Sicherlich hast du den Begriff Motorklopfen oder Klingeln schon mal gehört und weißt, dass es sich dabei um ungewollte Selbstentzündung bei Ottomotoren handelt. Doch was bedeutet das genau, und welche Ursachen können zum Klopfen führen?
Die Verbrennung wird durch den Zündfunken der Zündkerze gestartet, und eine Flammenfront breitet sich aus. Dadurch entsteht ein gleichmäßiger Druckanstieg im Brennraum. Beim Klopfen kommt es dagegen durch Hotspots im unverbrannten Gemisch vor der Flammenfront (dem sogenannten Endgas) zu zusätzlichen Selbstzündungen. Das sind zusätzliche, viel zu ruckartige Verbrennungen, fast wie kleine Explosionen. Sie lassen den Druck ungewollt und schlagartig ansteigen, und das hört man oft als Klopfen oder Klingeln.
Was sind die Ursachen fürs Klopfen?
Einfach gesagt: Wenn Druck und Temperatur im Endgas vor der Flammenfront zu hoch werden, steigt das Risiko zu klopfen.
Das kann passieren bei:
- Zu frühem Zündwinkel: Wird das Gemisch früher gezündet, wird es noch beim Hochfahren des Kolbens zusätzlich komprimiert, und Druck und Temperatur im Endgas steigen.
- Zu niedriger Oktanzahl: Der Kraftstoff ist weniger klopffest und zündet früher von selbst.
- Hohem Verdichtungsverhältnis und Aufladung: Mehr Druck und Temperatur im Endgas.
- Hoher Ansaugtemperatur (heiße Luft, schwacher Ladeluftkühler): Das Gemisch startet schon heißer.
- Zu magerem Gemisch: Es brennt heißer, außerdem kann die Zusammensetzung örtlich schwanken.
- Überhitzung oder schlechter Kühlung: Hohe Wand- und Kopftemperaturen heizen das Endgas auf.
Verwandt mit dem Klopfen ist die Glüh- bzw. Frühzündung.
Dabei wird das Gemisch schon vor dem Zündfunken an einer heißen Stelle gezündet. Das wirkt ähnlich wie ein viel zu früher Zündwinkel und kann anschließend auch Klopfen auslösen.
Das kann passieren bei:
- Verkokung, Ablagerungen: Sie verringern das Brennraumvolumen und erhöhen damit das Verdichtungsverhältnis. Zudem isolieren sie, werden heiß und können glühen.
- Falschem Wärmewert der Zündkerze: Eine überhitzte Kerze kann als Glühkerze wirken.
- Heißen Auslassventilen und scharfen Kanten: Sie können Hotspots bilden.
- Öltröpfchen und Partikeln (besonders bei aufgeladenen Direkteinspritzern): Sie lösen die Frühzündung bei niedriger Drehzahl aus (Low-Speed Pre-Ignition, kurz LSPI).
Und in der Praxis?
Nach unserer Erfahrung kommen Glühzündungen eher selten vor. Klassische Glühzündungen durch Ablagerungen und Verkokungen sehen wir meist nur bei Fahrzeugen mit sehr hoher Laufleistung und schlechtem Wartungszustand. Die LSPI bei aufgeladenen Direkteinspritzern erleben wir hin und wieder, aber auch sie ist in der Praxis kein Dauerthema. Frisches, vom Hersteller freigegebenes Öl kann dabei helfen.
Die Zündkerzen sollte man im Auge behalten und ihre Wirkung nicht unterschätzen.
Die stärksten Einflüsse haben Kraftstoff, Zündwinkel, Druck und Temperatur. Dabei halten die meisten Motoren genug „Reserven“ bereit, auch wenn es hier Unterschiede zwischen den Herstellern gibt.
Das Motorsteuergerät regelt das schon!
Das Tolle ist, dass das Motorsteuergerät dank der Klopfsensoren das Klopfen erkennt und den Zündwinkel des betroffenen Zylinders zügig Richtung OT zurücknimmt, um das Klopfen zu beseitigen. Sobald es kein Klopfen mehr erkennt, führt es den Zündwinkel nach einer Weile wieder an den Originalwert aus dem Kennfeld heran, z. B. 7° vor OT.
Das Blöde dabei: Es kommt zuerst zu einem Klopfen, denn die Regelung reagiert erst, wenn es schon passiert ist. Daher empfehlen wir, den Zündwinkel so zu bedaten, dass er etwas unter der Klopfgrenze liegt. So bleibt Toleranz für schwankende Kraftstoffqualität oder hohe Temperaturen.
Außerdem kann es passieren, dass ein Zylinder, der stärker klopft als die anderen, eine andere Kraft entwickelt als die restlichen. Das kann sich in einem raueren, unruhigeren Motorlauf bemerkbar machen. Oft greift aber auch hier das Motorsteuergerät ein und reduziert den Effekt.
Und jetzt zum Tuning
Nun die gute Nachricht: Wegen der Reserven klopfen die meisten Motoren nicht sofort, und man kann meist noch mehr Ladedruck und einen früheren Zündwinkel fahren. An der Zündwinkelrücknahme des Steuergeräts erkennt man gut, ob Klopfen auftritt. Beim Abstimmen haben wir im Endeffekt Einfluss auf Druck, Zündwinkel und bedingt auf die Temperatur.
Dazu kommt natürlich der getankte Kraftstoff, der einen sehr großen Einfluss auf die Klopffestigkeit hat. Wir empfehlen, mindestens Super Plus (98 Oktan) zu tanken. Noch besser ist natürlich das besonders gute Zeug mit 100 bis 102 Oktan z.B. Aral Ultimate oder sogar E85 mit etwa 104 bis 105 Oktan (ROZ, Research-Oktanzahl).
Nun kann man beim Abstimmen den Ladedruck erhöhen und den Zündwinkel früher setzen, um mehr Leistung zu erreichen. Dabei muss man darauf achten, dass man die Klopfgrenze nicht überschreitet. Mit einem Upgrade-Ladeluftkühler lassen sich die Ansaugtemperatur und damit auch die Gemischtemperatur senken. Eine sehr sinnvolle Investition. Auch zusätzlich eingespritzter Kraftstoff kühlt das Gemisch ab, man darf es hier aber nicht übertreiben.
Glüh- bzw. Frühzündung erkennen
Wie oben beschrieben, entsteht sie unter anderem durch Verkokungen und Ablagerungen. Aber wie erkennt man sie? Na ja, das ist nicht immer so einfach. Hat man den Zündwinkel bei einem bestimmten Ladedruck schon stark reduziert, bis nahe OT oder sogar auf OT, wo eigentlich kein Klopfen mehr auftreten darf, und es wird trotzdem Klopfen erkannt, ist das ein deutlicher Hinweis auf Verkokungen oder andere Hotspots. Vorher sollte man aber andere Ursachen ausschließen, etwa schlechten Kraftstoff, zu heiße Ansaugluft, ein zu mageres Gemisch oder eine Fehlauslösung der Klopferkennung.
Um das einzuschätzen, braucht man auch etwas Erfahrung, bei welchem Ladedruck, mit welchem Kraftstoff und welchem Zündwinkel ein Motor normalerweise klopft. Auch Wartungszustand und Laufleistung spielen eine Rolle. Wenn man Verkokungen und Ablagerungen vermutet, ist die klare Empfehlung, den Motor prüfen zu lassen und sie gegebenenfalls entfernen zu lassen.
Klingelstreich
Es gibt auch den umgekehrten Fall: Das Steuergerät hört Klopfen, obwohl der Motor gar nicht klopft. Der Klopfsensor sitzt am Motorblock und erkennt Klopfen an den Schwingungen, die er dort misst. Er kann aber nicht unterscheiden, woher sie kommen. Werden mechanische Schwingungen auf den Motorblock übertragen, kann das Steuergerät sie als Klopfen werten und nimmt den Zündwinkel zurück, obwohl in Wirklichkeit gar nichts klopft.
Das passiert selten und eher bei umgebauten Motoren, wenn Bauteile ungewollt am Motorblock anliegen und starke Vibrationen übertragen. Auch eine zu empfindlich eingestellte Klopferkennung oder ein defekter Klopfsensor können dazu führen.
Beispiel aus unserer Praxis
Ein Kunde wollte eine Abstimmung für Super-Benzin mit 95 ROZ, das vom Hersteller auch für sein Fahrzeug freigegeben ist. Schon bei der Eingangsmessung mit der originalen Software konnten wir eine deutliche Zündwinkelrücknahme von 7° durch das Steuergerät sehen. Daran erkennt man, dass der Motor klopft.
Trotz unserem Hinweis das er Super-Plus mit 98 ROZ tanken soll wollte er eine Optimierung für 95ROZ. Da war dann das primäre Ziel das Klopfen zu beseitigen bzw. zu minimieren, deshalb haben wir den Ladedruck erhöht und gleichzeitig den originalen Zündwinkel reduziert, bis das Steuergerät keine Zündwinkelrücknahme mehr gemacht hat. Dadurch konnten wir die Leistung steigern und sogar für einen ruhigeren Motorlauf sorgen. Wichtig dabei: Je weiter man den Zündwinkel vom Optimum in Richtung OT zurücknimmt, desto deutlicher verliert der Motor an Leistung. Die Rücknahme hilft also gegen Klopfen, geht aber zulasten der Leistungsausbeute.
Hier muss man aber ganz klar sagen: Mit besserem Kraftstoff lässt sich die Klopfgrenze anheben und ein früherer Zündwinkel fahren. Schockierend war, dass die Originalsoftware mit dem freigegebenen Kraftstoff schon so früh geklopft hat, dass das Steuergerät den Zündwinkel deutlich zurücknehmen musste. Das ist aber nicht die Regel.
Fazit
- In der Regel tritt Klopfen bei Serienmotor und Originalsoftware nur selten auf, meist bei schlechtem Kraftstoff oder sehr hohen Außentemperaturen.
- Glüh- bzw. Frühzündungen sind eher selten und kommen vor allem bei Fahrzeugen mit hoher Laufleistung und starken Verkokungen und Ablagerungen vor.
- Das Motorsteuergerät erkennt Klopfen und nimmt den Zündwinkel zurück, um es zu beseitigen.
- Kraftstoff mit höherer Oktanzahl senkt das Klopfrisiko deutlich.
- Beim Tuning sollte man nicht zu nah an die Klopfgrenze gehen, um unnötiges Klopfen zu vermeiden, auch wenn das Steuergerät bei Klopfen den Zündwinkel reduziert.
Selbst ausprobieren
Wie sich der Zündwinkel aufs Klopfen auswirkt, kannst du in unserer interaktiven Animation selbst testen.
Stell den Zündzeitpunkt zwischen 0° und 30° vor OT ein und schau zu, wie sich Flammenfront, Hotspots im Endgas und Druckverlauf verändern. Bei später Zündung brennt alles gleichmäßig, aber mit Leistungsverlust. Je früher du zündest, desto heißer wird das Endgas, bis es an einem oder mehreren Hotspots von selbst zündet und der Druck schwingt. Ein Hinweis noch: Die Animation ist ein vereinfachtes Modell, das das Prinzip zeigt und keine Messwerte eines realen Motors.