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Veröffentlicht am 11.3.2016 von LexiCar Noch keine Kommentare

Wer Automobil-Zeitschriften liest, weiß: Es gibt hochverdichtete Motoren und Exemplare mit niedriger Verdichtung. Oft zu lesen ist auch vom sogenannten „Klopfen“, „Klingeln“ und den „Totpunkten“ - doch was steckt eigentlich hinter diesen Begriffen?

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Jeder Dorf-Tuner und Hinterhof-Schrauber wusste früher: Mehr Verdichtung bringt mehr Leistung – Zumindest theoretisch. Denn ein Motor ist eine komplexe Maschine, in dem viele Faktoren für die Kraftentfaltung verantwortlich sind. Beim „Klopfen“ und „Klingeln“ kommen hingegen sowohl die selbsternannten, wie auch die echten Experten ins Schlingern. Wer vier Profis zu diesem Thema befragt, wird mit Sicherheit einige unterschiedliche Antworten erhalten. Im Folgenden sollen deshalb ein paar prinzipielle Begriffe vereinfacht und für Hobby-Schrauber und Stammtisch verständlich erklärt werden.

Die Verdichtung bei einem Kfz-Motor

Bei Otto-Motoren kann man den Brennraum grundsätzlich in zwei Teilbereiche eingrenzen. Einmal der Raum, in dem der Kolben zwischen seinen beiden Totpunkten auf- und abläuft. Als Totpunkte gelten dabei die Stellen, an denen der Kolben für Sekundenbruchteile stillsteht, bevor er seine Richtung ändert. Dieser Raum ist der sogenannte und allseits bekannte Hubraum, der in Kubikzentimetern angegeben wird. Alles, was über dem Oberen Totpunkt (OT) und somit über dem sogenannten „Kolbenboden“ in dessen oberster Stellung liegt, ist der sogenannte „Verdichtungsraum“. Der Name stammt daher, weil in diesem kleinen Luftraum das Benzin-Luft-Gemisch vom Kolben zusammengedrückt/komprimiert wird.

Das Verdichtungsverhältnis

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Das Verdichtungsverhältnis (ε) beschreibt das Verhältnis vom Volumen des gesamten Zylinders aus Hubraum und Verdichtungsraum (Vh + Vk) in Bezug auf den Verdichtungsraum (Vk). Genauso ließe sich sagen, dass das Verdichtungsverhältnis die Abhängigkeit dem angesaugten und dem komprimierten Gemisch beschreibt.

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Man addiert also Hubraum und Verdichtungsraum und teilt das Ergebnis nochmals durch den Verdichtungsraum.

Diese Abstrakte Formel wird durch ein Beispiel viel deutlicher: Angenommen der Hubraum eines Zylinders beträgt 500ccm³, darüber liegt der Verdichtungsraum der ein Volumen von beispielsweise 50ccm³ hat. So ist die Berechnung: 550ccm³: 50ccm³ = 11. Das Ergebnis wäre also ein Verdichtungsverhältnis von 11:1.

Niedrig gegen hoch: Während der BMW 2002 Turbo mit 6,9:1 recht niedrig verdichtet, verblüffte Mazda vor wenigen Monaten mit dem CX-5, der mit 14:1 fast wie ein Rennwagen komprimiert.

Dabei kann man als Faustregel sagen, dass Benziner ohne Aufladung heute pi mal Daumen ein Verdichtungsverhältnis von 10:1 haben, Diesel hingegen, die durch das Prinzip der Selbstzündung höhere Drücke brauchen, etwa 20:1. Da eine höhere Verdichtung in einigen Fällen mehr Leistung durch einen größeren Wirkungsgrad verspricht, erklärt sich, weshalb beim klassischen Tuning manchmal Zylinderköpfe geplant werden. Dadurch, dass bei diesem Vorgang 0,5 Millimeter Material (oder mehr) von der Unterseite des Zylinderkopfs abgenommen werden, rückt dieser näher an den Kolben, der das Gemisch nun stärker komprimiert – Das Verdichtungsverhältnis erhöht sich. Andererseits ist dies nicht bei jedem Motor ohne weiteres möglich, da durch dieses Vorgehen auch die Ventile näher (oder zu nah) an den Kolben kommen.

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                                                     Wer so ein Loch sehen kann, war zu dicht dran!

So lässt sich auch erklären, wieso die Hersteller für manche Motoren die Verwendung von Super-Benzin vorschreiben, für andere Super Plus und wieder andere auch mit den minderwertigsten Kraftstoffen gleichmäßig laufen.

Oktan, Klopfen und Klingeln

Je stärker ein Kraftstoff verdichtet wird, desto stärker ist seine Neigung, sich unkontrolliert von selbst zu entzünden. So reicht bei Diesel-Motoren beispielsweise der hohe Druck allein aus, um ihn am Laufen zu halten – Zündkerzen werden deshalb nicht benötigt. Wird nun ein hochverdichtender Motor mit niedrig-oktanigem Benzin betrieben, kann es zum sogenannten „Klopfen“ kommen. Hierunter versteht man eine unkontrollierte Frühzündung des Gemischs, das sich ohne den Funken der Zündkerze z.B. durch die heißen Zylinderwände und den Druck im Zylinder von selbst entzündet. Dabei können zwei Flammfronten zusammentreffen – einerseits die der Selbstzündung, andererseits die der Zündkerze. Hierbei entstehen bei beiden Fällen große Druckspitzen, deren Knall mit einem Hammerschlag zu vergleichen ist. Wash Wash Denimgrey Straight 300Totême Denimgrey Wash 300Totême Denimgrey 300Totême Straight Straight yPN0v8nwmO

Die Wirkung auf Kolben oder Ventile kann dabei fatal sein. Hier sollte also unbedingt auf höher-oktanigen Kraftstoff zurückgegriffen werden, da dieser mit viel größerem Druck komprimiert werden kann, bevor er sich unkontrolliert entzündet. Früher wurde zur Erhöhung der Klopffestigkeit Bleitetraethyl im Benzin zugesetzt. Bei modernen Fahrzeugen verhindert ein sogenannter Klopfsensor, der die Vibrationen misst, in Zusammenhang mit dem Steuergerät die gefährliche „Fehlzündung“. Ursachen für das Klopfen können allerdings auch eine zu hohe Brennraum-Temperatur, oder Verbrennungsreste (Glut) auf dem Kolben selbst sein.

Ein ähnliches Phänomen ist das sogenannte „Klingeln“. Auch hier zündet das Gemisch früher, als es eigentlich sollte. Doch statt sich mit einem großen Knall zu entladen, versetzt die Druckwelle die Zylinderwände in Schwingung, was zum wesentlich helleren und hochfrequenten Klingel-Geräusch führt. Beim Klingeln ist allerdings meist eine falsch eingestellte Zündung schuldig. Dadurch, dass das Gemisch zu weit vor OT gezündet wird, arbeitet die Druckwelle gegen den aufsteigenden Kolben. Dieses Geräusch ist schwieriger zu identifizieren und tritt oft bei Volllast auf.

                                   

Mit höherer Verdichtung steigt also im Allgemeinen der Wirkungsgrad eines Motors. Gleichzeitig bringt dies aber das Problem der unkontrollierten Frühzündung mit sich, die die Lebensdauer der Komponenten deutlich beeinflusst. Hochleistungs- und Rennmotoren werden beispielsweise oft an der Klopf-Grenze gefahren, um eine maximale Leistungsausbeute zu bekommen. Dabei wird in Kauf genommen, dass der Motor durch die extreme Verdichtung und Belastung nur eine kurze Lebensdauer aufweist.

 

 

Fotos: Von Spurzem - Lothar Spurzem - Eigenes Werk, CC BY-SA 2.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4303420 / Von M 93, CC BY-SA 3.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=21068947 / Von Benutzer:Thomas Ihle - selbst aufgenommen am 06.12.2003., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23861420


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