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. Zu unterscheiden sind Klopfen und Klingeln. Klopfen, von der Geräuschentwicklung einem Hammerschlag gleich, entsteht vorrangig bei niedriger Drehzahl, Klingeln, oder auch Hochgeschwindigkeitsklingel genannt, entsprechend bei hohen Drehzahlen als leises schwirren erkennbar. Klingeln entsteht im Gegensatz zum Klopfen nach erfolgter Fremdzündung (z.B. durch die Zündkerze) durch Selbstzündung des Benzin-Luftgemisches in der vor der Flammfront laufenden Druckwelle.
Problematik des Klopfens
Bei zu heißen Brennräumen und durch den weiteren Temperaturanstieg beim Verdichten kann die Luft-Kraftstoff-Mischung explodieren anstatt kontinuierlich zu verbrennen. 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, dass unverbrannter Kraftstoff verschwendet wird.
Falls aber die Verdampfung zu vollständig ist und die Mischung molekular stöchiometrisch und ideal gemischt ist, breitet sich die chemische Reaktion der Verbrennung explosionsartig aus.
Wie man das Klopfen verhindert
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)
- Späterer Zündzeitpunkt (reduziert Hitzeentwickelung und Ausgangsleistung)
- 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.)
Was begünstigt das Klopfen
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
- ungünstige verschachtelte Brennraumform ohne Turbulenz
- Motoröl (sehr geringe Oktanzahl) im Brennraum durch Verschleiß z.B. der Kolbenringe
Auswirkungen des Klopfens
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. Hintergrund ist ein Zündverzug der Verbrennungen. Die gewollte kontinuierliche Verbrennung der Dieseltropfen in der heißen Luft verzögert sich durch ungünstige Motorparameter (Z.B. Kaltlauf)und es kommt dann zu explosionsartiger Verbrennung größerer Mengen von Kraftstoff mit einhergehender hoher mechanischer Belastung.
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, um 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 (~400V) anzulegen, und durch die Messung des Stromflusses gleichzeitig Aufschluss über Druck, Temperatur und Ionen-Dichte zu erhalten.