Klopfen (Verbrennungsmotor)
Regulär benötigt das Betreiben eines Verbrennungsmotors eine kontrollierte Verbrennung (Deflagration). Das Klopfen ist ein Phänomen bei Verbrennungsmotoren und beschreibt eine unkontrollierte Verbrennung oder eine Selbstentzündung des Kraftstoffes. Zu unterscheiden sind Klopfen und Klingeln. Klopfen, von der Geräuschentwicklung einem Hammerschlag gleich, entsteht vorrangig beim Beschleunigen unter Volllast, Motorklingeln, auch Hochgeschwindigkeitsklingeln genannt, ist entsprechend bei konstanter Volllast mit hohen Drehzahlen als leises Schwirren erkennbar. Beides ist schädlich für den Motor.
Problematik des Klopfens
Bei zu heißen Brennräumen und durch den weiteren Temperatur- und Druckanstieg beim Verdichten kann sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch explosionsartig selbst entzünden. Die Gase verbrennen dann unkontrolliert mit hoher Geschwindigkeit. Temperatur und Druck steigen schlagartig an (sehr hoher Druckgradient), und die Druckwellen breiten sich mit Schallgeschwindigkeit im Brennraum aus und treffen auf dessen Wände auf. Die Folgen sind mechanische Belastung der den Brennraum begrenzenden Bauteile und Schall. Durch Reflexion kommt es zu einer hochfrequenten Schwingung im Zylinderdruckverlauf. Durch die klopfende Verbrennung wird der Motor mechanisch und thermisch sehr hoch belastet. Es treten Druckspitzen auf, die Kolben, Lager und Zylinderkopf beschädigen können.
Was begünstigt das Klopfen
Eine frühzeitige Zündung (Selbstzündung) des Luft-Kraftstoffgemisches vor der eigentlichen Fremdzündung durch den Zündfunken kann aus folgenden Gründen erfolgen:
- zu hohe Verdichtung des Gemisches
- hohe Temperaturen der Zylinderinnenwand (bei hohen Motorleistungen)
- glühender Abbrand (Verbrennungs- und Ölrückstände) an den Zylinderwänden
- Kraftstoff mit zu 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
- ungünstige verschachtelte Brennraumform ohne Turbulenz (begünstigt die Entstehung von Wärmenestern) des Luft-Kraftstoffgemisches
- Schmierölpartikel, die aus den Kurbelraumgasen in das Luft-Kraftstoffgemisch gelangen können
Auswirkungen
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 Motoren mit Kraftstoff betrieben werden, der eine zu geringe Oktanzahl aufweist. Die Effekte sind meist ungewollt. Anders ist es bei Hochleistungsmotoren, die teilweise bewusst im klopfenden Bereich betrieben werden, um höhere Leistung durch extreme Drücke zu erreichen. Diese Motoren haben allerdings auch eine entsprechend geringe Lebensdauer.
Zur maximalen Ausnutzung der Verbrennungsenergie bei gleichzeitiger Vermeidung des Klopfens werden in heutigen Motoren Klopfsensoren eingesetzt, die den Zündzeitpunkt beeinflussen und dadurch den Motor direkt an der Klopfgrenze halten. Dies ermöglicht die maximalen Drücke im Ottomotor, was wiederum zur Verbesserung der Leistung und des Wirkungsgrades führt (siehe auch: Otto-Prozess).
Wie man das Klopfen verhindert
Durch folgende Verfahren ist es möglich, diese unkontrollierten und motorschädigenden Selbstentzündungen zu verhindern:
- Späterer Zündzeitpunkt (reduziert Hitzeentwicklung und Ausgangsleistung), bei modernen Motoren durch elektronische Klopfregelung realisiert
- Vermindern der Last, also des effektiven Mitteldrucks
- Erhöhen der Motordrehzahl und infolge eine schnellere Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammfront, so dass diese den Gemischrest vor dessen Selbstzündung erreicht
- Anreicherung der Kraftstoffzufuhr zum Kühlen des Verbrennungsraumes (steigert Verbrauch ohne Leistungssteigerung)
- Wirkungsgradmindernde Begrenzung des Verdichtungsverhältnisses
- Klopffester Kraftstoff (Benzin mit hoher Oktanzahl wie verbleites Benzin oder Superbenzin)
- Einspritzen von kühlenden detonationsverhindernden Substanzen (Wasser, Alkohol, Propan, Methyl-tert-butylether (MTBE), u. a.)
Erkennen des Klopfens
Da die Mehrheit der Verbrennungsmotorbenutzer es nicht "im Gehör" hat, das Klopfen zu erkennen, und um die generelle Bedienerfreundlichkeit des Motors zu erhöhen, verwendet man folgende Verfahren, das Klopfen zu erkennen:
- 'Klopfsensor' (eine seismische Masse), dessen Signal mit Hilfe von Filtern und einem digitalen Signalprozessor auf die für das Klopfen typischen Spektralgehalte untersucht wird. Einer oder mehrere dieser Sensoren sollen die Detonation in jeglichem Zylinder erkennen. In manchen Fällen kann dieses akustische Verfahren aufgrund anderer mechanischer Einflüsse (mechanische Geräusche der Motorkomponenten, z. B. Anlagewechsel der Kolben, Schließen von Ein- und Auslassventilen etc.) zu Fehlsignalen führen.
- Zylinder-Druck-Sensor: Man kann den Druckanstieg der Verdichtung, der Entzündung und gegebenenfalls die reflektierenden Druckwellen einer Detonation für jeden einzelnen Zylinder erkennen.
- Ionen-Sensor: Man benutzt dieselben Zündkerzen in der Zeit zwischen den Zündungen, um eine Gleichspannung (ca. 400V) anzulegen und durch die Messung des Stromflusses gleichzeitig Aufschluss über Druck, Temperatur und Ionen-Dichte zu erhalten. Ein Klopfen zeigt sich an Ionenstromspitzen, die herausgefiltert, gezählt und bei Vorliegen bestimmter Kriterien als Klopfindikatoren bewertet werden.
Dieselmotor
Ähnliche Effekte (Bezeichnung: Nageln) treten auch beim Dieselmotor auf, bei dem die Selbstzündung jedoch das grundlegende Zündungsprinzip darstellt.
Hintergrund kann sein:
- Zündverzug bei der Verbrennung
- Düsenfehler, wenn beispielsweise die Zerstäubung nicht mehr ausreichend ist und statt eines Strahls mit kontinuierlicher Verteilung der Tröpfchengrößen mehr große Tröpfchen entstehen
- Ungünstige Motorparameter (z. B. Kaltlauf, Kraftstoff mit zu niedriger Cetanzahl)
In diesen Fällen brennt das Gemisch aus eingespritzem Diesel und Luft nicht gleichmäßig durch, sondern größere Mengen des eingespritzten Kraftstoffes zünden gleichzeitig, so dass ein plötzlicher steiler Druckanstieg als Geräusch hörbar wird. Dieser Druckanstieg führt auch zu hoher mechanischer Belastung. Die Folgen des Nagelns sind identisch mit denen des Klopfens.
Das sog. Kaltlaufnageln verschwindet bei steigender Temperatur des Motors und ist meist unbedenklich.