Klopfen (Verbrennungsmotor)

Das Klopfen ist ein Phänomen bei Ottomotoren und beschreibt eine explosionsartige Verbrennung die zu schnell ist für die mechanische Bewegung des Kolben. Regulär benötigt das Betreiben eines Verbrennungsmotores eine Kontrollierte Verbrennung (Deflagration). Detonationsartige Explosivität resultiert in im Brennraum reflektierten Druckwellen die generell zu einer Fragmentierung des Kolbens führen.

Bei zu heissen Brennräumen und durch den weiteren Temperaturanstieg beim Verdichten kann die Luft Kraftstoffmischung explosiv anstelle 'verbrennbar' werden. Um eine kontrollierte Verbrennung zu erreichen versucht man die Grösse der Flüssigkraftstoff-Perlen zu kontrollieren. Während der Verdichtung und Verbrennung kommt es an der Schnittstelle zwischen der Flüssigkeit und dem Gasgemisch zu einer Verdampfung. Zur Optimierung der Kraftstoffausnutzung muss die Verteilung und grösse dieser Kraftstofftröpfchen so sein dass die Verbrennung unmittelbar nach der Zündung sehr schnell erfolgen kann. Dies ermöglicht eine hohe Drehzahl und soll verhindern das unverbrannter Kraftstoff verschwendet wird.

Fals aber die Verdampfung zu vollständig ist und die Mischung molekular Stöchiometrisch und ideal gemischt ist breitet sich die chemische Reaktion der Verbrennung explosionsartig aus. Es ist erforderlich diese unkontrollierten, leistungsmindernden und motorschädigenden Detonationen durch folgende Verfahren zu verhindern:

Anreicherung der Kraftstoffzufuhr zum kühlen des Verbrennungsraumes (Steigert Verbrauch ohne Leistungssteigerung)
wirkungsgradmindernde Begrenzung des Verdichtungsverhältnisses
klopffester Kraftstoff (verbleites Benzin, Superbenzin, Oktanzahl)
Einspritzen von Wasser oder anderen Kühlenden detonationsverhinderern Substanzen (Alkohol, Propan, u.A.)

Eine frühzeitige Zündung (Selbstzündung) des Luft-Kraftstoffgemisches vor der eigentlichen Fremdzündung durch den Zündfunken kann aus folgenden Gründen erfolgen:

hohe Drücke im stark verdichteten Gemisch
hohe Temperaturen der Zylinderinnenwand (bei hohen Motorleistungen)
glühender Abbrand (Rückstände) an den Zylinderwänden
Kraftstoff mit niedriger Oktanzahl (Kennzahl für die Klopffestigkeit)
hohe Temperaturen in den Außenbereichen des Zylinders durch die Strahlungsenergie der bereits entzündeten Flammfront, die jedoch die Außenbereiche noch nicht erreicht hat

Zu den Folgen der Selbstzündung gehört mitunter die Detonation und damit:

das als Klopfen wahrnehmbare Geräusch, das im Zylinderkopf entsteht
entscheidend: extreme Druckspitzen im Zylinder (hochfrequente Druckanstiege) führen zu extremer Materialbelastung von Zylinder, Kolben, Pleuel etc
mehr Hitze

Diese Effekte führen beim normalen Kraftfahrzeug nach kurzer Zeit zu erheblichen Motorschäden und sind zu vermeiden. Sie entstehen wenn Hochleistungsmotoren mit minderwertigem (niedrige Oktanzahl) Kraftstoff betrieben werden. Die Effekte sind meist ungewollt. Anders ist es bei Hochleistungsmotoren die teilweise im klopfenden Bereich betrieben werden, um höhere Leistung durch extreme Drücke zu erreichen. Diese Motoren haben allerdings auch eine entsprechend geringe Lebenszeit.

Zur maximalen Ausnutzung der Klopfgrenze werden in heutigen Motoren Klopfsensoren eingesetzt, die direkt an der Klopfgrenze fahren und den Zündzeitpunkt beeinflussen. Dies ermöglicht die maximalen Drücke im Ottomotor was wiederum zur Verbesserung der Leistung und des Wirkungsgrades führt (siehe auch: Otto-Prozess).

Ähnliche Effekte (Bezeichnung: Nageln) treten auch beim Dieselmotor auf, bei dem die Selbstzündung jedoch das grundlegende Zündungsprinzip darstellt.

Erkennen des Klopfen

Da die Mehrheit der gewöhnlischen Verbrennungsmotorbenutzer es nicht im Gehör hat das Klopfen zu erkennen und um die generelle Bedienerfreundlichkeit des Motores zu erhöhen verwendet man folgende Verfahren um das Klopfen zu erkennen:

'Klopf Sensor' (ein Motor Mikrofon) dessen Signal mit Hilfe von Filtern und einem Digitalen Signalprozessor auf die für das Klopfen typischen Spektralgehalte untersucht wird. Ein oder mehrere dieser Sensoren sollen die Detonation in jeglichem Zylinder erkennen. In manchen Fällen kann dieses akustische Verfahren aufgrund anderer Mechanischer einflüsse (Steinschlag etc.) zu Fehlsignalen führen.
Zylinder Druck Sensor: Mann kann den Druckanstieg der Verdichtung, der Entzündung und gegebenfals die reflektierenden Druckwellen einer Detonation für jeden einzelenen Zylinder erkennen.
Ionen Sensor: Man benutzt die selben Zündkerzen in der Zeit zwischen den Zündungen, um eine Gleichspannung (~400V) anzulegen, und durch die Messung des Stromflusses gleichzeitig Aufschluss über Druck, Temperatur und Chemische Ionen Dichte zu erhalten.

Siehe auch: Otto-Prozess, Formel 1