Klopfen (Verbrennungsmotor)

Das Klopfen ist bei Verbrennungsmotoren eine unkontrollierte Verbrennung oder eine Selbstentzündung des Kraftstoffes. Regulär benötigt das Betreiben eines Verbrennungsmotors eine kontrollierte Verbrennung (Deflagration).

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 kann sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch explosionsartig selbst entzünden. Dies ist wahrscheinlicher, wenn Kraftstoffe mit geringer Oktanzahl verwendet werden. 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 Schall und mechanische Belastung der den Brennraum begrenzenden Bauteile. 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, Zylinderkopf, Ventile und Zündkerze beschädigen können.

Ursachen

Zwei Flammenfronten als Ursache des Klopfen

Eine unkontrollierte Selbstzündung des Luft-Kraftstoffgemisches neben der eigentlichen Flammfront, die durch den Zündfunken ausgelöst wird, kann aus folgenden Gründen erfolgen:

zu hohe Verdichtung des Gemisches
hohe Temperaturen der Zylinderinnenwand (bei hohen Motorleistungen)
glühender Abbrand (Verbrennungs- und Ölrückstände) an den Brennraumwänden
falscher, zu früher Zündzeitpunkt (ältere, einstellbare Zündsysteme)
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

In jedem Fall kommt es neben der kontrolliert abbrennenden Flammfront zu einer weiteren, explosionsartigen Verbrennung (siehe Bild).

Abgrenzung Klopfen/Selbstentzündung bzw. Vorentflammung/Superklopfen

Eine klopfende Verbrennung, wie in der Animation zu sehen, entwickelt sich während der regulären Verbrennung des Kraftstoff-Luft Gemisches.

Selbstentzündungen, also irreguläre Verbrennungen werden nicht durch den Zündfunken der Zündkerze eingeleitet, sondern vorzeitig durch andere Zündquellen wie z. B. Kohlepartikel (Ablagerungen im Brennraum) und/oder Öl (aus der Kurbelgehäuseentlüftung wie bei 4-Takt Motoren üblich). Die Auswirkungen einer Vorentflammung entsprechen üblicherweise der klopfenden Verbrennung.

Superklopfen betrifft speziell hoch aufgeladene 4-Takt Ottomotore (> 75 kW/l). Hier treten kurzzeitige Zylinderdruckspitzen > 250 bar (25 MPa) auf.

In Extremfällen kann bei einer sehr frühzeitigen Vorentflammung die Verbrennung schon vor dem Erreichen des oberen Totpunktes nahezu abgeschlossen sein, ohne hierbei zu klopfen. Dies hat fatale Auswirkungen: Motorschaden binnen weniger Sekunden.

Daher sind Zündungseingriffe bei irregulären Verbrennungen/Superklopfern wirkungslos. Zum Schutz des Motors wird am betroffenen Zylinder für einige Arbeitsspiele von der Motorsteuerung die Einspritzung abgeschaltet. Dieser Vorgang kann im Fahrbetrieb als kurzzeitiges Rucken wahrgenommen werden.

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

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).

Verhinderung des Klopfens

Durch folgende Verfahren ist es möglich, diese unkontrollierten und motorschädigenden Selbstentzündungen zu verhindern:

Verschiebung des Zündzeitpunktes in Richtung spät; verschiebt die Hitzeentwicklung in den Expansionstakt, Ausgangsleistung reduziert sich; 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, Ethanol, Propan, Methyl-tert-butylether (MTBE), u. a.)
Unterteilung des Brennraumes durch zwei Zündkerzen

Erkennen des Klopfens

Um Motorschaden vorzubeugen, sind viele Automotoren mit Sensoren ausgestattet, die in der Lage sind, das Klopfen zu erkennen. Es gibt unterschiedliche Prinzipien, nach denen diese Sensoren arbeiten:

'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.
Ionensensor: Zwischen den Zündungen wird an den Zündkerzen eine Gleichspannung von etwa 400 Volt angelegt. Die Messung des Stromflusses gibt gleichzeitig Aufschluss über Druck, Temperatur und Ionen-Dichte. 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.

Literatur

Jan Trommelmans: Das Auto und seine Technik. 1. Auflage, Motorbuchverlag, Stuttgart, 1992, ISBN 3-613-01288-X
Peter A. Wellers, Hermann Strobel, Erich Auch-Schwelk: Fachkunde Fahrzeugtechnik. 5. Auflage, Holland+Josenhans Verlag, Stuttgart, 1997, ISBN 3-7782-3520-6
Kurt-Jürgen Berger, Michael Braunheim, Eckhard Brennecke: Technologie Kraftfahrzeugtechnik. 1. Auflage, Verlag Gehlen, Bad Homburg vor der Höhe, 2000, ISBN 3-441-92250-6
Peter Gerigk, Detlev Bruhn, Dietmar Danner: Kraftfahrzeugtechnik. 3. Auflage, Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 2000, ISBN 3-14-221500-X

Siehe auch

Entwicklung der Ottokraftstoffe

Weblinks

RWTH Aachen: Abschlussbericht des Sonderforschungsbereichs 224 Motorische Verbrennung Kapitel 3: Ottomotoren, 4. Abschnitt: Klopfen, 28. November 2000, abgerufen am 11. August 2010