Verdichtungsverhältnis: Welchen Einfluss hat es auf den Motor?
Das Verdichtungsverhältnis ist eine der grundlegenden Kenngrößen eines Kolbenverbrennungsmotors und gibt das Zylindervolumenverhältnis zwischen dem Kolben im unteren und dem Kolben im oberen Totpunkt an.
Das Verdichtungsverhältnis ist somit das Verhältnis des gesamten Arbeitsvolumens des Zylinders zum Volumen des Verdichtungsraums. Mit anderen Worten, das Verhältnis zwischen dem Volumen des in den Zylinder gesaugten Gemischs und dem Volumen des im Zylinder komprimierten Gemischs.
Inhalt
Berechnung des Kompressionsverhältnisses
Die Berechnung des Verdichtungsverhältnisses unterscheidet sich für einen Hubkolbenmotor und einen Rotationskolbenmotor.
Berechnung des Verdichtungsverhältnisses für einen Motor mit geradliniger Hubkolbenbewegung:
εk = (VK + VZ) : VK
Erklärung der Variablen:
- εk – Kompressionsverhältnis
- VK – Kompressionsraum/Volumen
- VZ – Hubvolumen
Der Kolben im Zylinder führt die hin- und hergehende Bewegung aus. Während die Position, die am weitesten von der Kurbelwelle entfernt ist, als oberer Totpunkt bezeichnet wird, wird die Position, die am weitesten von der Kurbelwelle entfernt ist, als unterer Totpunkt bezeichnet.
Schlagvolumen: Was ist das und was bestimmt es?
Der Raum zwischen dem unteren und oberen Totpunkt wird als Hubvolumen bezeichnet. Das Hubvolumen hängt vom Bohrungsdurchmesser des Zylinders und vom Kolbenhub ab. Der Raum im Zylinder, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet, wird Kompressionsraum genannt.
Berechnung des Verdichtungsverhältnisses für einen Rotationskolbenmotor:
Bei diesen Motoren ist das Verdichtungsverhältnis definiert als das Verhältnis des größten und kleinsten Volumens des Arbeitsraums während der Kolbenumdrehung.
εk = V1 : V2
Erklärung der Variablen:
- εk – Komprimierungsverhältnis
- V1 – das größte Volumen des Arbeitsbereichs
- V2 – das kleinste Volumen des Arbeitsbereichs
Wie wirkt sich das Verdichtungsverhältnis auf den Motor aus?
Bei einem klassischen Kolbenverbrennungsmotor ist das Verdichtungsverhältnis konstant und stellt immer einen Kompromiss zwischen verschiedenen Fahrmodi dar. Allerdings können einige Motoren das Verdichtungsverhältnis je nach Last stufenlos ändern.
Ein solcher Motor kann somit bei geringer Last mit einem großen Verdichtungsverhältnis und bei hoher Last umgekehrt mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis arbeiten.
Bei hohen Belastungen empfiehlt es sich, das Verdichtungsverhältnis niedrig zu halten und so Detonationen zu vermeiden. Bei geringer Last sollte er für einen bestmöglichen Motorwirkungsgrad höher sein. Je größer das Verdichtungsverhältnis, desto stärker ist die Verdichtung des Gemisches vor der Zündung.
Motorleistung und Drehmoment: Welcher dieser Parameter ist wichtiger?
Das Kompressionsverhältnis beeinflusst grundsätzlich:
- Der erreichbare Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors und damit auch dessen Leistung und Drehmoment
- Motoremissionen
- Kraftstoffverbrauch
Nachteile eines erhöhten Kompressionsverhältnisses:
- Insbesondere bei Benzinmotoren kann es zu einer vorzeitigen Selbstentzündung des Kraftstoffs (Detonationsverbrennung) kommen.
- Motorteile verschleißen mit der Zeit stärker als bei einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis, daher muss ein solcher Motor mit langlebigeren Teilen ausgestattet sein wesentlich teurer (Keramik- und Titanteile)
Kompressionsdruckmessung
Die Messung des Zylinderkompressionsdrucks ist eine Methode, die genaue Informationen über den Zustand des Motors liefert. Der Kompressionsdruck wird mit einem Kompressionsmessgerät gemessen. Vor der Messung des Kompressionsdrucks wird der Motor auf Betriebstemperatur erwärmt, um das Spiel zwischen Kolben und Zylinder zu bestimmen.
Motorkolben: Wie funktionieren sie?
Der Kompressionsmesser wird anstelle der Zündkerze in den Zylinderkopf eingeschraubt. Anschließend wird der Motor bei vollständig geöffnetem Gashebel (Fahrpedal vollständig durchgetreten) mit dem Anlasser hochgedreht. Der Kompressionsdruck wird auf der Nadel des Kompressionsmessers angezeigt, der den höchsten erreichten Druck aufzeichnet.
Der Kompressionsdruck ist der maximal erreichbare Druck am Ende des Kompressionstakts des Motors, wenn das Gemisch noch nicht verbrennt. Die Größe des Kompressionsdrucks hängt vom Verdichtungsverhältnis, der Motordrehzahl, dem Füllungsgrad der Zylinder und der Dichtheit des Brennraums ab. Alle diese Parameter, bis auf die Dichtheit des Brennraums, bleiben unverändert und werden durch die Motorkonstruktion bestimmt.
Sollte bei der Messung festgestellt werden, dass einer der Zylinder den vom Hersteller angegebenen Wert nicht erreicht, deutet dies auf eine Undichtigkeit im Brennraum hin. Entscheidend ist auch, dass der Kompressionsdruck aller Zylinder gleich ist.
Was verursacht niedrigere Kompressionsdrücke?
- verschlissener oder beschädigter Kolbenring
- verschlissener Motorzylinder
- beschädigter oder gerissener Zylinderkopf
- beschädigte Dichtung unter dem Zylinderkopf
- beschädigtes Ventil
- beschädigte Ventilfeder
- verschlissener Ventilsitz
Bei in Ordnung befindlichen Brennräumen beträgt der maximale Unterschied der Kompressionsdrücke an den einzelnen Zylindern bis zu 1 bar (0,1 MPa). Der Kompressionsdruck liegt bei Benzinmotoren zwischen 1,0 und 1,2 MPa und bei Dieselmotoren zwischen 3,0 und 3,5 MPa.
Was sind die normalen Werte für das Verdichtungsverhältnis eines Motors?
Um eine Detonation (vorzeitige Selbstentzündung des Kraftstoffs) zu verhindern, beträgt das Verdichtungsverhältnis bei Ottomotoren nicht mehr als 10:1. Allerdings können Motoren mit einem Klopfverbrennungssensor, einem elektronischen Steuergerät und anderen Geräten ein Verdichtungsverhältnis von bis zu 14:1 erreichen.
Motorklopfen: Was ist das und wie kann man es verhindern?
Bei aufgeladenen Ottomotoren beträgt das Verdichtungsverhältnis etwa 8,5:1, da ein Teil der Verdichtung des Arbeitsstoffes im Turbolader erfolgt. Dieselmotoren haben ein Verdichtungsverhältnis von 20:1 oder sogar höher, da sie auf dem Prinzip basieren, dass sich der eingespritzte Kraftstoff durch die Verdichtungswärme entzündet.
Aus diesem Grund muss das Verdichtungsverhältnis bei Dieselmotoren höher sein als bei Benzinmotoren. Die Belastung durch die Drücke im Motorzylinder begrenzt das Verdichtungsverhältnis des Dieselmotors.