Motorentechnik

Verbrennung und Zündung

Die Verbrennung ist ein höchst komplexer Vorgang, der durch viele Faktoren (Temperatur, Gemischzusammensetzung, Kraftstoffzusammensetzung etc.) beeinflusst wird. Grundsätzlich handelt es sich um eine sehr schnelle Oxidation der Kohlenstoff- und Wasserstoffatome des Kraftstoffs. Wer Oxidation sagt, weiß dass dazu Sauerstoff erforderlich ist. Dieser wird aus dem 21-%-igen Anteil der Luft bezogen. Die H-C Verbindungen werden mittels des O2 zu 99 % zu CO2 und H2O umgewandelt.

Daneben bleiben ca. 1 % andere chemische Verbindungen übrig: die Schadstoffe.

Limitierte Schadstoffe:

NOx: Die hohe Reaktionstemperatur von bis zu 2000°C führt auch noch zu chemischen Reaktionen mit dem Stickstoff N2 der Luft. Die Stickoxide NOx nehmen mit steigender Verbrennungstemperatur zu.

CO: Kohlenmonoxid entsteht hauptsächlich als Folge von Sauerstoffmangel (fettes Gemisch) oder infolge zu geringer Reaktionswärme (zu kalte Flamme).

HC: un- bzw. teilverbrannte Kohlenwasserstoffkombinationen sind entweder die Folge einer aussetzenden Verbrennung (z.B. im Bereich der Zylinderwand) oder eines fetten Gemischs. 90% der HC-Emissionen rühren beim NEFZ-Test vom Kaltstart her, wenn der Motor mit einem fetten Gemisch befeuert wird.

Unlimitierte Schadstoffe:

Daneben existieren noch zahlreiche nicht limitierte Schadstoffe (will heißen: nicht vom Gesetzgeben mit Grenzwerten verbunden). Benzin ist ein sehr komplexes Gemisch aus dutzenden, unterschiedlichen Stoffen. Sehr schädliche Stoffe wie Benzol, Toluol und Methanol sind neben vielen anderen enthalten. Die hochgiftigen Blei-Verbindungen sind Gott sei Dank nicht mehr zulässig. Sie führten bei der Umwandlung mit Enzymen in der menschlichen Leber zur Ameisensäure, einem starken Nervengift.

Verbrennungsablauf

a) Kompression

Benzin ist ein relativ reaktionsträger Stoff, auch wenn seine Dämpfe an der Luft leicht entflammbar sind. Das Gemisch ist also in Reaktionsstimmung zu versetzen. Die Erwärmung bei der Kompression trägt hierzu in einem ersten Schritt bei.
Außerdem wird die Energiedichte durch den Kompressionsfaktor (7- 13) gesteigert. Die Selbstzündungstemperatur des Kraftstoffgemischs liegt bei ca. 550 °C. Die Kompressionstemperatur darf daher 500 °C zu keinem Betriebszeitpunkt überschreiten, da sonst eine unkontrollierte Zündung drohen würde.

b) Entflammungsphase:

Zwecks Einleitung der Verbrennung ist weitere Reaktionsenergie zuzuführen. Beim Ottomotor wird diese durch den ca. 5000 °C heißen Funkenüberschlag an der Zündkerze bereitgestellt. H-C Elektronenverbindungen des Kraftstoffs werden durch die enorme Hitze aufgespalten. Bilden in der Folge z. T. instabile Atome (sogenannte freie Radikale), die das Bestreben haben ihren Mangel an Elektronen auszugleichen. Dabei sind sie so reaktionsfreudig, dass sie stabile Atome aufspalten. Eine Kettenreaktion ist eingeleitet.

Bildung von Radikalen im Lichtbogen

Diese Vorreaktionen finden in unmittelbarer Umgebung der Zündelektrode statt und müssen eine gewisse Größenordnung erreichen, damit eine stabile Verbrennung in Gang kommt. Je nach Betriebszustand erstrecken sich diese Vorrektionen über einen Kurbelwellenwinkel von bis zu 30°. Der Energieumsatz ist hierbei mit ca. 2 % gering und führt noch nicht zu einem Druckanstieg im Verbrennungsraum.

c) Umsetzungsphase:

Die Umsetzungsphase beginnt mit dem ersten messbaren Druckanstieg im Verbrennungsraum. Die Flammausbreitung findet zunächst in unmittelbarer Nähe der Zündkerze statt. Mit steigender Temperatur werden immer reaktivere Teilchen gebildet deren Anzahl exponentiell steigt. Es bildet sich eine bläuliche Flammfront, die sich im Brennraum schalenförmig ausbreitet. Das Gemisch brennt nahezu schlagartig durch. Im Bereich der Zylinderwände kommt es zur Erlöschung der Flamme. Die Temperatur ist hier durch die Kühlung von außen zu gering.

Wichtig ist, dass die Verbrennung im Bereich der oberen Kolbenstellung erfolgt. 20 - 30 ° nach OT ist die Verbrennung beendet. Dem Druckanstieg folgt dann die Expansion der Gase, die den Kolben nach unten drückt. Je höher der Druckanstieg, desto höher der Wirkungsgrad.
Der Energieumsatz beträgt in der Umsetzungsphase ca. 97%. Die Dauer beträgt bei einer hohen Drehzahl von bzw. 6000 U/Min. nur ca. 0,5 ms.

Schematisch dargestellter Flammenfortschritt

d) Nachbrennphase:

Im weiteren Verlauf der Abwärtsbewegung des Kolbens schließt sich noch eine Nachbrennphase an. Der Zylinder ist zu diesem Zeitpunkt hauptsächlich mit Abgas gefüllt. Daher findet die chemische Umwandlung in dieser Phase nur schleppend statt. Der Energieumsatz ist mit 1 % unbedeutend.

Übrigens:
Bei Modifikationen an der Abgasanlage können sich die Abgaswerte verändern. Denn auch im Abgastrakt haben die Gase noch eine Temperatur von mehreren hundert Grad. Chemische Nachreaktionen können noch stattfinden.
Wird bzw. eine großvolumigere Abgasanlage zur Leistungssteigerung montiert, kühlen die Abgase schneller ab.

Einfluss des Zündzeitpunkts

Die maximale Effizienz der Umwandlung von chemischer Energie (Verbrennung) in mechanische Arbeit wird erreicht wenn die Abwärtsbewegung des Kolbens von Anfang an und über die gesamte Dauer der Abwärtsbewegung unterstützt wird. Hierzu sind folgende Voraussetzungen möglichst nah zu erfüllen:

• Druckmaximum kurz nach Kolben im OT
• Augenblicklicher Aufbau des Druckmaximums

Zeitpunkt des Druckmaximums

Wird das Druckmaximum der Verbrennung erreicht bevor der Kolben den OT erreicht hat, wird er in seiner Aufwärtsbewegung durch den Druckaufbau abgebremst.

Andererseits wird die Abwärtsbewegung des Kolbens bei zu spätem Druckmaximum nicht über die gesamte Dauer der Abwärtsbewegung unterstützt. Das Druckmaximum fällt außerdem geringer aus, da der Kolben bereits mehr Expansionsraum freigegeben hat. Es geht also Expansionsarbeit verloren.

Druckverlauf während der Verbrennung

Der Zeitpunkt des maximalen Verbrennungsdrucks muss also mit der Kolbenstellung koordiniert werden.
Auf den Verbrennungsprozess können wir jedoch kaum Einfluss nehmen, da er durch die chemischen Reaktionsmechanismen gesteuert ist. Jedoch auf den Beginn der Verbrennung über die Anpassung des Zündzeitpunkts.

Anpassung des Zündzeitpunkts

a) Last

Bei niedriger Last öffnet die Drosselklappe nur wenig und es wird nur wenig Gemisch angesaugt. Die Gemischdichte im Zylinder und somit auch die Molekülkonzentration des Verbrennungsgemischs fällt gering aus. Dadurch verzögert sich in erster Linie die Entflammungsphase. Es werden weniger reaktive Teilchen gebildet; die entstehende Kettenreaktion fällt langsamer aus. Außerdem kommt es zu weniger Molekülzusammenstößen (geringe Dichte).

Auf die Umsetzungsphase wirkt sich die geringe Dichte ebenfalls aus, jedoch ist hier der Einfluss geringer. Die Verzögerung rührt hauptsächlich von der Entflammungsphase her.

Bei hoher Last sind die Verhältnisse genau umgekehrt. Die Drosselklappe öffnet weit, viel Gemisch wird angesaugt, die Moleküldichte im Zylinder ist hoch. Die Entflammungsphase läuft entsprechend schneller ab.

Zündzeitpunktverstellung: Bei niedriger Last muss in Richtung FRÜH gezündet werden; bei hoher in Richtung SPÄT

Druckverläufe bei niedriger und hoher Last

b) Drehzahl

Die Drehzahl vermag die Verbrennungsgeschwindigkeit nicht zu beeinflussen. Wie denn auch: die chemischen Reaktionsmechanismen zeichnen hierfür verantwortlich. Der Kolben durchfährt den Bereich des OT jedoch umso schneller je höher die Drehzahl ist.

Zündzeitpunktverstellung: Bei hoher Drehzahl muss in Richtung FRÜH gezündet werden; bei niedriger in Richtung SPÄT

Änderung der Drucklage bei Drehzahländerung ohne Zündverstellung

Kennfeld des Zündzeitpunkts

Aus oben gesagtem ergibt sich die Forderung den Zündzeitpunkt sowohl in Abhängigkeit der Last als auch der Drehzahl anzupassen. In der Praxis kommen noch andere Parameter wie Gemischanfettung, Zylindertemperatur (insbesondere nach Kaltstart) hinzu. So erreicht die Brenngeschwindigkeit bei leichter Anfettung (Lambda=0,9) ein Maximum. Mit zunehmender Abmagerung (Lambda >1) wird sie geringer bis das Gemisch letztendlich nicht mehr kontinuierlich durchbrennt.

Hierzu arbeiten wir mit einem x-y-z Diagramm, dem sogenannten Kennfeld für den Zündzeitpunkt.

• x-Achse: Lastzustand
• y-Achse: Drehzahl
• z-Achse: Zündwinkel vor OT

Kennfeld für den Zündzeitpunkt

Der optimale Zündzeitpunkt für jede Kombination aus Last u. Drehzahl wird in langfristigen Versuchsreihen ermittelt. In der Praxis reicht es meist in Schritten von 500 U/Min. und 10 Nm vorzugehen. Für besonders kritische Betriebspunkte wird das Raster verkleinert.

Anschließend besteht also die Notwendigkeit die Zündelektronik mit einer Vielzahl von Werten zu programmieren, die im Fahrbetrieb abgerufen werden. Zusätzlich sind Motoren heutzutage mit Klopfsensoren ausgestattet. Sie ermöglichen eine direkte Rückmeldung über die im Brennraum entstehenden Drücke. Der Zündzeitpunkt wird dann iterativ auf einen Wert gelegt, der einen möglichst hohen maximalen Druck ergibt ohne die gefürchteten Druckspitzen irregulärer Verbrennungsabläufe hervorzurufen.

Irreguläre Verbrennungsabläufe

Unter gewissen Betriebsbedingungen kann es im Motorbetrieb zu Abweichungen vom regulären Verbrennungsablauf kommen. Diese irregulären Verbrennungsabläufe gehen in der Regel mit erheblichen Druck- und Temperaturerhöhungen einher, die zu erheblichen Bauteilschäden bis hin zum Totalschaden des Motors führen können.

Druckverlauf bei klopfender Verbrennung

Typische Schäden sind in diesem Zusammenhang:

• verbrannte Auslassventile, Zylinderkopfdichtungen
• Kolbenfresser
• An- bzw. durchgeschmolzene Kolben

Sind die Schadensbilder auch weitestgehend ähnlich, so müssen wir die Ursachen deutlich voneinander trennen. Grundsätzlich unterscheiden wir zwei Arten von irregulären Verbrennungen:

• 1) Klopfen (Klingeln)
• 2) Glühzündungen

1) Klopfen

Eine klopfende Verbrennung kommt durch die schlagartige Verbrennung eines Gemischteils zustande.
Zuerst läuft die Verbrennung in der Entflammungs- und Umsetzungsphase regulär. Verbrennungsdruck und Gastemperatur steigen in dem Maße an wie die Flammfront voranschreitet.
Im noch nicht erfassten Gemischteil fördert der Druck- und Temperaturanstieg die chemischen Vorreaktionen und Radikalenbildung. Laufen diese Prozesse zu schnell ab oder vergeht zuviel Zeit bis zur Ankunft der Flammfront, nehmen die Vorreaktionen ein Ausmaß an, dass Gemischreste sich spontan entflammen bevor sie von der Flammfront erfasst werden.

Diese Gemischreste verbrennen dann mit einer vielfach höheren Brenngeschwindigkeit. Das Resultat sind hochfrequente Druckspitzen hoher Amplitude. Sie wirken direkt auf den Kolben ein und belasten über diesen das gesamte Triebwerk. Wegen der hohen Frequenz werden diese Druckwellen als ein "Klingeln" wahrgenommen. Hierher rührt die gebräuchliche Bezeichnung für diesen Verbrennungsprozess.

Die Gastemperatur steigt wegen des schlagartigen Energieumsatzes infolge der Spontanzündung stärker an. Zudem bewirken die Druckwellen einen höheren Wärmeübergang zwischen Gas und umgebenden Bauteilen. Örtlich können die Temperaturen über den Schmelzpunkt der Leichtmetallteile ansteigen. Vornehmlich wird für die Kolben Aluminium eingesetzt. Jeder hat in diesem Zusammenhang schon einmal von einem Loch im Kolben gehört.

Schematischer Ablauf und Flammenfortschritt bei regulärer und klopfender Verbrennung

Ursachen

Die Ursachen solcher irregulären Verbrennungsabläufe können vielfältig sein. Zu den wichtigsten gehören:

• die Temperatur der Ansaugluft
• die Kompressionstemperatur
• der Kraftstoff

Außerdem werden die noch durch folgende Parameter beeinflusst:

• die Brennraumgröße
• die Lage der Zündkerze
• der Drehzahl

Temperatur

Je wärmer die Ansaugluft ist, desto höher fällt die kinetische Energie der Moleküle aus. Es kommt also zu mehr Molekülzusammenstößen. Die Verdichtung trägt mit ihrer Volumenreduzierung hierzu maßgeblich weiter bei. Nicht ohne Grund arbeiten aufgeladene Motoren mit Ladeluftkühlern und reduzierter Kompression.

Es wird klar, dass die erforderlichen hohen Drücke und Temperaturen zwecks Einleitung der Vorreaktionen im Gemischrest nur unter hoher Last bzw. unter Volllast erreicht werden. Bei Teillast ist die Gemischkonzentration nicht hoch genug.

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