Verdichtungsverhältnis

Als Verdichtungsverhältnis bezeichnet man (vor allem im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren) das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung (Gesamtvolumen) zum verbliebenen Raum nach der Verdichtung (Restvolumen):

mit

  • = Hubraum (Hubvolumen = Kolbenhub · Kolbenquerschnittsfläche)
  • = Kompressionsraum (Restvolumen)
  • Verbrennungsraum (Gesamtvolumen).

Das Verdichtungsverhältnis darf nicht mit dem Druckverhältnis ( Umgebungsdruck zu Kompressionsdruck) verwechselt werden. Da mit der Kompression auch die Temperatur steigt, bedeutet ein Verdichtungsverhältnis von z. B. 10:1, dass der Druck der eingebrachten Luft auf mehr als das Zehnfache steigt.

Bei Motoren mit Atkinson- oder Miller-Kreisprozess kann nicht der (maximale) Zylinderraum als Berechnungsbasis herangezogen werden.

GeschichteBearbeiten

Das Verdichtungsverhältnis wurde im Laufe der Entwicklung von Verbrennungsmotoren immer weiter gesteigert. So betrug es beim Mercedes-Knight (1910–1916) anfangs nur 4:1. Im Jahr 1912 wurde es auf 4,6:1 und 1916 auf 5:1 erhöht. 1928 lag es beim Modell 27/170/225 PS bei 6,2:1. Beim Typ SSKL (1929–1932) erreichte man 7:1.

Bei den Motoren M116/M117, die ebenfalls von Mercedes-Benz stammen, lag es bis zum Herbst 1987 bei 9:1. Danach wurde eine elektronische Klopfregelung eingeführt und man erreichte 10:1. Bei aktuellen Motoren wie beispielsweise dem 4,2-l-V8-FSI von Audi ist die Verdichtung 12,5:1.

Die allmähliche Steigerung der Verdichtung lag lange vor allem an der Kraftstoffrezeptur. Heute sind Oktanzahlen bis 102 ROZ an der Tankstelle verfügbar. Ältere Motoren haben tendenziell niedrigere Anforderungen an die Kraftstoffqualität, da die Kraftstoffqualität noch nicht so hoch war, als sie entwickelt wurden. Auch die Gestalt des Brennraums und des Ansaugtrakts trägt zum Oktanzahlbedarf bei. Harry Ricardo erforschte in den 1920er Jahren den Verbrennungsablauf in Motoren und entwickelte den Ricardo-Kopf, bei dem der Kolben im oberen Totpunkt einen Teil des Zylinderkopfes fast berührt, um die Oberfläche des Brennraums zu verringern.

Ottomotoren mit für ihre Produktionszeit ungewöhnlich hoher Verdichtung sind etwa der „Mitteldruck-Motor“ des Audi F 103 von 1965 mit einer Verdichtung von 11,2:1 und der 1,3-l-Motor mit 55 kW des VW Polo von 1982 mit einer Verdichtung von 11:1, der 98-ROZ-Benzin benötigt. Gemeinsam sind diesen Motoren kompakte Brennräume mit Quetschkanten, beim Audi im Kolben (Heron-Brennraum) und Ansaugkanäle, die der Strömung auf Kosten einer geringeren Füllung einen Drall mitgeben.

Aufgeladene Motoren sind in der Regel niedriger verdichtet Ein Beispiel ist der Mehrfachsternmotor R-2600 von Curtiss-Wright, der nur mit 6,9:1 verdichtet ist und Flugbenzin mit 100 Oktan benötigt. Er ist mit einem Radialkompressor aufgeladen. Auch die turbogeladenen Motoren des BMW 2002 turbo und des Porsche 930 haben mit 6,9:1 und 6,5:1 geringe Verdichtungsverhältnisse.

Ein weiterer Faktor für heutige hohe Verdichtungsverhältnisse ist die Direkteinspritzung, sowie die Verwendung von Klopfsensoren. Der Zeitpunkt und die Menge der Treibstoffzugabe wird hier exakt gesteuert, womit eine vorzeitige Zündung – und somit ein Klopfen – stets verhindert werden kann.

TechnikBearbeiten

Das Verdichtungsverhältnis eines nicht aufgeladenen Ottomotors bei Kraftfahrzeugen liegt heute bei 10:1 bis 14:1. Auf Zuverlässigkeit und geringe Belastung optimierte Flugmotoren, die mit AVGAS betrieben werden, laufen oft mit nur 7:1. Sportmotoren mit hoher spezifischer Leistung nutzen Verdichtungen bis 15:1, bei Serien-Motorrädern werden Verdichtungen bis 13:1 eingesetzt.[1] Der maximale Verdichtungsdruck liegt treibstoffbedingt bei 25 bis 30 Bar.

Bei Dieselmotoren ohne Aufladung liegt die Verdichtung bei etwa 19:1 bis 23:1. Große aufgeladene Dieselmotoren sind niedriger verdichtet, etwa 14:1 bis 16:1. Der maximale Verdichtungsdruck liegt treibstoffbedingt bei 50 bis 60 Bar.

Bei höherem Verdichtungsverhältnis (genauer: Expansionsverhältnis) ist auch der thermische Wirkungsgrad höher, aber die Zunahme wird bei höherer Verdichtung geringer und bei sehr hoher Verdichtung durch den dann schlechteren mechanischen Wirkungsgrad kompensiert. Beim idealen Otto-Kreisprozess ergibt sich der Wirkungsgrad   mit der Verdichtung   und dem Adiabatenexponenten   (kann für Luft beim Verdichten zu 1,4 und für Brenngas beim Expandieren zu 1,3 angenommen werden) zu:
 

Beim Ottomotor nimmt allerdings auch die Klopfneigung (frühzeitiges Verbrennen) zu. Im Betrieb kann Klopfen durch Benzin mit höherer Oktanzahl und durch Verstellen der Zündung nach spät verhindert werden. Moderne Motoren habe Klopfsensoren, die die Vibrationen bei aufkommendem Klopfen erkennen und dem Steuerungsrechner signalisieren, der dann den Zündzeitpunkt etwas in Richtung spät verschiebt.

Konstruktiv kann die Klopfneigung über die Brennraumform beeinflusst werden. Klopfmindernd wirken unter anderem auch Doppelzündung und die Direkteinspritzung, die die Verdichtungsendtemperatur des Frischgases und durch nachträgliche Einspritzung und Verbrennung die Maximaltemperatur senkt.

Erhöhung der VerdichtungBearbeiten

Mit der Dicke der Zylinderkopfdichtung kann in geringem Maße Einfluss auf das Verdichtungsverhältnis genommen werden. Weiterhin wird bei dem im Rahmen einer Überholung notwendigen Planschleifen des Zylinderkopfes teilweise mehr Material abgenommen, um die Verdichtung und damit die Leistung und den Wirkungsgrad geringfügig zu erhöhen.

Bei erhöhter Verdichtung ist gegebenenfalls der Zündzeitpunkt zu korrigieren, da das Gemisch im kleineren Verdichtungsraum erst später gezündet werden kann, um Klopfen zu vermeiden.

Siehe auchBearbeiten

LiteraturBearbeiten

  • Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor. Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2005, ISBN 3-528-23933-6.

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. motorradonline.de: Technische Daten - Motorradtests - Ducati Streetfighter 848

WeblinksBearbeiten