Enstehung des Klingelns

Darstellung der Flammfronten

Das Kingeln – auch Klopfen oder Kolbenklingeln genannt – wird durch die Stoßwellen erzeugt, die durch eine zusätzliche unkontrollierte und schlagartige Verbrennung hervorgerufen werden. Im Idealfall breitet sich die Flammfront im Gemisch von der Zündkerze ausgehend kugelförmig aus. Den dabei entstehenden Druckanstieg können spontane Verbrennungen im Brennraum stark stören. Beim Aufeinandertreffen der ersten – regulären – mit der zweiten Flammfront entstehen dann die Druckspitzen, die man von außen hören kann, und durch welche den Kolben und das Kurbelwellenlager stark belasten. Bei zu großer Vorzündung können Stoßwellen sich überschneiden. Auch hier entsteht das Verdichtungsverhältnis bzw. eine zu hohe Kompression. Das dadurch induzierte Geräusch wird Klingeln (Klopfen) genannt.’>Klingeln.

Mögliche resultierende Schäden

Es kann bis zum Schmelzen des Kolbenbodens bzw, Kolbendaches kommen.

Ursachen für das Klingeln

Im Zuge vieler Untersuchungen wurden einige Theorien zur Erklärung der Entstehung klopfender Verbrennung aufgestellt. Den nachfolgend dargestellten Ansätzen kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu.

Frühzündung

Der Zeitpunkt der Zündung bestimmt die Zuordnung des Verbrennungsablaufs zur Kolbenstellung und insofern bei sonst konstanten Betriebsbedingungen auch Spitzendruck, Prozeßtemperatur und inneren Wirkungsgrad. Bei entsprechender Zylinderfüllung und Gemischqualität kann durch Frühverstellung der Zündung in der Regel stets Klopfen provoziert werden. Ebenfalls wird durch entsprechend späte Zündung Klopfen vermieden. Entscheidend ist, ob das Einsetzen klopfender Verbrennung die Einstellung wirkungsgradoptimaler Zündzeitpunkte verhindert

Der Frühzündung kann entgegen gewirkt werden: Die Zündung› muss überprüft und ggf. neu eingestellt› werden.

Hohe Verdichtung

Aufgrund der Druck- und Temperaturerhöhung, welche sowohl durch die Verdichtung als auch durch die Expansion der verbrannten Ladung verursacht wird, kommt es im Endgasbereich zu Vorreaktionen, die das Gemisch auf einen Selbstzündungszustand bringen. Die Selbstzündung führt zu örtlichen Druckungleichgewichten, welche die charakteristischen Gasschwingungen und das damit verbundene Klopfgeräusch verursachen.

Ansauglufttemperatur

Haupteinflussgröße ist die Ansauglufttemperatur, die die Temperatur des Gasgemisches bei der Verdichtung mitbestimmt. Je höher die Temperatur im Gas, umso rascher und intensiver laufen die Vorreaktionen ab (Erhöhung der kinetischen Energie der Gasmoleküle, größere Anzahl von Molekülzusammenstößen).1„Motorradtechnik“ (Jürgen Stoffregen), ab S.72

Weitere Theorien

Weitere Theorien zur Verdichtung gehen davon aus, dass örtliche Inhomogenitäten im Kraftstoff-Luft-Gemisch lokale Selbstzündungen verursachen. Die anschließende schnelle Verbrennung des übrigen Endgases wird durch eine sich vom Sekundärzündherd ausbreitende Druckwelle bewirkt, deren Ursache in der Selbstzündung liegt. Mit Ausbreitung der Druckwelle entzündet sich das verbleibende Endgas sukzessive. 2S. Curry: „A Three-Dimensional Study of Flame Propagation in a Spark Ignition Engine“, SAE Paper 71, 1963 3A.S. Sokolik: „Self-Ignition, Flame and Detonation in Gases“, Israel Program for Scientific Translation Ltd.Jerusalem, 1963

  • ein zu früh gewählter Zündzeitpunkt
  • eine zu hohe Verdichtung
  • Falsch verwendete Benzinsorte
  • Auch besteht in sehr hubraumstarken Einzylindern mit langen Flammwegen eher die Gefahr von Selbstzündungen (eine Doppelzündung mit zwei Zündkerzen kann hier Abhilfe schaffen)

Die Oktanzahl ROZ (Research Oktan Zahl) ist ein Maß für die Klopffestigkeit eines Kraftstoffes. Je höher die Oktanzahl ist, desto klopffester ist auch der Sprit. Es werden garantierte Mindestoktanzahlen angegeben: Normal Bleifrei muss 91 ROZ, Super Bleifrei 95 ROZ und Super Plus 98 ROZ aufweisen.

Historisches zum Thema Klopfen und Klingeln

Die Erscheinung der klopfenden Verbrennung im Motortrieb ist so alt wie der Verbrennungsmotor selbst. 1862 baute Nicolaus August Otto seinen ersten Viertakt-Versuchsmotor. Aus persönlichen Aufzeichnungen Ottos über die Maschine geht hervor:

…1862 lief dieselbe und war auch in demselben Jahr total ruiniert durch die heftigen Stöße, welche in derselben auftraten4A. Langen: „Nicolaus August Otto – Der Schöpfer des Verbrennungsmotors“, Frankhsche Verlagshandlung, W. Keller & Co., Stuttgart, 1949

Es wird vermutet, dass die Ursache für die Zerstörung dieses Versuchsmotors klopfende Verbrennung war.

Die Existenz klopfender Verbrennung und die damit verbundenen Zylinderdruck­schwingungen sind seit langem bekannt. So wurde bereits 1923 das Phänomen der klopfenden Verbrennung von H.R. Ricardo als eine spontane Selbstzündung des bis dahin unverbrannten Gemischanteils (Endgas) gedeutet. 5H. R. Ricardo: „The Internal-Combustion Engine Vol II“, Blackie and Son Limited Glasgow and Bombay, 1923


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