark“ steht.
Viel Aufwand floss in die Frage, wo die zweite Kerze sitzen soll. Ermittelt wurde die Lage nach Herstellerangaben in umfangreichen Versuchen und mit einer Simulation der Verbrennung, am Ende landete sie unten im Brennraum. Zwei Kerzen allein reichen nicht, es kommt darauf an, wo sie sitzen.
Die Idee selbst ist alt. Die ersten Doppelzündungen dienten vor allem der Betriebssicherheit: Fiel eine Kerze aus, zündete die andere. Die gleichmäßigere und vollständigere Verbrennung kam als Argument erst später dazu. Im Flugzeug steht die Sicherheit bis heute an erster Stelle.
Mehr Leistung stand nicht auf der Liste
Rollst du im großen Gang mit fünfzig durch einen Ort, ist das Gas kaum offen. Der Zylinder ist dann nur zum Teil gefüllt, und im Gemisch steckt noch Restgas vom letzten Takt. So verdünnt brennt es langsamer, und in einem großen Zylinder fällt der lange Weg der Flamme jetzt doppelt ins Gewicht. Wie rund der Motor dabei zieht, heißt Laufkultur.
Um diese Laufkultur ging es BMW 2002, und um die Abgase. Gleich im ersten Satz der Pressemitteilung steht als Ziel ein besseres Abgasverhalten, dazu nennt sie eine stabilere und gleichmäßigere Verbrennung in allen Betriebsbereichen. Und dann der Satz, der beides verbindet: Zwischen möglichst sauberen Abgasen und guter Laufkultur gebe es einen Zielkonflikt, und der sei bei Motoren mit großen Einzelhubräumen besonders ausgeprägt.
Beides zugleich sollte die zweite Kerze möglich machen, bei gleicher Spitzenleistung. Einen höheren Wirkungsgrad nannte BMW nur als Nebeneffekt.
Wie wenig die zweite Kerze mit Spitzenleistung zu tun hat, zeigt die luftgekühlte R 1200 GS von 2004. Bei ihr kann die Motorelektronik laut ihrer Pressemappe die Zündzeitpunkte beider Kerzen je nach Last und Drehzahl gegeneinander verschieben. Zur Volllast hin bringe die doppelte Zündung keine Vorteile mehr, heißt es dort. Deshalb zündet die zweite Kerze unter Volllast erst, wenn der Kolben schon wieder abwärts läuft, 60 Grad nach dem oberen Totpunkt. Faktisch arbeitet der Motor dann mit einer Kerze pro Zylinder.
Harley-Davidson argumentierte 2016 beim Milwaukee-Eight-Motor ähnlich wie BMW 2002. Zwei Kerzen pro Zylinder tragen laut Hersteller zu einer effizienteren Verbrennung bei, und das in Zylindern, die beim 107er rund 100 Millimeter Bohrung haben. Dazu bekam jeder Zylinder einen eigenen Klopfsensor, damit die Elektronik den Zündzeitpunkt genauer steuern kann. Die zweite Kerze verkürzt den Weg der Flamme, auf das Klopfen aufpassen muss die Elektronik trotzdem.
Bei der wassergekühlten R 1200 GS reichte wieder eine Kerze
Wer daraus schließt, dass zwei Kerzen einfach besser sind als eine, bekommt ausgerechnet von BMW Widerspruch. Zur wassergekühlten R 1200 GS, vorgestellt im Herbst 2012, heißt es in der Pressemappe, ein Turbulenzsystem mit zusätzlicher Luft über einen Bypass sorge für eine optimale Verbrennung. Das ermögliche den Verzicht auf eine aufwendige Doppelzündung.
Bohrung und Hub blieben dabei bei 101 zu 73 Millimetern, genau wie bei der luftgekühlten R 1200 GS davor, und die hatte zwei Kerzen pro Zylinder. Statt einer zweiten Flamme bekam das Gemisch mehr Bewegung. Wirbelt es kräftig durch den Brennraum, trägt es die Flamme schneller in alle Ecken, und der lange Weg verliert seinen Schrecken.
Die Doppelzündung ist also kein Gütesiegel, das ein guter Motor haben muss. Sie ist eine von mehreren Antworten auf dieselbe Frage: Wie brennt ein großer Zylinder schnell und gleichmäßig durch?
Ob ein Motor zwei Kerzen bekommt, entscheidet auch nicht die Kühlung. Die KTM 690 ist flüssigkeitsgekühlt und hat zwei Kerzen im Zylinder, der wassergekühlte Boxer kam mit einer aus. Harley stellte den Milwaukee-Eight mit öl- und mit flüssigkeitsgekühlten Zylinderköpfen vor, die Doppelzündung hatte er in beiden Fällen.
Beim Kerzenwechsel kommen alle heraus
Am deutlichsten spürst du die Doppelzündung beim Service. Ein Zweizylinder mit zwei Kerzen pro Zylinder braucht vier Stück, die 690 zwei, und an jede musst du herankommen. Mit den Kerzen verdoppeln sich auch die Stecker, die mit den Jahren altern.
Dazu kommt, dass die beiden nicht gleich sein müssen. Für die 690 SMC R nennt KTM eine NGK LKAR9BI-10 für innen und eine NGK LMAR7DI-10 für außen, beide mit 1,0 Millimeter Elektrodenabstand. Zwei Stellen im Brennraum, zwei verschiedene Kerzen. Wer beim Nachkaufen nur eine Bezeichnung notiert hat, hält beim Wechsel die falsche Hälfte in der Hand.
Ob deine Maschine überhaupt eine Doppelzündung hat, siehst du ihr nicht unbedingt an. Bei der R 1100 S und den 1150ern verrät es der Schriftzug „2-spark“. Die zweite Kerze selbst hat BMW nach eigenen Angaben so gesetzt, dass Stecker und Zündleitung optisch unauffällig bleiben. Auch zwei Kerzenbezeichnungen in der Anleitung beweisen noch nichts. Honda nennt für die CB650R zwei Kerzen verschiedener Hersteller zur Wahl, und die hat trotzdem nur eine pro Zylinder.
Eindeutig wird es, wenn die Anleitung wie bei der 690 zwei Einbaustellen nennt. Das Wechselintervall steht im Wartungsplan. Beachte immer die Freigaben und Angaben in deinem Fahrzeughandbuch.
Gewechselt werden alle zusammen, auch wenn eine beim Herausdrehen noch gut aussieht. Mit den Kilometern wächst der Abstand zwischen den Elektroden, die Kerze braucht mehr Spannung und zündet unzuverlässiger. Eine verbrauchte neben einer frischen nimmt der Doppelzündung genau das Gleichmaß, für das sie eingebaut wurde.
Schau dir beim Wechsel ruhig beide an, aber vergleiche sie nicht einfach miteinander. Zwei Kerzen an zwei Stellen arbeiten unter verschiedenen Bedingungen, bei der 690 sogar als zwei verschiedene Typen. Dass sie unterschiedlich aussehen, ist dann erst einmal kein Befund.
Der Ausfall, den du kaum merkst
Mit einer Kerze pro Zylinder hörst du einen Ausfall sofort. Zündet sie nicht mehr, fällt der ganze Zylinder aus. Ein Einzylinder geht ganz aus, ein Mehrzylinder stottert, läuft unrund und zieht spürbar schlechter. Weiterfahren solltest du so nicht, denn aus dem toten Zylinder landet unverbrannter Kraftstoff im Katalysator und kann ihn überhitzen. Bei Verbrennungsaussetzern verlangen die Anleitungen etwa der R 1250 GS und der CB650R, den Motor abzustellen, also an der nächsten sicheren Stelle anzuhalten.
Mit zwei Kerzen ist das anders. Fällt eine aus, zündet die andere weiter, und der Zylinder läuft mit einer Flamme statt mit zweien.
Dasselbe gilt für einen rissigen Kerzenstecker, der den Funken nach außen verliert: Seine Kerze fällt aus, die andere zündet weiter.
Ob du das merkst, hängt an der Maschine, an der Kerze, die ausfällt, und an deinem Gespür. Vielleicht läuft der Motor bei wenig Gas eine Spur rauer, vielleicht merkst du gar nichts. Eine tote Kerze kann bei einer Doppelzündung deshalb bis zum nächsten Kerzenwechsel unentdeckt bleiben.
Was ein Pilot vor jedem Start prüft
In Flugzeugen mit Kolbenmotor gibt es die Doppelzündung seit über hundert Jahren, heute ist sie dort Standard. Jeder Zylinder hat zwei Kerzen, und die hängen an zwei voneinander unabhängigen Zündanlagen. Fällt eine aus, läuft der Motor mit der anderen weiter. BMW verwies 2002 übrigens selbst auf seine lange Tradition bei Flugmotoren.
Vor dem Start prüft der Pilot, ob beide Zündanlagen arbeiten. Er bringt den Motor bei gehaltenen Bremsen auf eine festgelegte Drehzahl und schaltet erst die eine Zündung ab, dann die andere. Jedes Mal fällt die Drehzahl ein kleines Stück ab. Bleibt der Abfall aus, stimmt mit der abgeschalteten Zündung etwas nicht. Ist er groß oder auf beiden Seiten verschieden, stimmt etwas mit den Kerzen oder der Zündung nicht.
Der kleine Abfall ist dabei die Physik aus dem ersten Abschnitt. Mit nur einer Kerze pro Zylinder brennen die großen Zylinder eines Flugmotors langsamer und schlechter durch, und der Motor verliert ein paar Umdrehungen. Er läuft, nur nicht ganz so gut.
Am Motorrad lässt sich das nicht nachstellen. Einen Schalter für eine Hälfte der Zündung gibt es dort nicht, und anders als im Flugzeug versorgt dieselbe Elektrik beide Kerzen. Die Doppelzündung ist hier für die Verbrennung da, nicht als Reserve.
Ein Pilot schaut vor jedem Start zweimal auf den Drehzahlmesser, bevor er seinem Motor vertraut. Diesen Blick bekommst du nicht. Bei dir übernimmt ihn der Tag im Wartungsplan, an dem alle Kerzen herauskommen, auch die, die seit Monaten nur noch mitfährt.
❓ Häufige Fragen zur Doppelzündung
Wozu hat ein Zylinder zwei Zündkerzen?
Damit das Gemisch an zwei Stellen entzündet wird. Die Flamme hat so kürzere Wege, und die Verbrennung läuft schneller und gleichmäßiger ab. Diese Doppelzündung findest du vor allem bei Motoren mit großem Hubraum pro Zylinder, etwa bei der KTM 690 SMC R, bei Harleys Milwaukee-Eight oder bei den BMW-Boxern, die ab Ende 2002 umgestellt wurden.
Bringt eine Doppelzündung mehr Leistung?
Das ist nicht ihr Zweck. Als BMW die Doppelzündung für fünf Boxermodelle ankündigte, hieß es ausdrücklich, die Spitzenwerte für Leistung und Drehmoment blieben gleich. Ziel waren ein besseres Abgasverhalten und eine stabilere, gleichmäßigere Verbrennung, gerade bei großen Zylindern.
Werden bei Doppelzündung alle Zündkerzen zusammen gewechselt?
Ja, auch wenn eine davon noch gut aussieht. Eine verbrauchte Kerze braucht mehr Spannung und zündet unzuverlässiger als eine frische, und dann fehlt das Gleichmaß, für das die Doppelzündung eingebaut ist. Typen und Intervall stehen in deiner Bedienungsanleitung.
Sind beide Zündkerzen im Zylinder gleich?
Nicht unbedingt. KTM schreibt für die 690 SMC R zwei verschiedene Typen vor, eine NGK LKAR9BI-10 für innen und eine NGK LMAR7DI-10 für außen. Welche Kerzen deine Maschine braucht, steht in den technischen Daten der Anleitung.
Merke ich es, wenn eine von zwei Kerzen ausfällt?
Nicht unbedingt. Die andere Kerze zündet weiter, der Zylinder läuft also. Je nach Maschine und je nachdem, welche Kerze ausfällt, zeigt sich das als etwas rauerer Lauf bei wenig Gas oder fällt gar nicht auf. Eine tote Kerze kann so bis zum nächsten Wechsel unentdeckt bleiben.
Warum hat die wassergekühlte R 1200 GS keine Doppelzündung?
Laut BMW sorgt dort ein Turbulenzsystem, das über einen Bypass zusätzlich Luft einleitet, für eine optimale Verbrennung. Das ermögliche den Verzicht auf eine aufwendige Doppelzündung. Bohrung und Hub blieben mit 101 zu 73 Millimetern dieselben wie bei der luftgekühlten R 1200 GS davor, die noch zwei Kerzen pro Zylinder hatte.
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