Kraftstoff kann man sich als ein Gemisch unterschiedlicher Flüssigkeiten vorstellen.
Vorab:
Die in diesem Zusammenhang verwendeten Begriffe „langsam“, „allmählich“, etc. sind relativ. Jeder der vier Takte spielt sich bei 7200 1/min in jeweils ca. 4 ms ab! In dieser Zeitspanne (in diesem Beitrag dem Arbeitstakt) wird das Gemisch gezündet, es baut sich Druck auf und schiebt den Kolben von OT nach UT.
In einem ordentlich funktionierenden Motor explodiert Kraftstoff nicht sondern er wird verbrannt. Deshalb heissen die Dinger auch „Verbrennungsmotoren“ und nicht „Explosionsmotoren“
Zur Information Anhaltswerte für Drücke und Temperaturen eines im Normalbetrieb befindlichen Otto-Saug-Motors:
Ansaug 0,8 - 0,9 bar; 100°
Verdichten 12 - 20 bar; bis ca. 500°C (Diesel 50; 900)
Arbeit bis ca. 75 bar; 2000 - 2500°C
Ausstoss 5 - 3 bar; bis ca. 900°C
Die Temperaturen sind punktuell betrachtet. So werden die 2500°C im Zentrum der Verbrennung erreicht, die Ansaugluft kühlt den Zylinder und wird dabei erwärmt.
Der Einfachheit halber in Anlehnung an Wikipedia >>:
Die Hauptbestandteile des Benzins sind vorwiegend Alkane, Alkene, Cycloalkane und aromatische Kohlenwasserstoffe mit 5 bis 11 Kohlenstoff-Atomen pro Molekül und einem Siedebereich zwischen 25 °C und ˜210 °C.
Kohlenwasserstoffe
Butan (ROZ ˜90)
Isopentan (ROZ ˜91)
Isohexangemische (ROZ ˜90)
Petrolether (C5–C6, kein Ether sondern ein Gemisch verschiedener gesättigter Kohlenwasserstoffe wie Pentan und Hexan, Siedebereich 25–65 °C, C5–C6, ROZ ˜72)
Isomerat (Siedebereich 25–65 °C, C5–C6, Gemisch verzweigtkettiger Pentane und Hexane, ROZ ˜80)
Leichtbenzin (Mischung von Kohlenwasserstoffen mit fünf bis sieben Kohlenstoffatomen, Siedebereich 25–80 °C, C5–C7, ROZ ˜70)
Reformatkomponenten (100–220 °C, C7–C11, ROZ ˜115)
Alkylat (C7–C8, Gemisch verschiedener Isoheptane und Isooktane , ROZ ˜95)
Polymer-Benzin (C8, Gemisch olefinischer d.h. ungesättigter Kohlenwasserstoffe, ROZ ˜100)
Schwere Komponenten (C7-C11) des Pyrolysebenzins (100–220 °C, C7–C11, ROZ ˜115)
CC-(Leicht-) Benzin ( ROZ ˜93)
Ether und Alkohole werden dem Roh-Benzin zugemischt. Die Ether bzw. das Ethanol erhöhen die Klopffestigkeit des fertigen Benzins. Sie stammen nicht aus der Raffinerieproduktion, sondern werden dem Benzin bei der Abmischung zugegeben:
MTBE (ROZ ˜119)
ETBE (hergestellt aus Bio-Ethanol, ROZ ˜120)
Ethanol (Bio, ROZ ˜104) sehr selten noch Methanol
Der Grundkraftstoff unterscheidet sich bei den verschiedenen Mineralölkonzernen nicht, er stammt häufig sogar aus derselben Raffinerie. Ihm wird, meist durch eine sogenannte „Endpunktdosierung“ direkt vor der Tankwagenverladung, ein Additivpaket beigemischt, das spezifisch für den jeweils belieferten Konzern ist. Zu diesen Additiven gehören Oxidationsinhibitoren, Korrosionsschutzmittel, Detergentien (Schutz vor Ablagerungen im Einspritzsystem), Farbstoffe und Vergaservereisungs-Inhibitoren.
<< Soweit Wikipedia
Ohne näher auf die genannten Bestandteile eingehen zu wollen, sieht man, dass die meisten davon ziemliche „Klingelwässer“ sind.
Auch die Siedepunkte der einzelnen Bestandteile sind recht unterschiedlich. Der Siedepunkt ist interessant weil hier die Flüssigkeit (auch Tröpfchen aus dem Einspritzventil sind Flüssigkeit!) in Gasform übergeht und nur gasförmige Stoffe so brennen wie man sich das wünscht. Anhand der obigen Daten kann man ableiten, dass gerade die „Klingelwässer“ bei niedrigen Temperaturen sieden während die hochoktanigen Komponenten sich da etwas „zieren“.
Einige Bestandteile zünden also sehr schlecht (oder erst bei hoher Temperatur), die anderen besser und bei eher niedriger Temperatur.
Der gesamte Vorgang ganz langsam:
In plakativen Bildern gesprochen beginnt es mit dem Ansaugtakt:
Das Einlassventil ist geschlossen, im Ansaugrohr bewegt sich nichts.
Das Einlassventil öffnet, der in Richtung KW gleitende Kolben beginnt anzusaugen, im Ansaugrohr setzt sich die Luft in Bewegung, es wird am oberen Rand des Ansaugrohres eingespritzt und der Sprühnebel aus Kraftstoff wird vom noch langsamen Luftstrom mitgenommen.
Das Kraftstoff / Luftgemisch wird bereits im Ansaugkanal warm, erste, leicht flüchtige Bestandteile verdampfen, es strömt durch das Einlassventil. Jetzt kühlt das Gemisch den heissen Zylinderinnenraum indem es Energie zum Verdampfen aufnimmt (Temperaturausgleich).
Das Einlassventil schliesst, der in Richtung OT gleitende Kolben verdichtet das Gas /Tröpfchen-Gemisch. Es wird deutlich wärmer und der Druck steigt. Zum einen behindert der Verdichtungsdruck das Vergasen der restlichen Tröpfchen, zum anderen wird es aber durch die steigende Temperatur begünstigt.
Die „Klingelwasseranteile“ werden ganz hibbelig und können kaum erwarten dass die Kerze funkt.
Zuerst der Zündvorgang in detaillierter Zeitlupe.
Phase 1 Die Kerze bekommt den Befehl "zünd’ an“ und beeilt sich dem Wunsch zu entsprechen
Phase 2 Der Kerzenfunke entzündet die ersten Gemischpartikel
Die leicht brennbaren Anteile beginnen abzufackeln. Druck und Temperatur, nun Kombinationen aus Verdichtung und beginnender Verbrennung, steigen weiter an. Die Flamme breitet sich kugelförmig aus bis sie den Kolbenboden erreicht. Danach wächst sie wie eine Scheibe bis zu den Zylinderwänden. Kurz vor der Flammfront verdampfen auch die hochsiedenden, schlechter entflammbaren Anteile und werden dann durch die bestehende Flamme entzündet.
Phase 3 „Allmählich“ brennt das gesamte Gas(!)gemisch. Nachdem die Verbrennung in einem geschlossenen Raum stattfindet steigt der Druck jetzt stark an und beginnt den Kolben in Richtung KW zu drücken.
Phase 4 Das gesamte Gemisch und verbrennt restlos, wenn genügend Sauerstoff vorhanden ist.
Bei zu wenig Sauerstoff (oder zu hohem Spritanteil) zündet das Gemisch schlechter, die Verbrennung unvollständig und es wird unverbrannter Sprit in den Auspuff geschoben (=sinnloser Verbrauch; Risiko der Nachverbrennung im Auspuff). Wenn es dumm geht verbleiben Ablagerungen (Russ) im Brennraum / auf den Kolben. Ein kleiner Nachteil wenn man den Brennraum mit reichlich Kraftstoff kühlt! Im Extrem können diese Ablagerungen nachglühen und das Gasgemisch bereits beim Verdichten entzünden (Klingeln).
Bei zu viel Sauerstoff zündet das Gemisch noch schlechter, doch wenn, dann ist die Verbrennung sehr heiss.
Anhaltspunkte für den Zündenergiebedarf: Normal 0,2mJ; Fett/mager 3mJ, also das fünfzehnfache!
Die Phasen 1-3 spielen sich in der Grössenordnung von 1 bis 2 Millisekunden ab. So lange dauert es bis das Gemisch "richtig" brennt.
Brenn- / Druckverlauf
Je „besser“ (hochoktaniger) der Sprit (Super plus; v-Power) desto zündUNwilliger ist er!
Kann gar nicht sein weil…, ist aber relativ leicht zu erklären.
Beim Mischen von „besseren“ Otto-Kraftstoffen (Super, SuperPlus, etc.) lässt man „einfach“ die übelsten Klingelwässer weg und gibt mehr von den Oktanlastigen zu! Natürlich ist es nicht ganz so „einfach“ doch sollte auch einmal die Situation der Mineralölkonzerne betrachtet werden. Beim Verarbeitungsprozess von Erdöl fallen diverse Kraftstoffbestandteile an. Alle Anteile, auch die Klingelwässer, müssen verkauft werden. Folglich ist es eine Preisfrage wenn man etwas nicht möchte was andererseits „weg“ muss, sich jedoch Bestandteile wünscht die eigentlich gar nicht enthalten sind. Einfaches Beispiel ist Diesel. Nachdem Diesel und Heizöl praktisch identisch sind, sind diese Produkte im Sommer tendenziell billiger weil der Heizölbedarf geringer ist. Wenn bei uns Sommer ist, dann ist doch auf der Südhalbkugel Winter? Diesen Gedanken hatte ich auch. Allerdings wohnt dort vergleichsweise niemand!
Unbetrachtet bleiben bei diesen Ausführungen die Energiegehalte der einzelnen Komponenten. Deutlich gesagt: Was nützt eine preisgünstige Komponente die beim Komprimieren ultrastabil bleibt, sich durch einen Funken willig entzünden lässt, abbrennt wie im Bilderbuch aber dabei kaum Energie freisetzt?
Wichtig sind ein paar Parameter
Bei welcher Temperatur /Druck entzündet sich das Gemisch von selbst?
Wie schnell brennt es ab (Brennverlauf)?
Welche Energie wird frei?
Daraus leitet sich ab wann das Gemisch zu zünden ist damit sich der Verbrennungsdruck so aufbaut um einerseits den Kolben optimal zu beschleunigen und andererseits weder im Verdichtungstakt Leistung zu verschenken und auch Klopfen / Klingeln zu vermeiden.
Klopfen/ Klingeln
Klingeln tritt auf wenn sich ein Gemisch von selbst entzündet und die Motorkonstruktion in’s Schwingen bringt.
Klopfen entsteht wenn sich das Gemisch an zwei Stellen des Brennraums entzündet (wie auch immer) und die Druckwellen aufeinandertreffen.
„Hochgeschwindigkeit“ bezieht sich nicht auf die Fahrgeschwindigkeit sondern auf das Tempo des Kolbens und letztlich auf die Drehzahl. „Hochdrehzahlklingeln“ klang wohl nicht so toll :-).
Folglich klingelt ein Motor im Leerlauf eher nicht. Wenn (scheinbar) doch, dann scheppert etwas Anderes.
(Link „Klingeln_Klopfen“)
Links:
Zündanlage Funktion
Zündwilligkeit, Verbrennung. Kraftstofftyp
Klingeln_Klopfen
4V1 Hallschrankenplatte (Zündimpulsgeber) R11x0xx justieren