Klopfen (Verbrennungsmotor)

Als Klopfen wird eine unkontrollierte Verbrennung oder eine Selbstentzündung des Kraftstoffs bei Ottomotoren bezeichnet. Temperatur und Druck steigen schlagartig an, eine Detonationswelle breitet sich mit Überschallgeschwindigkeit im Brennraum aus und trifft auf dessen Wände. Es treten Druckspitzen auf, die Kolben, Lager, Zylinderkopf, Ventile und Zündkerze beschädigen können. Durch Reflexion kommt es zu einer hochfrequenten Schwingung im Zylinderdruckverlauf, welche hörbar ist.

Zu unterscheiden sind Klopfen und Klingeln. Klopfen, von der Geräuschentwicklung einem Hammerschlag gleich, entsteht vorrangig beim Beschleunigen unter Volllast. Motorklingeln ist ein Geräusch, das auf eine fehlerhafte Zündeinstellung hinweist. Dieser Fehler tritt in zwei Betriebsumständen auf:

1. als Beschleunigungsklingeln, übergangshalber bei kurzandauernden Betriebszuständen und meist deutlich zu hören,
2. als Hochgeschwindigkeitsklingeln, das wesentlich länger andauern kann und nachteiligerweise weit weniger gut zu hören ist. Das Hochgeschwindigkeitsklingeln ist in der Lage, einen Motor stark zu überhitzen und letztlich zu zerstören. Bei zu lang andauerndem Klingeln geht zu viel Wärmeenergie in die bewegten Komponenten des Verbrennungsraumes, die Ventile und den Kolben. Der Kolben kann durchbrennen, oder ein Ventilschaft kann anschmelzen und brechen. Durch den zu hohen Druck können auch die Pleuellager Schaden nehmen.

Hochleistungsmotoren werden teilweise bewusst im klopfenden Bereich betrieben, um höhere Leistung durch extreme Drücke zu erreichen. Diese Motoren haben allerdings auch eine entsprechend geringe Lebensdauer.

Einflussfaktoren

Zwei Flammenfronten als Ursache des Klopfens

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
• 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

Klopfregelung

Zur maximalen Ausnutzung der Verbrennungsenergie bei gleichzeitiger Vermeidung des Klopfens wird in heutigen Motoren eine Klopfregelung eingesetzt. Diese besteht aus einem oder mehreren Klopfsensoren, Signalauswertung, Klopferkennungsalgorithmus und Zündwinkelregelung mit Adaption. Sie ermöglicht den Motorbetrieb nahe der Klopfgrenze und verschiebt den Zündzeitpunkt ggf. in Richtung spät.

Weitere Möglichkeiten zur Verhinderung des Klopfens

• Vermindern der Last, also des effektiven Mitteldrucks, und damit der Ausgangsleistung
• Anreicherung des Gemisches zur Innenkühlung des Brennraums (steigert Verbrauch ohne Leistungssteigerung)
• Verwendung klopffester Kraftstoffe (Benzin mit hoher Oktanzahl wie verbleites Benzin oder Superbenzin, Methanol, Ethanol usw.)
• Einspritzen von kühlenden, detonationsverhindernden Substanzen (Wasser, Ethanol, Propan, Methyl-tert-butylether (MTBE) u. a.)
• Einsatz von zwei (oder mehr) Zündkerzen zur gleichmäßigen Entzündung des Gemisches
• Konstruktion von möglichst kompakten Brennräumen; zerklüftete Brennräume neigen vermehrt zum Klopfen

Alternativen zum Klopfsensor

• Zylinder-Druck-Sensor: Man kann den Druckanstieg der Verdichtung, der Entzündung und gegebenenfalls die reflektierenden Druckwellen einer Detonation für jeden einzelnen Zylinder erkennen. Dieser Sensor erfordert, anders als der Klopfsensor, eine Bohrung im Zylinder.
• 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 eingespritztem Kraftstoff 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 vergleichbar 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 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, Quellen

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