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Verbrennungsstörungen 3/3

KS | Kolbenschmidt | Motorservice

Was sind Glühzündungen und wie entstehen sie? Was passiert, wenn man einen falschen Kolben einbaut? Welche Rolle spielt die Muldendurchmessung dabei? Was ist eine klopfende Verbrennung? Wie entsteht sie und welche Folgen hat sie? Dieser Beitrag gibt die Antworten.

Loch im Kolbenboden (Ottomotor)

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  • Kolbenboden mit durchgehendem Loch, bedeckt vom herausgeschmolzenen Material.
  • Schaftbereich zeigt Fressstellen. Grund: Hohe Temperaturen und heruntergeriebenes Kolbenmaterial.

Beurteilung

Schäden dieser Art werden durch Glühzündungen verursacht. Glühende Bauteile überschreiten die Selbstentzündungstemperatur des Gasgemisches im Verbrennungsraum. Dies sind vor allem die Zündkerze, das Auslassventil undVerbrennungsrückstände im Brennraum. Das Gemisch entzündet sich dabei noch vor der eigentlichen Entzündung durch die Zündkerze. Folglich wirkt die Flamme, im Gegensatz zum normalen Verbrennungsablauf, länger auf den Kolbenboden ein.

Der Kolbenboden heizt sich durch Glühzündungen rasch stark auf, folglich wird das Material teigig. Die Massenkraft bei den Hubbewegungen des Kolbens und die schnell strömenden Verbrennungsgase tragen das weich gewordene Material ab. So drückt der Verbrennungsdruck die noch verbleibende Wandstärke des Kolbenbodens nach innen durch. In vielen Fällen treten keine Fresser auf.

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HINWEIS

Eine so schnelle örtliche Aufheizung des Kolbenbodens ist nur durch Glühzündungen möglich.

Mögliche Ursachen

  • Zündkerzen mit zu niedrigem Wärmewert.
  • Zu mageres Gemisch und dadurch erhöhte Verbrennungstemperaturen.
  • Beschädigte, undichte Ventile oder ein zu kleines Ventilspiel. Die Ventile schließen dadurch nicht korrekt. Durch die vorbeiströmenden Verbrennungsgase heizen sich die Ventile stark auf und kommen ins Glühen. Primär sind die Auslassventile betroffen, da die Einlassventile von den Frischgasen gekühlt werden.
  • Glühende Verbrennungsrückstände und Ölkohleablagerungen im Verbrennungsraum.
  • Falsches Einbaumaß der Injektoren (fehlende oder doppelt eingebaute Dichtringe).
  • Ungeeigneter Kraftstoff mit zu niedriger Oktanzahl. Die Kraftstoffqualität muss dem Verdichtungsverhältnis des Motors entsprechen, d. h. der Oktanwert des Kraftstoffs ,muss den Oktanbedarf des Motors in allen Betriebszuständen abdecken.
  • Dieselkraftstoff im Benzin und dadurch eine Herabsetzung der Oktanzahl des Kraftstoffs.
  • Hohe Motor- oder Ansauglufttemperatur durch ungenügende ,Motorraumbelüftung.
  • Allgemeine Überhitzung des Motors.

Kolbenkopffresser durch falsche Kolben (Dieselmotor)

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  • Örtlich begrenzte Fressriefen am Kolbenkopf, verteilt über den gesamten Kolbenumfang.
  • Fressriefen verlaufen vom Kolbenboden bis zum zweiten Verdichtungsring.
  • Schwerpunkt der Fressriefen am Feuersteg.

Beurteilung

Dieser Schaden resultiert aus Verbrennungsstörungen. Der Fehler ist jedoch nicht im Einspritzsystem zu finden, sondern wurde durch die Verwendung eines falschen Kolbens verursacht. Motoren werden entsprechend den gesetzlich vorgeschriebenen Abgasnormen konstruiert. Häufig unterscheiden sich die Kolben der jeweiligen Abgasnorm optisch kaum voneinander. In vorliegenden Schadensfall kamen innerhalb derselben Motorbaureihe, für unterschiedliche Abgasnormen, Kolben mit unterschiedlichem Muldendurchmesser zum Einsatz. Der Kolben der Abgasnorm Euro 1 (Muldendurchmesser: 77 mm) wurde bei einer Motorreparatur ersetzt durch einen Kolben der Abgasnorm Euro 2 (Muldendurchmesser: 75 mm).

Durch den kleineren Muldendurchmesser traf die Einspritzdüse nicht mehr ausschließlich in die Mulde, sondern auch auf den Muldenrand. An den Auftreffstellen erhitzte sich der Muldenrand bzw. das Kolbenmaterial und dehnte sich verstärkt aus. Das Resultat sind örtlich begrenzte Fressstellen.

Werden Kolben verwendet, die nicht für den Motortyp und die Abgasnorm vorgesehen sind, können schwere Verbrennungsstörungen mit unabsehbaren Folgeschäden entstehen. Weniger erhebliche Begleiterscheinungen sind die nicht erreichten Abgaswerte, Leistungsdefizite und ein erhöhter Kraftstoffverbrauch.

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Mögliche Ursachen

  • Kolben mit falscher Muldenform, -tiefe oder -durchmesser.
  • Abweichende Kolbenmaße (z. B. Kompressionshöhe).
  • Kolben falscher Bauart. Es darf z. B. kein Kolben ohne Kühlkanal verwendet werden, wenn vom Motorenhersteller für einen bestimmten Zweck ein Kühlkanal vorgesehen ist.
  • Verwendung von falschen oder für den Einsatzzweck ungeeigneten Bauteilen (Einspritzdüsen oder -pumpen, Zylinderkopfdichtungen oder sonstige gemisch- oder verbrennungsbeeinflussende Bauteile).

Erosion am Feuersteg und auf dem Kolbenboden (Ottomotor)

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Erosionsartige Abtragungen am Feuersteg (Abb. 2) oder Kolbenbodenoberfläche (Abb. 3).

Beurteilung

Erosionsartige Materialabtragungen am Feuersteg und auf dem Kolbenboden sind immer eine Folge einer länger anhaltenden klopfenden Verbrennung mittlerer Stärke. Hierbei breiten sich Druckwellen im Zylinder aus und laufen zwischen Feuersteg und Zylinderwand bis zum ersten Verdichtungsring hinunter. Am Umkehrpunkt der Druckwelle werden durch die kinetische Energie kleinste Partikel aus der Kolbenoberfläche herausgerissen.

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Abb. 1
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Abb. 2
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Abb. 3

Mögliche Ursachen

  • Unzureichend klopffester Kraftstoff. Die Kraftstoffqualität muss dem Verdichtungsverhältnis des Motors entsprechen, d. h. die Oktanzahl des Kraftstoffs muss den Oktanbedarf des Motors in allen Betriebszuständen abdecken.
  • Verunreinigung von Benzin durch Dieselkraftstoff. Ursache: Falsche Betankung oder wechselweise Verwendung von Tanks oder Kanistern für beide Kraftstoffarten. Bereits kleinste Dieselbeimengungen bewirken eine starke Herabsetzung der Oktanzahl des Benzins.
  • Hohe Mengen an Öl im Verbrennungsraum, durch z. B. verschlissene Kolbenringe, Ventilführungen und Abgasturbolader. Sie reduzieren die Klopffestigkeit des Kraftstoffs.
  • Zu hohes Verdichtungsverhältnis. Ursache: Verbrennungsrückstände auf den Kolbenböden und dem Zylinderkopf bzw. übermäßiges Abschleifen der Block- und Zylinderkopfoberfläche bei Motorenüberholung oder zu Tuningzwecken.
  • Zu früher Zündzeitpunkt.
  • Zu mageres Gemisch und dadurch erhöhte Verbrennungstemperaturen.
  • Zu hohe Ansauglufttemperaturen. Ursachen: Ungenügende Motorraumbelüftung oder Auspuffrückstau, nicht rechtzeitiges Umschalten der Ansaugluftklappe auf Sommerbetrieb bzw. eine defekte Umschaltautomatik (speziell bei älteren Vergasermotoren).
  • Ausfall der Klopfregelung.
  • Modifikation der Software des Steuergeräts.

HINWEIS

Moderne Motoren sind mit Systemen ausgerüstet die eine klopfende Verbrennung erkennen. Diese Klopfregelung steuert durch eine Adaption des Zündzeitpunkts klopfenden Verbrennungen entgegen. Die Klopfregelung kann jedoch erst dann eingreifen, wenn es bereits zu einer klopfenden Verbrennung gekommen ist. Schäden sind trotz funktionierender Klopfregelung nicht ausgeschlossen, wenn:

  • der Regelbereich des Motorsteuergeräts nicht mehr ausreicht
  • oder die Klopfgrenze ständig erreicht wird.

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