Motorentechnik

Kraftstoff

Ein Maß für die Neigung des Kraftstoffs zu Vorreaktionen und Radikalenbildung stellt der ROZ-Wert dar. Je niedriger dieser Wert ausfällt, desto höher ist seine Neigung zu Vorreaktionen.

Brennraumgröße

Die Zeit für den Fortschritt der Flammfront entscheidet auch über die Auslösung einer klopfenden Verbrennung. Je länger Druck und Temperaturanstieg auf den noch nicht erfassten Gemischrest einwirken, desto größer ist das Potential zur Selbstzündung. Brennräume mit großer Bohrung sind also klopfanfälliger. Denn die Brenngeschwindigkeit ist in einem großen Brennraum genauso so groß wie in einem kleinen. Sie wird maßgeblich von der Dichte und der Durchmischung des Gemischs beeinflusst.

Zündkerzenlage

Gleichermaßen wirkt sich eine unsymmetrische Lage der Zündkerze ungünstig aus. Da hier der Abstand zu einer Seite der Brennraumwand größer ausfällt, erreicht die Flammfront das Gemisch auf dieser Seite erst später. Druck- und Temperaturanstieg wirken also länger auf den dortigen Gemischrest ein.

Einfluss Zündzeitpunkt

Bei früher Zündung vor OT addieren sich Druck- und Temperaturanstieg aus Verbrennung und Kompression im Extremfall zum gleichen Zeitpunkt. Verstellt man die Zündung auf spät, eilt der Druck- und Temperaturanstieg aus der Verbrennung dem der Kompression zeitlich hinterher. Die begonnene Expansion durch Abwärtsbewegung des Kolbens hat das Frischgas schon wieder entspannt. Spitzendruck und Spitzentemperatur fallen geringer aus. Die Klopfneigung sinkt; aber auch der Wirkungsgrad.

Deshalb ist die Zündzeitoptimierung immer ein Kompromiss aus höchstem Wirkungsgrad und sicherem Abstand zur Klopfgrenze.

Drehzahl

Niedrige Drehzahlen begünstigen prinzipiell die Klopfneigung. Die Ladungsbewegung ist hier gering; also auch die Durchmischung des Frischgases. Es stellt sich eine geringere Brenngeschwindigkeit ein.
Mit steigender Drehzahl erhöht sich die Brenngeschwindigkeit im Umkehrschluss aufgrund der besseren Durchmischung.

Ein gegenläufiger Effekt ergibt sich jedoch aus der Brennraumtemperatur. Die fällt umso höher aus, je höher die umgesetzte Leistung des Motors ist. In der Summe ist dieser Effekt weitaus dominanter, weshalb das Klingeln bei hohen Drehzahlen verbunden mit hoher Last zu Bauteilschäden durch Überhitzung führt.

Im Unterschied dazu führt das Beschleunigungsklingeln (hell klingendes Geräusch) beim Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen heraus nicht zu Bauteilschäden, da es in der Regel nur von kurzer Dauer ist. Außerdem ist die umgesetzte Leistung bei niedrigen Drehzahlen deutlich geringer als bei hohen. Eine potentielle Überhitzung setzt erst später ein.

Gefährlich ist das Hochgeschwindigkeitsklingeln, das bei Vollgas auftritt. Die Verbrennungsgeräusche werden hier durch Motor- und Fahrgeräusche überdeckt und somit nicht vom Fahrer wahrgenommen. Die ersten irregulären Verbrennungszyklen führen zu einer Temperatur- und Druckerhöhung die ihrerseits zu einer Zunahme der Vorreaktionen führen. Ein sich selbst verstärkender Prozess wird eingeleitet der schließlich zu Bauteilüberhitzungen und zum Motortotalschaden führt.

2) Glühzündungen

Die zweite Form irregulärer Verbrennungsprozesse stellen die Glühzündungen dar. Es handelt sich dabei um heiße Stellen im Brennraum, die aufgrund ihrer Temperatur eine so große Aktivierungsenergie besitzen, dass sie Vorreaktionen im ungebenden Gemisch einleiten. Ein Entflammungs- und Umsetzungsprozess mit regulärem Flammenfortschritt wird eingeleitet.
Dadurch, dass die Verbrennung somit an mehreren Stellen in Gang gesetzt wird, kommt es zu einer schnelleren Energieumsetzung und in der Folge zu höherem Druckanstieg und höherer Verbrennungstemperatur.

Die Temperatur der heißen Stellen erhöht sich mit jedem Verbrennungszyklus. Im Endeffekt kann es zum Anschmelzen der Bauteile kommen. Der erhöhte Verbrennungsdruck kann langfristig zur Überlastung der Gleitlager führen.

Glühzündungen sind völlig unabhängig vom regulären Verbrennungsprozess. Dadurch unterscheiden sie sich wesentlich von der klopfenden Verbrennung. Sie können sowohl vor als auch nach dem OT zu Zündungen führen und sind damit völlig unabhängig von der Kolbenstellung. Es kann sogar passieren, dass ein Motor nach Abstellen der Zündung weiterläuft (nachdieselt) und nur durch Abwürgen zum Stillstand zu bringen ist.

Schematischer Flammenfortschritt und Druckverlauf bei Glühzündungen

Ursachen

Typische Ursachen für Glühzündungen sind:

• ein schlecht schließendes Auslassventil
• eine überhitzte Zündkerze
• Ölkohleablagerungen im Brennraum

Auslassventil

Ist das Ventilspiel nicht richtig eingestellt kann es dazu kommen, dass das Ventil nicht richtig schließt. Es entweicht das Verbrennungsgas während des Verbrennungsprozesses. Das Ventil wird hierdurch übermäßig aufgeheizt.

Zündkerze

Zündkerzen werden durch den Verbrennungsprozess sehr heiß. Wird eine Zündkerze mit zu geringem Wärmewert eingesetzt, kann diese sich überhitzen.

Ölkohle

Ölkohleablagerungen im Brennraum werden aufgrund ihrer meist sehr porösen Struktur leicht sehr heiß und neigen im der Folge zum Glühen.

Glühzündungen dürften bei sorgfältig ausgelegten Motoren nicht auftreten; eine ordnungsgemäße Wartung sei vorausgesetzt. Hierzu ist der Wärmewert der Zündkerze genauso zu berücksichtigen wie die räumliche Verteilung der Kühlung und das Ventilspiel.
Sind Ölkohleablagerungen die Ursache, helfen nur deren Entfernung und eine Analyse woher sie kommen (z.B. hoher Ölverbrauch infolge von Kolbenringverschleiß). Bei minderwertigem oder bleihaltigem Kraftstoff kann es im Zusammenspiel mit dem Motoröl zu Ablagerungen kommen wenn der Motor zu lange unterkühlt betrieben wird (z. B. extremer Kurzstreckenbetrieb, Einsatz Motorrad als Begleitfahrzeug, Außenborder mit Wasserkühlung).

3) Mischformen

Dazwischen gibt es alle möglichen Mischformen zwischen klopfender Verbrennung und Glühzündungen. So kann eine Glühzündung bzw. durch die Ausheizung des Verbrennungsraums in der Folge zu einer klopfenden Verbrennung führen.
Andererseits kann eine klopfende Verbrennung Brennraumstellen so weit aufheizen, dass sie Ursprungsorte von Glühzündungen werden.

Kraftstoff

Zusammensetzung u. Herstellung

Normal- und Superbenzin, wie wir es täglich tanken, ist ein hochkomplexes Gemisch aus bis zu 200 verschiedenartigen Kohlenwasserstoffen. Gewonnen wird es aus Erdöl durch sogenanntes fraktioniertes Destillieren und Cracken. Es folgen weitere Verarbeitungsschritte damit die die Benzinqualität u. Zusammensetzung unabhängig von der Rohölsorte gleich bleibt.

Unter Cracken versteht man einen Aufbereitungsschritt, bei dem unter Temperatureinfluss längere Molekülketten in kürzere aufgespalten werden.

Eigenschaften

Das chemische u. physikalische Verhalten der Kohlenwasserstoffe wird hauptsächlich durch Molekülgröße u. die Bindungsformen bestimmt. Dabei sind fast beliebig viele Bindungsformen möglich. Sie ergeben sich aus den Bindungseigenschaften der beteiligten Atome. Durch gezielte Mischungen von verschiedenartigen C-H-Molekülen können die Eigenschaften eingestellt werden.

Kohlenstoff (C) ist vierwertig: es kann insgesamt vier Elektronenbindungen eingehen
Wasserstoff (H) ist einwertig: es kann je nur eine Elektronenverbindung eingehen

Grundlegende Strukturen von Kohlenwasserstoffmolekülen

Zwecks Bildung stabiler chemischer Bindungen müssen sich jeweils zwei Atome mit ihren freien Bindungen paarweise zusammenfügen. Eine solche Bindung wird in der Chemie Elektronenpaarbindung genannt.

Strukturen

Grundlegend gibt es folgende Molekülstrukturen der Kohlenwasserstoffe:

• Kettenmoleküle
• Verzweigte Kettenmoleküle
• Ringförmige Kettenmoleküle

Dabei können die C und H-Atome sowohl einfache als auch Doppelbindungen miteinander eingehen. Doppelbindungen in Kettenmolekülen sind oft bevorzugte Bruchstellen; hingegen sorgen sie in Ringmolekülen für besonders stabile Moleküle (bzw. Aromaten wie das Benzol).

Daneben können sich in Spuren noch Sauerstoffmoleküle (O) (meist in Form von OH-Verbindungen) und Schwefel (S) im Benzin befinden.

Beispiele von Molekülen der Kohlenwasserstoffe im Benzin

Siedepunkt

Da die im Benzin enthaltenen verschiedenen Moleküle alle unterschiedliche chemische u. physikalische Eigenschaften aufweisen, stellt sich kein definierter Siedepunkt ein. Es stellt sich eine sogenannte Siedekurve ein. Sie gibt das prozentuale Volumen an, das bei einer bestimmten Temperatur vollständig aus dem Gesamtvolumen verdampft.
Sie spiegelt damit den Gehalt an leicht-, mittelflüchtigen u. schwerflüchtigen Bestandteilen wieder.

Siedekurve von Benzin

Leichtflüchtige Anteile verbessern das Kaltstartverhalten erheblich. Wohingegen mittelflüchtige Anteile für das Weiterlaufen des Motors nach dem Start und in der Warmlaufphase wichtig sind. Ein geringer Anteil schwerflüchtiger Anteile sorgt für eine geringe Kondensation im Zylinder und hält somit die Schmierölverdünnung in Grenzen.

Zur Anpassung an die herrschenden Außentemperaturen wird die Zusammensetzung zwischen Sommer -und Winter leicht variiert. So enthält Sommersprit weniger leichtflüchtige Bestandteile als Wintersprit um bei hohen Temperaturen bzw. der Gasblasenbildung vorzubeugen.
Nach längerer Standzeit kann es aufgrund der Verdunstung der leichtflüchtigen Bestandteile zu Startschwierigkeiten kommen. Ein Nachtanken mit frischem Sprit behebt meistens das Problem.

Klopffestigkeit

Neben dem Siedepunkt ist die Klopffestigkeit die wichtigste Eigenschaft. Sie gibt an, in welchem Maße der Kraftstoff zur Selbstentzündung neigt. Maßeinheit ist die Oktanzahl (ROZ = Research-Oktanzahl), die in speziellen Versuchsmotoren im Vergleich zu genormtem Kraftstoff ermittelt wird.
Folgende Mindest-ROZ sind in Deutschland für Benzin festgeschrieben:

• Normalbenzin: min. ROZ 91
• Superbenzin: min. ROZ 95
• Super Plus: min. ROZ 98

Die ROZ wird durch die Zusammensetzung des Kraftstoffs erreicht. In erster Linie durch Kombination verschiedenartiger C-H Kombinationen. In zweiter Linie durch Zugabe geringer Mengen Antiklopfmittel.
Verzweigte Molekülketten erhöhen die Klopffestigkeit gegenüber unverzweigten. Das gleiche gilt für ringförmige Moleküle (z.B. Benzol). Die Herstellung klopffester Bestandteile ist aufwändiger u. energieintensiver als die Herstellung weniger klopffester. Dies erklärt auch den höheren Preis für Supersprit gegenüber Normalbenzin.

Da Benzoldämpfe stark krebserregende Eigenschaften haben, ist der Anteil dieses Antiklopfmittels lt. Vorgaben durch den Gesetzesgeber zu senken. Stattdessen bietet sich die Zugabe von Methanol als Antiklopfmittel an. Reines Methanol hat eine ROZ=106.

Bildung von Radikalen im Lichtbogen

Die Beimengung von Bleiverbindungen (Bleitetraäthyl, Bleitetramethyl), die schon in geringsten Mengen (< 0,15 g/l) die Klopffestigkeit erhöhten, ist heute verboten. Ihre Antiklopfwirkung beruht auf der Tatsache, dass sie zu Beginn der Verbindung rasch verfallen, die Bleiatome sich temporär an die Radikalen anheften, diese in ihrer Aktivität bremsen und somit eine zu schnell ablaufende Kettenreaktion unterbinden. Im späteren Verlauf der Verbrennung verfallen die Zwischenprodukte wieder und es wird Bleioxid ausgestoßen.

Blei ist nicht nur für den Menschen giftig, es hätte sich auch in den Katalysatoren abgelagert und diese unwirksam gemacht. In den Anfangszeiten der Umstellung ein typischer Schadensfall nach dem Urlaub im Süden oder Osten Europas.

Eigenschaften von Ottokraftstoffen

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