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Kolbenschäden durch Verbrennungsstörungen

Verbrennungsstörungen bei Ottomotoren

Die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinder folgt einem genau vorbestimmten Ablauf. Sie wird durch den Funken der Zündkerze kurz vor dem oberen Totpunkt eingeleitet. Die Flamme breitet sich von der Zündkerze ausgehend kreisförmig aus und durchläuft den Brennraum mit stetig steigender Brenngeschwindigkeit von 5–30 m/s. Der Druck im Verbrennungsraum steigt dadurch steil an und erreicht kurz nach dem oberen Totpunkt seinen maximalen Wert. Dieser normale Verbrennungsablauf kann aber durch verschiedene Einwirkungen gestört werden, woraus sich drei Fälle von Verbrennungsstörungen beschreiben lassen:

1. Glühzündung (Vorentflammung):
Führt zur thermischen Überbelastung des Kolbens.

2. Klopfende Verbrennung:
Führt zu erosionsartiger Materialabtragungen und mechanischer Überlastung an den Kolben und am Kurbeltrieb.

3. Kraftstoffüberschwemmung:
Führt zu Verschleiß mit Ölverbrauch und auch zu Kolbenfressern.

Normale Verbrennung

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Klopfende Verbrennung

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Glühzündung

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zu 1. Glühzündung (Vorentflammung):

Bei einer Glühzündung wird die Verbrennung durch ein im Verbrennungsraum glühendes Teil bereits vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt eingeleitet. In Betracht kommen das heiße Auslassventil, die Zündkerze, Dichtungsteile und Ablagerungen auf diesen Teilen sowie Flächen, die den Verbrennungsraum umschließen. Die Flamme wirkt unkontrolliert auf die Bauteile ein, wodurch die Temperatur am Kolbenboden sehr stark ansteigt. Schon nach wenigen Sekunden ununterbrochener Glühzündung erreicht die Temperatur den Schmelzpunkt des Kolbenmaterials.

Bei Motoren mit weitgehend halbkugelförmigem Brennraum entstehen dadurch im Kolbenboden Löcher, die meist in Verlängerung der Zündkerzenachse auftreten.

Bei Brennräumen mit größeren Quetschflächen zwischen Kolbenboden und Zylinderkopf schmilzt der Feuersteg meist im Bereich der Quetschflächen an der höchstbelasteten Stelle an. Dieser Vorgang setzt sich oftmals bis zum Ölabstreifring und ins Kolbeninnere fort.

Eine klopfende Verbrennung, die zu hohen Oberflächentemperaturen einzelner Teile des Brennraums führt, kann ebenfalls Glühzündungen hervorrufen.

zu 2. Klopfende Verbrennung:

Bei klopfender Verbrennung wird die Zündung normal über den Funken der Zündkerze eingeleitet. Die Flammfront breitet sich von der Zündkerze aus und erzeugt Druckwellen, die in dem unverbrannten Gas kritische Reaktionen hervorrufen. Dadurch kommt es im Restgasgemisch an vielen Stellen gleichzeitig zur Selbstzündung. Die Brenngeschwindigkeit steigert sich dadurch auf den 10–15-fachen Wert. Der Druckanstieg pro Grad Kurbelwinkel und die Druckspitze werden wesentlich höher. Des Weiteren bilden sich im Expansionshub sehr hochfrequente Druckschwingungen. Zudem heizen sich Oberflächen, die den Brennraum umschließen, sehr stark auf. Von Rückständen sauber gebrannte Brennräume sind ein eindeutiges Zeichen für eine klopfende Verbrennung.

Leichtes temporäres Klopfen führt bei den meisten Motoren – auch über längere Zeit – nicht zu Schäden.

Stärkeres, länger anhaltendes Klopfen führt zu erosionsartigen Abtragungen des Kolbenmaterials am Feuersteg und auf dem Kolbenboden. Auch der Zylinderkopf und die Zylinderkopfdichtung können geschädigt werden. Teile im Verbrennungsraum (z. B. die Zündkerze) können sich dabei so stark aufheizen, dass daraus Glühzündungen (Vorentflammungen) mit einer Überhitzung des Kolbens entstehen (An- und Abschmelzungen).

Schweres Dauerklopfen führt nach kurzer Zeit zu Ringstegund Schaftbrüchen, die meistens ohne An- und Abschmelzungen und ohne Fresser auftreten.

Abb. 1 zeigt den Druckverlauf im Verbrennungsraum. Die blaue Kennlinie zeigt einen Druckverlauf bei normaler, die rote Line bei klopfender Verbrennung. Hier kommt es zu Druckspitzen.

zu 3. Kraftstoffüberschwemmung:

Zu fettes Gemisch, nachlassender Verdichtungsdruck und Zündstörungen rufen unvollkommene Verbrennungen mit Kraftstoffüberschwemmung hervor. Die Schmierung der Kolben, Kolbenringe und Zylinderlaufbahnen wird unwirksam. Mischreibung mit Verschleiß und erhöhtem Ölverbrauch sowie Fresser sind die Folge
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Abb. 1

Verbrennungsstörungen bei Dieselmotoren

Für einen optimalen Verbrennungsablauf spielt neben einem mechanisch einwandfreien Zustand auch eine äußerst fein zerstäubende, exakt abspritzende Einspritzdüse sowie ein korrekter Einspritzbeginn eine wesentliche Rolle. Nur so kann der eingespritzte Kraftstoff mit geringstem Zündverzug entflammen und bei normalem Druckablauf restlos verbrennen. Auch hier unterscheidet man drei gravierende Arten von Verbrennungsstörungen:

1. Zündverzug
2. Unvollständige Verbrennung
3. Nachtropfende Einspritzdüsen

zu 1. Zündverzug:


Der Kraftstoff entzündet sich erst mit einer gewissen Verzögerung (Zündverzug) wenn:
  • er nicht fein genug zerstäubt wurde,
  • er im falschen Zeitpunkt in den Zylinder eingespritzt wurde,
  • oder die Verdichtungstemperatur bei Einspritzbeginn noch nicht hoch genug ist.

Der Zerstäubungsgrad ist nur vom Zustand der Einspritzdüse abhängig. Eine mit dem Düsenprüfgerät getestete, einwandfreie Einspritzdüse, kann durch die Montage oder durch Temperaturspannungen so verklemmt werden, dass sie im Betrieb nicht einwandfrei zerstäubt.

Die Verdichtungstemperatur ist vom Verdichtungsdruck und somit vom mechanischen Zustand des Motors abhängig. Der kalte Motor weist immer einen gewissen Zündverzug auf. Die kalten Zylinderwände entziehen der kälteren Ansaugluft beim Verdichten viel Wärme. Die beim Einspritzbeginn vorhandene Verdichtungstemperatur reicht dann nicht aus, um den eingespritzten Kraftstoff sofort zu entflammen. Erst bei weiter fortschreitender Verdichtung wird die Zündtemperatur erreicht und der bis dahin eingespritzte Kraftstoff entflammt schlagartig. Dies verursacht einen steilen, explosionsartigen Druckanstieg mit Geräuschbildung und eine starke Erwärmung des Kolbenbodens. Brüche z. B. der Ringstege des Kolbens und Wärmespannungsrisse im Kolbenboden, sind die Folge.

zu 2. Unvollständige Verbrennung:

Wenn der Kraftstoff nicht zum richtigen Zeitpunkt oder unzerstäubt in den Verbrennungsraum gelangt, kann er in der kurzen, zur Verfügung stehenden Zeit nicht restlos verbrennen. Das Gleiche geschieht, wenn nicht genügend Sauerstoff, d. h. Ansaugluft in den Zylinder gelangt. Ursachen können ein verstopfter Luftfilter, nicht korrekt öffnende Einlassventile, Fehler am Turbolader oder Verschleiß an den Kolbenringen und den Ventilen sein. Der unverbrannte Kraftstoff schlägt sich zum Teil an den Zylinderoberflächen nieder; dort beeinträchtigt oder zerstört er den Schmierfilm. Die Zylinderlaufflächen, die Laufflächen der Kolbenringe und letztlich auch die Kolbenschaftflächen werden dadurch in kürzester Zeit stark verschlissen oder fressen. Ölverbrauch und Leistungsverlust sind die Folge .

zu 3. Nachtropfende Einspritzdüsen:

Die Einspritzdüsen können durch Druckschwankungen nach Einspritzende nochmals öffnen. Diese Druckschwankungen können vom Druckventil der Einspritzpumpe, den Leitungen oder der Einspritzdüsen ausgehen. Um diese fehlerhafte Einspritzung zu verhindern, wird das System über das Druckventil der Einspritzpumpe um einen definierten Wert druckentlastet. Ist der Abspritzdruck der Einspritzdüsen zu niedrig eingestellt oder kann der Druck nicht zuverlässig gehalten werden (mechanische Einspritzdüsen), können die Einspritzdüsen trotz der Druckentlastung nach dem Einspritzende noch mehrmals kurz hintereinander öffnen. Undichte oder nachtropfende Einspritzdüsen verursachen ebenfalls eine unkontrollierte Kraftstoffeinbringung in den Brennraum. Der in beiden Fällen unkontrolliert eingespritzte Kraftstoff trifft durch den fehlenden Sauerstoff unverbrannt auf den Kolbenboden. Dort verbrennt der Kraftstoff mit recht hohen Temperaturen und heizt das Kolbenmaterial örtlich so stark auf, dass durch die Massenkraft und Erosion der Verbrennungsgase Teilchen des Kolbens aus der Oberfläche herausreißen können. Beträchtliche Materialabtragungen bzw. erosive Auswaschungen am Kolbenboden sind die Folge.