Klopfen und Klingeln

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Veröffentlicht am Sonntag, 27. Juli 2008 21:59

Geschrieben von gerd_

Woher kommt die Störgeräusche? Wie entstehen sie? Was kann man dagegen tun?

Erst mal einige Voraussetzungen um das Problem zu verstehen (siehe auch Link zu "Zündzeitpunkt“)
OT ("oben tot“) ist derjenige Punkt, bei dem der Kolben am weitesten von der Kurbelwelle entfernt ist (auch bei der Q heisst das "oben“ obgleich der Kolben dann eben am weitesten "aussen“ ist).
Beim Viertakter braucht pro Zylinder nur einmal pro 2 Umdrehungen gezündet, weil nur bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung ein Arbeitstakt erfolgt. Bei Motorrädern werden häufig 2 Zylinder gleichzeitig gezündet. Für einen der Zylinder ist es sinnvoll, beim anderen nutzloser Aufwand weil am Ende seines Auspufftakts gezündet wird obwohl gar kein zündbares Gemisch vorhanden ist. Auf diese Art wird der Verteiler gespart doch die Zündspule trägt die doppelte Last und muss in gleicher Zeit die doppelte Anzahl Funken produzieren!
Mit den Motormanagements wäre relativ leicht jeder Spulenstecker einzeln anzusteuern. Dazu müsste das Management allerdings auch Kenntnis haben welcher(!) der Zylinder grad’ den Verdichtungstakt beendet (im OT sind ja beide). Denkbar wäre ein (Hilfs-) Geber an der Nockenwelle.

Entgegen gelegentlicher Beschreibungen soll im Brennraum nix explodieren, sondern ein Gemisch soll (ver-) brennen (auch wenn’s das ziemlich hurtig tut)

Während des Verdichtungstakts wird das angesaugte Gemisch verdichtet. Sowohl Druck (Verdichtung!) als auch Temperatur steigen dabei an. Im obersten Punkt des Kolbenhubes, bei OT, soll die Zündung erfolgen.

Jetzt in Zeitlupe:
Phase 1 Die Kerze bekommt den Befehl "zünd’ an“ und beeilt sich dem Wunsch zu entsprechen
Phase 2 Der Kerzenfunke zündet die ersten Gemischpartikel an
Phase 3 Es vergeht etwas Zeit bis das gesamte Gemisch brennt, der Verbrennungsdruck steigt
Phase 4 Irgendwann ist das gesamte Gemisch verbrannt.

Die Phasen 1-3 (4 ist nicht sooo wichtig) spielen sich in der Grössenordnung von 1 bis 2 Millisekunden ab. So lange dauert es bis das Gemisch "richtig" brennt. Der Kolben ist jedoch auch nicht faul. Zwar hat er im OT exakt die Geschwindigkeit  "Null“ (er kehrt ja grad’ um), legt aber in dieser kleinen Zeitspanne bis das Gemisch "brennt" (bei ca. 1000 U/min im Leerlauf) immerhin ca. 6 Grad KW-Umdrehung zurück. Das entspricht bei der Q im Bereich OT ungefähr 0,2 mm Hub.
Erfolgt also Phase 1 erst zum Zeitpunkt OT, ist der Kolben bei den Phasen 2 u. 3 bereits wieder auf dem Weg nach unten, der Verbrennungsdruck nutzt nicht den gesamten Hub aus, und somit wird Leistung verschenkt.
Infolgedessen wird etwas früher gezündet, damit der Verbrennungsdruck optimal genutzt werden kann. Ein Erfahrungswert zeigt, dass der verbrennungsdruck bei etwa 14--18 Grad nach OT (motorabhängig) sein Maximum erreichen muss um maximale Effizient zu erreichen.

So, jetzt kommt der Eiertanz.
Klopfen
Wird so früh gezündet, dass das gesamte Gemisch brennt (Phase 3 fertig) wenn OT erreicht ist, muss der aufsteigende Kolben in den letzten Winkelgraden nicht nur mit dem zunehmenden Verdichtungsdruck kämpfen. Das entzündete Gemisch, das dann ja nix Besseres zu tun hat als sich beim Abfackeln auszubreiten, versucht ihn am Aufstieg zu hindern, klaut Leistung und haut auf die Kurbelwellenlager. Dieser Zustand ist als "Klopfen“ hörbar.
Wird zu spät gezündet, kann der Verbrennungsdruck nicht optimal auf den Kolben einwirken und es wird Leistung "verschenkt“. Hier ist also der erste Kompromiss einzugehen
(Ansatzpunkt für die Tuner: Am Prüfstand exakt auf Kerzen, Sprit, etc. abgleichen).
Theoretisch muss die Zündung linear zur steigenden Drehzahl immer früher erfolgen. Dies wird aber in der Praxis nicht so konsequent umgesetzt um den Motor zu schonen und thermisch "gesünder“ zu halten (Ansatzpunkt für die Chiptuner). Natürlich spielen Kerzen, der eigentliche Zündverlauf (das spielt sich im Bereich der Plasmaphysik ab!), Ablagerungen im Brennraum, Zustand der Zündanlage, etc. eine wesentliche Rolle.
Die zur Verfügung gestellte Zündenergie kann theoretisch erhöht werden, doch scheren sich übliche Kerzen ab einem bestimmten Punkt nicht mehr um die Isolation. Bei versuchshalber verlängertem Isolator, vergossen mit hochdurchschlagfestem Harz, macht sich die Energie quer durch die Konstruktion, inklusive der 4mm dicken Silikonisolierung davon (durfte ich bei einem Hersteller von Zündungen ansehen)
Das bedingt den zweiten Kompromiss.

Jetzt zum Sprit
Grundsätzlich gilt: Je schlechter (oktanloser) der Sprit, desto leichter(!) zündet er. Eventuell durch geschäftstüchtige Menschen (z.B. in Pakistan) beigefügte Wasseranteile zünden zwar gar nicht, sind aber auch kein Sprit!
Ganz übel ist also, wenn der Sprit so grottenschlecht ist, dass ihn bereits der beim Verdichtungshub ansteigende Druck, der daraus resultierende Temperaturanstieg, vielleicht kombiniert mit irgendwelchen noch heissen Ablagerungen am Kolben zum eigenmächtigen Zünden animiert. Er wird somit zum Selbstzünder (Dieselverfahren). Da hilft nur eine Verringerung der Verdichtung. Die 2-V-ler legen da "einfach“ doppelte Zylinderkopfdichtungen ein. Manchmal sind Kamele einfach besser!

Ist der Sprit nicht ganz so wüst , kann eine andere Spielart auftreten:
Klingeln
Zwischen Phasen 2 und 3 steigt der Druck durch die beginnende Verbrennung. Auch wenn der Kolben schon wieder auf dem Weg nach unten ist, können sich weit von der Kerze entfernte Gemischteile aufgrund des rasant steigenden Drucks (und damit der Temperatur) dazu entscheiden nicht auf die reguläre Flammfront warten zu wollen. Sie machen ihrem Ärger Platz, entschliessen sich zur Ich-AG, und fackeln sich mal selbst an. Jetzt brennen zwei Feuerchen im gemeinsamen Brennraum! Physikalisch gesehen sind es zwei Punkte von denen aus der Druck jeweils ziemlich rasant ansteigt. Irgendwo im Brennraum knallen diese beiden Flammfronten aufeinander und man hört dies als Klingeln.
Auch deshalb ist "einfach eine zweite Kerze“ nicht soooo einfach.
Probleme mit schlechtem Sprit in manchen Ländern lassen sich deshalb mit "Spätzündung“(Hallgeberplatte im Uhrzeigersinn verdrehen) temporär mildern. "Aufreissen“, Drehzahlen "bis zum Anschlag“ (in beide Richtungen!), und "aus dem Keller hochziehen“ sollte man sich in diesem Fall verkneifen.

ABER: Nachdem sich die Motronik anhand mehrerer Parameter für die Wahl des Zündzeitpunktes entscheidet ist es keine Massnahme um generell auf "Normal“- Sprit umzustellen. Der 4-V-Motor ist für Super konstruiert. Auch wenn er nicht oder wenig klingelt ist es nur ein Behelf!
Analogie: Das Gefühl des dicken Kopfes nach einer Sauferei lässt sich mit Aspirin bekämpfen, aber nur das "Nicht-Saufen" bewahrt vor dem Kopf!
Resultat:
Klopfen und Klingeln sind unterschiedliche Dinge wobei Klingeln gemeinsam mit Klopfen auftreten kann aber nicht muss.
Exaktes Einstellen der Hallgeberplatte (allg. "Zündung")ist eine absolute Notwendigkeit!
Bereits geringe Verschiebungen des Zündzeitpunktes kosten Leistung, also kann die korrekte Einstellung sogar welche bringen!
In Ländern mit Spritproblemen (das viel geschmähte Italien gehört noch lang nicht dazu!) kann simples Verdrehen der Hallgeberplatte im Uhrzeigersinn(!) temporär (be-)helfen, die Probleme aber nicht sicher vermeiden.
Die gängige Lehrmeinung stuft Beschleunigungsklingeln (anders als Hochgeschwindigkeitsklingeln) als "nicht so schlimm ein“.

Links
Leistung und Zündzeitpunkt
4V Hallschrankenplatte (Zündimpulsgeber) R11x0xx justieren
Klopfen und Klingeln